普通混凝土和高性能混凝土泛碱试验研究

刘晋艳， 田钰靖， 巩天真， 牛 宁

(1. 山西大学 土木工程系， 山西 太原 030013； 2. 中国矿业大学(北京) 力学与建筑工程学院， 北京 100083；3. 山西大学 混凝土外加剂技术研究中心, 山西 太原 030006； 4. 山西诚达公路勘察设计有限公司， 山西 太原 030006)

普通混凝土和高性能混凝土泛碱试验研究

刘晋艳1,2， 田钰靖3， 巩天真1， 牛 宁4

(1. 山西大学 土木工程系， 山西 太原 030013； 2. 中国矿业大学(北京) 力学与建筑工程学院， 北京 100083；3. 山西大学 混凝土外加剂技术研究中心, 山西 太原 030006； 4. 山西诚达公路勘察设计有限公司， 山西 太原 030006)

对晋北地区混凝土表面泛碱产物进行采样并分析其化学成分， 得到泛碱产物90%以上是Na2SO4. 分别制备普通混凝土试件和高性能混凝土试件各一批， 半浸泡于Na2SO4溶液中并辅以干湿循环， 分析两种试件的区别反应， 得到如下结论： 高性能混凝土和普通混凝土试块的的泛碱产物虽然都是硫酸钠晶体， 但结晶形貌不同； 高性能混凝土能延缓泛碱的发生， 且其泛碱产物明显少于普通混凝土； 高性能混凝土对于防止硫酸盐化学侵蚀方面有明显优势.

泛碱； 高性能混凝土； 干湿交替； 结晶形貌

晋北变电站地处山西省朔州市应县西南部， 该地区既有建筑物混凝土表面极易产生泛碱现象， 严重影响着混凝土的外观和耐久性. 文献[1-3]研究表明， 泛碱产物主要是CaCO3、 K2SO4、 Na2SO4、 CaSO4等盐分的一种或者几种的组合. 现阶段， 主要通过表面处理和整体处理两种方法来抑制泛碱. 表面处理是指在混凝土表面涂刷聚合物水泥基防水涂料、 有机硅、 改性沥青等涂层[4-5]， 防止溶于水的盐分通过混凝土内部毛细孔， 此方法缺点是涂层易损坏且维修困难. 整体处理是指采用高性能混凝土(HPC)， 文献[6-9]研究表明， 采用低水胶比并且掺入一定矿物的掺和料可以降低混凝土的渗透性， 显著减小毛细结晶速率， 使得表面结晶面积变小， 而文献[10]则认为掺入矿粉有助于降低泛碱率， 但是效果有限， 仅限于推迟泛碱出现的时间， 对长远来说， 意义不大. 评价混凝土泛碱程度的方法主要有目测法[1,10]、 图像分析法[11]、 泛碱物浸出液中阳离子浓度分析法[12-13]等.

本文基于泛碱产物采样的化学组分分析结果， 制备同强度普通混凝土和高性能混凝土， 并进行半浸泡干湿交替试验， 以期得到高性能混凝土在防泛碱方面的优势.

1 试验方案

1.1 原材料

水泥： 大同冀东水泥有限公司生产的P.O42.5 普通硅酸盐水泥， 细度3.3%； 砂子： 应县南泉天然砂， 中砂， 表观密度为2 610 kg/m3， 含泥量2.8%； 石子： 山阴碎石， 粒径5～20 mm， 堆积密度为1 580 kg/m3， 含泥量0.4%； 粉煤灰： 神头二电厂Ⅱ级粉煤灰； 矿粉： 大同开元生产的S75级矿粉； 减水剂①： 北京成诚交大建材有限公司生产的聚羧酸减水剂； 减水剂②： 山大合盛股份有限公司生产的HS-209A型减水剂； 水： 饮用水； 硫酸钠： 工业用元明粉， Na2SO4含量大于99.8%.

1.2 配合比

C35普通混凝土和高性能混凝土的配合比见表 1.

表 1 混凝土配合比

1.3 试验方法

1.3.1 实地取样分析方法

取晋北变电站附近一处建筑物围墙底部混凝土表面的泛碱产物做为样本， 在实验室采用化学滴定法进行分析， 如图 1 所示.

图 1 化学滴定法测含量Fig.1 S content with chemical titration method

1.3.2 试件制备、 浸泡、 干湿循环方法

制备一批尺寸为100 mm×100 mm×100 mm的C35普通混凝土和高性能混凝土试件， 标准养护28 d. 采用5%Na2SO4进行半浸泡实验， 液面高度为60 mm， 试块间距为50 mm.

干湿循环的步骤为： 半浸泡混凝土31 h后室温条件下干燥1 h， 称取质量mi； 120 ℃烘干 15 h， 室温条件下干燥1 h， 再称取质量mj， 48 h为一个周期， 每个周期后均更换溶液以保证Na2SO4溶液的浓度. 试件被腐蚀到缺角掉块或者经历30个周期即终止实验.

1.3.3 混凝土密实度评价

本文采用半浸泡面干吸水率η来间接评价混凝土的密实度

显然，η越大说明混凝土试块内部的孔隙率越大， 即混凝土密实性越差， 反之，η越小说明混凝土的密实性越好.

1.3.4 泛碱程度评价

随时观察泛碱出现的时间， 以及表面的泛碱情况， 待泛碱出现后的第8个周期开始刮除泛碱产物. 由于泛碱产物可能带有结晶水， 而这种带有结晶水的硫酸钠在室温条件下并不稳定， 因此， 将泛碱产物置于120 ℃下烘干15 h， 再称取泛碱产物的质量.

2 试验结果及讨论

2.1 实地取样泛碱物成分测定

经化学滴定法分析后得到泛碱物的成分， 如表 2 所示. 可见， 泛碱产物包含Na2SO4、 CaSO4、 NaCl、 CaCl等， 其中， Na2SO4含量在90%以上.

表 2 泛碱产物化学成分

2.2 普通混凝土试件和HPC试件的密实度评价

图 2 是由式(1)计算的混凝土半浸泡面干吸水率η随干湿循环次数的关系图.

图 2 η随干湿循环次数的关系图Fig.2 The relationship figure of η and dry-wet cycles

经分析，η值的变化存在以下趋势：

1) 普通混凝土的η值要比HPC的η值高出1～4倍， 这表明， 普通混凝土的密实度明显低于HPC. 密实度的高低与水胶比(W/B)和矿物掺和料掺量密切相关. 首先， 普通混凝土试块和HPC试块的W/B分别为0.42和0.35， 显然， 前者的密实度低于后者， 这也为混凝土表面的Na2SO4泛碱埋下了隐患； 其次， 虽然普通混凝土试块也掺有粉煤灰和矿粉， 但是掺量明显小于HPC， 较多的矿物掺和料一方面可以利用自身的微集料物理填充作用使混凝土更加密实， 另一方面也可以与Ca(OH)2发生二次水化反应， 生成凝胶产物继续填充混凝土毛细孔.

2) 从η值的走势来看， 普通混凝土η值的变化比HPC更为剧烈. 对于普通混凝土试件， 在最初的3次循环中，η值是下降的， 这代表混凝土的密实度在最初有所提高， 这和文献[14]的结论一致， 主要原因是， 硫酸钠溶液通过毛细吸附作用进入混凝土内部孔隙中， 会与混凝土内部水化产物反应生成钙矾石， 体积增大数倍， 这在一定程度上起到填充混凝土孔隙的作用， 增加了混凝土的密实性； 另一方面， 干湿交替极大增加了混凝土孔隙内部发生物理盐结晶的几率， 物理盐结晶会伴随着巨大的结晶压， 在钙矾石膨胀和结晶压的共同作用下， 混凝土的孔隙很容易破坏， 孔隙率会增大， 因此， 在干湿循环后期， 普通混凝土的η值震荡走高. 而对于HPC， 密实度高导致了经毛细吸附作用进入的硫酸钠溶液减少， 因此， 由化学反应生成的钙矾石数量以及物理盐结晶所造成的结晶压都比较小， 这样就不会造成孔隙率的进一步加大. 不过可以预见， 如果继续进行试验， HPC的孔隙率也会加大.

2.3 普通混凝土和HPC的泛碱现象对比

从泛碱现象出现的时间来看， 在半浸泡11 d时即第5个循环结束后， 普通混凝土试块开始泛碱， 13～14 d时即第6个循环结束后， HPC试块陆续出现泛碱. 在另一组对比试件中也呈现同样的趋势， 即半浸泡14 d即第7个循环结束时， 普通混凝土试块开始泛碱， 半浸泡15 d时， HPC液面附近有轻微泛白， 16 d即第8个循环结束时， HPC会出现明显泛碱. 可见， HPC不能完全杜绝泛碱现象， 但可以延迟泛碱出现， 然而延迟优势并不显著. 文献[8]也证实了加入矿粉可以推迟泛碱.

在半浸泡16 d后取出普通混凝土和HPC试块， 对比其泛碱现象， 如图 3 所示. 由图 3 可见， 普通混凝土试块和HPC试块的泛碱产物都集中在浸泡区与泛碱区的交界面附近， 即文献[15]中描述的结晶区； 普通混凝土泛碱产物的分布范围和泛碱量都大于HPC； 普通混凝土试块的泛碱产物呈疏松的绒毛状， 而HPC试块的泛碱产物， 呈现密实的片状. 经证实[15]， 泛碱产物是硫酸钠晶体， 而同种晶体由于不同的生长条件可能会具有不同的生长形态. 在此出现这种区别的原因是两种混凝土内部的孔结构不同， 不同的孔结构导致对硫酸盐溶液不同的毛细吸附作用， 并且最终决定了试件表面的硫酸钠结晶不同的生长方向和形貌. 普通混凝土内部毛细孔多且大， 硫酸钠溶液比较容易迁徙到试块表面而形成较大颗粒的松散的绒毛状泛碱， 而HPC密实度较高且毛细孔较小， 因此结晶到试件表面的硫酸钠晶体颗粒较小， 排列紧密， 看起来更密实.

图 3 普通混凝土试块和HPC试块的泛碱现象对比图Fig.3 Efflorescence of OCS and HPCS comparison chart

2.4 普通混凝土试块和HPC试块的泛碱程度评价

图 4 所示为“刮除-烘干-称重”法测得的泛碱产物的质量变化曲线.

图 4 泛碱量与循环次数的关系图Fig.4 The relationship figure of efflorescence quantity and diy-wet cycles

由图 4 可知， 普通C35混凝土的泛碱物数量明显大于HPC， 后者仅为前者的50%～70%， 即HPC虽然不能彻底消除泛碱， 但是对泛碱有一定的抑制作用. 文献[6]目测混凝土表面硫酸钠结晶区域的面积后认为， 硫酸钠结晶随水灰比增大而增大， 适量的粉煤灰和硅灰可以改善其抗硫酸盐结晶的性能， 本文从泛碱生成产物的质量更为精确地证实了这个结论. 其次， 泛碱产物的质量变化虽然有起伏， 但是总体趋势是增大的， 因为不管是普通混凝土还是高性能混凝土， 随着循环次数的增加， 化学侵蚀和物理侵蚀不断累积， 一定会使混凝土内部孔隙率有所增大， 因此， 硫酸钠会更容易通过毛细吸附作用带到混凝土表面， 形成泛碱. 最后， 泛碱产物的质量变化起伏的原因有多种， 因为泛碱过程对外界环境的温湿度变化反应敏感[7]， 一般认为温度越高， 湿度越小， 越易泛碱， 由于本文对照两组试块是在同样的温湿度下进行的， 因此， 认为泛碱产物质量变化虽然有落差， 但仍可反应泛碱的总体趋势.

2.5 泛碱作用下混凝土外观典型形貌

图 5(a) 和 (b) 为试验进行到26 d即第13循环结束后混凝土的外观对比. 可见， 原处于浸泡区的普通混凝土底部已经有裂缝产生， 并且呈下宽上窄的态势向上延伸， 试件的泛碱区域由于水泥浆体剥落， 使内部粗骨料外露； 但是HPC试块除了交界面区域有泛碱痕迹外， 试块的表面仍保持完整.

图 5(c) 和 (d) 为试验进行到第60 d即试验结束时的混凝土外观形貌对比. 可见， 普通混凝土底部裂缝不断增多并扩展， 有的一直延伸到泛碱区域， 且此区域有混凝土成块剥落； 混凝土上部全被泛碱产物覆盖， 甚至泛碱产物已经蔓延到混凝土的上表面， 此区域混凝土已经处于“一触即掉”的状态. 但是对于HPC来说， 混凝土表面除了泛碱区域有所扩大之外， 混凝土完整性良好， 也没有裂缝产生.

图 5 泛碱作用下混凝土外观典型形貌Fig.5 Appearance concrete under efflorescence

总之， 在整个试验过程中， 高性能混凝土虽然也出现一定数量的泛碱， 但是这种泛碱对混凝土本身破坏性不大. 值得注意的是， 图5 反映出普通混凝土试块在浸泡区和泛碱区的破坏特征完全不同， 浸泡区混凝土是没有征兆地突然出现裂缝， 裂缝又深又宽且扩展迅速， 最后由于裂缝导致底部混凝土成块剥落， 而在泛碱区， 混凝土的破坏是由表及里， 先是水泥砂浆剥落露出粗骨料， 接着部分粗骨料连带内部水泥浆体也会逐层剥落. 文献[14]认为这两种截然不同的破坏形式代表着混凝土硫酸盐侵蚀的两种类型， 浸泡区混凝土主要受到硫酸钠溶液的化学侵蚀， 生成石膏和钙矾石， 使混凝土体积膨胀， 而泛碱区的混凝土破坏则主要是由硫酸钠的物理盐结晶引起. 鉴于此， 发现高性能混凝土防止硫酸盐泛碱有一定效果， 但是在防止硫酸盐化学侵蚀方面效果更优.

3 结 论

1) 晋北1 000 kV特高压变电站附近混凝土的泛碱产物中90%以上是硫酸钠晶体.

2) 高性能混凝土的密实度明显优于普通混凝土， 虽然泛碱产物都是硫酸钠晶体， 但结晶形貌不同， 前者呈片状， 后者呈绒毛状.

3) 高性能混凝土不能彻底消除泛碱， 但可以适当延缓泛碱的发生， 并且能减轻泛碱. 鉴于试验条件远比实际场地环境恶劣， 认为高性能混凝土的防泛碱性能优于普通混凝土.

4) 混凝土在浸泡区和泛碱区的硫酸盐侵蚀机理不同导致其破坏形态不同， 前者主要是化学侵蚀导致的混凝土由开裂演变为成块剥落， 后者主要是物理盐结晶侵蚀导致的混凝土由外及里的逐层剥落.

5) 双掺粉煤灰和矿粉的低水胶比高性能混凝土在防止硫酸盐化学侵蚀方面比防止泛碱效果更优.

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Experimental Study on Efflorescence of Ordinary Concrete and High Performance Concrete

LIU Jin-yan1,2, TIAN Yu-jing3, GONG Tian-zhen1, NIU Ning4

(1. Dept. of Civil Engineering, Shanxi University, Taiyuan 030013, China; 2. School of Mechanics and Civil Engineering, China University of Mining & Technology(Beijing), Beijing 100083, China; 3. Concrete Admixtures Technology Research Center, Shanxi University, Taiyuan 030006, China; 4. Shanxi Chengda Highway Survey and Design Co. Ltd., Taiyuan 030006, China)

White efflorescence, collected from north region of Shanxi, was analyzed to obtain its chemical composition. After the experiment, it was found that Na2SO4accounts for 90% of all efflorescence. Ordinary concrete specimens(OCS) and high performance concrete specimens(HPCS) were manufactured and partially exposed to Na2SO4solution, then their different reflections were studied under dry-wet circulation. Experimental results show that: Both specimens’ efflorescence are Na2SO4crystal，but crystal morphology are different; HPCS appear to have a delaying effect on efflorescence, and have less efflorescence than ordinary concrete; HPCS have obvious advantage in chemical sulfate attack resistance.

efflorescence; high performance concrete; dry-wet circulation; crystal morphology

2016-08-23

山西省科技计划资助项目(2015021132)； 国网山西省电力公司科研资助项目(SGSX0000JSJS[2015]278); 山西省大学生创新创业训练计划资助项目(2016017)； 山西大学校企合作横向科研课题(01230115080037)； 山西大学第十四期本科生科研训练项目(2016014357)

刘晋艳(1981-)， 女， 讲师， 博士， 主要从事混凝土耐久性的研究.

1673-3193(2017)02-0243-06

TU528

A

10.3969/j.issn.1673-3193.2017.02.026