盐浸—干湿循环作用后混凝土耐久性对比试验研究

宿晓萍，王 清

（1.长春工程学院土木工程学院，长春130012；2.吉林大学建设工程学院，长春130026）

0 引言

干湿交替作用是影响混凝土耐久性的重要因素，因此，混凝土在干湿循环作用下的性能是研究混凝土耐久性不可忽视的一个重要方面。处于干湿循环环境中的混凝土（如水位变化区的桥梁桥墩，不断提起放下的闸门等），会长期受到干湿交替作用而发生破坏；若同时受到盐的腐蚀，其破坏程度要比处于持久湿环境或干湿交替作用的混凝土更加严重。

吉林省西部地区地处松嫩平原的中南部，辽河平原的北端，是我国土地盐碱化最为严重的地区之一。盐渍土主要分布在通榆、大安、前郭、镇赉、长岭和乾安等地区。其中，吉林省大安市是松嫩平原土壤盐渍化最严重的县市之一，其境内盐碱化土地面积已达2.878×109m2，占该市土地总面积的59.0%，其中重度盐碱化土地为2.138×109m2［1］。该区内的盐渍土属于内陆苏打盐渍型，盐分组成中以苏打（Na2CO3）和小苏打（NaHCO3）为主，含有少量硫酸盐和氯化物［2－4］。由于土壤在苏打盐化过程中伴随发生碱化过程，所以苏打盐渍土兼有不同程度的盐化和碱化特征［5］。而且，从化学特征看，地下水的组成中占主导地位的离子变化趋势与土壤是一致的［5］。吉林大学博士生张静曾对吉林省大安和镇赉2个盐渍土分布区进行了春、夏、秋3个季节的土样分析，采用滴定法和火焰光度计对土样中易溶盐的成分进行了分析测定，本文选用了其中大安地区春季土样易溶盐含量的测定结果，如表1所示［6］。

为了研究内陆苏打盐渍土环境下混凝土在经复合盐浸—干湿循环交替作用后的耐久性，本文根据表1大安春季土中易溶盐含量的实测结果，按照取样深度30cm处土中离子Na＋、SO2－4、Cl－、HCO－3的含量配制了复合盐侵蚀溶液，作为侵蚀溶液的基准质量分数；考虑对比与试验速度，又分别配制了3倍、5倍、10倍于基准质量分数的复合盐侵蚀溶液及清水（见表2）；并制备基准混凝土、不同含气量、不同粉煤灰掺量的混凝土试件，进行复合盐浸—干湿循环试验。试验结果表明：经复合盐浸—干湿循环作用后，混凝土的动弹性模量开始有所增长，当达到一定循环次数后，均呈下降趋势，而且复合盐侵蚀溶液的质量分数越高，混凝土的动弹性模量下降得越快，混凝土破坏得越严重。在干湿循环条件下，内陆苏打盐渍土中的复合盐对混凝土材料有较强的腐蚀性，而且多种盐共同侵蚀的叠加效应更加剧了混凝土的腐蚀破坏。为了比较复合盐中各种易溶盐的侵蚀程度与破坏特征，根据复合盐浸—干湿循环试验中含量较高的易溶盐分别配置了3种单盐侵蚀溶液与清水，进行单盐—干湿循环作用后混凝土耐久性对比试验研究。

表1 大安（春）土中易溶盐含量

1 试验说明

1.1 单盐侵蚀溶液的配制

为了研究复合盐中主要易溶盐在干湿循环条件下对混凝土性能的影响程度与各自破坏特征，进行单盐侵蚀—干湿循环对比试验。考虑试验速度与效果，按照复合盐—干湿循环试验中质量分数15%的复合盐溶液（D组）中盐的用量（见表2），分别配制了3组单盐侵蚀溶液与清水，即水、Na2SO4、NaCl、NaHCO3溶液。配制浸泡溶液用试剂为天津市北联精细化学品开发有限公司生产的无水硫酸钠、氯化钠及碳酸氢钠。

表2 复合盐侵蚀溶液中盐的类型及用量

1.2 混凝土试件的制作

配制混凝土的主要原材料有：（1）P·O 42.5普通硅酸盐水泥；（2）粗骨料为粒径5～10mm连续级配、表面粗糙且质地坚硬的碎石；（3）细骨料为细度模数为3.0～2.4的中砂，平均粒径为0.5～0.35mm，含泥量1.2%，堆积密度1 468kg／m3，表观密度2 650kg／m3，颗粒级配良好；（4）萘系高效减水剂，非引气型，掺量以坍落度满足设计要求为准，掺量为0.75%～1.5%，减水率为14%～25%；（5）自来水。

按照复合盐—干湿循环试验中的基准混凝土配合比制作了12个棱柱体试件，试件尺寸为40mm×40mm×160mm（见图1）。混凝土的强度等级为C30，水胶比为0.48，砂率为0.35。混凝土的配合比及其28d立方体抗压强度见表3所示。

表3 C30混凝土配合比与性能

1.3 试验方案

试验制度为一天完成一次干湿循环，将在盐溶液与清水中浸泡后的试件放入烘箱（（70±2）℃）烘12h，取出后冷却1h至室温，再放回盐溶液与清水中浸泡11h，如此循环重复试验。试件浸泡采用立式半浸泡方式（见图1）。

图1 单盐—干湿循环对比试验的混凝土试件

本文试验采用无损伤试验，以质量损失与动弹性模量变化作为评价指标。当试件的质量损失大于5%，或者动弹性模量降到初始值的60%时，即终止试验。测得试件的初始质量与初始动弹性模量与干湿循环5、10、15次……时试件的质量与动弹性模量，所得数据取3个试件的平均值。

2 试验结果与分析

2.1 单盐—干湿循环作用后混凝土的外观变化

经盐浸与干湿交替作用后，各组溶液中的试件外观逐渐发生了变化。如图2所示，水中试件经干湿循环作用后外观变化不大，但是在3种单盐溶液（Na2SO4、NaCl、NaHCO3）中的试件经干湿循环作用后，试件表面混凝土发生了剥落现象。混凝土的破坏首先从下端角部和边缘开始剥落，而且在距浸泡溶液面（即试件中间）以上20～30mm处，混凝土的剥落情况比其他部位严重，由于试件表面吸附一层盐类晶体，盐渍清晰可见。这些宏观现象与复合盐—干湿循环试验中的试件外观变化是一致的；但是在单盐溶液中的试件，其破坏程度比经复合盐—干湿循环作用后的破坏程度小了很多。

图2 不同侵蚀溶液中的试件外观

2.2 质量损失率随盐浸—干湿循环作用的变化规律

用电子天平称得试件的初始质量与一定干湿循环次数的试件质量，得到各组混凝土质量损失率随单盐—干湿循环次数的变化规律，如图3所示。

图3 单盐—干湿循环后混凝土质量损失率曲线

图4 单盐—干湿循环后混凝土相对动弹性模量曲线

从图3显示的结果来看，在3组单盐侵蚀溶液中的混凝土，质量随干湿循环次数的变化规律基本一致，即在试验初期混凝土的质量有所增加，在质量损失率曲线出现了“拐点”之后，随着干湿循环次数的增加，质量损失率越来越大。对于Na2SO4、NaCl与NaHCO3侵蚀溶液中的混凝土，其质量损失率的“拐点”分别出现在干湿循环30次、30次与25次的时候。对于水中的混凝土，质量损失率曲线与盐溶液中的有所不同，未像盐溶液中的混凝土出现一段质量增加段，而是在试验初期混凝土的质量变化不大，随着干湿循环次数的增加，质量损失率慢慢增大，尤其是在干湿循环次数超过60次之后，质量损失率增长明显。

总的来看，3种盐溶液中的混凝土比水中的混凝土质量损失要快得多，3种盐溶液中的混凝土在试验初期均出现质量增加，显然与盐有关，由于干湿循环作用，盐溶液的吸入与水分蒸发，使得盐在混凝土内部孔隙中不断渗透与结晶。随着干湿循环的进行，每组溶液的吸入与水分蒸发的反复冲刷作用，使混凝土内部孔隙增大、增多，破坏了混凝土的孔结构，表层混凝土开始脱落，混凝土的质量慢慢下降。在各单盐溶液中的试件破坏形态变化有所差别，脱落程度也有所不同，依据混凝土剥落量由大到小排列的顺序是：NaHCO3＞Na2SO4＞NaCl＞水；但这还不足以反映混凝土内部的破坏程度。

2.3 动弹性模量随盐浸—干湿循环作用的变化规律

用超声波检测仪测得混凝土试件的横向基频，可计算得到不同盐浸—干湿循环次数时混凝土的动弹性模量，将单盐—干湿循环作用后混凝土的相对动弹性模量的变化规律绘于图4中。

由图4可以看出，在单盐－干湿循环作用后，混凝土的相对动弹性模量曲线呈先增加后下降的趋势，这与复合盐—干湿循环作用后的变化规律是一致的，而且混凝土动弹性模量的损失程度较质量分数为15%的复合盐溶液（D组）中的要小。在干湿循环试验前期，水及3种盐溶液对混凝土动弹性模量的影响差别不大；当达到一定的干湿循环次数后，动弹性模量曲线出现“拐点”，曲线下降段突然变陡，混凝土强度下降得很快。在水、Na2SO4、NaCl与NaHCO3侵蚀溶液中，混凝土动弹性模量曲线的“拐点”分别出现在干湿循环次数为30次、20次、20次与15次。当动弹性模量达到初始值的60%而终止试验时，每组溶液中的混凝土所能经受的最大干湿循环次数分别为140次、100次、120次与80次（见图4），而在质量分数为15%的复合盐溶液中的混凝土，所能经受的最大干湿循环次数不足20次。可见，侵蚀溶液对混凝土动弹性模量的影响大小依次为NaHCO3＞Na2SO4＞NaCl＞水。盐渍土中易溶盐的离子含量由大到小依次＞Cl－＞，盐的种类与含量直接影响了混凝土性能，含量较大的碳酸（氢）盐在腐蚀过程中起到至关重要的作用，含量虽然小于Cl－含量，但腐蚀程度依然很大，不容忽视。

试验结果表明，纯水中的混凝土试件在干湿循环单一因素作用下发生了破坏，说明浸泡时水分的渗透侵袭，烘干时水分蒸发的冲刷作用造成混凝土内部产生裂缝，且不断开展最终导致了混凝土破坏。对于单盐溶液中的混凝土情况要严重一些，因为混凝土要经受盐溶液的侵蚀和干湿交替双重因素的影响，可见，盐在其中起到“推波助澜”的作用，使得混凝土的破坏加剧。通过与复合盐—干湿循环试验的结果进行对比又可以看出：复合盐—干湿循环对混凝土的破坏比每组单盐—干湿循环的破坏程度更大，这说明干湿循环过程中各种有害盐溶液的侵蚀、结晶作用与干湿交替的破坏作用具有相互影响、相互促进作用，对混凝土性能造成的损伤效应不断叠加，更加剧了对混凝土的腐蚀破坏。

3 结语

通过以上研究，可以得出以下结论：

（1）在干湿循环条件下，硫酸盐、氯盐、碳酸氢盐均对混凝土材料有较强的腐蚀性。在吉林西部地区盐渍土环境下，各种有害盐对混凝土的侵蚀破坏作用造成的叠加效应，加剧了混凝土的腐蚀破坏。苏打盐渍土环境下，对于存在干湿循环作用条件的混凝土工程，其耐久性不容忽视。

（2）在单盐与干湿交替双重因素作用下，混凝土的质量呈先增加而后损失加快的趋势；并在距浸泡溶液面以上20～30mm处，混凝土剥落明显。在水中的混凝土经干湿循环作用后，未现质量增加段，整体呈缓慢下降趋势。

（3）在单盐与干湿交替双重因素作用下，混凝土的动弹性模量先增长后下降。在达到“拐点”后，混凝土的动弹性模量下降得很快。在水、Na2SO4、NaCl与NaHCO3侵蚀溶液中的混凝土分别能经受140次、100次、120次与80次的干湿循环作用。

（4）通过单盐—干湿循环对比试验，盐渍土中主要易溶盐对混凝土的破坏程度由大到小依次为NaHCO3＞Na2SO4＞NaCl＞水。

［1］许艳争.松嫩平原不同盐分补给类型盐渍土的水盐运移规律研究［D］.长春：东北师范大学，2008.10.

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