宁夏盐渍土地区现场暴露混凝土耐久性损伤评价试验

乔宏霞　路承功　李宇　关利娟

摘要：以掺有不同粉煤灰量的混凝土试件为研究对象，将3种配合比的混凝土试件暴露在具有典型盐渍土特征的宁夏地区，选取相对质量和相对动弹性模量作为评价参数，通过比较分析得出一种更加适合盐渍土地区现场暴露混凝土耐久性损伤的综合评价参数。同时结合现场暴露混凝土微观分析对盐渍土地区混凝土受硫酸盐侵蚀的劣化机理进行了研究，从微观角度分析了盐渍土地区混凝土耐久性能变化的原因。结果表明：混凝土在盐渍土地区受到复杂的化学侵蚀，与土壤中的硫酸盐反应生成了硫铝酸钙晶体填充在孔隙中，综合损伤评价参数能很好地描述盐渍土地区混凝土的耐久性。

关键词：混凝土；现场暴露；盐渍土；耐久性；损伤评价；硫酸盐侵蚀

中图分类号：TU528文献标志码：A

Abstract： The concrete specimens with different amounts of fly ash were taken as research object. The concrete specimens of three kinds of mix ratio were exposed to saline soil with typical characteristics in Ningxia area. The relative mass and relative dynamic elastic modulus were selected as evaluation parameters. Through the comparative analysis， the more suitable comprehensive damage assessment parameters of durability evaluation of the concrete field exposed in the saline area were obtained. At the same time， the degradation mechanism of concrete under sulfate erosion in saline soil was studied combining with microcosmic analysis of field exposed concrete. The reasons for the durability change of concrete in saline soil area were analyzed from micro perspective. The results show that the concrete is subjected to complex chemical erosion in the saline soil area， and react with sulfate in soil to form calcium sulphoaluminate crystals which is filled in the pore. The durability of concrete in saline soil area can be well described by the comprehensive damage assessment parameters.

Key words： concrete； field exposure； saline soil； durability； damage assessment； sulfate erosion

0引言

宁夏位居欧亚大陆桥中国段关键节点，是中国惟一以省域为单位的内陆开放型经济试验区[1]。近年来，随着中国“一带一路”战略的实施和“中国阿拉伯国家博览会”的成功举办，该地区迎来了新一轮建设高潮。混凝土由于其具有经济适用、易于成型、强度高等优点，成为工程建设的首选原材料。然而，宁夏地区环境特殊，是西部众多盐渍土地区之一，该地区昼夜温差大，干旱少雨，风大沙多，处于这一地区的混凝土受到硫酸盐和冷热、干湿、冻融循环交替相互作用的影响，混凝土易出现表面起皮、棱角脱落、裂缝长度和深度显著增大的现象，部分体表面积大的混凝土呈蜂窝状，极大降低了混凝土的承载能力和使用寿命[24]。对该地区硫酸盐侵蚀环境下混凝土耐久性问题的研究是进行工程建设时必须高度重视的一个课题。

董宜森等[5]基于断裂力学理论，采用三点弯曲梁试验方法，研究了混凝土在硫酸盐侵蚀和干湿循环双重因素作用下双K断裂参数等断裂性能的劣化规律，结果表明起裂荷载与最大荷载的比值大致分布在0.55～0.90，在侵蚀初期，失稳韧度和起裂韧度均有较明显的增大，起裂韧度较失稳韧度对硫酸盐侵蚀因素的影响敏感；聂彦锋等[6]应用粗糙集理论对受硫酸盐侵蚀的混凝土评价指标权重进行了分析，指出超声波波速和长度变化率的权重系数最大，回弹值次之，质量变化率和侵蚀深度最小；杨英姿等[7]研究了在不同养护制度下掺与未掺防冻剂混凝土的抗压强度、50次冻融循环强度损失率及渗透系数，参照防冻剂标准提出了一种负温混凝土结构损伤评价参数和基于混凝土长期耐久性的未来防冻剂设计方向，并指出适当延长正温养护时间是提高混凝土耐久性的重要措施。刘道维等[810]研究了掺有粉煤灰、矿渣等掺和料及不同水灰比的混凝土试块在不同浓度硫酸盐溶液中进行干湿循环和两者共同耦合作用时的侵蚀情况，并分析了硫酸盐侵蚀劣化机理，结果表明粉煤灰和矿渣都能够很好地改善混凝土抗硫酸盐侵蚀的性能，随着干湿循环次数和硫酸盐浓度的增加，其损伤程度越来越严重。其他学者也对不同种类混凝土在硫酸盐等侵蚀环境下的耐久性问题进行了研究，丰富了混凝土抗腐蚀性能的理论[1118]。

目前，对混凝土耐久性方面的研究主要集中在以地区原材料为基础的室内模拟加速方面，基于现场暴露的混凝土抗硫酸盐侵蚀研究较少。混凝土耐久性影响因素较多，失效机理复杂，所得成果很难准确反映复杂实际环境下混凝土性能退化的真实情况，得出的结论与实际情况往往有较大偏差。本文将以宁夏地区作为盐渍土地区的一个典型区域，测量混凝土在不同暴露时间段内的质量和超声波，通过比较分析并结合受侵蚀后混凝土微观分析得出一种更加适合盐渍土地区的评价参数进而研究现场暴露环境下混凝土的耐久性。

1原材料与试验方法

1.1原材料

试验选用祁连山水泥公司生产的P42.5的普通硅酸盐水泥，各项性能指标见表1；粉煤灰采用兰州二热厂生产的Ⅱ级粉煤灰；粗集料采用甘肃华陇混凝土有限责任公司生产的碎石，含水率为0.15%，表观密度为2 660 kg·m-3；细集料采用兰州安宁的河砂，含水率为3.3%，表观密度为2 581 kg·m-3，细度模数为3.18，属于中砂；减水剂采用兰州宏建商品混凝土有限责任公司提供的聚羧酸高效减水剂，减水率为18%左右，掺量（质量分数）为2.1%。

1.3试验方案

在埋置之前，对试件进行初始数据采集，包括试件质量M，A，B端的超声波波速VA，VB和长度方向的超声波波速V，并且每隔60 d采集1次试件的质量和超声波。由于现场暴露环境复杂，不确定因素较多，为确保试验的严谨性和准确性，尽量减少试验过程中的误差，本文分别选取宁夏中卫市和中卫市兴仁镇2个现场暴露试验点埋置试件，每个点埋置3种配合比的试件，每种水胶比的试件3个，2个暴露点共18个试件。

1.4耐久性评价参数和损伤评价参数设计

对混凝土基本性能评价常用的指标主要有4个：相对动弹性模量、质量损失率、抗折强度与抗压强度。考虑到本文试验需收集大量数据，抗折、抗压试验属于破坏性试验，而相对质量和相对动弹性模量可以对同一个试件进行多次测量，同时也避免了不同试件差异性所带来的误差，所以本文试验参考了文献[21]设计的混凝土耐久性指标，选取相对质量评价参数ω1和相对动弹性模量评价参数ω2作为混凝土试件耐久性评价参数。质量用分度值为0.1 g的电子称进行测量，相对动弹性模量用NM4A非金属超声波检测分析仪测量。针对试件A，B端侵蚀环境及含水率的不同，所测声速也会有差异，所以在每次测试时分别测量每个试件两端的超声声速，以研究其变化趋势。

从图1～3中可以看出，在现场暴露环境下，1号点3种水胶比混凝土试件的60 d相对质量评价参数ω1都出现了不同程度的波动，其中NX13组试件波动幅度最大，NX14组试件次之，NX15组试件波动最小，该水胶比试件在600 d时评价参数出现了最大值1.267。从开始暴露到120 d时间段内，3组试件相对质量都增加了，且NX14组试件达到了其在整个暴露时间段内的最大值1.142，之后3组试件相对质量都开始出现波动式的交替变化。从暴露年限上看，3组试件损伤评价参数第2年（360～720 d）的波动趋势和频率与第1年（0～360 d）相似，但增大趋势有所减弱。在300 d的时候，NX13，NX15组试件相对质量评价参数ω1达到最大值，分别为1.338，1.104。整体来看，3组试件相对质量评价参数虽然都出现了波动，但其值基本都在1.0以上，表明在暴露720 d内试件的质量较室内养护28 d时有所增强，究其原因主要是土壤中硫酸盐的侵入与水化反应生成的Ca（OH）2发生置换反应生成石膏，进而与先期产物铝酸钙反应生成钙矾石。

3种水胶比试件的A端相对动弹性模量ω2A呈现出前期减小，中期稳步增大，后期减小的波动趋势。NX13和NX15组试件在600 d时相对动弹性模量达到最大值0.999和0.840，NX14组试件在660 d时达到最大值1.011。B端的相对动弹性模量ω2B呈现出前期减小，中期稳定，后期波动增大的趋势，且在720 d时相对动弹性模量评价参数都超过了1.0，表明3种水胶比试件的性能都得到了提升。这主要是因为土壤中侵入的硫酸盐与混凝土中水化产物反应生成了硫铝酸钙晶体，这些晶体填充在孔隙中，改善了混凝土性能。同时可以看到，混凝土试件的ω2A，ω2B以NX13组试件的波动程度最大，NX14组次之，NX15组最小，且A，B两端中期波动时的相对动弹性模量极值不同，如在360 d时A端的ω2为波谷，而B端表现为上升态势，这表明暴露在空气中的A端和埋在土中的B端损伤劣化机理不同，随着时间的延长两者又表现出同步波动。

对于综合损伤评价参数ωA，ωB，两者表现出较强的同步性，从开始暴露到120 d的时间内，3种水胶比试件的ωA，ωB均呈现出下降趋势，表明在这段时间内由于受到外界侵蚀环境的影响，试件性能在降低。之后出现波动式的变化，其中第2年（360～720 d）内的综合损伤评价参数值比第1年（0～360 d）略高，说明在第2年内由于内部水化反应的加强，试件的性能得到了强化。总的来看，3种水胶比试件的ωA，ωB都在0～1.0范围内波动，表明试件在埋置点暴露720 d后均受到了一定程度的损伤。

2.22号点3种水胶比试件耐久性损伤评价参数

2号点3种水胶比混凝土试件的相对质量评价参数、相对动弹性模量评价参数及综合损伤评价参数的变化如图4～6所示。

从图4～6中可以看出，随着暴露时间的延长，3种水胶比试件的相对质量评价参数ω1都表现出波动式变化，但与1号点相比变化幅度不大，都在1.0附近波动。从开始暴露至180 d的时间段内NX23，NX24组试件的相对质量呈上升趋势，ω1达到了暴露时间内的第1个峰值1.296和1.120，之后微小波动并在420 d和360 d时ω1出现整个暴露时间段内的第1个波谷值1.178和0.999；NX25组试件的ω1持续增大直至240 d达到1.061，在360 d时ω1出现整个暴露时间内的最小值0.951。从年限上来看，3种水胶比试件第1年（0～360 d）的波动频率和趋势与第2年（360～720 d）基本吻合，但第2年的波动较第1年更平缓一些。整体来看，除了个别时间点外，3组试件的ω1均大于1.0，表明在暴露时间段内试件的质量均有所增加；3种水胶比试件中以NX23组试件变化最为剧烈，NX24组次之，NX25组最小。

除了NX23组混凝土试件的ω2在60 d内出现短暂增大之外，3种水胶比试件A端ω2在前期暴露时间段内均出现了较大幅度降低，达到了整个暴露时间内的最小值0.432，0.347和0.510。之后迅速回升，然后保持稳定波动。在第2年内，出现了与第1年频率与趋势相似的波动，但波动的幅值明显减小。在此过程中除NX23组试件在个别时间点的ω2A峰值超过1.0外，其他2种配合比试件的ω2A值均小于1.0，表明NX24，NX25组试件在暴露时间段内性能降低，出现了不同程度的损伤。同A端的相对动弹性模量评价参数一样，B端的ω2B也出现前期减小然后迅速回升，在稳定波动一段时间后继续重复与第1年类似的波动。同时也观察到B端的ω2B在360～720 d的暴露时间段内呈现出波动式稳步增大，且在720 d时NX23，NX24组试件的ω2B均大于1.0，表明试件在第2年内性能增强。

3种水胶比试件A，B两端综合评价参数ω在0～120 d时间段内均呈下降趋势，其中A端下降幅度比B端大，表明初期A端受环境侵蚀作用比B端更加明显。随着时间延长，ωA，ωB值回升并保持稳定波动，在360 d时又出现一次较大幅度下降之后保持了较稳定的增加。同时观察到在第2个暴露期内，不同试件B端的综合损伤评价参数要比A端的波动幅度小，这可能是气候条件对在空气中暴露的A端影响更大。

综上所述，对比2个埋置点3种水胶比的试件可以看到，相对质量评价参数值波动较小，除个别时间段外其值基本都在1.0以上波动，其中水胶比为0.30的试件波动幅度最小。如果单纯以ω1作为混凝土耐久性评价参数则不能客观反映混凝土损伤程度。与ω1相比，相对动弹性模量评价参数ω2则表现出较大的波动，2个埋置点3种水胶比的试件在第1年内的波动频率和趋势与第2年相似，且随着暴露时间的延长，波动幅度越小，究其原因主要是室内养护28 d的混凝土试件中含有较多未参与水化的游离态水，在暴露初期，受外界环境气候影响，孔隙中游离态水蒸发到空气中，减缓了内部的水化；随着暴露时间的延长，试件中的粉煤灰发生二次水化反应，后期强度发展较快，在吸收了土壤和空气中的水分后继续水化反应，从而提高了试件的强度；对比2个埋置点3种水胶比试件发现，A端的波动程度比B端大，表明暴露端受到气候变化的影响较大；在360～720 d内，ω2A下降趋势比ω2B陡，这主要是因为随着时间的延长，埋在土中的B端混凝土与土壤中的SO2-4，HCO-3等离子发生了化学反应，并与自身水化产生的铝酸钙晶体反应形成了一种新的硫铝酸钙晶体，使得混凝土自身致密程度增加。因此，在研究盐渍土地区混凝土损伤破坏时宜选择波动规律较好的B端相对动弹性模量进行耐久性综合损伤评价参数的计算。同时也看到，不同埋置点中，无论是相对质量评价参数、相对动弹性模量评价参数还是综合损伤评价参数，水胶比为0.43的试件波动最为剧烈，水胶比为0.35的试件次之，水胶比0.30的试件波动相对较平缓些，这说明NX15，NX25混凝土试件耐久性最好。

2.3现场暴露混凝土试件微观机理分析

利用SEM扫描电镜观察混凝土试样在现场暴露环境下生成水化产物的微观形态，从而进一步研究试件在盐渍土地区现场暴露时其水化产物对混凝土强度及耐久性能的影响。不同配合比试件A，B端的SEM图像如图7～10所示。试验所用的仪器为中国科学院兰州化学物理研究所的JSM5600LV扫描电子显微镜，HV分辨率为3.5 nm，LV分辨率为5.0 nm，放大倍数为18～300 000。本文试验选取5 000倍的SEM图像进行研究。

本文试验所用的胶结材料有普通硅酸盐水泥和粉煤灰，主要矿物成分有硅酸二钙（C2S）、硅酸三钙（C3S）、铝酸三钙（C3A）及铁铝酸四钙（C4AF），其在标准养护阶段发生水化反应生成硅酸钙凝胶（CSH）、氢氧化钙晶体、水化铁酸钙凝胶及铝酸钙晶体。C2S水化反应速度慢，是后期强度增加的主要原因，C3S水化速度快且在反应过程中释放大量的热量。28 d标准养护后将试件埋置在盐渍土地区，随着暴露时间的延长，硫酸根离子侵入混凝土中与前期水化产物Ca（OH）2发生置换反应生成石膏。当石膏存在时会与水化反应生成的铝酸钙发生反应生成高硫型水化铝酸钙晶体（AFt），简称钙矾石，该晶体呈针状。在生成钙矾石过程中晶体的体积会增大，产生较大的膨胀压力导致混凝土开裂，也将这种腐蚀称为“E”盐腐蚀。若石膏在C3A完全水化前消耗完，则AFt与C3A作用生成单硫型水化铝酸钙晶体（AFm）。在硫酸根离子浓度很高时，反应生成的CaSO4会直接在混凝土孔隙中结晶成石膏，导致液相石灰浓度降低和混凝土体积增大，使得水泥石中胶凝物质分解和混凝土开裂破坏，称这类腐蚀为“G”盐腐蚀。同时，粉煤灰中含有活性矿物成分SiO2和Al2O3，这些活性成分也会与水泥水化产物Ca（OH）2发生二次水化反应，生成硅酸钙凝胶及铝酸钙晶体，期间会消耗大量的Ca（OH）2，从而减少了其与硫酸盐反应生成石膏的数量。石膏数量的减少又会减少膨胀产物钙矾石的数量，与此同时生成大量CSH无定形凝胶填充在混凝土孔隙中，增加了混凝土的致密程度，改善了混凝土抗硫酸盐侵蚀的能力。

由图7～10中可以看出，A，B端断面处未看到六角形的Ca（OH）2晶体，但有较多的纤维状、颗粒状、薄片状、层状及短柱状的胶体，说明在暴露期间混凝土试件与粉煤灰中的活性SiO2和活性Al2O3发生了较充分的二次水化反应生成大量水化硅酸钙（CSH）凝胶。CSH呈无定形的凝胶相，其化学成分不固定且结晶度极差，当水泥熟料中的阿利特和贝利特相在温度和含水量不同时就会产生不同的CSH相。此外，水化产物的形貌还与钙硅比、熟料的活性、水化时溶液中离子的过饱和度有很大的关系。因此，CSH的形貌较复杂，呈现出纤维状、团簇颗粒状、网络状、层状及短柱状等众多形态。由于混凝土试件长期暴露在空气中，生成的Ca（OH）2晶体还会与环境中的CO2和H2O反应后分解，使得Ca（OH）2含量进一步减少。

除了明显的絮状、层块状及短柱状的水化硅酸钙凝胶外，还可以清晰看到少量针状集合体，这主要是水化反应生成的铝酸钙晶体与环境中的硫酸盐发生反应生成了硫铝酸钙晶体（钙矾石）。对比NX15试件A，B两端SEM图发现，A端有较为致密的层状结晶体且颗粒圆滑细腻，而B端有少量的孔隙，孔隙表面有较多针状的硫铝酸钙晶体，表明先期水化反应生成的C3A与硫酸盐发生了反应使得埋置在土壤中的B端受到硫酸盐侵蚀作用比A端大许多，腐蚀效果明显。少量的钙矾石能够提高混凝土的性能，这也是混凝土试件初期强度增加的主要原因，但是过量的钙矾石会对混凝土造成破坏，随着暴露时间的增加，混凝土最终会因硫酸盐的侵蚀而破坏。此外，这些晶体的形成会降低过渡层的孔隙率并改善其性能。这与通过相对质量、相对动弹性模量及综合损伤评价指标所得出的结论具有较高的一致性。3结语

（1）相对质量评价参数ω1和相对动弹性模量评价参数ω2能直观表征在暴露环境下混凝土的劣化性能，但单纯以1个评价参数不能客观准确衡量现场暴露混凝土的耐久性，综合考虑相对质量和相对动弹性模量的优化综合损伤评价参数ω能很好地描述在盐渍土地区暴露混凝土的耐久性能。暴露720 d的混凝土试件耐久性能受到劣化但未达到破坏。

（2）盐渍土地区的混凝土受到外界环境侵蚀作用，随着暴露时间的增加，侵蚀作用越来越明显。暴露端和埋置端侵蚀劣化稍有不同，埋置在土壤里面的混凝土受到硫酸盐的侵蚀比暴露在空气中的混凝土大。混凝土在硫酸盐环境作用下生成针状的硫铝酸钙晶体填充在孔隙中。

（3）盐渍土地区混凝土前期水化反应是其强度增加的主要原因，后期强度发展主要是因为前期水化产物铝酸钙与硫酸盐进一步反应生成钙矾石使混凝土致密性增加。粉煤灰的掺入使得二次反应较为彻底，在水化产物的微观形貌中没有看到明显的Ca（OH）2晶体。

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