长期浸泡作用下风积沙混凝土微观特性研究

朱遂军,汪金满,王想想,杨强斌,李根峰,杨效田

(1.甘肃省第五建设集团有限责任公司,天水 741000;2.重庆文理学院土木工程学院,重庆 402160;3.兰州理工大学材料学院,兰州 730050)

0 引 言

近年来,学者们对风积沙资源开发及沙漠地区混凝土耐久性进行了大量研究,如董瑞鑫等[1]研究指出,在硫酸盐侵蚀作用下,混凝土质量损失率在干湿循环60次时出现“拐点”,风积沙混凝土和普通混凝土的抗压耐蚀系数分别降低到84%、87%;董伟等[2-5]对碳化、干湿、盐冻作用下的风积沙混凝土氯离子传输规律进行了研究,指出碳化作用阻碍了氯离子向内部迁移,干湿作用前期加速了氯离子侵入,中后期阻碍了氯离子继续向内侵蚀,20%(质量分数)的风积沙掺入对混凝土盐侵、冻融作用后的抗压强度、孔隙率和束缚流体饱和度的抗损伤劣化提升效果最为明显;李玉根等[6-7]研究指出,风积沙影响混凝土的抗冻性,100%掺量风积沙混凝土强度低,但抵抗冻融、盐侵效果最好;Xue等[8-9]研究指出,风沙吹蚀为后续盐侵作用提供侵蚀通道,盐侵作用使风积沙混凝土表面剥蚀松动,为吹蚀作用提供吹蚀缝隙,孔洞变化进一步加剧。

学者们对风积沙资源利用及风积沙混凝土在盐侵作用下的劣化损伤进程进行了一系列研究,明确了劣化过程中各损伤变量的关联及影响机制,但关于风积沙混凝土在不同风积沙掺量和不同盐浓度作用下的劣化及损伤过程方面的研究较少,极大地限制了风沙资源的规模化应用。

鉴于此,本文设计了不同风积沙掺量(0%、20.0%、40.0%、60.0%、80.0%、100.0%,质量分数)和硫酸盐浓度(硫酸镁质量分数分别为0%、3.5%、5.0%)作用下的风积沙混凝土长期浸泡试验,进而探究硫酸盐侵蚀过程中风积沙混凝土的微观孔隙结构、形貌及产物特征,明确风积沙混凝土的劣化机制,为西部地区风积沙资源开发及盐渍环境下风积沙混凝土应用提供理论依据。

1 实 验

1.1 原材料

研究用细集料取自呼和浩特市周边砂场,细度模数为2.85,风积沙取自库布齐沙漠,细度模数为0.74;试验用粗集料为卵碎石,表观密度为2 654 kg/m3,堆积密度为1 652 kg/m3,粒径范围为4.75～20.0 mm;拌和用水为普通自来水;减水剂采用内蒙古荣升达新材料有限责任公司的聚羧酸类SC-40型高效减水剂,减水率达26%;引气剂为SJ-3型高效引气剂,同时测得内蒙古金桥电厂二级粉煤灰、冀东P·O 42.5水泥理化性质指标如表1所示。

表1 风积沙混凝土原材料理化性质指标Table 1 Physical and chemical properties index of aeolian sand concrete raw materials

1.2 风积沙混凝土配合比

依据《水工混凝土施工规范》(SL 677—2014)、《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ 55—2011)中混凝土配合比设计的相关规定和美国混凝土协会配合比设计规定,按照风积沙掺量为0%、20.0%、40.0%、60.0%、80.0%、100.0%替代河砂,制备风积沙混凝土,具体配合比如表2所示。实验室测得风积沙掺量为0%、20.0%、40.0%、60.0%、80.0%、100.0%时,风积沙混凝土坍落度分别为127、118、109、95、76、61 mm,含气量分别为5.8%、6.3%、7.1%、7.3%、6.9%、7.8%,其中0%、20.0%、40.0%、60.0%组风积沙混凝土和易性良好,80.0%、100.0%组风积沙混凝土流动性略低。

表2 风积沙混凝土配合比Table 2 Mix proportion of aeolian sand concrete

1.3 试验方法

根据内蒙古自治区盐湖分布情况及类别调研分析,本研究采用硫酸镁进行风积沙混凝土长期浸泡试验,设定硫酸镁浓度分别为0%、2.0%、3.5%、5.0%。采用半浸入法(100 mm×100 mm×400 mm长方体试件1/2位于浸泡溶液中,1/2暴露于空气中),并测定初始相对动弹性模量,而后每隔30 d测定试样相对动弹性模量,持续观测360 d。宏观试验结束后,取气液交界处试样进行微观孔隙、微观形貌及产物特征分析。

微观孔隙测试:采用上海纽迈电子科技有限公司的MesoMR23-060V-1型核磁共振仪(NMR,Nuclear Magnetic Resonance)测试孔隙特征。该仪器的磁体类型为永磁体,磁场均匀度为20 ppm(1 ppm=106),探头线圈直径为60 mm,射频发射频率为300 W以上,H质子共振频率为23.320 MHz,磁体强度为0.55 T,磁体温度为32 ℃,磁场稳定性<300 Hz/h。利用取芯机从被乙醇终止水化后的试件中钻取Φ50×H50 mm的圆柱体样品,并进行真空抽水饱和处理,最后擦干样品表面水分,在表层裹一层生料带后进行测试,测试时环境温度为25 ℃,环境湿度为60%。

微观形貌及产物分析:采用Sigma500场发射扫描电子显微镜,分辨率为0.8 nm@30 kV STEM、0.8 nm @15 kV、1.4 nm @1 kV,放大倍数为10～1 000 000倍,加速电压为0.02～30 kV,探针电流为3 pA～20 nA,低真空范围为2～133 Pa。选取片状、表面平整、适合电镜底座大小的砂浆试块,制成5 mm×5 mm的正方形待测样,并保证观察面始终处于水平面。由于砂浆试块导电性不好,高强度的电子束作用在样品表面会产生电荷堆积,导致图像质量下降,故在样品表面喷镀一层导电金属,镀膜厚度为7 nm,试验时再对样品所处的样品室进行抽真空处理,而后通过软件界面对灯丝加以高压,进行样品观察,并拍摄不同点位(选取5～10个),不同放大倍数(500倍、3 000倍、5 000倍)的扫描电子显微镜图片。在进行微观形貌观测的同时,选取产物富集点进行能谱分析,确定侵蚀产物类别。

2 结果与讨论

2.1 风积沙混凝土力学性能试验结果及分析

不同掺量及不同龄期风积沙混凝土抗压强度测试结果如图1所示。由图1可知,随着龄期增加,不同掺量风积沙混凝土抗压强度均呈增加趋势,但增加幅度逐步降低;随着风积沙掺量增加,风积沙混凝土抗压强度呈先增加后降低的趋势,其中,风积沙掺量为40%时,风积沙混凝土28 d抗压强度达到40.5 MPa,相较于0%掺量下的风积沙混凝土提高7.0%,相较于60.0%掺量下的风积沙混凝土高5.2%。风积沙掺量为80.0%、100.0%时,混凝土28 d抗压强度分别为32.8、28.5 MPa,低于C35混凝土标准。

图1 风积沙混凝土抗压强度测试结果Fig.1 Test results of compressive strength of aeolian sand concrete

由于风积沙相较于河砂较细,细度模数为0.74,当风积沙替代河砂掺入混凝土时,较细的风积沙可填充卵石、河砂之间的缝隙,增加混凝土密实程度,故风积沙混凝土力学性能有所增加。但是,当风积沙替代河砂比例提高时,风积沙填充效果已趋于饱和,卵石-河砂-风积沙体系中大颗粒与小颗粒物质含量较多,中间颗粒的河砂数量减少,风积沙混凝土密实程度降低,力学性能下降,故风积沙混凝土力学性能随风积沙掺量增加呈先增强后减弱的变化规律。

2.2 风积沙混凝土长期浸泡试验结果及分析

由力学测试结果可知,风积沙掺量为80%及以上时,风积沙混凝土抗压强度低于标准值,故选择风积沙掺量为0%、20.0%、40.0%、60.0%的混凝土进行后续长期浸泡试验,浸泡溶液浓度为0%、3.5%、5.0%,0%硫酸镁浸泡作用下风积沙混凝土相对动弹性模量基本保持不变,3.5%、5.0%硫酸镁浸泡的相对动弹性模量测试结果如图2、3所示。

图2 3.5%硫酸镁溶液下风积沙混凝土相对动弹性模量测试结果Fig.2 Test results of relative dynamic elastic modulus of aeolian sand concrete in 3.5% MgSO4 solution

图3 5.0%硫酸镁溶液下风积沙混凝土相对动弹性模量测试结果Fig.3 Test results of relative dynamic elastic modulus of aeolian sand concrete in 5.0% MgSO4 solution

由图2、3可知,随着侵蚀周期延长,同种硫酸镁浓度、不同风积沙掺量下,风积沙混凝土相对动弹性模量均呈先增加后降低的趋势;同种硫酸镁浓度、同一侵蚀周期下,随着风积沙掺量增加,风积沙混凝土相对动弹性模量呈先增加后降低的趋势,但变化幅度有较大区别。3.5%硫酸镁溶液中,风积沙混凝土风积沙掺量为0%时,相对动弹性模量在270 d时开始下降,到360 d时降幅达到5.4%。风积沙混凝土掺量为20.0%、60.0%时,相对动弹性模量在300 d时开始下降,到360 d时降幅分别达到1.6%、4.1%。风积沙混凝土掺量为40.0%时,相对动弹性模量在330 d时开始下降,到360 d时降幅达到4.8%。同理,在5.0%硫酸镁溶液中出现同样的变化规律,相对动弹性模量下降的时间进一步提前,降幅进一步增大。

在硫酸镁侵蚀作用下,随着风积沙掺量增加,风积沙混凝土密实程度先增加后降低,硫酸盐侵蚀进程也随风积沙掺量呈先增加后降低的趋势。同时,部分硫酸盐还会侵入风积沙混凝土内部,与内部未反应完全的凝胶体进一步发生水化反应,生成一系列具有膨胀特性的钙矾石等产物,进一步填充风积沙混凝土内部孔隙,增加风积沙混凝土密实度。但是,随着硫酸镁溶液浓度升高及侵蚀周期延长,钙矾石等物质填充效果持续增加并破坏内部孔结构,进而使盐溶液侵入混凝土内部,降低风积沙混凝土密实程度。因此,随着硫酸盐浓度升高、侵蚀周期延长及风积沙混凝土掺量增加,风积沙混凝土相对动弹性模量整体表现为先增加后降低的变化规律,且变化幅度随盐浓度升高及风积沙掺量增加而增大。

2.3 风积沙混凝土微观特性分析

结合力学及弹模测试结果,选取风积沙掺量为40.0%,硫酸盐浓度为3.5%、5.0%,侵蚀周期为360 d时的风积沙混凝土进行微观孔隙、形貌及产物分析,结果如表3及图4～7所示。

图5 5.0%硫酸镁溶液下风积沙混凝土孔隙测试结果Fig.5 Test results of porosity of aeolian sand concrete in 5.0% MgSO4 solution

表3 风积沙混凝土孔隙率Table 3 Porosity of aeolian sand concrete

随着风积沙掺量增加,风积沙混凝土孔隙率先降低后增加,且随着侵蚀溶液浓度升高,孔隙率也进一步增加,风积沙掺量为40.0%的混凝土在3.5%硫酸镁溶液中孔隙率为2.553%,在5.0%硫酸镁溶液中增加到2.879%。研究者[10-12]根据孔径大小将混凝土内部孔隙分为无害(<20 nm)、少害(20～<50 nm)、有害(50～200 nm)和大孔(>200 nm)。3.5%硫酸镁溶液中,随着风积沙掺量增加,风积沙混凝土内部无害孔比例基本保持不变,少害及有害孔比例增加,大孔比例减少,其中AS-40组少害及有害孔占比达到63.8%,大孔仅为23.7%;5.0%硫酸镁溶液中也出现类似规律,但AS-40组少害及有害孔占比降低至57.3%,大孔增加至31.5%。

由图6、7可知,3.5%硫酸镁溶液中AS-40组风积沙混凝土内生成针棒状产物,经能谱分析可知该产物为钙矾石,5.0%硫酸镁溶液中针棒状钙矾石[13-16]富集程度进一步提高。钙矾石生成过程具有一定程度的体积膨胀,当钙矾石生成数量适中时,可填充风积沙混凝土内部孔隙,降低孔隙率,增加少害及有害孔的比例,降低多害孔的比例。但是,当钙矾石富集数量过高时,其本身的膨胀特性可破坏风积沙混凝土内部孔隙结构,降低少害及有害孔的比例,增加大孔的比例。

图7 不同浓度硫酸镁溶液下AS-40组风积沙混凝土能谱测试结果Fig.7 Energy spectra test results of AS-40 aeolian sand concrete in different concentrations of MgSO4 solution

3 结 论

1)风积沙混凝土力学性能随着风积沙掺量增加呈先增强后减弱的趋势,随着侵蚀周期延长,相对动弹性模量呈先增加后降低趋势,硫酸盐侵蚀浓度升高后,增加幅度有所降低,且风积沙掺量为40.0%时混凝土力学性能较好,360 d终止试验时弹性模量也相对较高。

2)风积沙混凝土孔隙率随风积沙掺量增加呈先降低后增加的趋势,且硫酸盐侵蚀作用下内部无害孔基本保持不变,少害及有害孔比例增加,大孔比例降低,但是,随着硫酸盐侵蚀浓度升高,风积沙混凝土孔隙率增加,少害及有害孔比例降低,大孔比例增加。

3)风积沙混凝土内部在硫酸盐侵蚀作用下会产生钙矾石,钙矾石富集程度较低时,可填充风积沙混凝土内部孔隙,降低孔隙率,富集程度较高时则会破坏内部孔隙,增加孔隙率。