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南疆地区现场暴露混凝土耐久性试验

发表时间：2020/12/11 来源：《基层建设》2020年第24期作者：亓泽霖王成*

[导读] 摘要：在南疆阿克苏地区选取试验地点并设计试验方案，对不同矿粉掺量的混凝土试块进行现场暴露试验，分析南疆盐渍土环境下现场暴露的混凝土基于硫酸盐侵蚀的试验数据，结合当地实际环境和材料因素，选取试件的相对动弹性模量和相对质量作为评价参数。

        塔里木大学水利与建筑工程学院新疆阿拉尔 843300
        摘要：在南疆阿克苏地区选取试验地点并设计试验方案，对不同矿粉掺量的混凝土试块进行现场暴露试验，分析南疆盐渍土环境下现场暴露的混凝土基于硫酸盐侵蚀的试验数据，结合当地实际环境和材料因素，选取试件的相对动弹性模量和相对质量作为评价参数。最终再选用综合评定参数对混凝土在盐渍土环境作用下的损伤过程进行评判。确定矿粉的最佳掺量。理论分析和试验结果表明，室外现场暴露试验混凝土的在盐渍土环境中发生了复杂的化学反应，在矿粉掺量为30%时综合损伤评价参数波动最小，说明矿粉掺量30%为最佳掺量，此时混凝土耐久性最好。
        关键词：混凝土；矿粉；盐渍土；硫酸盐侵蚀；现场暴露；耐久性
        Study on damage evaluation of exposed concrete in south Xinjiang area
        Qizelin WangCheng*
        Tarim University School of Water And Construction Engineering，xinjiang Alaer City 843300
        Abstract:In southern xinjiang aksu region selection experiment site and design scheme of concrete test block of different dosage of mineral field exposure test, analysis of southern xinjiang saline soil environment field exposure based on sulfate attack of concrete test data, combined with local actual environment and material factors, selection of relative dynamic elastic modulus of specimens and relative quality as evaluation parameters. Finally, comprehensive evaluation parameters are selected to evaluate the damage process of concrete under the action of saline soil environment. Determine the optimal content of mineral powder. Theoretical analysis and test results show that complex chemical reactions take place in the salinized soil environment of concrete exposed to outdoor field test. When the ore powder content is 30%, the parameter fluctuation of comprehensive damage evaluation is the smallest, indicating that the ore powder content is 30%, and the concrete durability is the best.
        Key word:Concrete; Mineral powder; Saline soil; Sulfate attack; On-site exposure; The durability of
        新疆南疆地区是我国新疆“丝绸之路经济带”核心区建设的重点区域，是我国“一带一路”国家战略向西挺进至中亚-欧洲的重要战略节点，因此南疆“丝绸之路经济带“基础设施工程建设至关重要。由于混凝土具有原材料丰富、经济适用、抗压强度高等优点，成为了基础工程建设的首选原材料。由于新疆南疆地区土壤盐渍化程度非常严重，气候恶劣，各类气象灾害如寒潮、霜冻、沙尘暴、干旱、冰雹、暴风雪等极端灾害性天气时有发生[1]，使得在本地区内的混凝土建筑物受到盐类侵蚀、干湿循环、冻融循环的影响，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[2-4]，从而严重影响了混凝土的耐久性，大大缩短了混凝土的使用寿命，制约了本地区经济发展。因此开展南疆地区盐渍土环境下混凝土耐久性问题的研究具有重要意义。
        聂彦锋等[5]应用粗糙集理论（RST），通过建立混凝土硫酸盐侵蚀评价指标重要性关系数据模型，对各个评价参数指标的权重进行了计算。结果表明，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。高润东等[6]通过宏观和微观两种观测研究不同配合比混凝土在干湿循环作用下受硫酸盐侵蚀的劣化规律。结果表明干湿循环作用下硫酸盐对混凝土的损伤是由于侵蚀产物与盐结晶膨胀综合作用下不断积累所造成的。汪廷秀等[7]研究了干湿交替-硫酸盐溶液耦合作用下混凝土损伤劣化过程。结果表明干湿交替加剧了混凝土在硫酸盐溶液中的损伤程度。并且矿物掺合料的加入能显著提高混凝土抗硫酸盐侵蚀的能力。杨英姿等[8]在不同的养护制度下掺加与未掺加防冻剂混凝土抗压强度、经过50次冻融循环强度损失率和渗透系数，参照防冻剂标准JC475提出了负温混凝土结构损伤评价参数和未来防冻剂的设计方向。结果表明适当延长正温养护时间是提高混凝土耐久性的重要措施。蒋卫东等[9]在盐渍土地区对混凝土的抗腐蚀和抗渗性能进行了现场试验。结果表明在混凝土中掺入粉煤灰和减水剂的方法能够改善混凝土抗硫酸盐腐蚀的性能和抗渗性能，并且盐渍土地区粉煤灰掺量为40%时，混凝土耐久性较高。
        目前，混凝土耐久性研究主要集中在以某地区所存在的自然环境为基础，进行室内模拟加速方面的试验，模拟的因素较为单一，所以研究成果较难运用到同时遭遇冻融破坏、冻胀破坏硫酸盐腐蚀等多因素作用的南疆地区。基于学者们对混凝土耐久性的研究成果，南疆地区作为盐渍土地区的一个典型区域，环境条件较为恶劣，测量不同矿粉掺量的混凝土在不同时间段内的质量和动弹性模量，通过比较分析得出一种更加适合南疆盐渍土地区的矿粉掺量。
        1原材料与试验方法
        1.1原材料
        水泥选用新疆阿拉尔多浪水泥公司生产的42.5普通硅酸盐水泥，其性能试验结果见表1.粗集料采用新疆阿拉尔正达商混站提供的卵石，卵石粒径分别为5mm-20mm和20mm-40mm，表观密度为2690kg/m3；细集料采用新疆阿拉尔正达商混站用砂，细度模数为2.7，属于中砂，表观密度为2670kg/m3；矿粉采用新疆阿拉尔热电厂生产的矿粉；减水剂采用新疆阿拉尔正达商混站提供的高性能减水剂，减水率为27%。水采用阿拉尔自来水。
                                                            表1普通硅酸盐水泥的性能指标
                                               Table 1 Performance index of ordinary Portland cement

        1.2配合比
        为了客观的研究现场暴露地区环境对混凝土耐久性的影响，结合新疆南疆地区的气候条件、地理环境以及本地区土壤中所含有的腐蚀性离子，基于不同矿粉掺量对混凝土抗侵蚀能力的区别，本试验设计了5种矿粉掺量的混凝土试样，具体配合比如表2所示。
                                                                                表2混凝土配合比
                                                                     Table 2 Mix proportion of concrete

        1.3试验方案
        采用表2配合比制作混凝土试块，试件尺寸为100mm×100mm×400mm，养护24h后拆模，标准养护28d后将试件埋入土中。试件两端分别标记A端和B端，在长度方向标记试件编号，沿长度方向将B端埋入土中，埋置深度为200mm，A端朝上暴露在空气中。
        在埋置之前，对试件进行初始数据采集，其中包括试件质量M，A，B端的动弹性模量EA，EB，并且每隔30d采集1次试件的质量和动弹性模量。由于现场暴露环境比较复杂，不确定因素较多，为确保试验的严谨性和准确性，将误差降到最小，本试验选取新疆南疆阿克苏地区八团1个现场暴露试验点埋置试块，此点埋置6种配合比的试件，每种水灰比的试件3个，此暴露点共18个试件。
        根据《土工试验方法标准》[10]对暴露点土质进行分析，分析结果如表3。其中，n和m分别是每千克土质中所测项目的物质的量和质量。根据《岩土工程勘察规范》[11]结合数据计算可知八团试验点为盐渍土地区。
                                                                                表3土质分析结果
                                                                            Tab3SoilAnalysisResults

        在混凝土服役过程中混凝土耐久性评价指标参考文献[12]分别选用相对质量评价参数ω1和相对动弹性模量评价参数ω2，混凝土耐久性损伤评价指标参考文献[13]选用优化后的综合损伤评价参数ω。其计算式如下：
        相对质量评价参数ω1计算公式为

        (1)其中，M为一定时间后试件的相对质量。当ω1≥1时，相对质量比基准值增加；当0<ω1<1时，相对质量比基准值降低，未达到破坏；当ω1≤1时，相对质量低于95%，达到破坏。
        相对动弹性模量评价参数ω2计算公式为

        （2）其中，E为一定时间后试件的相对动弹性模量。当ω2≥1时，相对动弹性模量比基准值增加；当0<ω2<1时，相对动弹性模量比基准值降低，为达到破坏；当ω2≤0时相对动弹性模量低于60%，达到破坏。
        综合损伤评价参数ω计算公式为

         (3)其中，A为相对质量评价有效损伤系数；B为相对动弹性模量评价有效损伤系数。ω1≥1时，A=1/ω12，当ω1≤1时，A=1；当ω2≥1时，B=1/ω22，当ω2≤1时，B=1.
        2试验结果与数据分析
        2.1八团试验点试件的损伤评价参数
        矿粉掺量不同的试件在南疆阿克苏地区300d现场暴露，随着现场暴露天数的增加，受到土壤环境、气候、温度、湿度等的作用，相对质量评价参数ω1、相对动弹性模量评价参数ω2及综合损伤评价参数ω的变化如图1至图5。其中ωA和ωB分别代表试块A端和B端的综合损伤评价参数；ω2A和ω2B分别代表试块A端和B端的相对动弹性模量。
        从图1至图5可以看出，对比现场暴露试验八团试验点不同配合比的NA11、NA12、NA13、NA14、NA15和NA16六组试块，相对质量评价参数ω1的波动趋势为先上升后下降，重复交替，从时间上看，后150天和前150天的波动频率和趋势基本相吻合。不同点是，八团试验点五组试块相对质量评价参数ω1变化的平缓程度不相同。为了更有力的说明这一点，取最明显的波峰值（150d）进行对比：NA11的取值为1.34，NA12的取值为1.3，NA13的取值为1.12，NA14的取值为1.17，NA15的取值为1.18，由上述对比可以看出NA13波动最平缓，NA11波动最剧烈。从整体来看，5组试件的相对质量ω1虽然都出现了波动，但是其值都在1.0以上，则表明在现场暴露300天内试件的质量较标准条件下养护28天时有所增强，其主要原因是由于盐渍土中的硫酸盐与水化产物Ca(OH)2发生了置换反应生成了石膏，进一步与铝酸钙反应生成钙矾石。
        八团试验点同一配合比的试块相对动弹性模量评价参数ω1值呈波动趋势。从图1的ω2B曲线可以看到在60天时，ω2B的值为1.47，在此之后便开始下降；在150天时ω2B的值为0.71下降到了波谷的谷底150天到270天呈逐渐上升的趋势，在270天ω2B的值为1.16，达到了又一个波峰；之后便开始下降，300天时，ω2B的值为1.12。说明混凝土试件在一定的时间段内波动性是呈增强的趋势。

               图1八团试验点NA11组各损伤评价参数
        Fig 1 Damage evaluation parameters of group NA11 in eight test sites

               图2 八团试验点NA12组各损伤评价参数
        Fig 2 Damage evaluation parameters of group NA12 in eight test sites
        图二为矿粉掺量为20%的混凝土试件，在60天时，ω2B的值为1.64，到达了第一个波峰；随后便开始下降，到150天时，ω2B的值为0.61，达到了第一个低谷；从150天便开始上升，270天时ω2B的值为1.18，达到了第二个波峰，270天到300天呈现下降的趋势，在300天时ω2B的值为1.06。由此可见ω2B呈现出波动性。
        由图三曲线ω2B可以看出，ω2B的值在60天时为1.78，达到了第一个高峰，从开始的1.00到60天的1.78，说明混凝土在初期的时候性能是增强的。ω2B的值在90天时值为1.14，在120天时ω2B的值为0.98，在150天时ω2B的值为0.83达到了一个低谷，60天到90天这段时间里ω2B下降幅度要远大于90天到120天的下降幅度，从120天到150天的下降幅度较90天到120天略有升高，但是依旧小于60天到90天的下降幅度。在180天时ω2B的值为0.93达到了第二个高峰，210天时ω2B的值为0.81，达到了第二个低谷，在此之后又出现上升的趋势，在270天时ω2B的值为1.36，迎来了第三个高峰，300天ω2B的值又下降为1.17，由此可见ω2B在0天到300天这段时间里波动频率较为频繁。

                图3 八团试验点NA13组各损伤评价参数
        Fig 3 Damage evaluation parameters of group NA13 in eight test sites

图4 八团试验点NA14组各损伤评价参数
Fig 4 Damage evaluation parameters of group NA14 in eight test site

              图5 八团试验点NA14组各损伤评价参数
        Fig 5 Damage evaluation parameters of group NA15 in eight test site
        由图四ω2B可以看出，在60天时ω2B的值为1.56，迎来了第一个高峰，150天时ω2B的值为0.81，达到了第一个低谷；210天时ω2B的值为0.74，又迎来了第二个低谷且小于第一个低谷，从210天到300天ω2B的值一直呈上升趋势，300天时ω2B的值为1.12。
        图五中矿粉的掺量已经达到了50%，ω2B依旧是在60天时达到了第一个波峰，此时值为1.48，从60天到150天一直呈下降趋势，在150天时ω2B的值为0.87，达到了第一个低谷
        210天时ω2B值为0.84，此时为第二个低谷，在150到180天这段时间内，ω2B曲线波动较为平缓，在210天以后到300天，ω2B波动幅度变大，在270天时迎来了第二个波峰，此时波峰值为1.18。
        与B端相比A端暴露在空气中，所处环境较为复杂，要考虑太阳辐射、温差、湿度、温度等因素，而B端埋在土中，与土壤中腐蚀性离子发生化学反应，并与自身的水化产物反应生成硫铝酸钙晶体，这些晶体填充到内部孔隙中使得混凝土自身变得更加密实，因此相比于A端，B端波动规律更好，所以在进行耐久性综合损伤评价参数计算和研究盐渍土地区混凝土损伤破坏时宜选择波动较为规律的B端。
        5种水胶比试件B端综合评价参数ωB，从开始暴露到90天时间里，较为平稳，从90天到150天时间内5种水胶比试件ωB均呈现下降的趋势，则表明在这这段时间内由于受到外部侵蚀环境的影响，5种水胶比试件性能均降低。在此之后呈现波动式变化，其中后150天（150-300天）内的综合损伤评价参数值比前150天（0-150天）略高，则说明后150天由于混凝土内部水化反应的增强，混凝土试件的性能得到了提升。从总体看5种水胶比试件ωB值均在0-1.0内波动，则说明试件在八团试验点暴露300天后均发生了一定程度的损伤。
        通过图一至图五可以看到，在八团试验点中，综合损伤评价参数，矿粉掺量为30%的试件波动最为平缓，则说明矿粉掺量为30%时混凝土耐久性最优。
        3结论
        （1）相对动弹性模量评价参数ω1和相对动弹性模量评价参数ω2能够更直观的表征出现场暴露环境下混凝土的劣化过程，单独选用一个评价参数并不能客观的去衡量现场暴露环境下混凝土的耐久性，综合考虑相对质量和相对动弹性模量的优化后的综合损伤评价参数ω可以较好的表征出南疆盐渍土地区现场暴露混凝土的耐久性能。
        （2）南疆地区盐渍土环境下在混凝土的劣化过程中，在侵蚀初期混凝土的相对质量评价参数和相对动弹性模量评价参数均呈上升趋势且均在1.00以上，则说明在侵蚀初期混凝凝土的质量和相对动弹性模量均有所增加，随后便呈波状变化。从波峰和低谷的值来看相对动弹性模量评价参数ω1对于环境影响更为敏感。
        （3）综合相对质量评价参数、相对动弹性模量评价参数和优化后综合损伤评价参数来看，矿粉掺量为30%时以上参数波动较为平缓，由此可知矿粉掺量为30%混凝土耐久性较好。
        参考文献
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        通讯作者简介
        王成,男,1978年-,副教授,混凝土耐久性研究方向。
        基金项目
        兵团区域创新引导计划项目（2018BB045）；兵团重点领域科技攻关计划项目（2019AB016）。