盐湖地区混凝土的耐久性研究III—盐湖卤水类型对混凝土耐久性的影响

摘要: 研究了盐湖卤水种类对混凝土在盐湖条件下的荷载、卤水腐蚀和冻融的单一与多重因素作用下的耐久性, 探讨了混凝土在盐湖地区的破坏机理。结果表明, 内蒙古盐湖卤水加速了混凝土的冻融破坏, 西藏和新疆盐湖卤水则在一定程度上延缓了冻融破坏, 而青海盐湖卤水则具有独特的延缓破坏现象。施加30%弯曲荷载将使混凝土寿命降低40%。Na2SO4·10H2O 等盐类的结晶压作用是混凝土在盐湖地区腐蚀—冻融的破坏机理, 当混凝土同时受到盐结晶压和荷载作用时突然断裂是其破坏特征。

关键词: 混凝土; 耐久性; 腐蚀; 冻融

中图分类号: TU528.33 文献标志码: A 文章编号: 1002- 3550-( 2007) 02- 0001- 04

0 前言

　　我国有上千个盐湖[1], 其中, 新疆有102 个, 青海有33 个,内蒙古有370 多个, 西藏有220 多个。按照卤水的化学成分, 可以把盐湖分成硫酸盐型、碳酸盐型和氯化物型盐湖。盐湖卤水的成分十分复杂, 含有Mg2+、SO42- 、Cl- 、CO32-、HCO3-、Na+、K+ 和Ca2+ 等离子, 而且卤水的浓度处于饱和或过饱和状态, 新疆、青海、内蒙古和西藏盐湖的平均含盐量分别高达269.39g/L、340.51g/L、278.96g/L和195.45g/L。盐湖卤水的成分和浓度的明显差别, 必然影响其冰点和过饱和度, 对混凝土耐久性的影响也有很大的不同。本文主要研究混凝土在我国大西北的新疆、青海、内蒙古和西藏盐湖条件下的腐蚀、冻融和荷载的多重因素作用下的耐久性与寿命, 进而探讨混凝土在不同盐湖地区的耐久性失效机理。

1 试验

1.1 原材料

　　水泥: 采用南京江南水泥厂生产的强度等级为P·II 42.5R 硅酸盐水泥, 其化学成分见表1, 物理力学性能见表2。砂: 采用南京产河砂, 其表观密度为2 605kg/m3, 堆积密度为1 510kg/m3, 紧密密度为1 660kg/m3, 含泥量为1.0%, 细度模数为2.74, 属中砂, Ⅱ区级配。石: 采用江苏省句容市产玄武岩碎石, 表观密度为2 810kg/m3, 堆积密度为1 600kg/m3, 含泥量为0, 针片状颗粒含量为9.6%, 压碎指标为2.95%, 属于5~16mm 连续级配。水:采用饮用水。

1.2 配合比

　　混凝土的设计强度等级为C30, 水泥用量为325kg/m3, 配合比为1∶1.99∶3.54, 水灰比为0.60。混凝土拌合物的坍落度45mm, 含气量1.4%。

1.3 试验方法

1.3.1 试件成型与养护

　　将水泥、砂和石在搅拌机中干拌1min, 再加水湿拌2min。出料后测定坍落度和含气量, 之后人工浇筑、振动成型40mm×40mm×160mm 的棱柱体试件。试件采用保湿养护, 1d 后拆模, 并在( 20±3) ℃和湿度为95%以上的标准条件下分别养护28d 和90d后, 在不同冻融介质中进行加载与非加载状态下的耐久性试验。

1.3.2 性能测试

　　采用冻融试验DTR-1 型混凝土快速动融试验设备, 按照GBJ82-198《5 普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》中抗冻性能试验的“ 快冻法”进行。试验过程中, 采用单组双弹簧加载架[2]对试件施加弯曲荷载, 加载比例为破坏荷载的30%。冻融介质除水外, 主要包括新疆、青海、内蒙古和西藏盐湖的模拟卤水, 其化学成分[3]见表3。

　　试件重量变化采用精度0.1g 的电子天平测定, 相对动弹性模量采用NM-4B 型非金属超声波检测分析仪测定。试验时首先测定出超声波的传播声时, 声速由试件的长度与声时的比值求得, 结果以三个试件的平均值表示。仪器的测试参数为: 发射电压500V, 换能器的频率为50kHz, 采样周期0.1μs, 首波控制电平4, 起点延迟长度100, 零声时读数1.70μs, 超声波初始振幅126.89dB。

　　根据文献[4], 材料的动弹性模量与超声波声速的理论关系如下:

　　式中: E 为材料的动弹性模量; ! 为材料密度; " 为材料泊松比;V 为材料的超声波速度。

　　由于混凝土材料的泊松比和密度变化幅度不大, 可以认为在试验过程中混凝土的泊松比不变, 因此, 混凝土的相对动弹性模量可用下式计算:

　　式中: Er为相对动弹性模量; E0 和V0 分别为混凝土试验前的初始动弹性模量和超声波速度; Et 和Vt 分别为混凝土经过耐久性试验后的动弹性模量和超声波速度。

2 结果与讨论

2.1 在( 卤水腐蚀+ 冻融) 双重因素作用下盐湖卤水种类对混凝土耐久性的影响图1 是28d 龄期的混凝土在水和4 种盐湖卤水中冻融过程中相对动弹性模量和重量变化规律。结果表明, 冻融介质不同, 混凝土的相对动弹性模量、重量及其变化规律有较大的差异。在新疆、内蒙古和西藏盐湖卤水中冻融, 混凝土的相对动弹性模量变化特征与水中冻融相似, 但是其重量变化规律与水中冻融相反, 表现为重量增加。混凝土在青海盐湖卤水中冻融, 则具有独特的延缓破坏现象, 其相对动弹性模量缓慢降低, 重量缓慢增加。

　　与水中冻融相比, 内蒙古盐湖卤水加速了混凝土的冻融破坏, 西藏和新疆盐湖卤水则在一定程度上延缓了冻融破坏。对于青海盐湖卤水, 因其过饱和度大, 含有更多的Cl- , 冰点很低,

　　在快速冻融时( - 18℃) 并不结冰, 所以大大地延缓了混凝土的冻融破坏, 即使经历1 560 次循环, 混凝土的相对动弹性模量Er仍然高达62%。根据混凝土快速冻融试验标准的规定, 把Er=60%作为破坏标志, 则混凝土在水中的冻融寿命为20 次循环, 在不同盐湖卤水中的腐蚀—冻融寿命分别为: 内蒙古盐湖14 次, 新疆盐湖33 次, 西藏盐湖41 次, 青海盐湖在1 560 次以上。可见, 混凝土在内蒙古盐湖的冻融寿命缩短了30%, 在新疆、西藏和青海盐湖的冻融寿命分别延长了65%、1.05 倍和78倍以上。

2.2 在( 荷载+ 卤水腐蚀+ 冻融) 多重因素作用下盐湖卤水种类对混凝土耐久性的影响图2 是90d 龄期混凝土在不同盐湖卤水中进行加载与非加载冻融试验的相对动弹性模量变化规律。结果表明, 施加荷载进一步降低了混凝土的耐久性, 缩短了其寿命。当Er=60%时, 混凝土未施加荷载时, 在新疆、内蒙古和西藏盐湖卤水中的腐蚀—冻融寿命分别为25、19 和26 次, 当施加30%弯曲荷载以后, 其荷载—腐蚀—冻融寿命分别为16、11 和15 次, 施加荷载与不施加荷载的寿命之比分别为0.64、0.58 和0.58, 平均比值为0.6。对于青海盐湖卤水, 由于冰点降低效应, 在试验进行到1 500 次循环时, 试件仍未达到破坏状态, 但是施加荷载对于混凝土的冻融损伤具有明显的加速作用。

2.3 混凝土在盐湖卤水中的冻融破坏形态与耐久性失效机理的探讨

　　目前, 关于混凝土在盐湖地区的耐久性失效机理还不十分清楚, 文献[5]报道了混凝土在青海盐湖的腐蚀破坏机理, 但未见混凝土在其它盐湖的相关报道。图3 是混凝土在水和新疆盐湖卤水中冻融50 次循环后的典型破坏特征。可见, 混凝土在水中的冻融破坏特征是表面剥落, 在盐湖卤水中的腐蚀—冻融破坏则表现为盐结晶压开裂。在低温条件下, 4 种盐湖卤水因浓度和成分之间的差别表现出不同的过饱和度, 其低温盐类结晶的种类和数量显著不同。根据XRD 分析[6], 新疆、西藏和内蒙古盐湖卤水在( - 17±2) ℃冻结过程中析出的低温结晶相都以Na2SO4·10H2O 为主, 新疆,西藏的含有少量NaCl, 内蒙古的含有少量Na2CO3·10H2O, 这与内蒙古盐湖卤水含有大量CO32- 离子有关, 而青海盐湖卤水的低温结晶相则以NaCl 为主, 并有少量的CaSO4·2H2O。当混凝土在新疆、内蒙古和西藏盐湖卤水中进行冻融试验时, 由于混

　　凝土内部孔隙吸收了盐湖卤水, 不仅使试件重量增加了, 而且冷冻时产生Na2SO4·10H2O 结晶, 对混凝土孔壁形成很大的结晶压力。在反复冻融过程中, 混凝土受到盐结晶压的疲劳作用,导致试件发生膨胀、开裂、破坏。这充分说明, 在低温条件下, 盐湖卤水对混凝土的破坏作用是物理破坏和化学腐蚀共同作用的结果, 盐湖卤水种类对破坏作用存在重大的影响。

　　图4 是处于加载条件下的混凝土在盐湖卤水中进行冻融试验时的典型破坏形态。当混凝土施加30%的弯曲破坏荷载时, 试件受拉区产生了一定的初始拉应力, 随着混凝土在新疆、内蒙古和西藏盐湖卤水中冻融循环次数的增加, 膨胀性的Na2SO4·10H2O 在混凝土孔隙内部结晶形成, 结晶压使混凝土结构受到很大的拉应力作用, 叠加于初始拉应力之上, 从而加快了混凝土受拉区微裂纹的形成与扩展速度, 使混凝土的破坏表现为盐结晶压和荷载作用下的突然断裂, 导致混凝土寿命进一步缩短。

　　当混凝土在青海盐湖卤水中进行冻融试验时, 由于卤水不结冰, 低温结晶相NaCl 也不具备膨胀特性, 所以单一的温度变化对混凝土几乎没有破坏影响。这充分验证了以下2 个观点:

　　第一, 无论是在水中或在盐湖卤水中, 温度交替变化产生的温度应力, 并不是混凝土冻融破坏的主要原因; 第二, 混凝土在青海盐湖地区的耐久性失效机理并不是冻融破坏, 腐蚀可能是唯一的破坏机理[5]。

3 结论

　　(1) 在盐湖地区的卤水腐蚀和冻融双重因素作用下, 混凝土的耐久性有较大的差异。与水中的单一冻融相比, 内蒙古盐湖卤水加速了混凝土的冻融破坏, 西藏和新疆盐湖卤水则在一定程度上延缓了冻融破坏, 而青海盐湖卤水则具有独特的延缓破坏现象。混凝土在内蒙古盐湖的冻融寿命要缩短30%, 在新疆、西藏和青海盐湖的冻融寿命分别延长65%、1.05 倍和78 倍以上。

　　(2) 在盐湖地区的荷载、卤水腐蚀和冻融的多重因素作用下, 混凝土的耐久性进一步恶化, 寿命大为缩短。在新疆、内蒙古和西藏盐湖卤水中, 施加30%弯曲荷载后, 混凝土的耐久性寿命与未施加荷载之比约为0.6。

　　(3) 温度应力并不是混凝土在水或卤水等介质中冻融破坏的主要原因。混凝土在新疆、内蒙古和西藏盐湖卤水中的腐蚀—冻融破坏机理是Na2SO4·10H2O 的结晶压开裂, 施加荷载以后混凝土则表现为在盐结晶压和荷载作用下的突然断裂。

　　(4) 冻融破坏并不是混凝土在青海盐湖地区的耐久性失效机理, 腐蚀可能是唯一的破坏机理。

参考文献:

　　[1] 张彭熹, 张保珍, 唐渊, 等.中国盐湖自然资源及其开发利用[M].北京: 科学出版社, 1999.

　　[2] 慕儒, 严安, 孙伟.荷载与冻融同时作用下HSC 和SFRHSC 的耐久性[J].工业建筑, 1998, 28( 8) : 11- 14.

　　[3] 郑喜玉, 李秉孝, 高章洪, 等. 新疆盐湖[M]. 北京: 科学出版社,1995, 77.

　　[4] 罗骐先, Bungey.J.H.用纵波超声换能器测量砼表面波速和动弹性模量[J].水利水运科学研究, 1996,( 3) : 264- 270.

　　[5] 余红发, 孙伟, 王甲春, 等.盐湖地区混凝土的长期腐蚀产物与腐蚀机理[J].硅酸盐学报, 2003, 31( 5) : 434- 440.

　　[6] 余红发, 孙伟, 武卫锋, 等.普通混凝土在盐湖环境中的抗卤水冻蚀性与破坏机理研究[J].硅酸盐学报, 2003, 31( 8) :763- 769.