风积沙超高性能混凝土耐久性实验研究

王聚瑞 刘洋 欧忠文 刘晋铭 王飞 罗伟 熊志卿 徐彬彬

摘      要： 我国风积沙覆盖面积巨大，覆盖了我西北、东北方向大部分区域。同时该区域建筑材料资源匮乏，将风积沙作为骨料制备混凝土具有重大研究价值。以风积沙混凝土为研究对象，探讨冻融循环、抗硫酸盐浸泡、耐硫酸盐侵蚀对风积沙混凝土耐久性能带来的影响，结果表明：冻融循环对风积沙混凝土的抗压强度的影响最大，干湿循环硫酸盐侵蚀次之，硫酸盐浸泡最小;劈裂抗拉强度受冻融循环次数、硫酸盐浸泡以及酸盐侵蚀影响较小，但随着干湿循环硫酸盐侵蚀循环次数的增加，强度先迅速下降，然后逐渐上升，然后迅速下降。

关  键  词：风积沙;混凝土;耐久性

中图分类号：TU 528       文献标識码： A       文章编号： 1671-0460（2019）10-2210-04

Abstract： China desert sands cover a large area， covering most of the northwest and northeast of China. At the same time， there is a lack of building material resource in this region， so it is of great research value to prepare concrete with desert sand as aggregate. In this paper， the effect of freeze-thaw cycles， sulfate immersion resistance and sulfate erosion resistance on the durability of desert sand concrete was investigated. The results showed that freeze-thaw cycles had the greatest impact on the compressive strength of desert sand concrete， followed by dry-wet cycling sulfate erosion， the effect of sulfate immersion was the smallest， and the splitting tensile strength was slightly affected by freeze-thaw cycles and sulfuric acid salt immersion and salt erosion， but with the increase of sulfate erosion cycles in wet and dry cycle， the strength decreased rapidly at first， then increased gradually， and then decreased rapidly.

Key words： Desert sand; Concrete; Durability

我国风积沙覆盖面积近125万km2，占全国陆地面积的13%，主要分布在新疆、内蒙古、甘肃、青海、宁夏、陕西、辽宁和黑龙江等地，覆盖了我西北、东北方向大部分区域。西北、东北方向边境线大都远离江河，建筑材料资源匮乏。就地取材，以边界区域自有风积沙作为混凝土组成材料，可以降低建设难度、节省建设成本、缩短建设周期。因此，开展风积沙混凝土的研究具有重要意义。

从全球针对混凝土的使用，因混凝土耐久性不足，导致大量问题出现，影响工程及设计的应用效果。这种现象导致资源的浪费，而且因混凝土结构的耐久性问题，造成的维修费用，严重超出工程造价的预算范围[1]。耐久性的恶劣影响，会促使工程重建，增加工程支出[2]。我国的混凝土在恶劣环境的使用寿命较短，平均无法超过20年。在沙漠环境下，针对混凝土的耐久性研究，是一项重要工作，直接影响后期施工的质量。根据我国特有的地质特征，沙漠中的可溶盐浓度大约在0.14%～1.32%，pH值在8.4～9.6之间，氯化物和碳酸盐的比例较多[3]。在我国北方城市，沙漠中的混凝土结构因为环境影响，经常遭遇风蚀[4]、盐侵[5]、冻融[6，7]、干湿交替等，为了保证混凝土结构能够在复杂的环境下，拥有较高的耐久性，使用风积沙超高性能积沙混凝土，提高对环境的抵抗能力，保证材料的耐久性。根据统计，我国的混凝土结构有一半以上需要进行鉴定加固，处于寒冷以及常年风沙大的混凝土结构，都严重影响了混凝土的耐久性[8]。

因此，处于寒冷、高盐环境、高氯离子环境风积砂混凝土的耐久性问题，是风积砂混凝土推广应用中亟待解决的基础理论研究课题，需要进一步提高混凝土耐久性针对超高风积沙性能混凝土耐久性的研究。

1  实验部分

1.1  实验材料

水泥：江南小野田水泥有限公司生产的P.II52.5水泥;硅灰：甘肃三远硅材料有限公司提供的硅灰，比表面积为22 m2/g，活性指数105%～130%，需水率116%～122%;矿渣：本试验所用渣粉来自重庆海皇建材科技有限公司;粉煤灰：本研究所采用粉煤灰由重庆华珞粉煤灰公司生产，采用符合中国标准GB 1596-2017[9]的一级粉煤灰。

风积沙：本研究中风积沙取自新疆巴音郭楞地区。在（105±3）℃条件下烘干至恒重后，采用振筛仪对风积沙进行粒径筛分，其粒径分布主要在0.075～0.3 mm之间，共占比95.3%，详见表1。

按照国家标准对风积沙理化性质进行测试[10]，得到风积沙细度模数为0.75，表观密度是2 913.72 kg/m3，含泥量0.4%，吸水率0.2%，坚固性 3.59%。风积沙化学组成主要有SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO，4种化合物占总量的95%左右，此外还有部分含纳、钾、镁等化合物，其中SiO2含量70%左右，Al2O3含量10%左右。风积沙中矿物组成主要是石英，还有部分长石和白云母，主要成分与河沙相近。

减水剂：研究中减水剂采用重庆科之杰公司生产的Point-S型聚羧酸高效减水剂，其减水率达29%。

钢纤维：实验采用镀铜微丝钢纤维，长度为（13±1）mm，直径为0.22 mm，抗拉强度≥2 800 MPa。

1.2  实验方法

1.2.1  抗冻性能试验

参照国家标准GB/T 50082-2009，浇筑尺寸为100 mm×100 mm×100 mm试件，在自然条件下养护24 d，第25 d将试件放置于温度为（20±2）℃的水中浸泡4 d。浸泡完成后，在第29 d取出试件，擦干表面水分，对超高性能风积砂混凝土立方体抗压强度进行测试，得到初始强度值。

将浸泡完成后试件放置于冻融循环设备中，并保证冻融循环设备中水分可以完全浸泡试件。在设定的冻融循环次数结束后，从冻融循环试验机中取出试件，擦干表面水分在自然环境中风干4 d后进行立方体抗压强度测试，测算超高性能混凝土抗压强度损失值，以此判定超高性能风积砂混凝土抗冻性能。

1.2.2  抗硫酸盐浸泡

参照相关国家标准，浇筑尺寸为100 mm×100 mm×100 mm试件进行试验。首先，对自然养护28 d立方体抗压强度进行测试。而后，将同等养护条件下试块放入一定浓度的硫酸盐溶液中浸泡，并保证硫酸盐溶液完全浸泡试件，底部采用长200 mm、宽20 mm、高15 mm的垫条架空。取出完成设定浸泡时间的试件，擦干表面水分，在自然环境下风干4 h后，测试其抗压强度。最后，计算其立方体抗压强度损失值，以评价超高性能风积砂混凝土抗硫酸盐浸泡性能。

1.2.3  耐硫酸盐侵蚀

与抗硫酸盐浸泡试验一样，耐硫酸盐侵蚀试验浇筑100 mm×100 mm×100 mm立方体试件，并在自然条件下养护28 d。将完成养护要求的试件，放入鼓风干燥箱，在（80±5）℃环境下烘烤2 d，而后冷却至室温。将烘干冷却后的试件立即放入5% Na2SO4溶液中浸泡。浸泡16 h后，即为完成一次硫酸盐溶液侵蚀。浸泡过程中，通过酸碱调和，保证溶液pH维持在6～8之间，每隔12 h测试一次溶液pH值。取出完成硫酸盐溶液浸泡的试件，将表面擦干，并在试验环境中风干2 h，放置鼓风干燥箱，在（80±5）℃环境下烘烤6 h。一次硫酸盐溶液侵蚀和一次烘干过程计为一次耐硫酸盐侵蚀循环，根据试验设定要求，进行不同次数循环，循环结束后测定超高性能风积砂混凝土试件立方体抗压强度。计算硫酸盐侵蚀后，超高性能风积砂混凝土试件100 mm立方体抗压强度损失值，以评判超高性能混凝土耐硫酸盐侵蚀能力。

2  实验结果与讨论

2.1  冻融性能分析

对风积沙超高性能混凝土进行冻融循环试验。对冻融循環50、100、150、200、250、300次后的立方体试件性能进行测试，主要测试其立方体抗压强度和劈裂抗拉强度，结果见表2-3。

从表2可知，随着冻融循环次数的增加，风积沙超高性能混凝土抗压强度逐渐下降。当冻融循环次数处于0～150次时，抗压强度下降速度较快;当冻融循环次数为200～250次时，抗压强度变化幅度较小;而当冻融循环次数为250～300次时，抗压强度又突然下降。300次冻融循环后，抗压强度为102.86 MPa，强度损失率为8.53%。

影响冻融循环的主要因素是混凝土内部的水分和孔隙。而在冻融循环过程中，水分子容易透过混凝土孔隙进入混凝土内部，从而发生物态转换，形成内应力，对其内部结构造成破坏。而混凝土中水分主要以结合水、吸附水和自由水三种形态存在，其中结合水一般通过化学作用与化合物成为一体，吸附水一般物理吸附在其它分子或结构上，冻融循环对其影响都不大。而自由水存在内部孔隙中，能够发生迁移、交换和物态变化，受冻融循环影响较大。但是，风积沙超高性能混凝土水胶比较小，内部自由水较少，因此受冻融循环影响作用不大。并且，风积沙超高性能混凝土密实性较高，内部孔隙较少，同样说明其受冻融循环影响较小。

2.2  抗硫酸盐浸泡

将风积沙超高性能混凝土试件放置浓度为5%的Na2SO4溶液中浸泡。

在1、3、7、14、21、28 d后取出试件，其抗压强度和劈裂抗拉强度进行测试，如图1-2所示。

从图中可以看出，在浸泡7 d前，随着浸泡时间的延长，风积沙超高性能混凝土抗压强度逐渐增大，在7 d达到最大值，118.37 MPa。

这是由于超高性能混凝土较为密实，在浸泡初期Na2SO4溶液不会进入混凝土内部，无法对其性能产生影响，而混凝土内部未完成水化的水泥继续水化使得抗压强度小幅度上升，上升幅度为5%。随着浸泡时间的延长，混凝土抗压强度逐渐下降，相比于实验前强度损失率为1%。

这是由于Na2SO4通过孔隙进入混凝土内部，与水化产物Ca（OH）2和钙矾石发生反应，如式（1）、（2）所示，生成具有膨胀作用的石膏，破坏钙矾石，引起内部结构破坏，影响其整体性能。风积沙超高性能混凝土劈裂抗拉强度受浸泡时间影响较小，最大变化值为4%。

2.3  耐硫酸盐侵蚀

对风积沙超高性能混凝土进行干湿循环-硫酸盐侵蚀耦合试验。对循环次数2、4、6、8、10、12次后的试件进行性能测试，如图3-4所示。

从图中可以看出，随着循环次数的增加，风积沙超高性能混凝土抗压强度和劈裂抗拉强度先增加，在循环8次时达到最大值，而后随循环次数增加性能呈现降低趋势。

抗压强度最大损失36.45%，劈裂抗拉强度最大损失26.58%。虽然抗压强度和劈裂抗拉强度都经历过性能提升阶段，但经过12次循环后，均低于试验前强度值。

3  结 论

（1）经300次冻融循环后，风积沙超高性能混凝土抗压强度为102.86 MPa，强度损失率为8.53%。但冻融循环次数对劈裂抗拉强度无影响，最大强度损失率仅为1.57%。

（2）风积沙超高性能混凝土不受硫酸盐浸泡的影响。浸泡28 d内，混凝土抗压强度变化值为5%，劈拉强度变化值为4%。

（3）随着干湿循环硫酸盐侵蚀耦合循环次数的增加，风积沙超高性能混凝土的抗压强度和劈拉强度先迅速降低，后逐渐升高，而后迅速降低。

参考文献：

[1] Solazzo D， Sankey J B， Sankey T T， et al. Mapping and measuring aeolian sand dunes with photogrammetry and LiDAR from unmanned aerial vehicles （UAV） and multispectral satellite imagery on the Paria Plateau， AZ， USA[J]. Geomorphology， 2018， 319：174-185.

[2] Duarte-Campos L ， Wijnberg K M ， Oyarte-Gálvez， Loreto， et al. Laser particle counter validation for aeolian sand transport measurements using a highspeed camera[J]. Aeolian Research， 2017， 25：37-44.

[3] Langroudi， A. Assadi， and I. Jefferson. The response of reworked aerosols to climate through estimation of inter-particle forces[J]. International Journal of Environmental Science & Technology 2016，13：1159-1168.

[4] 薛慧君， 申向東， 王仁远， 等. 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[J]. 农业工程学报， 2017（18）：118-126.

[5] 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（10）：184-190.

[6] 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 and Building Materials， 2016， 123：792-799.

[7] 李荣轶. 混凝土抗硫酸盐侵蚀研究综述[J]. 当代化工， 2017， 46（3）：533-535.

[8] Soreghan， Gerilyn S.， et al. Silt production as a function of climate and lithology under simulated comminution.[J]. Quaternary International， 399（2016）：218-227.

[9] 中国国家标准化技术委员会，GB/T 1596-2017 用于水泥和混凝土中的粉煤灰[S].北京：中国标准出版社，2017.

[10]中国国家标准化技术委员会，GBT 14684-2011 建设用砂[S].北京：中国标准出版社，2011.