不同盐类环境下普通混凝土的抗盐冻耐久性研究

孙昊月，宿晓萍，王晓鹏

(1.吉林省电力勘测设计院，长春 130021； 2.长春工程学院土木工程学院，长春 130012)



不同盐类环境下普通混凝土的抗盐冻耐久性研究

孙昊月1，宿晓萍2，王晓鹏2

(1.吉林省电力勘测设计院，长春 130021； 2.长春工程学院土木工程学院，长春 130012)

普通混凝土；碳酸氢盐；氯盐；硫酸盐；盐冻破坏

0　引言

本文选取大安市作为研究区域，采集大安境内土样，对土样进行理化性质分析，测得土样中的易溶盐组分与含量，配置侵蚀盐溶液，制备普通混凝土试件，进行盐环境下的快速冻融试验，对不同盐类环境下普通混凝土的抗盐冻耐久性进行研究。

1　试验方案

1.1配制侵蚀盐溶液

1.2混凝土试件的配制

试验用混凝土的强度等级为C30，所用原材料有P·O 42.5普通硅酸盐水泥，细骨料为细度模数3.0～2.4的中砂，平均粒径为0.35～0.50 mm，颗粒级配良好，堆积密度1 468 kg/m3，表观密度2 650 kg/m3；粗骨料选用粒径为5～10 mm连续级配、表面粗糙的坚硬碎石。具体的混凝土配合比为：水泥354 kg/m3，砂657 kg/m3，石子1 220 kg/m3，水170 kg/m3，水胶比为0.48，砂率为0.35。依此制作尺寸为40 mm×40 mm×160 mm的棱柱体试件。

表1　大安盐渍土样中易溶盐组分与含量

表2　侵蚀溶液质量分数与盐的种类及用量

1.3试验制度

混凝土耐久性实验主要有两种方法：现场实验与实验室加速试验。考虑现场实验的周期较长，短期内难以得到结果，本文采用目前常用的实验室快冻法。将标养到24 d的棱柱体试件浸入配制好的各组侵蚀溶液中，4 d后放入快速冻融机中进行快速冻融试验。具体试验制度是：由常温降到-15 ℃后，维持-15 ℃的温度1 h，由-15 ℃升到6 ℃用1 h，保持6 ℃的温度1 h，再降到-15 ℃用1 h，完成1次冻融循环，如此重复。

1.4试验检测指标

因试验周期长工作量大，采用无损伤试验，以混凝土的质量损失与动弹性模量衰减作为试验评价指标。

1.4.1混凝土的质量损失率

每组试验开始前，用电子天平(精度为0.1 g)称得试件初始质量G0(kg)，达到一定冻融循环次数时称得试件质量Gn(kg)，则混凝土的质量损失率ΔWn可按下式计算：

(1)

1.4.2混凝土的相对动弹性模量

相对动弹性模量是常规冻融试验中评定混凝土抗冻耐久性的重要指标，也是反映试件内部损伤程度的主要参数。试验中用超声波检测仪测定声速后，通过下式计算得到混凝土的相对动弹性模量[15]：

(2)

式中：Er为相对动弹性模量；E0，V0为混凝土的初始动弹性模量和超声波传播速度；En，Vn为混凝土经N次冻融循环后的动弹性模量和超声波传播速度。

当试件的质量损失率大于5%或者相对动弹性模量降到初始值的60%时，终止试验。

2　试验结果

2.1盐蚀—冻融循环作用后混凝土的质量损失

在盐类侵蚀与冻融循环共同作用下，混凝土发生了不同程度的质量剥落，其损失规律如图1所示。可以看出：混凝土质量损失率与复合盐溶液的质量分数及盐的种类有关。

图1　盐蚀—冻融循环作用后混凝土的质量损失率

图1中显示，水中与盐溶液中的混凝土质量损失率曲线均呈缓慢上升趋势。但是，盐溶液中的混凝土在冻融循环初期，质量损失率略有下降，达到一定盐冻循环次数后呈增长趋势。这是因为试验初期，盐溶液不断渗透到不密实的混凝土内部，使得混凝土的质量略有增加，即质量损失率有所下降。随着盐蚀—冻融循环次数的增加，试件表层混凝土开始剥落而造成质量损失越来越大。

盐溶液中的混凝土质量损失要比水中的严重，而且盐溶液的质量分数越大，质量损失越严重，混凝土质量损失率曲线的上升段越陡。对比各组单盐溶液中的混凝土，在盐冻循环次数低于80次时，质量损失率差别不大，超过80次之后，混凝土质量损失有所不同，各组盐对混凝土质量损失的影响程度由大到小依次为碳酸氢盐、氯盐、硫酸盐，但均未超过2%，因相对动弹性模量先降到60%而终止了试验。

2.2盐蚀—冻融循环作用后混凝土的相对动弹性模量

图2所示为各组混凝土经盐蚀—冻融作用后相对动弹性模量的变化规律。可见，随着冻融作用次数的增加，混凝土的相对动弹性模量曲线整体呈下降趋势。但是盐溶液中的混凝土，相对动弹性模量曲线在盐冻循环初期略有上升，达到一定盐冻次数后才开始下降。这是因为试验初期混凝土试件还没有被破坏，盐溶液的渗透与填实作用使得混凝土愈加密实，相对动弹性模量略有增加。总的来看，盐溶液中的混凝土冻融破坏的程度要比水中的混凝土严重，复合盐溶液中的混凝土破坏比单盐溶液中的混凝土严重。盐溶液质量分数越大，相对动弹性模量曲线下降得越陡，能经受盐冻作用的次数就越少。从各组盐对混凝土动弹性模量的影响程度来看，由大到小依次为复合盐、碳酸氢盐、硫酸盐、氯盐。

图2　盐蚀—冻融循环作用后混凝土的相对动弹性模量

由此可见，冻融交替与盐类侵蚀的双重作用加剧了混凝土的破坏进程，即双重因素作用对混凝土的破坏存在叠加效应，但又不能将破坏效应进行简单的累加。

2.3盐冻破坏后混凝土的微观结构

为了探究混凝土盐冻破坏的实质，采集盐冻破坏后的混凝土样品，进行电镜扫描、能谱与化学成分分析。

2.3.1复合盐冻破坏后混凝土的内部微观结构

图3所示为复合盐冻破坏后混凝土的4 000倍扫描电镜照片。从图中可以看到，混凝土内部结构已变得疏松多孔，生长着大量的短棒状晶体，杂乱无章。对这类晶体进行能谱分析，得到主要化学元素(见表3)有C、O、Na、Al、Si、Au、S、Cl、Ca等。其中元素Au是由试验中样品镀膜带入的，除了O、Si、Al、Ca等混凝土中的常见元素外，C、Na、S、Cl等元素的出现，说明混凝土受到了复合盐溶液中各类盐的侵蚀。其中，C、O、Ca 3种元素的含量较高，摩尔百分数分别为23.24%、44.02%、15.36%。说明这些晶体主要成分是CaCO3，也证明复合盐溶液中含量较高的CaHCO3与水泥浆中的Ca(OH)2发生化学反应，生成大量的CaCO3，填充在混凝土孔隙中，不断生长的晶体产生巨大的膨胀应力，造成混凝土的开裂、剥落直至破坏。

图3　复合盐冻破坏后混凝土扫描电镜照片

EDX能谱图元素摩尔百分数At/%CONaAlSiAuSClCaTotal23.2444.022.561.568.402.151.651.0615.36100.00

2.3.2硫酸盐冻破坏后混凝土的内部微观结构

图4　硫酸盐冻破坏后混凝土的扫描电镜照片

EDX能谱图元素摩尔百分数At/%CONaAlSiAuSCaTotal4.4343.545.934.525.372.3810.5923.24100.00

2.3.3氯盐冻破坏后混凝土的内部微观结构

图5所示为氯盐冻破坏后混凝土的扫描电镜照片。可见，混凝土内部结构已失去完整与密实，多孔的内部结构生长着很多针状晶体，对其进行能谱分析(见表5)，发现混凝土内部出现一定量的Cl、Na等元素，说明混凝土受到氯盐的侵蚀。在NaCl环境下，水泥石中Ca(OH)2的溶解度更大，会造成混凝土中Ca(OH)2析出、流失，部分水化硅酸钙不断分解以维持水泥石中Ca(OH)2的质量分数，造成了水泥石的结构破坏，混凝土由表及里层层剥落，使得混凝土的质量损失，动弹性模量降低。

图5　氯盐冻破坏后混凝土的扫描电镜照片

EDX能谱图元素摩尔百分数At/%CONaAlSiAuClCaTotal7.3226.734.683.8212.268.126.5930.48100.00

2.3.4碳酸氢盐冻破坏后混凝土的内部微观结构

图6所示为碳酸氢盐冻破坏后混凝土的扫描电镜照片。可见，混凝土内部嵌生着很多花状晶体，对其进行能谱分析，得到的化学成分见表6，C元素明显比其他单盐—冻融循环情况下的多。在碳酸氢盐环境下，Na、Ca、C、O元素的含量相对较高，Ca元素的存在有两种可能：一种可能是来源于水泥浆中的Ca(OH)2中；另一种可能是水泥石中的Ca(OH)2与含量较高的NaHCO3发生化学反应，生成CaCO3与Na2CO3，CaCO3不溶于水且强度很高，会使混凝土更加坚固耐久，但这与试验结果相反，说明另一种物质Na2CO3在起作用，Na2CO3在低温冻结过程中，会转化成Na2CO3·H2O、Na2CO3·10H2O，同时产生很大的结晶压力，导致混凝土内部结构开裂而破坏。

图6　碳酸氢盐冻破坏后混凝土的扫描电镜照片

EDX能谱图元素摩尔百分数At/%CONaAlSiAuCaTotal13.4740.0514.342.058.538.3113.25100.00

3　结语

通过以上研究，得到以下结论：

1)混凝土的盐冻破坏与侵蚀盐的种类、侵蚀溶液的质量分数等因素有关，而且冻融交替与盐类侵蚀的破坏作用存在叠加效应，加剧了混凝土的盐冻破坏。

2)盐蚀—冻融试验初期，由于盐的渗透与密实作用，使混凝土的质量与动弹性模量有所增加；随着盐冻作用次数的增加，混凝土的质量和动弹性模量均呈下降趋势。侵蚀盐溶液的质量分数越大，盐类组分越复杂，混凝土发生的冻胀剥蚀破坏越严重。

3)在盐类侵蚀与冻融交替共同作用下，混凝土发生盐冻破坏，既有水结成冰的膨胀压力，也有盐类对水泥水化产物的化学侵蚀，以及盐类的结晶膨胀压力。盐冻破坏后各组混凝土微观结构的分析结果也证明了盐类结晶形成巨大的结晶压力是造成混凝土内部结构开裂直至破坏的主要因素。

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The Research on Frost Resistance Durability of NSC under Different Salts Environment

SUN Hao-yue，etc.

(JilinProvincialElectricPowerSurveyandDesignInstitute，Changchun130021，China)

normal strength concrete；bicarbonate；chloride；sulfate salt；salt frost damage

10.3969/j.issn.1009-8984.2016.03.003

2016-06-20

校级横向课题(201507)。

孙昊月(1982-)，男(汉)，工程师，博士

主要研究岩土工程地质。

TU528

A

1009-8984(2016)03-0010-06