霧霾環(huán)境下水泥基材料受荷載-鹽結(jié)晶作用下?lián)p傷分析!

1、霧霾環(huán)境下水泥基材料受荷載-干濕交替-凍融作用下?lián)p傷分析殷雨時（遼寧省交通高等?？茖W校建工系 遼寧沈陽 110122）摘要：研究了軸心受壓水泥基材料在霧霾環(huán)境下的損傷劣化過程，采用環(huán)境掃描電鏡(ESEM) 觀察了硫酸鹽-干濕循環(huán)-凍融循環(huán)-荷載多場耦合作用下的混凝土微觀結(jié)構演變過程, 結(jié)果表明，與單一硫酸鹽侵蝕相比，其余因素均加劇了混凝土在霧霾環(huán)境中單一的損傷程度，但干濕循環(huán)、凍融循環(huán)的加速損傷作用更加明顯；試驗還表明，在上述多場耦合影響下，混凝土強度等級越高其抗硫酸鹽侵蝕能力越強，霧霾級別越大混凝土損傷越明顯，粉煤灰和礦粉等礦物摻合料可顯著提高混凝土抗硫酸鹽侵蝕能力,關鍵詞：霧霾；ESEM；

2、干濕循環(huán)；凍融循環(huán)；多場耦合；微觀結(jié)構 0 前言霧霾主要由二氧化硫、氮氧化物和可吸入顆粒物這三項組成，當霧霾形成時，空氣中水汽和SO2和礦物顆粒結(jié)合形成硫酸鹽，當硫酸鹽以液態(tài)形式鐵黏附于混凝土表面時，由于電離作用，硫酸鹽分解為SO42-和R2+,其中SO42-會隨著混凝土表面的微小裂隙侵浸到混凝土梁中，伴隨發(fā)生石膏腐蝕或鈣礬石腐蝕，會導致混凝土結(jié)構膨脹破壞，對混凝土的耐久性形成巨大的危害。并且冬春交際是霧霾的高發(fā)期，混凝土在凍融循環(huán)作用下，混凝土顆粒會變得酥松，并且常伴有保護層脫落的情況，這樣，就更加為SO42-對混凝土的侵蝕造成了客觀上的“通道”，形成以硫酸鹽侵蝕與凍融循環(huán)復雜情況下混凝土的

3、損傷。北方混凝土所受到的是凍融循環(huán)與硫酸根離子侵蝕造成的損傷，而例子中南方混凝土為霧霾天氣下單一硫酸根離子造成的損傷。而損傷具有不可逆性，一旦損傷發(fā)生，混凝土便以初始損傷速度下進行破壞，到達一定程度下速度變快，即損傷具有加速現(xiàn)象。硫酸鹽造成的混凝土破壞發(fā)生后，由于腐蝕生成產(chǎn)物體積增大，產(chǎn)生膨脹應力，當膨脹應力大于應力強度后，混凝土產(chǎn)生裂隙，這種裂隙和混凝土的初始裂縫與后來外環(huán)境下（包括荷載作用）產(chǎn)生的裂隙疊加，加大裂隙的貫通概率，裂隙相容相通，最后貫穿形成主裂縫，對混凝土構件耐久性形成劣化，對結(jié)構安全不利。以往水泥基材料的研究多以硫酸鹽侵蝕單因素進行研究、或者荷載-硫酸鹽和干濕循環(huán)-硫酸鹽或凍

4、融-硫酸鹽而開展的，而實際工程中，以上因素不能完全符合實際。本文以相對動彈性模量、質(zhì)量損失率為測試指標，系統(tǒng)研究工程混凝土結(jié)構物材料本身受硫酸鹽-干濕循環(huán)-凍融循環(huán)-軸壓荷載多場耦合作用下的混凝土微觀結(jié)構演變過程,并采用ESEM分析了其微觀結(jié)構演變過程。1 原材料的制備和試驗方法的選定1.1試驗原材料試驗所用水泥為沈陽華新水泥廠P.I52.5水泥; 粉煤灰為鎮(zhèn)江諫壁電廠生產(chǎn)的/級低鈣粉煤灰; 礦粉為江南粉磨公司生產(chǎn)的S95級磨細礦渣;骨料采用細度模數(shù)為2.6中砂和連續(xù)級配、粒徑5-20mm的碎石; 外加劑為江蘇省建筑科學研究院生產(chǎn)的PCA型聚羧酸高效減水劑，減水率為35%;水為普通自來水, 水

5、泥和摻合料的化學成分如表1所示。1.2 試驗配合比及強度做成混凝土砂漿試件，尺寸為30mm*30mm*120mm，標準養(yǎng)護28d后，根據(jù)立方體標準試件經(jīng)測試得C25、C35、C45三種配合比混凝土的立方體抗壓強度分別為29.8MPa、41.2 MPa、51.8 MPa。如圖1所示。試驗前將試塊的2 個端面用環(huán)氧樹脂密封，如圖1、2。 圖1 砂漿試件制備 圖2 砂漿試件制備待抗折試驗表1 原材料的化學組成(w%)原材料CaOSiO2Al2O3Fe2O3MgOSO3K2ONa2O水泥65.0321.384.713.682.530.53表2 混凝土砂漿配合比（Kg/m3)編號水泥砂子水外加劑C253

6、687361952.21C354496741574.04C455256121145.011.3試驗方案在侵蝕溶液接觸混凝土方式上，彎曲模擬霧霾環(huán)境條件，根據(jù)海工環(huán)境氣象大氣組分配制侵蝕溶液，根據(jù)對比需要，并將腐蝕溶液采用質(zhì)量分數(shù)分別為0.5% 、1%、3%、5%、10%的硫酸鈉溶液以周期性噴霧方式均勻噴涂到混凝土試件上（通過酸霧箱實踐），模擬自然條件下霧霾情況，此試驗在遼寧交專道橋所實驗室完成，用到的設備是酸霧箱； 以上試驗的侵蝕機制均為干濕循環(huán)和凍融循環(huán)，擬模擬北方氣候的劣化環(huán)境。此種侵蝕機制在多種文獻中均可見到，試驗操作按照普通混凝土長期性和耐久性能試驗方法標準（GB/T50082-200

7、9）執(zhí)行。本文擬定3個試驗方案，具體如下所示：試驗1：試驗方式：加載條件下（20%、40%、70%極限應力），在穩(wěn)定的外界環(huán)境中(溫度穩(wěn)定在20士2，相對濕度為65士5%),半浸泡在1%硫酸鈉普通硅酸鹽水泥凈漿的性能變化和產(chǎn)物分析（周期300個噴霧循環(huán)周期）。性能變化考察指標：宏觀：質(zhì)量變化、尺寸變化、裂縫密度、抗壓強度、抗折強度、彈性模量。微觀：STA409PC同步分析儀、SEM。產(chǎn)物分析考察指標：通過微觀分析STA409PC同步分析儀定。試驗2：試驗方式：負載條件（40%極限應力），做凍融循環(huán)循環(huán)試驗，觀察普通硅酸鹽水泥凈漿抗凍性能變化并進行產(chǎn)物分析。其中凍融循環(huán)采用國標快凍法，操作規(guī)程如

8、下：每次凍融循環(huán)2個小時完成，其中凍、融過程各占1/2,；試件中心溫度從6將至-15的時間為1個小時（降溫30min，定溫30min），回溫過程也為1個小時（升溫30min，定溫30min）。每25次凍融循環(huán)做一次橫向基頻測量、質(zhì)量測量。相對動彈模達到60%以下或者質(zhì)量損失率達5%時，停止試驗。性能變化考察指標：同試驗1。試驗3：試驗方式：在穩(wěn)定的外界環(huán)境中(溫度穩(wěn)定在20士2,相對濕度為65士5%),通過調(diào)整鹽霧箱硫酸鹽濃度分別為0.5%、1%、5%、10%、觀察普通硅酸鹽水泥凈漿在空載情況下表面劣化結(jié)果，并進行軸心加載下受力分析，考察不同溶液濃度，即不同霧霾級別對水泥砂漿試件的破壞程度。性

9、能變化考察指標：同試驗1。本文環(huán)境作用如下：本文選用的加載方式：軸向受壓加載，見圖片，分三級加載（20%、40%、70%極限應力）。見圖1。圖3 混凝土砂漿試件的軸向加載示意圖本文選用的干濕交替制度為: 選用遼寧交專試驗檢測中心實驗室酸霧腐蝕試驗箱 CCT機型，其中CCT 機型不僅具具備基本的鹽霧腐蝕測試功能，可用于進行傳統(tǒng)的鹽霧腐蝕測試試驗，還增加了高濕功能，即100%的相對濕度。可以在四個條件中循環(huán)：霧、烘干、100%濕度(僅CCT型號)和靜置中進行循環(huán)酸腐蝕測試試驗。通過調(diào)整試驗箱溫度變化速率循環(huán)周期來近似模擬霧霾天氣硫酸鹽侵蝕水泥基材。本文選用的凍融循環(huán)制度：采用國標快凍法，

10、操作規(guī)程如下：每次凍融循環(huán)2個小時完成，其中凍、融過程各占1/2,；試件中心溫度從6將至-15的時間為1個小時（降溫30min，定溫30min），回溫過程也為1個小時（升溫30min，定溫30min）。每25次凍融循環(huán)做一次橫向基頻測量、質(zhì)量測量。相對動彈模達到60%以下或者質(zhì)量損失率達5%時，停止試驗。2 軸壓荷載-硫酸鹽與干濕交替-硫酸鹽與硫酸鹽-凍融雙因素作用下混凝土損傷劣化過程2. 1混凝土等級對抗硫酸鹽侵蝕的影響的分析試驗中制配了C25、C35、C45三種混凝土砂漿試件，放在在酸霧箱中，真實的還原自然環(huán)境下的酸腐蝕情況。試驗結(jié)果可以看出，在 酸霧濃度（硫酸鈉質(zhì)量分數(shù)1%）、

11、300個干濕循環(huán)時，混凝土砂漿試件均出現(xiàn)了鹽結(jié)晶現(xiàn)象。且C25出現(xiàn)的較為明顯，表面有微小裂紋。C45表面附有白色物質(zhì)，經(jīng)檢測是硫酸鈉結(jié)晶物。其它基本沒有什么變化。動彈性模量、質(zhì)量損失在不同級混凝土砂漿試件經(jīng)時變化如圖所示。 圖4 C45 圖5 C35 圖6 C25 圖7 不同級混凝土砂漿試件動彈性模量經(jīng)時變化圖 圖8 不同級混凝土砂漿試件質(zhì)量經(jīng)時變化圖2. 2軸壓荷載-硫酸鹽雙重侵蝕對混凝土砂漿試件的劣化過程自制夾模工具如圖所示，進行軸向加壓下的酸霧侵蝕試驗，基于氣象資料配置硫酸鹽溶液反應在硫酸濃度狀態(tài)下對水泥基材料的影響，通過試驗可以發(fā)現(xiàn)如下規(guī)律：隨著加載的增加，為侵蝕的水泥基材料變出現(xiàn)微笑

12、裂隙，且加載越大，裂隙越大，反應為宏觀軸線受壓破壞。加載級別大的試件在受硫酸鹽侵蝕下劣化較為嚴重，物理鹽結(jié)晶反應比較明顯。 圖9混凝土砂漿試件動彈性模量經(jīng)時變化圖 圖10混凝土砂漿試件抗折強度經(jīng)時變化圖2. 3干濕交替-硫酸鹽雙重侵蝕對混凝土砂漿試件的劣化過程對比非干濕循環(huán)下硫酸鹽侵蝕，干濕循環(huán)對混凝土的加速破壞作用十分明顯。且初期損傷規(guī)律亦有不同，干濕交替-硫酸鹽耦合作用下的混凝土動彈性模量表現(xiàn)出先下降，后穩(wěn)定，再緩慢下降的變化規(guī)律，但總體損傷規(guī)律并沒有改變,干濕循環(huán)比軸壓40%極限荷載下的加速破壞作用更加明顯，主要原因是兩者的加速損傷機制并不一致，干濕循環(huán)是通過循環(huán)的濕度梯度作用加速硫酸鹽

13、向混凝土內(nèi)部累積擴散，隨著干濕次數(shù)增加鹽分不斷積累，即隨著腐蝕齡期延長損傷越明顯; 而荷載是通過加速混凝土內(nèi)部的微裂紋擴展，從而擴大硫酸鹽向混凝土內(nèi)部擴散的傳輸通道，其機理仍是濃度梯度下的擴散，而這種依靠濃度差的擴散作用顯然不如循環(huán)往復的濕度差引起的毛細管吸附作用明顯。需要強調(diào)一點的是，隨著荷載級別增加，當軸壓荷載達到40%極限荷載以上，混凝土砂漿試件破壞明顯，裂縫增加迅速，貫穿成為大裂縫，此時干濕循環(huán)的破壞不如荷載破壞帶來的明顯和迅速，也就是說，荷載級別達到40%，霧霾中的混凝土砂漿試件以抗荷載為主，干濕循環(huán)帶來的影響較荷載破壞可以忽略。2. 4軸壓-凍融雙重侵蝕（鹽凍侵蝕）對混凝土砂漿試件

14、的劣化過程凍融破壞的機理較干濕循環(huán)對水泥及材料的機理完全不同。由圖xx可知，在荷載級別不大（40%極限軸壓以下），適度的軸壓對抗凍融侵蝕是有利的，當荷載級別大于40%抗壓荷載的時候，軸壓作用加速凍融循環(huán)的破壞，并且兩者耦合，混凝土基材的破壞較為明顯。2.5軸壓荷載-干濕交替-硫酸鹽三因素耦合作用下混凝土的損傷劣化過程混凝土砂漿試件在1%硫酸鈉蒸汽-干濕交替-軸壓荷載（不同荷載）耦合作用下的相對動彈性模量隨齡期變化規(guī)律。干濕循環(huán)-硫酸鹽耦合作用下，不加荷載與施加 10%、20%軸壓荷載對混凝土相對動彈性模量的影響不大, 而當荷載率達到40% 時，混凝土相對動彈性模量急劇下降，趨勢明顯, 綜上所述

15、，在干濕交替-軸壓荷載耦合作用下，混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能因荷載級大小而不同，只有當荷載率達到一定程度，荷載才是導致混凝土損傷的主要因素, 造成上述現(xiàn)象的主要原因是干濕交替和荷載雖都能加速混凝土劣化，但在兩者共同作用下，較小的荷載所引起的微裂紋擴展并不明顯，荷載對混凝土的加速損傷作用僅限于加速硫酸鹽擴展引起的化學損傷, 而干濕交替循環(huán)作用引起的毛細管吸附作用更加明顯，而且隨著齡期延長，長期恒定荷載作用有限，而干濕交替在濕度梯度作用下使硫酸鹽不斷向混凝土內(nèi)部積累擴散，隨著干濕次數(shù)增加對加速硫酸鹽侵蝕越明顯, 但當荷載很大時（超過40%極限荷載) ，荷載所引起的微裂紋擴展十分明顯，此時荷載產(chǎn)生的力學

16、損傷作用超過加速硫酸鹽向內(nèi)傳輸引起的化學損傷作用，加之干濕循環(huán)進一步的加速損傷效應，使混凝土迅速劣化，此時荷產(chǎn)生的力學損傷作用占主導因素。3荷載-干濕循環(huán)-硫酸鹽-凍融循環(huán)多場耦合作用下影響混凝土損傷的因素3.1混凝土強度等級C25、C35、C45 混凝土在40%軸心抗壓極限荷載-干濕交替-1%硫酸鈉耦合作用下的相對動彈性模量隨侵蝕齡期變化規(guī)律, 三種混凝土相對動彈性模量變化趨勢一致,可見隨著時間的推移，高強度混凝土具有較好的耐腐蝕性能。原因是C45混凝土具有較低的水膠比，而水膠比是決定混凝土力學性能和耐久性的重要參數(shù)，低水膠比的混凝土更為密實的內(nèi)部結(jié)構及較低的孔隙率延阻了有害介質(zhì)向混凝土中擴

17、散，一定程度上延緩了混凝土在硫酸鹽侵蝕作用下的損傷劣化速率和程度。3.2 霧霾級別對水泥基材料試件的影響嚴格根據(jù)大氣組分配置的以主要因素為主的硫酸鹽溶液，本試驗為1%Na2SO4溶液，在酸霧箱中等濃度噴砂后進行干濕循環(huán)，發(fā)現(xiàn)不同溶液濃度對混凝土的損傷是不一樣的，濃度5%、10%的損傷較1%、0.5%的嚴重，感官表現(xiàn)在混凝土表面鹽結(jié)晶程度不一樣，并且在300個循環(huán)下，10%溶液濃度對混凝土砂漿損害比較明顯，出現(xiàn)微笑裂縫，質(zhì)量降低，強度減弱。原因在于由于干濕循環(huán)作用，硫酸鹽濃度累計并且在混凝土砂漿空隙中形成鹽結(jié)晶，高濃度Na2SO4溶液下的混凝土內(nèi)膨脹產(chǎn)物生成速度最快，混凝土內(nèi)孔隙被膨脹性產(chǎn)物填充

18、的速度最快，故產(chǎn)生的膨脹應力也最大，裂縫擴展最迅速， 在1%、0.5%的溶液噴灑過程中，達到300個干濕循環(huán)，試件變化不明顯。可以說明在實際霧霾天氣情況下，可以接受的霧霾等級（對人類身體不造成致命損害），大氣霧霾對混凝土的損傷表現(xiàn)不積極，可以忽略，但是要嚴格控制裂縫的發(fā)展。3.3軸心荷載-干濕交替-硫酸鹽侵蝕耦合作用下混凝土的微結(jié)構演變上述實驗結(jié)果表明，混凝土在硫酸鹽侵蝕過程中的相對動彈性模量在最后下降前都會有個穩(wěn)定的過程，即相對動彈性模量在最后持續(xù)下降之前會經(jīng)歷一個緩慢上升的階段，施加 20%-40%極限應力不會改變相對彈性模量的變化規(guī)律，即在混凝土砂漿試件內(nèi)部無錯位破壞的前提下，混凝土的密

19、實度經(jīng)過先提高后降低的變化規(guī)律。原因在于霧霾中硫酸根離子在表面形成的鹽結(jié)晶無填充混凝土孔隙，強化整體剛度；隨著荷載的加大，到達40%極限荷載的時候，混凝土試件逐漸被壓壞，試件動彈性模量下降比較明顯，速率變大，破壞形態(tài)顯現(xiàn)?？梢詺w結(jié)如下：混凝土在荷載-干濕交替-硫酸鹽侵蝕耦合作用下的微結(jié)構變化主要來自硫酸鹽的物理侵蝕, 前期的硫酸鹽侵蝕是混凝土結(jié)構不斷密實的過程，在混凝土內(nèi)部孔隙填滿之后進入膨脹破壞階段。圖12 為受侵蝕砂漿 SEM 照片及可疑物質(zhì)的 EDS和 XRD 分析。由圖12可見：剝落砂漿內(nèi)表面有大量松散狀物質(zhì)；該松散物質(zhì)多為層狀或塊狀，通過對該物質(zhì)用 EDS 分析發(fā)現(xiàn)，該物質(zhì)中含有較多

20、鈉、硫和氧元素【6】。進一步對砂漿剝落層可疑物質(zhì)采用 XRD 分析，發(fā)現(xiàn)含有大量 Na2SO4和Na2SO4.10H2O晶體。因此可以判斷砂漿試件在霧霾氣候下發(fā)生物理鹽結(jié)晶反應，生成Na2SO4.10H2O晶體，晶體產(chǎn)生體積膨脹，最終導致混凝土表面砂漿剝落，質(zhì)量降低。圖11掃描電子顯微鏡SEM 圖片圖12 受侵蝕砂漿 SEM 照片及可疑物質(zhì)的 EDS和 XRD 分析4結(jié)論1) 與硫酸鹽單因素侵蝕相比，干濕交替和軸壓荷載都加速了硫酸鹽擴散，從而使混凝土損傷程度增加，軸壓過40%極限荷載之后，混凝土劣化速率較為嚴重；干濕交替起到加速混凝土物理鹽結(jié)晶破壞的作用。2) 在干濕交替-軸壓荷載-硫酸鹽耦合作用下，當軸壓荷載率低于40%極限抗壓強度時，干濕交替的加速損傷起主導作用，當彎曲荷載率達到40%極限荷載時，荷載的力學損傷作用占主導地位。3) 四因素耦合作用下，強度越高的混凝土表現(xiàn)出更好的抗硫酸鹽侵蝕性能; 硫酸鹽質(zhì)量分數(shù)越高，混凝土劣化速度越快。4) 四因素耦合作用下，混凝土損傷過程包括密實填充和膨脹劣化兩個階段, 腐蝕前期硫酸鹽通過擴散到混凝土表面形成結(jié)晶體，在填充孔隙過程中混凝土得到了一定程度的密實，之后生成的產(chǎn)物生長空間受阻，當其膨脹應力達到混凝土極限應力時，便產(chǎn)生裂縫并擴展，導致混凝土損傷劣化。5)在酸霧箱模擬自然環(huán)境侵蝕下，砂漿表層剝落的主要