风沙吹蚀与干湿循环作用下风积沙混凝土抗氯盐侵蚀机理

薛慧君，申向东，王仁远，刘 倩，刘 政，韩 超，原 奇



风沙吹蚀与干湿循环作用下风积沙混凝土抗氯盐侵蚀机理

薛慧君，申向东※，王仁远，刘 倩，刘 政，韩 超，原 奇

（内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院，呼和浩特 010018）

针对风蚀区盐湖及盐渍土环境下服役的混凝土，配制满足特殊环境下工程要求的风积沙混凝土。分析风沙吹蚀与干湿循环耦合作用下风积沙混凝土抗氯盐侵蚀的损伤过程，借助超景深三维显微镜、X射线衍射物相分析、核磁共振孔隙分析等手段探讨风积沙混凝土抗氯盐侵蚀耐久性机理。研究表明风沙吹蚀对混凝土表面产生破坏，干湿循环对混凝土内部造成损伤；风沙吹蚀对混凝土表面造成的“吹蚀坑”可为盐离子入侵混凝土内部提供“通道”；氯盐侵蚀后生成以Friedel盐为代表的腐蚀结晶物，可填充1～4 nm胶凝孔，消耗Ca(OH)2等有效物质，迫使4～10 nm小毛细孔增多，随盐蚀损伤程度加剧，10～20 nm中毛细孔和20～100 nm大毛细孔向>100 nm非毛细孔发展，非毛细孔彼此贯通产生裂纹，致使混凝土加速破坏。该研究可为风积沙混凝土在风蚀区氯盐环境下农业水利工程建设与应用提供依据。

风；侵蚀；混凝土；干湿循环；氯盐侵蚀；风积沙；核磁共振；Friedel盐

0 引 言

中国西北地区分布着1 000多个不同类型的盐湖，其中内蒙古盐湖超过370个，且湖水主要为多种离子共存的复合型卤水，而Cl-是内蒙古地区盐湖中离子浓度含量最高的离子，其质量浓度高达108 g/L，含量是海水中的4.86～10.75倍[1-2]。盐湖周边分布着更为广泛的盐渍土壤，且主要为氯盐渍土，最高含盐质量分数达43.66%[3-4]。针对盐湖及盐渍环境下服役的混凝土材料与结构，诸多研究者通过试验对其耐久性损伤失效规律及破坏机理进行研究[5-13]。然而中国西北盐湖及盐渍环境地区，往往伴随着多风多沙的气候环境[14-15]，其中强、特强沙尘暴下的风沙吹蚀作用对于该地区的工程材料有着不可忽视的影响，大量研究者通试验研究了风沙吹蚀对工程材料的破坏规律及损伤机理[16-19]。

中国现有沙漠化土地33.4×104km2，风沙化土地3.7×104km2，加上沙漠戈壁116.2×104km2，共153.3×104km2，约占国土总面积的15.9%，已超过中国耕地总和[20]。利用沙漠化的主要致灾物风积沙，可配制风积沙混凝土，研究表明风积沙替代普通砂质量分数超过60%时混凝土工作性能显著性降低，需通过外加剂进行人为改善[21-22]；风积沙混凝土强度与普通混凝土无明显差异，能够满足一般工程使用需求[23-25]；风积沙混凝土在适当配合比和外加剂影响下，能够满足水工混凝土抗冻性要求[26-30]。

本文针对中国西北盐渍风沙环境下服役的混凝土，研究风沙吹蚀与干湿循环耦合作用下，混凝土抗氯盐侵蚀的耐久性机理。选取风积沙替代率为40%的风积沙混凝土作为研究对象[28-30]，采用室内加速模拟的试验方法，对风积沙混凝土在风沙吹蚀与干湿循环耦合作用下的抗氯盐侵蚀进行试验研究。利用超景深三维显微镜对混凝土表面形貌破坏过程进行测定，运用X射线衍射技术对混凝土成分进行物相分析，采用核磁共振技术分析混凝土孔隙变化规律，多方面探讨风沙吹蚀与干湿循环耦合作用下风积沙混凝土抗氯盐侵蚀损伤机理。

1 试验材料

1.1 混凝土原材料

水泥：冀东P·O 42.5普通硅酸盐水泥，比表面积384 m2/kg，密度3 158 kg/m3，细度1.4%，标准稠度用水量28.5%，初凝时间240 min，终凝时间390 min，烧失量3.1%，体积安定性合格，3 d抗压强度24.8 MPa，28 d抗压强度48.9 MPa，3 d抗折强度5.0 MPa，28 d抗折强度8.1 MPa。粉煤灰：内蒙古呼和浩特西郊热电厂F类Ⅱ级粉煤灰，比表面积354 m2/kg，密度2 150 kg/m3，烧失量3.1%，需水量97.2%，微珠质量分数93.3%。粗骨料：普通卵碎石，表观密度2 669 kg/m3，堆积密度1 650 kg/m3，粒径范围4.75～26.5 mm，含泥量0.4%，压碎指标3.7%，坚固性5.1%。风积沙细骨料：内蒙古鄂尔多斯市库布齐沙漠风积沙；河砂细骨料：内蒙古呼和浩特市周边砂场，2种细骨料主要物理化学指标如表1所示。水：普通自来水。外加剂：AE-11型高效引气减水剂。

表1 细骨料主要物理化学性能

注：表中百分比均为质量分数。

Note: Percentage in the table is the mass fraction.

1.2 混凝土配合比与制备养护

利用等质量替代法将风积沙替代普通河砂，选取风积沙替代率为40%制备风积沙混凝土。按照1 m3中水泥320 kg、粉煤灰80 kg、碎石1 060 kg、风积沙450 kg、河砂300 kg、水180 kg和外加剂6.8 kg作为混凝土设计配合比，水胶比为0.45，砂率为41%。依照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T50081-2002)对混凝土试件进行制备和标准养护，试件尺寸为100 mm×100 mm× 100 mm立方体，按规范抗压强度值尺寸换算系数取0.95，计算所得28 d立方体抗压强度标准值为41.9 MPa。

2 试验设计

为研究风沙吹蚀与干湿循环耦合作用下风积沙混凝土抗氯盐侵蚀的耐久性损伤机理，试验设计如下2种不同工况。

工况一：干湿循环作用下风积沙混凝土抗氯盐侵蚀试验。借鉴《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T50082-2009)中“抗硫酸盐侵蚀试验”部分，采用规范所推荐的干湿循环制度和100 mm×100 mm× 100 mm立方体试件，选取浓度3% NaCl溶液作为侵蚀介质[6]，设计干湿循环次数为180次。以下文中干湿循环次数用D表示，如D30表示干湿循环30次。

工况二：风沙吹蚀与干湿循环作用下风积沙混凝土抗氯盐侵蚀试验。试验干湿循环部分与工况一完全相同，但每隔15次干湿循环后进行1次风沙吹蚀试验，并以此定义为一个耦合作用周期。以下文中干湿循环和风沙吹蚀次数用D和W表示，如D30W2表示干湿循环30次和风沙吹蚀2次。根据研究表明混凝土受5～6 min风沙吹蚀后则进入吹蚀稳定阶段，此时混凝土质量变化较小，故选取10 min为1次风沙吹蚀试验的时间参数[16,19]。利用如图1所示自制混凝土风沙吹蚀试验装置[31]，模拟西北地区沙尘暴环境下混凝土受风沙吹蚀影响，根据内蒙古风沙强度气象资料[14-15]，同时参考混凝土受风沙吹蚀研究成果[16-19]，吹蚀率是衡量混凝土在风沙吹蚀影响下表面剥落的重要指标，风速增大沙粒动能越大则混凝土吹蚀率越大，挟沙量过大时由于沙粒相互碰撞耗能致使吹蚀率减小，90°攻角时吹蚀率及剥蚀程度最大。故选取具有代表性风沙吹蚀参数，同时为了增大试验效果，将风沙吹蚀参数进行人为扩大，选取风速31 m/s（11级暴风）、挟沙量30 g/min、攻角90°为风沙吹蚀参数进行试验，对混凝土固定非成型面进行风沙吹蚀试验。

1.空气压缩机 2.进气阀 3.稳压阀（P） 4.集沙箱 5.流沙阀 6.进气孔 7.进沙孔 8.吹蚀总阀 9.热敏风速仪 10.混凝土夹具支座 11.排气孔 12.排气管 13.水箱 14.排沙洞 15.沙粒回收箱

1.Air compressor 2.Air valve 3.Pressure maintaining valve (P) 4.Sand container 5.Sand outflow hole valve 6.Air inlet 7.Sand inlet 8.Wind-sand erosion valve 9.Thermal-sensitive anemometer 10.Concrete clamp support 11.Air exhaust vent 12.Air exhaust pipe 13.Water tank 14.Sand discharge hole 15.Sand recycling bin

a. 验装置示意图

a. Diagram of test device

b. 吹蚀室实物图

3 试验测试指标及方法

3.1 质量损失率测试

利用感量为0.1 g的电子秤分别测定每干湿循环15次前后和风沙吹蚀1次前后混凝土的质量，计算时选取3个试件的算术平均值作为测定值，计算总质量损失率、干湿循环质量损失率、风沙吹蚀质量损失率，计算公式如下：

总质量损失率

干湿循环质量损失率

风沙吹蚀质量损失率

3.2 相对动弹性模量测试

采用共振法测定混凝土横向基频，选取任意一个固定的非成型面作为测量面，对于工况二中混凝土选取风沙吹蚀面作为测试面，每次测量重复测读2次以上，且确保2连续测值之差不超过2次测量的算术平均值的0.5%。分别测定每干湿循环15次前后和风沙吹蚀1次前后混凝土的横向基频，并计算总相对动弹性模量、干湿循环分计相对动弹性模量和风沙吹蚀分计相对动弹性模量，计算公式如下：

总相对动弹性模量

干湿循环分计相对动弹性模量

风沙吹蚀分计相对动弹性模量

3.3 氯离子最大侵蚀深度测试

采用AgNO3显色法[32-33]测定氯离子侵蚀深度，借助取芯机对混凝土钻芯取样，芯样尺寸为48 mm× H100 mm（直径×高）圆柱体，沿芯样切割面均匀喷洒0.1 mol/L AgNO3溶液指示剂，氯离子侵蚀区域为银白色，未侵蚀区域为棕色，二者存在明显分界线。采用分度值为0.02 mm的游标卡尺测定分界线距离表面的最大深度，即为氯离子最大侵蚀深度。选取2工况下干湿循环15、30、60和180次的风积沙混凝土各3块，计算3块试件氯离子最大侵蚀深度的算数平均值作为试验结果。

3.4 表面三维剥蚀形貌测试

采用德国Leica公司的Z16APO型超景深三维显微镜，选取工况一D0、D30、D60、D180和工况二D0W0、D30W2、D60W4、D180W12的风积沙混凝土试件，进行三维立体图像构建，选取破坏严重的中心区域进行50倍放大观测，利用Leica Map软件对其表面三维深度云图进行构建，对风沙吹蚀与干湿循环耦合作用下风积沙混凝土表面风蚀形貌及风蚀深度进行观测。

3.5 X射线衍射物相分析测试

采用荷兰PANalytical B.V.公司的X射线衍射仪（X-ray diffractometer, XRD）进行物相分析，借助Cu靶K射线辐射，衍射波长=0.154 18Å，辐射管电压40 kV，电流40 mA，衍射角扫描速度0.4°/s，步长0.02°，扫描范围（2）为5°～90°。选取工况二D0W0、D60W4和D180W12的风积沙混凝土，对距试件表面0～5 mm处风积沙水泥浆体进行取样，人工碾碎后过80目筛，进行XRD物相分析试验。

3.6 核磁共振孔隙度测试

采用中国苏州纽迈MesoMR-60型核磁共振（nuclear magnetic resonance, NMR）分析系统，测定工况二D0W0、D30W2、D60W4、D180W12的风积沙混凝土孔隙特征，测试前将混凝土试件置于真空饱和装置中真空饱水24 h，使混凝土达到饱和状态。采用CPMG脉冲序列（carr-purcell-meiboom-gill, CPMG）采集并计算核磁共振数据[34-35]，如式（7）所示

混凝土渗透率和内部孔隙度与孔隙尺寸成正比，核磁共振测试渗透率采用Coates模型进行计算[34-35]，如式（8）所示。

式中为渗透率，mD；为混凝土孔隙度，%；为待定调整系数；FFI（free fluid index）为自由流体饱和度，%；BVI（bulk volume irreducible）为束缚流体饱和度，%。

4 结果与分析

4.1 质量损失率变化

2工况下的总质量损失率变化如图2a所示，由图可知，总质量损失率变化均可划分为降低段和增加段，即混凝土质量先增大后减小，且2部分存在明显“拐点”，“拐点”值为总质量损失率最小值，其标志着风积沙混凝土在氯盐侵蚀作用下性能开始劣化。

工况一总质量损失率“拐点”值−1.11%出现在D120，“拐点”前干湿交替作用迫使盐溶液反复进出混凝土内部，在浸泡过程中内部吸收盐分，根据离子游离平衡原理[36]，以达到离子溶液平衡的目的，该阶段盐蚀产物在内部孔隙与微裂纹中累积，从而导致混凝土总质量损失率持续降低达到“拐点”，即质量持续增大。“拐点”后盐蚀产物累积达到一定量，在烘干过程中内部盐溶液失水结晶，盐蚀产物析出累积会引起混凝土孔隙与微裂纹在高温状态下进一步发育[32]，迫使风积沙混凝土表面产生少量浆体剥落，出现风积沙混凝土总质量损失率增加段，试验结束时总质量损失率为−0.45%。

a. 总质量损失率变化

a. Changes of total mass loss rate

b. 工况二干湿循环和风沙吹蚀分计质量损失率

工况二总质量损失率“拐点”值−0.65%出现在D105W7，试验结束时总质量损失率为0.33%，说明风沙吹蚀能够提前“拐点”出现时间。工况二每个耦合周期后干湿循环和风沙吹蚀两者分计质量损失率如图2b所示，干湿循环分计质量损失率以“拐点”为界，“拐点”前为负，“拐点”后基本为正；风沙吹蚀分计质量损失率始终为正。对于干湿循环，在总质量损失率降低阶段，随着干湿循环次数的增加，虽然风沙吹蚀作用将表层酥化松动的风积沙浆体和盐分晶体吹落，但仍有较多盐蚀产物在干湿循环过程中积聚留存于混凝土内部，从而引起混凝土质量损失率下降，即质量呈波动性增大。而对于风沙吹蚀，混凝土初次遭受风沙吹蚀作用后，表层浆体剥落出现总质量损失率下降段极大值0.33%，是由于表层硬度较低的风积沙浆体在风沙流持续撞击、削切作用下，逐步形成“吹蚀坑”，“吹蚀坑”彼此通过裂纹交错连接，导致浆体剥落、卵碎石暴露，致使初始风沙吹蚀分计质量损失率较大[18]。当卵碎石裸露后，风沙流继续吹蚀裸露的粗骨料，粗骨料硬度大于风积沙硬度，风积沙颗粒撞击破碎耗能，致使风沙吹蚀分计质量损失率减小[19]。

4.2 相对动弹性模量变化

两工况下混凝土总相对动弹性模量变化如图3a所示，由图可知，总相对动弹性模量均可划分为初始降低段、缓慢增长段和快速损伤段3部分。

a. 总相对动弹性模量变化

a. Changes of total relative dynamic elastic modulus

b. 工况二干湿循环和风沙吹蚀分计相对动弹性模量衰减值

工况一、二干湿循环30次后总相对动弹性模量下降至82.91%和83.77%，为初始降低段，主要由于干湿循环下的高温干燥过程中，混凝土内部水分蒸发速率加快，产生一定干缩现象，导致内部产生微裂纹，而此时吸收盐分所生成的盐蚀产物不足以填充内部微裂纹，致使总相对动弹性模量降低；随后工况一、二干湿循环105次后总相对动弹性模量增长至95.75%和99.71%，为缓慢增长段，结合图2a总质量损失率变化，该阶段混凝土总质量和总相对动弹性模量同时增长，说明初期氯盐侵蚀混凝土内部成分，反应生成盐蚀结晶产物填充部分孔隙与微裂纹，一定程度上增大混凝土密实程度[8]；然后混凝土总质量和总相对动弹性模量均出现下降，为快速损伤段，其中工况一由于盐蚀产物填充侵蚀后的大孔隙与裂缝，虽然总相对动弹性模量在150次后增加，但仍属于快速损伤段。此时内部盐蚀反应程度加剧，引起内部大孔隙和裂缝持续发育，裂缝彼此交错致使风积沙浆体剥落，工况一、二试验结束时总相对动弹性模量分别为49.82%和42.96%。对比2工况下混凝土受氯盐侵蚀后的总相对动弹性模量变化，前期初始降低段和后期快速损伤段变化趋势差别不大，但缓慢增长段工况二的增速较工况一更为明显，说明风沙吹蚀与干湿循环耦合作用能够加速盐分侵蚀产物填充内部孔隙速率，风沙吹蚀作用造成表面产生“吹蚀坑”损伤，“吹蚀坑”的相互连通能够为盐分入侵提供“通道”，加速对内部微裂纹及孔隙的填充作用。

工况二每个耦合周期后干湿循环和风沙吹蚀两者分计相对动弹性模量衰减值如图3b所示，由3图可知，风沙吹蚀后混凝土相对动弹性模量变化微弱，而干湿循环后混凝土分计相动弹性模量变化趋势与总相对动弹性模量变化趋势较为对应。利用损伤度指标[10,30]对二者进行评判，混凝土初始损伤度为0，干湿循环和风沙吹蚀耦合试验后损伤度为0.57，其中干湿循环部分损伤度0.52占总损伤91.23%，风沙吹蚀部分损伤度0.05占总损伤8.77%，说明风沙吹蚀作用对混凝土内部结构产生较小损伤，干湿循环作用下的氯盐侵蚀能够对混凝土内部结构产生较大损伤。

4.3 氯离子最大侵蚀深度变化

两工况下的氯离子最大侵蚀深度变化情况如图4所示。

图4 混凝土氯离子侵蚀深度变化

由图4可知，2工况下最大氯离子侵蚀深度均随着干湿循环次数的增加而增大，工况二的最大侵蚀深度为工况一的1.4～1.6倍。这主要有2部分原因引起：一方面，在干湿循环的氯盐溶液浸泡过程中，由于混凝土孔隙的毛细作用和浓度的势能差作用影响，促使盐分向混凝土内部迁移，在高温烘干过程中，混凝土内部水通过孔隙向外蒸发散失，孔中溶液氯离子浓度增大，由于浓度梯度影响迫使氯离子向内部迁移[5]；另一方面，风沙吹蚀作用导致混凝土表面破损，表层风积沙浆体率先脱落，漏出内部微裂纹与半封闭孔隙，加速氯离子侵蚀速率。对于前期干湿循环60次时工况一、二的最大侵蚀深度分别为10.22和15.12 mm，而干湿循环180次时工况一、二的最大侵蚀深度分别为14.20和20.42 mm，分别为干湿循环60次的1.39倍和1.35倍。

4.4 表面三维剥蚀形貌分析

两工况下混凝土表面三维剥蚀形貌如图5所示。

注：D0、D30、D60和D180分别为工况一干湿循环0、30、60和180次。D0W0为工况二干湿循环0次+风沙吹蚀0次；D30W2为工况二干湿循环30次+风沙吹蚀2次；D60W4为工况二干湿循环60次+风沙吹蚀4次；D180W12为工况二干湿循环180次+风沙吹蚀12次。下同。

对于工况一（如图5a～5d所示），D0、D30、D60和D180的风积沙混凝土表面剥蚀深度分别为49、63、91和166m，表面剥蚀深度成增加趋势。对于工况二（如图5e～5h所示），初始D0W0的混凝土表面整体较为平整，存在个别硬化成型时细微坑洞，其最大深度47m；D30W2的混凝土表面出现不平整现象，由于风沙吹蚀作用促使混凝土表面风积沙浆体剥落，其最大深度459m，是初始D0W0的9.8倍；D60W4的混凝土表面由于吹蚀作用所产生的坑洞数量较之前更多，其最大深度618m，是初始D0W0的13.1倍，是D30W2的1.3倍，0～30次和30～60次干湿循环与相应风沙吹蚀耦合作用下混凝土表面形貌的破坏程度逐步减弱，主要是由于风沙吹蚀作用一旦使得粗骨料暴露，粗骨料会对高速风沙流粒子产生“反弹”影响，从而削弱风沙吹蚀影响[16,19]；D180W12的混凝土表面粗细骨料大范围暴露，部分细骨料剥落产生尺寸较大坑洞，其最大深度1 580m。

4.5 X射线衍射物相分析

工况二不同干湿循环次数与风沙吹蚀后的风积沙混凝土XRD物相分析如图6所示。

对于初始D0W0的混凝土其主要物相为石英SiO2、Ca(OH)2、斜方钙沸石CaAl2Si2O8·4H2O；对于D60W4的混凝土，除含有初始石英外，还有方解石CaCO3、水铝钙石类的Ca4Al2O6Cl2·10H2O和Friedel盐Ca2Al (OH)6Cl·2H2O等，而无Ca(OH)2衍射峰；对于D180W12的混凝土，同样无Ca(OH)2衍射峰，其他物相与D60W4相同，且Friedel盐峰强度更为明显。风积沙混凝土在氯盐环境下受到NaCl的侵蚀作用，混凝土内部3CaO·Al2O3、Ca(OH)2和NaCl反应，生成代表性腐蚀结晶物Friedel盐，同时消耗混凝土内部Ca(OH)2，其化学反应式如式（9）所示。

3CaO·Al2O3+Ca(OH)2+NaCl+H2O→

Na++OH-+Ca2Al(OH)6Cl·2H2O+H2O （9）

图6 工况二混凝土X射线衍射物相分析

4.6 核磁共振孔隙分析

工况二不同次数干湿循环与风沙吹蚀耦合作用后的风积沙混凝土2谱、2谱信号差、孔隙度和渗透率如图7所示。

注：Δ0、Δ30、Δ60和Δ180分别为工况二干湿循环0、30、60和180次与干湿循环0次信号幅度差。

由图7可知，对于2谱图，D0W0的2谱面积1 100.053为最小值，D180W12的2谱面积2 543.377为最大值。不同干湿循环次数与风沙吹蚀后弛豫时间0.1～10 ms之间信号差变化幅度较大，总孔隙度从D0W0时0.70%发展到D180W12时2.29%，渗透率从D0W0时0.026 mD发展到D180W12时1.129 mD。说明在干湿循环180次和风沙吹蚀耦合作用下风积沙混凝土受氯盐侵蚀后，其内部孔隙度和渗透率总体增大，从微观层面上可解释总质量损失率增加和总相对动弹性模量下降的宏观试验现象。

工况二各孔径区间孔隙分布百分比如图8a所示，其中1～10和10～100 nm孔隙为全部孔隙的主要组成部分，对于1～10 nm孔隙，D0W0时为总孔隙15.0%，D30W2和D60W4时分别为29.1%和32.7%，D180W12时下降为23.7%，呈先增多后减少；对于10～100 nm孔隙，D0W0时为总孔隙56.2%，D30W2和D60W4时分别为54.5%和48.3%，D180W12时下降为57.3%，呈先增多后减少。对1～10和10～100 nm孔隙进一步划分，其结果如图8b、8c所示，由图8b可知，1～2和2～4 nm凝胶孔所呈先增多后减少，4～6 nm小毛细孔基本不变，6～8和8～10 nm小毛细孔先减少后增多；由图8c可知，10～20 nm中毛细孔呈先增多后减少，20～40和40～60 nm大毛细孔基本不变，60～100 nm大毛细孔呈波动性缓慢减少。由此可见，根据核磁共振孔隙试验结果，可将风积沙混凝土内部孔隙依据孔径大小划分为5类：1～4 nm胶凝孔、4～10 nm小毛细孔、10～20 nm中毛细孔、20～100 nm大毛细孔以及>100 nm非毛细孔。

图8 工况二混凝土孔径区间变化

分析上述孔隙变化原因主要有以下2方面：一方面，对于试验初期混凝土反复受到高温干燥影响，1～4 nm胶凝孔中胶凝水逐步散失，致密水泥石产生干缩，致使水泥石结构中的胶凝孔量增多，而6～10 nm小毛细孔由于高温干缩致使其向10～20 nm中毛细孔发展，小毛细孔减少而中毛细孔增多，且20～100 nm大毛细孔和>100 nm的非毛细孔变化较不明显。另一方面，随着干湿循环和风沙吹蚀持续进行，风积沙混凝土中铝酸三钙C3A等成分与NaCl反应，生成以Friedel盐为代表的不溶性腐蚀结晶盐，率先对1～4 nm胶凝孔进行填充，增大胶凝孔密实程度，减少水泥石中胶凝孔，同时消耗混凝土内部CH等成分，迫使4～10 nm小毛细孔增多，10～20 nm中毛细孔和20～100 nm大毛细孔向>100 nm非毛细孔发展，说明混凝土内部遭受盐蚀程度加剧，小孔隙向大孔隙发展，大孔隙彼此通过微裂纹贯通，最终致使混凝土损伤加速最终破坏。

5 结 论

1）风沙吹蚀与干湿循环耦合作用下，风积沙混凝土表面浆体剥落程度加剧，风沙吹蚀会加速混凝土总质量损失率“拐点”的出现时间，风沙吹蚀对混凝土内部结构产生的损伤约占8.77%，氯盐溶液下的干湿循环对混凝土内部结构产生的损伤约占91.23%；

2）风沙吹蚀作用对混凝土表面造成“吹蚀坑”损伤，表面损伤可为氯离子入侵混凝土内部提供“通道”，从而增加氯离子侵蚀深度，风沙吹蚀与干湿循环耦合作用下的氯离子最大侵蚀深度是单纯干湿循环作用下的1.4～1.6倍；

3）风积沙混凝土氯盐侵蚀后生成以Friedel盐为代表的多种腐蚀结晶物，可对1～4 nm胶凝孔进行填充，减少水泥石中胶凝孔，同时消耗Ca(OH)2等成分，迫使4～10 nm小毛细孔增多，伴随盐蚀加剧，10～20 nm中毛细孔和20～100 nm大毛细孔向>100 nm非毛细孔发展，非毛细孔彼此通过微裂纹贯通，最终致使混凝土损伤加速发生破坏。

本文主要探讨了在单一干湿循环试验工况下和风沙吹蚀与干湿循环耦合试验工况下风积沙混凝土抗氯盐侵蚀的劣化规律，研究表明风沙吹蚀会加速氯盐干湿循环作用对风积沙混凝土的损伤，这对中国西北风蚀区盐湖及盐渍环境下服役的混凝土耐久性研究具有重大意义。同时针对风沙吹蚀与干湿循环耦合作用下风积沙混凝土抗氯盐侵蚀过程中的表面三维形貌、化学物相变化、内部孔隙变化等进行了微观层面分析与研究，从微观尺度对其劣化机理予以解释。但对氯盐侵蚀下混凝土劣化“拐点”处的微观研究还不够充分，后续应对风积沙混凝土抗氯盐侵蚀全过程动态演化进行定量研究，从而明确混凝土宏观劣化“拐点”处的微观劣化突变机理。

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

[2] 郑喜玉，张明刚，董继和，等. 内蒙古盐湖[M]. 北京：科学出版社，1992.

[3] 余红发. 盐湖地区高性能混凝土的耐久性、机理与使用寿命预测方法[D]. 南京：东南大学，2004. Yu Hongfa. Study on High Performance Concrete Salt Lake: Durability, Mechanism and Service Life Prediction[D]. Nanjing: Southeast University, 2004. (in Chinese with English abstract)

[4] 孙伟. 现代结构混凝土耐久性评价与寿命预测[M]. 北京：中国建筑工业出版社，2015.

[5] Saikia N, Kato S, Kojima T. Thermogravimetric investigation on the chloride binding behavior of MK-lime paste[J]. Thermochimica Acta, 2006, 444: 16－25.

[6] 金伟良，袁迎曙，卫军，等. 氯盐环境下混凝土结构耐久性理论与设计方法[M]. 北京：科学出版社，2011.

[7] 吴福飞，侍克斌，董双快，等. 硫酸盐镁盐复合侵蚀后混凝土的微观形貌特征[J]. 农业工程学报，2015，31(9)：140－146.

Wu Fufei, Shi Kebin, Dong Shuangkuai, et al. Microstructure characteristics of concrete after erosion of magnesium salts and sulfates[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(9): 140－146. (in Chinese with English abstract)

[8] 金祖权，孙伟，张云升，等. 混凝土在硫酸盐、氯盐溶液中的损伤过程[J]. 硅酸盐学报，2006(5)：630－635.

Jin Zuquan, Sun Wei, Zhang Yunsheng, et al. Damage of concrete in sulfate and chloride solution[J]. Journal of the Chinese Ceramic Society, 2006(5): 630－635. (in Chinese with English abstract)

[9] 秦力，丁婧楠，朱劲松. 高掺量粉煤灰和矿渣高强混凝土抗渗性和抗冻性试验[J]. 农业工程学报，2017，33(6)：133－139.

Qin Li, Ding Jingnan, Zhu Jinsong. Experiment on anti-permeability and frost resistance of high strength concrete with high-ratio of fly ash and slag[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(6): 133－139. (in Chinese with English abstract)

[10] 王萧萧，申向东，王海龙，等. 盐蚀-冻融循环作用下天然浮石混凝土的抗冻性[J]. 硅酸盐学报，2014(11)：1414－1421.

Wang Xiaoxiao, Shen Xiangdong, Wang Hailong, et al. Frost-resistance of natural pumice concrete due to salt corrosion and freeze-thaw circulation[J]. Journal of the Chinese Ceramic Society, 2014(11): 1414－1421. (in Chinese with English abstract)

[11] Wang X X, Shen X D, Wang H L, et al. Nuclear magnetic resonance analysis of concrete-lined channel freeze-thaw damage[J]. Journal of the Ceramic Society of Japan, 2015, 123(1): 43－51.

[12] 王月，安明喆，余自若，等.氯盐侵蚀与冻融循环耦合作用下C50高性能混凝土的耐久性研究[J]. 中国铁道科学，2014，35(3)：41－46.

Wang Yue, An Mingzhe, Yu Ziruo, et al. Durability of C50 high performance concrete under the coupled action of chloride salt erosion and freeze-thaw cycle[J]. China Railway Science, 2014, 35(3): 41－46. (in Chinese with English abstract)

[13] 薛慧君，申向东，刘倩，等. 高寒灌区风沙吹蚀对农业水利工程混凝土抗冻耐久性的影响[J]. 农业工程学报，2017，33(15)：133－140. Xue Huijun, Shen Xiangdong, Liu Qian, et al. Effect of wind-sand erosion on frost resistance durability of hydraulic engineering concrete in cold irrigation area[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(15): 133－140. (in Chinese with English abstract)

[14] 刘景涛，郑明倩. 内蒙古中西部强和特强沙尘暴的气候学特征[J]. 高原气象，2003，22(1)：51－64.

Liu Jingtao, Zheng Mingqian. Climatic characteristics of strong and very strong sandstorms in the middle and west parts of Inner Mongolia[J]. Plateau Meteorology, 2003, 22(1): 51－64. (in Chinese with English abstract)

[15] 杜鹤强，薛娴，王涛. 黄河上游宁夏-内蒙古段跃移沙粒起动风速的空间分布[J]. 农业工程学报，2013，29(14)：210－219.

Du Heqiang, Xue Xian, Wang Tao, et al. Spatial distribution of threshold wind velocity for sand saltation in Ningxia-Inner Mongolia reach of upstream of Yellow River[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2013, 29(14): 210－219. (in Chinese with English abstract)

[16] Hao Y H, Feng Y J, Fan J C. Experimental study into erosion damage mechanism of concrete materials in a wind-blown sand environment[J]. Construction & Building Materials, 2016, 111: 662－670.

[17] 郝贠洪，邢永明，杨诗婷，等. 风沙环境下钢结构涂层的冲蚀磨损力学性能研究[J]. 应用力学学报，2013，30(3)：350－355，473.

Hao Yunhong, Xing Yongming, Yang Shiting, et al. The erosion-wear mechanical properties of the coating of steel structure subject to sandstorm[J]. Chinese Journal of Applied Mechanics, 2013, 30(3): 350－355, 473. (in Chinese with English abstract)

[18] 何真. 混凝土磨蚀冲蚀与其它环境因素的耦合作用[J]. 水利学报，2015，46(2)：138－145.

He Zhen. Interactions between severe environment and concrete resistance to abrasion and erosion[J]. Journal of Hydraulic engineering, 2015, 46(2): 138－145. (in Chinese with English abstract)

[19] 王彦平，居春常，王起才. 风沙环境下混凝土、砂浆和水泥石的固体颗粒冲蚀磨损试验研究[J]. 中国铁道科学，2013，34(5)：21－26.

Wang Yanping, Ju Chunchang, Wang Qicai. Experimental study on the solid particle erosion of concrete, mortar and cement paste under blown sand environment[J]. China Railway Science, 2013, 34(5): 21－26. (in Chinese with English abstract)

[20] 高玉生，程汝恩，李英海，等. 中国沙漠风积沙工程性质研究及工程应用[M]. 中国水利水电出版社，2013.

[21] Fu J L, Li H, Zhu P, et al. Effect of very fine particles on workability and strength of concrete made with dune sand[J].Construction & Building Materials, 2013, 47(5): 131－137.

[22] Seif E S S A. Assessing the engineering properties of concrete made with fine dune sands: An experimental study[J]. ArabianJournal of Geosciences, 2011, 6(3): 857－863.

[23] Benchaa B, Lakhdar A, El-Hadj K, et al. Effect of fine aggregate replacement with desert dune sand on fresh properties and strength of self-compacting mortars[J]. Journal of Adhesion Science & Technology, 2014, 28(21): 2182－2195.

[24] Zhang G X, Song J X, Yang J S, et al. Performance of mortar and concrete made with a fine aggregate of desert sand[J]. Building &Environment, 2006, 41(11): 1478－1481.

[25] Chuah S, Duan W H, Pan Z, et al.The properties of fly ash based geopolymer mortars made with dune sand[J].Materials & Design, 2016, 92: 571－578.

[26] Mohamed L K K, Bouzidi M, Mounsif D. Experimental evaluation of workability and compressive strength of concrete with several local sand and mineral additions[J].Construction & Building Materials, 2015, 98: 194－203.

[27] Djebien R, Belachia M, Hebhoub H. Effect of marble waste fines on rheological and hardened properties of sand concrete[J].Structural Engineering & Mechanics, 2015, 53(6): 1241－1251.

[28] Dong W, Shen X D, Xue H J, et al. Research on the freeze-thaw cyclic test and damage model of Aeolian sand lightweight aggregate concrete[J]. Construction & Building Materials, 2016, 123: 792－799.

[29] 吴俊臣，申向东. 风积沙混凝土的抗冻性与冻融损伤机理分析[J]. 农业工程学报，2017，33(10)：184－190. Wu Junchen, Shen Xiangdong. Analysis on frost resistance and damage mechanism of aeolian sand concrete[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(10): 184－190. (in Chinese with English abstract)

[30] 董伟，申向东，赵占彪，等. 风积沙轻骨料混凝土冻融损伤及寿命预测研究[J]. 冰川冻土，2015，37(4)：1009－1015.

Dong Wei, Shen Xiangdong, Zhao Zhanbiao, et al. Study of the freezing-thawing damage and life prediction of aeolian light weight aggregate concrete[J]. Journal of Glaciology & Geocryology, 2015, 37(4): 1009－1015. (in Chinese with English abstract)

[31] 申向东，薛慧君，郝中保. 一种自动无粉尘混凝土风沙吹蚀试验机及其试验方法:201710019981.8 [P]. 2017-05-10.

[32] 何富强，史才军，元强，等. 硝酸银显色法检测混凝土中氯离子的迁移[J]. 硅酸盐学报，2009，37(7)：1229－1234.

He Fuqiang, Shi Caijun, Yuan Qiang, et al. AgNO3colorimetric method used for measuring chloride migration in concrete[J]. Journal of the Chinese Ceramic Society, 2009, 37(7): 1229－1234. (in Chinese with English abstract)

[33] 刘军，苏鹏，区光锋，等. AgNO3显色法判断氯离子渗透深度的影响因素[J]. 建筑材料学报，2015，18(3)：518－523.

Liu Jun, Su Peng, Qu Guangfeng, et al. Factors influencing chloride penetration depth using AgNO3colorimetric method[J]. Journal of Building Materials, 2015, 18(3): 518－523. (in Chinese with English abstract)

[34] Tyrologou P, Dudeney A W L, Grattoni C A. Evolution of porosity in geotechnical composites[J]. Magnetic Resonance Imaging, 2005, 23(6): 765－768.

[35] Cano-Barrita J, Castellanos F, Ramírez-Arellanes S, et al. Monitoring compressive strength of concrete by nuclear magnetic resonance, ultrasound, and rebound hammer[J]. Aci Materials Journal, 2015, 112(1): 147－154.

[36] 杨全兵. 冻融循环条件下氯化钠浓度对混凝土内部饱水度的影响[J]. 硅酸盐学报，2007，35(1)：96－100.

Yang Quanbing. Effects of sodium chloride concentration on saturation degree in concrete under freezing-thawing cycles[J]. Journal of the Chinese Ceramic Society, 2007, 35(1): 96－100. (in Chinese with English abstract)

Mechanism analysis of chloride-resistant erosion of aeolian sand concrete under wind-sand erosion and dry-wet circulation

Xue Huijun, Shen Xiangdong※, Wang Renyuan, Liu Qian, Liu Zheng, Han Chao, Yuan Qi

(,,010018,)

Aiming at the concrete in the special environment of salt lake and saline soil in wind erosion area, the aeolian sand concrete satisfying the service requirement in the special environment is formulated. The aeolian sand concrete with the aeolian sand substitution rate of 40% was selected as the research object. Based on the method of indoor acceleration simulation, the chloride-resistant erosion of aeolian sand concrete under the condition of wind-sand erosion and dry-wet circulation was studied. The self-made concrete wind-sand erosion testing machine was used to simulate the actual dust storm environment in the northwest of China, in which wind speed was 31 m/s, sand carrying capacity was 30 g/min, attack angle was 90° and erosion time was 10 min, and the wind-sand erosion test of concrete was carried out. Using the dry-wet circulation testing machine to test chloride dry-wet cycles, NaCl solution with a concentration of 3% was selected as an attack medium; a dry-wet cycle is 24 h, which contains the chloride soaking for 15 h, drainage and air drying for 1 h, high-temperature drying for 6 h, and room temperature cooling for 2 h. Experimental design includes 2 different working conditions: ConditionⅠ, aeolian sand concrete chloride-resistant corrosion test under dry-wet circulation; Condition Ⅱ, aeolian sand concrete chloride-resistant corrosion test under the coupling effect of wind-sand erosion and dry-wet circulation. The mass loss rate, the relative dynamic elastic modulus and the maximum depth of chloride ion erosion were taken as the test indicators. The damage process of concrete surface was measured by the super-depth 3D (three-dimensional) microscope, the concrete composition was analyzed by the X-ray diffraction (XRD), and the concrete pore size change was calculated by the nuclear magnetic resonance (NMR) technique. The durability mechanism of aeolian sand concrete’s chloride resistance under the coupling effect of wind-sand erosion and dry-wet circulation was discussed. Results showed that under wind-sand erosion and dry-wet circulation coupling, aeolian sand concrete’s surface slurry exfoliation was intensified. Wind-sand erosion exerted greater impact on the concrete mass loss rate, but little effect on the relative dynamic elastic modulus change. Wind-sand erosion accelerated the emergence of “inflection point” of the total loss rate of concrete; wind-sand erosion caused the damage on the concrete internal structure which accounted for about 8.77% of the total damage, while the damage of concrete internal structure caused by the wet and dry cycle in the condition of chlorine salt solution accounted for about 91.23%. The concrete surface damage can provide “channel” for the intrusion of chloride ion, which increases the depth of chloride ion erosion under the coupling of wind-sand erosion and dry-wet circulation. The maximum erosion depth under the coupling of wind-sand erosion and dry-wet circulation was 1.4-1.6 times that under pure dry-wet circulation. The Friedel’s salt as the representative of a variety of corrosive crystals was formed after chloride salt erosion in aeolian sand concrete, and the corrosive crystals could fill the 1-4 nm gel pores to reduce the cement stone gel pores, consume Ca(OH)2and other components, and force 4-10 nm small capillary pores increased; with the intensification of salt corrosion, 10-20 nm middle capillary pores and 20-100 nm large capillary pores developed toward >100 nm non-capillary pores, and non-capillary pores were connected with each other to form microcracks, which ultimately led to the acceleration of the damage to concrete.

wind; erosion;concrete; dry-wet circulation; chlorite erosion;aeolian sand; nuclear magnetic resonance; Friedel’s salt

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.18.016

TV431; TU528; S277.7

A

1002-6819(2017)-18-0118-09

2017-07-28

2017-08-24

国家自然科学基金项目（51769025，51569021）；内蒙古自治区博士研究生科研创新重点项目（B20161012908Z）。

薛慧君，男，内蒙古包头人，博士生，主要从事混凝土耐久性和水工新材料研究。Email：xuehuijun@yeah.net

申向东，男，内蒙古呼和浩特人，教授，博士生导师，主要从事混凝土耐久性和环境力学研究。Email：ndsxd@163.com