李根峰，申向東，鄒欲曉，高　波

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風(fēng)沙沖蝕與碳化耦合作用下風(fēng)積沙粉體混凝土耐久性能

李根峰，申向東※，鄒欲曉，高波

（內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院，呼和浩特 010018）

該研究以風(fēng)積沙粉體為水泥替代材料的風(fēng)積沙粉體混凝土為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)風(fēng)沙沖蝕－碳化、碳化－風(fēng)沙沖蝕2種工況，探討其在風(fēng)沙沖蝕、碳化環(huán)境下的劣化機(jī)理及耐久性能。結(jié)果表明，風(fēng)沙沖蝕時(shí)，90o沖蝕角作用時(shí)以撞擊作用為主，產(chǎn)生沖蝕坑洞，45°沖蝕角作用時(shí)以削切作用為主，產(chǎn)生沖蝕溝壑，且風(fēng)沙沖蝕破壞混凝土表面水泥石結(jié)構(gòu)，可使碳化深度增加3倍以上；碳化作用時(shí)，普通混凝土碳化時(shí)是由于氫氧化鈣和水化硅酸鈣發(fā)生脫鈣反應(yīng)，風(fēng)積沙粉體混凝土則是由于氫氧化鈣、水化硅酸鈣和鈣礬石發(fā)生脫鈣反應(yīng)，且由于碳化產(chǎn)物自身的膨脹作用使混凝土變的疏松，使風(fēng)沙沖蝕后質(zhì)量損失增加1.6倍以上；風(fēng)積沙粉體混凝土內(nèi)部孔徑在20 nm以下的無(wú)害孔的比例多于普通混凝土21.37個(gè)百分點(diǎn)，200 nm以上多害孔少于普通混凝土13.93個(gè)百分點(diǎn)，其劣化顯著性低于普通混凝土；相對(duì)于單一工況，風(fēng)沙沖蝕、碳化耦合作用下劣化顯著性更高，且風(fēng)沙沖蝕－碳化耦合作用劣化顯著性低于碳化－風(fēng)沙沖蝕耦合作用，風(fēng)沙沖蝕－碳化耦合作用后的10～15 mm范圍內(nèi)出現(xiàn)碳化區(qū)域、碳化產(chǎn)物發(fā)生變化（生成硫酸鈣）及非碳化區(qū)域的混合區(qū)，且風(fēng)沙沖蝕－碳化耦合作用后風(fēng)積沙粉體混凝土孔隙度下降0.47%，20 nm以下的無(wú)害孔的比例高出普通混凝土25.15%。

混凝土；耐久性；孔隙度；風(fēng)積沙；風(fēng)沙沖蝕；碳化；沖蝕角；脫鈣反應(yīng)

0 引 言

風(fēng)積沙又名沙漠沙，是被風(fēng)吹、積淀的沙層[1]。國(guó)內(nèi)外大量學(xué)者已對(duì)風(fēng)積沙本身的理化性質(zhì)、風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)軌跡、以及以風(fēng)積沙為原材料制備砂漿、混凝土、路面墊層等進(jìn)行研究，如Lu等[2]對(duì)風(fēng)積沙的導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行探討，Daniel[3]對(duì)北美洲風(fēng)積沙化學(xué)指標(biāo)進(jìn)行分析，Shi等[4]對(duì)中國(guó)西部風(fēng)沙區(qū)的微生物響應(yīng)機(jī)制進(jìn)行探討；Jerome等[5]用動(dòng)態(tài)質(zhì)量平衡法模擬風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)輸沙量，梅凡民等[6]應(yīng)用數(shù)字高速攝影圖像技術(shù)研究風(fēng)沙顆粒運(yùn)動(dòng)規(guī)律，逯博等[7]在SPH模型的基礎(chǔ)上開(kāi)展風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)軌跡的模擬；吳俊臣等[8-10]對(duì)風(fēng)積沙混凝土的凍融、鹽浸破壞等進(jìn)行了深入的探討和研究。同時(shí)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者也對(duì)沖蝕磨損理論進(jìn)行了大量研究，1960年Finnie首次提出了微切削侵蝕理論下的沖蝕磨損理論，并分析了延性和脆性材料的材料去除機(jī)理，指出固體顆粒在流體流中侵蝕的表面材料量取決于流體流動(dòng)的條件和材料去除的機(jī)理[11-12]；1966年Finnie和Sheldon建立了硬脆材料的沖蝕模型，指出當(dāng)顆粒尺寸和速度在一定范圍內(nèi)時(shí)，脆性材料表現(xiàn)出一定的延性行為[13-14]。但是，在風(fēng)沙吹蝕作用下研究以風(fēng)積沙粉體[15]為水泥替代材料制備的風(fēng)積沙粉體混凝土的劣化機(jī)理研究尚有不足。

《溫室氣體公報(bào)》指出，2017年全球二氧化碳平均濃度二氧化碳濃度是工業(yè)化前（1750年之前）的148%，這不僅會(huì)導(dǎo)致各種自然災(zāi)害，還會(huì)加劇混凝土建筑物“碳化”腐蝕的程度，進(jìn)而產(chǎn)生碳化收縮、鋼筋銹蝕等問(wèn)題，縮短建筑物使用壽命。但現(xiàn)有的研究主要集中于數(shù)值模擬、疲勞損傷及碳化過(guò)程的研究，如Torres等[16]應(yīng)用簡(jiǎn)化的數(shù)學(xué)模型研究混凝土的碳化過(guò)程，Jiang等[17]在疲勞損傷作用下對(duì)混凝土的碳化過(guò)程進(jìn)行研究，Rao等[18]在凍融循環(huán)和碳化耦合作用下對(duì)混凝土的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入探討，但對(duì)于風(fēng)沙沖蝕和碳化耦合作用下風(fēng)積沙粉體混凝土的劣化機(jī)理研究尚有不足。

有鑒于此，本研究以中國(guó)內(nèi)蒙古自治區(qū)廣泛分布的風(fēng)積沙為作為風(fēng)沙源，以風(fēng)積沙粉體為水泥替代材料的風(fēng)積沙粉體混凝土為研究對(duì)象，而后在風(fēng)沙沖蝕－碳化、碳化－風(fēng)沙沖蝕2種工況下研究風(fēng)沙沖蝕、碳化耦合作用下風(fēng)積沙粉體混凝土的劣化機(jī)理，并探討其耐久性能。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用細(xì)集料取自呼和浩特市周邊砂場(chǎng)，細(xì)度模數(shù)為2.91，粒徑范圍為0.075～4.75 mm；試驗(yàn)用粗集料為卵碎石，表觀密度為2 669 kg/m3，堆積密度為1 650 kg/m3，粒徑范圍為4.75～20.0 mm；拌合用水為普通自來(lái)水；減水劑采用內(nèi)蒙古榮升達(dá)新材料有限責(zé)任公司的聚羧酸類SC-40型高效減水劑，減水率達(dá)26%；引氣劑為SJ-3型高效引氣劑，同時(shí)測(cè)得風(fēng)積沙粉體、內(nèi)蒙古金橋電廠二級(jí)粉煤灰、冀東P·O42.5水泥、風(fēng)積沙粉體－水泥膠凝體系理化性質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表1。

1.2 試驗(yàn)方法

依據(jù)《水工混凝土施工規(guī)范》（SL677-2014）、《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》（JGJ55-2011）、《ACI METHOD OF PROPORTI》中混凝土配合比設(shè)計(jì)的相關(guān)規(guī)定，按照風(fēng)積沙粉體等質(zhì)量替代水泥比例為15%，激發(fā)劑（硫酸鈉）摻量為風(fēng)積沙粉體質(zhì)量的2.0%配制風(fēng)積沙粉體混凝土，具體配合比及試驗(yàn)變量如表2所示。采用中國(guó)YH-90B型養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期后，應(yīng)用WHY-3000型壓力機(jī)、WAW-3000型萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行風(fēng)積沙粉體混凝土抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)、利用美國(guó)FORNEYLA-0316直讀式混凝土含氣量測(cè)定儀測(cè)定其含氣量, 并利用超景深三維顯微鏡技術(shù)觀察沖蝕后形貌，同時(shí)取試塊中心部位固化漿體，用乙醇終止水化后進(jìn)行掃描電鏡分析、XRD分析，另取50×50 mm風(fēng)積沙粉體混凝土樣品進(jìn)行核磁共振分析。

表1 風(fēng)積沙粉體混凝土原材料檢驗(yàn)結(jié)果

表2 風(fēng)積沙粉體混凝土配合比

注：C25-0 、C25-15分別表示強(qiáng)度等級(jí)為C25，風(fēng)積沙粉體摻量為0%、15%的風(fēng)積沙粉體混凝土，C35-0 、C35-15分別表示強(qiáng)度等級(jí)為C35，風(fēng)積沙粉體摻量為0%、15%的風(fēng)積沙粉體混凝土。下同。

Note: C25-0 and C25-15 respectively indicate that the aeolian sand powder concrete strength grade is C25, and the aeolian sand powder is mixed with 0% and 15%. C35-0 and C35-15 respectively indicate that the aeolian sand powder concrete strength grade is C35, and the aeolian sand powder is mixed with 0% and 15%. The same as below.

本研究采用申向東教授團(tuán)隊(duì)研發(fā)的風(fēng)沙沖蝕儀[19]和混凝土碳化試驗(yàn)箱進(jìn)行宏觀試驗(yàn)，具體如下：

1）風(fēng)沙沖蝕試驗(yàn)：選用中國(guó)內(nèi)蒙古自治區(qū)庫(kù)布齊沙漠的細(xì)度模數(shù)為0.72的風(fēng)積沙，篩除雜質(zhì)后作為風(fēng)沙源，綜合考慮中國(guó)境內(nèi)沙塵暴發(fā)生頻率、強(qiáng)度、沙塵物質(zhì)組成等因素，并結(jié)合現(xiàn)有研究基礎(chǔ)[20-23]，確定本試驗(yàn)風(fēng)蝕參數(shù)為：風(fēng)速：31 m/s，攜沙量：60 g/min，沖蝕角：90°、45°，沖蝕時(shí)間：12 min，對(duì)風(fēng)積沙粉體混凝土進(jìn)行風(fēng)沙沖蝕試驗(yàn)，沖蝕后的質(zhì)量損失：

式中o為風(fēng)沙沖蝕前試件質(zhì)量，kg；m為風(fēng)沙沖蝕后試件質(zhì)量，kg。

2）碳化試驗(yàn)：依據(jù)《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》（SL352-2006）中混凝土碳化試驗(yàn)的相關(guān)規(guī)定，選用100 mm×100 mm×100 mm立方體試件，于28 d齡期前兩天從標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室取出，然后在(60±2) ℃溫度下烘48 h。而后取出放入碳化試驗(yàn)箱，并使箱內(nèi)二氧化碳濃度保持在20%±3%，相對(duì)濕度保持在70%±5%，溫度保持在(20±5) ℃。碳化至3、7、14、28d后取出試件，在WAW-3000型萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行劈裂抗拉試驗(yàn)，并取劈裂后的試件刷去斷面上的粉末，隨即噴上1%酚酞乙醇溶液，按原先標(biāo)劃的每5 mm一個(gè)測(cè)量點(diǎn)分別測(cè)出兩側(cè)面各點(diǎn)的碳化深度（不變色的區(qū)域），并求出碳化至各階段的平均碳化深度（t）。

工況一：風(fēng)沙沖蝕－碳化試驗(yàn)（Erosion and Carbonation, E-C）

各選取4組C25、C35風(fēng)積沙粉體混凝土試件，首先進(jìn)行風(fēng)沙沖蝕試驗(yàn)，而后放入碳化試驗(yàn)箱進(jìn)行碳化，在分別碳化至3、7、14、28 d后取出，進(jìn)行后續(xù)微觀試驗(yàn)。

工況二：碳化－風(fēng)沙沖蝕試驗(yàn)（Carbonation and Erosion, C-E）

各選取4組C25、C35風(fēng)積沙粉體混凝土試件，首先進(jìn)行碳化試驗(yàn)，在分別碳化至3、7、14、28 d后取出進(jìn)行風(fēng)沙沖蝕試驗(yàn)，而后進(jìn)行后續(xù)微觀試驗(yàn)。

碳化試驗(yàn)箱：采用NJTH-B型碳化試驗(yàn)箱，總功率為1 500 W，控溫精度為(20±1) ℃，控濕精度為70%±5%，二氧化碳濃度為20%±1%。

場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡分析：采用Sigma5000場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡，分辨率為0.8 mm、@15 kV、16 nm，放大倍數(shù)為1 000 000×，加速電壓為0.02～30 kV，探針電流為4 pA～20 nA，低真空范圍為2～133 Pa。

核磁共振分析：采用MesoMR型NMR分析系統(tǒng)測(cè)定混凝土孔隙特征，測(cè)試過(guò)程中Ｈ質(zhì)子共振頻率23.320 MHz，磁體強(qiáng)度0.55 T，磁體溫度為32 ℃

光譜半定量全分析：采用RIGAKU ZSX PriusⅡ型X射線熒光光譜儀，并使用流氣式氣體正比計(jì)數(shù)器（F-PC）作為測(cè)量輕元素時(shí)的探測(cè)器。

含氣量測(cè)定儀：采用LA-0316直讀式混凝土含氣量測(cè)定儀，在量程的6%內(nèi)測(cè)試精度為0.1%，量程的6%～10%之間為0.2%

超景深三維顯微鏡：采用Leica Z16APOA，變焦16:1，變焦范圍0.57X～9.2X，標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)放大倍數(shù)7.1X～115X（1X PLAN APO物鏡，10X目鏡，1.25X Y管），最大光學(xué)放大倍數(shù)920X（2X PLAN APO物鏡，40X目鏡，1.25X Y管），最大分辨能力702LP/MM。

2 結(jié)果與分析

2.1 風(fēng)積沙粉體混凝土力學(xué)性能

風(fēng)積沙粉體混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示，可知風(fēng)積沙粉體混凝土抗壓強(qiáng)度均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，且風(fēng)沙沖蝕－碳化（E-C）、碳化－風(fēng)沙沖蝕（C-E）后劈裂抗拉強(qiáng)度較基準(zhǔn)組有所提高。

普通混凝土在碳化－風(fēng)沙沖蝕之后28d劈裂抗拉強(qiáng)度值提高16.5%，高出風(fēng)沙沖蝕－碳化作用之后的劈裂抗拉強(qiáng)度值9.7%，而風(fēng)積沙粉體混凝土卻與之相反，在風(fēng)沙沖蝕－碳化之后劈裂抗拉強(qiáng)度提高7.6%，高出碳化－風(fēng)沙沖蝕之后6.8%。這是由于普通混凝土和風(fēng)積沙粉體混凝土的碳化機(jī)理不同導(dǎo)致的，在碳化時(shí)，普通混凝土主要是由于氫氧化鈣和水化硅酸鈣與二氧化碳反應(yīng)生成碳酸鈣，降低孔隙率，提高強(qiáng)度，這與前人研究一致[24-26]；而風(fēng)積沙粉體混凝土卻是氫氧化鈣、水化硅酸鈣、鈣礬石與二氧化碳反應(yīng)的過(guò)程，且脫鈣之后的鈣礬石釋放出硫酸根離子，與碳化產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)，生成硫酸鈣，進(jìn)而阻止碳化的進(jìn)一步進(jìn)行，而風(fēng)沙沖蝕作用卻可以將表層隔離區(qū)剝除，進(jìn)而為后續(xù)碳化反應(yīng)提供方便，降低孔隙率，提高強(qiáng)度，故風(fēng)積沙粉體混凝土在風(fēng)沙沖蝕－碳化耦合作用下的強(qiáng)度提高幅度高于碳化－風(fēng)沙沖蝕耦合作用。

注：E-C：風(fēng)沙沖蝕－碳化；C-E：碳化－風(fēng)沙沖蝕。

2.2 風(fēng)沙沖蝕、碳化試驗(yàn)結(jié)果及分析

風(fēng)沙沖蝕－碳化作用下風(fēng)積沙粉體混凝土宏觀試驗(yàn)結(jié)果如圖2a、2b、2c、2d所示，由圖2a、2b可知，在風(fēng)沙沖蝕作用下，風(fēng)積沙粉體混凝土質(zhì)量損失略高于普通混凝土，且C25組高于C35組。風(fēng)沙沖蝕后效果如圖2c所示，可發(fā)現(xiàn)90°沖蝕角作用時(shí)，沙粒對(duì)風(fēng)積沙粉體混凝土的作用以撞擊作用為主，在其表面生成沖蝕坑洞，45°沖蝕角作用時(shí)，沙粒對(duì)風(fēng)積沙粉體混凝土的作用以削切作用為主，在其表面形成沖蝕溝壑，且90°沖蝕角作用時(shí)質(zhì)量損失高于45°時(shí)，90°沖蝕角作用時(shí)C25-15組質(zhì)量損失高于C25-0組14%。同時(shí)，結(jié)合三維剝蝕圖2d可知，風(fēng)積沙粉體混凝土在90°沖蝕角作用時(shí)產(chǎn)生的沖蝕坑洞深度將近兩倍于45°時(shí)，且表面沖蝕坑洞、溝壑深度高于普通混凝土，45°沖蝕角作用時(shí)可高出13.4%。風(fēng)沙沖蝕作用后，90°沖蝕角作用時(shí)風(fēng)積沙粉體混凝土碳化深度大于45°沖蝕角，且隨著碳化齡期的增加，風(fēng)積沙粉體混凝土碳化深度逐漸減少，普通混凝土則先增加，后逐漸趨于穩(wěn)定；3 d齡期時(shí)風(fēng)積沙粉體混凝土碳化深度最高，C25-15組達(dá)到9.35 mm，單一碳化條件下碳化深度為2.56 mm，風(fēng)沙吹蝕后使其碳化深度增加3倍以上，而后隨著碳化齡期的增加，風(fēng)積沙粉體混凝土碳化深度逐漸減少，14 d齡期時(shí)C25-15組已低于C25-0組普通混凝土6%，28 d齡期時(shí)達(dá)到10.6%。

碳化－風(fēng)沙沖蝕作用下風(fēng)積沙粉體混凝土試驗(yàn)結(jié)果如圖3a、3b、3c所示，由圖3a可知，碳化作用后風(fēng)積沙粉體混凝土碳化深度高于普通混凝土，且隨著碳化齡期的增加，呈現(xiàn)先增加后降低的變化規(guī)律，28 d齡期時(shí)C25-15組碳化深度高出C25-0組38.9%，而后進(jìn)行風(fēng)沙沖蝕試驗(yàn)結(jié)果如圖3b所示，隨著碳化齡期的增加，風(fēng)積沙粉體混凝土質(zhì)量損失先降低，后穩(wěn)定，且高于普通混凝土，90°沖蝕角作用時(shí)高于45°，3d齡期時(shí)45°沖蝕角作用下C25-15組質(zhì)量損失為8%，高出C25-0組166.7%，較單一風(fēng)沙沖蝕條件下質(zhì)量損失增加1.6倍，同時(shí)由三維剝蝕圖3c可知，隨著碳化齡期的增加，沖蝕坑洞、溝壑深度降低，碳化28d時(shí)沖蝕坑洞、溝壑深度低于碳化3d時(shí)1.5倍以上，質(zhì)量損失減少，但是，與風(fēng)沙沖蝕－碳化作用相比，碳化3d時(shí)質(zhì)量損失較其高38.5%，碳化28d時(shí)質(zhì)量損失較其高7.7%。

風(fēng)沙沖蝕－碳化作用下，風(fēng)積沙粉體混凝土首先受到風(fēng)沙沖蝕作用，鑒于風(fēng)積沙粉體混凝土的外表面覆蓋著大量的硬度相對(duì)較低的水膠混合物，風(fēng)沙顆粒的連續(xù)沖擊導(dǎo)致表面產(chǎn)生沖蝕坑洞，隨著侵蝕時(shí)間的延長(zhǎng)，沖蝕坑附近出現(xiàn)疲勞裂紋并沿橫向擴(kuò)展，暴露內(nèi)部包裹的集料。隨后，風(fēng)沙顆粒開(kāi)始沖蝕混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)，但內(nèi)部結(jié)構(gòu)中含有比沙粒更硬的水泥石和集料，因此，由于相對(duì)硬度（顆粒對(duì)目標(biāo)）的減少，沖蝕質(zhì)量損失減小。同時(shí)，在90°沖蝕角作用時(shí)，風(fēng)積沙粉體混凝土表面受力以正應(yīng)力為主，45°沖蝕角作用時(shí)受平行于表面的切應(yīng)力和垂直于表面的正應(yīng)力的復(fù)合作用為主，正應(yīng)力減小，故沖蝕坑洞深度小于90°沖蝕角作用時(shí)，又由于還受到平行于表面的切應(yīng)力的作用，風(fēng)積沙粉體混凝土在45°沖蝕角作用時(shí)產(chǎn)生沖蝕溝壑。由于90°沖蝕角作用時(shí)沖蝕坑洞深度將近兩倍于45°沖蝕角作用時(shí)，在進(jìn)行后續(xù)的碳化作用時(shí)，二氧化碳會(huì)與新近裸露出的部分產(chǎn)生碳化反應(yīng)，故90°沖蝕角作用時(shí)風(fēng)積沙粉體混凝土碳化深度高于45°沖蝕角。但由于風(fēng)積沙粉體混凝土特殊的理化性質(zhì)，其水化產(chǎn)物含有較多的堿性可碳化物氫氧化鈣、鈣礬石及水化硅酸鈣等，而二氧化碳會(huì)和水泥基材料中的堿性可碳化物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，生成碳酸鈣，如式（2）所示，故初始時(shí)，風(fēng)積沙粉體混凝土碳化深度遠(yuǎn)高于普通混凝土。但是碳化反應(yīng)使水泥基材料的pH值從12.5～13 降低到9以下[27-29]，而后與風(fēng)積沙粉體混凝土中鈣礬石脫鈣后釋放的硫酸根離子結(jié)合，在碳化部位形成局部酸性環(huán)境，并與碳化產(chǎn)物碳酸鈣反應(yīng)生成石膏和二氧化碳，如式（3）所示，故碳化深度隨著碳化齡期逐漸降低，28 d齡期時(shí)更是低于普通混凝土10.6%，這是通過(guò)“堿激發(fā)原理”制備的風(fēng)積沙粉體混凝土與通過(guò)將風(fēng)積沙替換河沙制備的風(fēng)積沙混凝土碳化規(guī)律[30]差異較大的根本原因，風(fēng)積沙混凝土碳化規(guī)律與普通混凝土相似，隨著內(nèi)部堿性可碳化物的消耗殆盡，碳化深度則隨著碳化齡期的增加而呈現(xiàn)先增加，后逐漸趨于穩(wěn)定的變化規(guī)律。

CO+Ca(OH)2═CaCO3↓+H2O （2）

CaCO3+H2SO4=CaSO4+CO2↑+H2O （3）

碳化－風(fēng)沙沖蝕作用下，碳化使風(fēng)積沙粉體混凝土表面生成碳酸鈣保護(hù)層，且由于風(fēng)積沙粉體混凝土碳化深度高于普通混凝土，故生成更多的碳酸鈣，但是隨著齡期的增加，碳化深度卻由于風(fēng)積沙粉體混凝土中的硫酸根離子在碳化后的局部酸性環(huán)境中與碳酸鈣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而降低，隨著硫酸鈣附著在碳酸鈣表面和未碳化部分，碳化反應(yīng)難以繼續(xù)進(jìn)行，故碳化深度降低并趨于穩(wěn)定，普通混凝土碳化深度則逐步升高直至穩(wěn)定；而后進(jìn)行風(fēng)沙沖蝕試驗(yàn)時(shí)，由于碳酸鈣保護(hù)層的存在，風(fēng)沙粒子對(duì)風(fēng)積沙粉體混凝土表面的沖擊和削切作用減弱，但是碳酸鈣保護(hù)層本身具有一定的膨脹特性[31]，其對(duì)于作用于風(fēng)積沙粉體混凝土表面的正應(yīng)力有一定的保護(hù)作用，而與平行與風(fēng)積沙粉體混凝土表面的切應(yīng)力幾乎垂直相交，故45°沖蝕角作用時(shí)C25-15組表面沖蝕坑洞、溝壑深度高于風(fēng)沙沖蝕－碳化作用時(shí)47.7%，隨著碳化齡期的增加，碳化產(chǎn)物部分被轉(zhuǎn)化為石膏，抵抗風(fēng)沙沖蝕的能力增強(qiáng)，沖蝕坑洞、溝壑深度降低，質(zhì)量損失也逐漸降低并趨于穩(wěn)定，但高于風(fēng)沙沖蝕－碳化作用時(shí)質(zhì)量損失。

2.3 核磁共振、場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡、XRD試驗(yàn)結(jié)果及分析

運(yùn)用核磁共振技術(shù)對(duì)風(fēng)沙沖蝕－碳化耦合作用前后風(fēng)積沙粉體混凝土孔隙特征進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖4及表3所示。鑒于核磁共振譜的分布與孔隙的大小和分布有關(guān)，其中峰的位置與孔隙大小有關(guān)，信號(hào)強(qiáng)度表示與該尺寸相關(guān)的孔隙數(shù)量，通常來(lái)說(shuō)，2圖譜中1 ms對(duì)應(yīng)水泥漿體中24 nm[32-33]，由圖4a～4d可知，風(fēng)沙沖蝕－碳化耦合作用前后所有樣品的2圖譜分布在0.01～10 000 ms范圍之間，對(duì)應(yīng)于微、中、大孔的3個(gè)峰，相對(duì)于普通混凝土，風(fēng)積沙粉體混凝土2譜圖中代表微孔的信號(hào)強(qiáng)度及馳豫時(shí)間均高于普通混凝土，故風(fēng)積沙粉體混凝土內(nèi)部微孔數(shù)量多于普通混凝土，劣化顯著性低于普通混凝土。

鑒于束縛流體飽和度越高、孔隙度越小，混凝土耐久性能越好[34-37]，由表3可知，風(fēng)積沙粉體混凝土束縛流體飽和度高于普通混凝土，C25-15組高出C25-0組28.4%，結(jié)合吳中偉等[35]對(duì)孔徑的分析可知，C25-15組風(fēng)積沙粉體混凝土內(nèi)部孔徑在20nm以下的無(wú)害孔比例為31.63%，高出C25-0組普通混凝土21.37個(gè)百分點(diǎn)，且200 nm以上多害孔少于普通混凝土13.93個(gè)百分點(diǎn)，這說(shuō)明雖然風(fēng)積沙粉體混凝土孔隙度略高于普通混凝土，但其內(nèi)部多為無(wú)害的微孔，在經(jīng)受風(fēng)沙沖蝕－碳化耦合作用之后，風(fēng)積沙粉體混凝土中孔徑在20 nm以下的無(wú)害孔的比例下降到31.23%，下降幅度遠(yuǎn)低于普通混凝土，高出普通混凝土25.15%，孔徑較小的密實(shí)部分會(huì)加大后續(xù)風(fēng)沙沖蝕、碳化的難度，同時(shí)，碳酸鈣、硫酸鈣等碳化產(chǎn)物的膨脹特性[38-39]使其內(nèi)部形成了封閉的孔隙，造成的氣孔阻塞效應(yīng)使碳化后的孔隙度降低，風(fēng)積沙粉體混凝土孔隙度下降幅度為0.47%，普通混凝土為0.14%，將近3.5倍于普通混凝土，阻礙碳化反應(yīng)的進(jìn)一步進(jìn)行，故在風(fēng)沙沖蝕－碳化耦合作用下，隨著齡期的增加，風(fēng)積沙粉體混凝土碳化深度低于普通混凝土。

f.風(fēng)沙沖蝕－碳化作用后風(fēng)積沙粉體混凝土XRD試驗(yàn)結(jié)果（C25-15）

f. XRD test results of aeolian sand powder concrete aftera eolian sand erosion and carbonization （C25-15）

圖4 風(fēng)積沙粉體混凝土微觀試驗(yàn)結(jié)果

Fig.4 Micro test results of aeolian sand powder concrete

對(duì)風(fēng)沙沖蝕－碳化作用后的C25-15組風(fēng)積沙粉體混凝土由表及里在0～5、5～10、10～15 mm范圍內(nèi)取樣進(jìn)行場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡、XRD分析結(jié)果如圖4e、4f所示，鑒于電鏡試驗(yàn)的結(jié)果與掃描點(diǎn)的選取關(guān)系很大，國(guó)內(nèi)外學(xué)者也曾經(jīng)提過(guò)微觀分析在體量較大的情況下的數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)才有意義，故作者在進(jìn)行電鏡試驗(yàn)時(shí)，每組樣品均進(jìn)行5次以上重復(fù)試驗(yàn)，且采用選取多個(gè)觀察點(diǎn)位、多個(gè)觀察倍數(shù)（500、3 000、5 000倍）的方法來(lái)消除試驗(yàn)項(xiàng)目自身的誤差影響，最后，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，只有當(dāng)某一形態(tài)的物質(zhì)多次重復(fù)且大范圍出現(xiàn)時(shí)作者才認(rèn)定該物質(zhì)的存在性及同一性。同時(shí)，參照諸培南[40]等對(duì)無(wú)機(jī)非金屬材料的顯微結(jié)構(gòu)研究可知，C25-15組風(fēng)積沙粉體混凝土在0～5 mm范圍內(nèi)產(chǎn)生片葉狀碳化產(chǎn)物碳酸鈣[41-42]，5～10 mm范圍內(nèi)出現(xiàn)纖維狀產(chǎn)物硫酸鈣[43-44]和碳酸鈣，10～15 mm范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)光滑的氫氧化鈣和硫酸鈣、碳酸鈣，這表明碳化反應(yīng)由表及里逐漸進(jìn)行，在中間層5～10 mm范圍內(nèi)碳化產(chǎn)物發(fā)生變化，生成硫酸鈣，10～15 mm范圍內(nèi)出現(xiàn)碳化區(qū)域、非碳化區(qū)域及碳化產(chǎn)物發(fā)生變化的混合區(qū)。這是由于風(fēng)積沙粉體混凝土的碳化機(jī)制是其水化產(chǎn)物中的氫氧化鈣、鈣礬石及水化硅酸鈣與二氧化碳發(fā)生脫鈣反應(yīng)，生成碳酸鈣和二氧化硅凝膠，而后風(fēng)積沙粉體混凝土中的硫酸鹽與碳化產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)生成硫酸鈣，而硫酸鈣自身的微膨脹特性會(huì)增強(qiáng)風(fēng)積沙粉體混凝土的密實(shí)度，提高抗?jié)B性，進(jìn)而阻止碳化反應(yīng)的進(jìn)一步發(fā)展。

表3 風(fēng)積沙粉體混凝土核磁共振試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié) 論

1）風(fēng)沙沖蝕破壞風(fēng)積沙粉體混凝土表面水泥石結(jié)構(gòu)，暴露內(nèi)部包裹的粗集料，可使碳化深度增加3倍以上；碳化作用時(shí)，普通混凝土碳化時(shí)是由于氫氧化鈣和水化硅酸鈣發(fā)生脫鈣反應(yīng)，風(fēng)積沙粉體混凝土則是由于氫氧化鈣、水化硅酸鈣和鈣礬石發(fā)生脫鈣反應(yīng)，由于碳化產(chǎn)物自身的膨脹作用使混凝土變的疏松，使風(fēng)沙沖蝕后質(zhì)量損失增加1.6倍以上。

2）相對(duì)于單一工況，風(fēng)沙沖蝕、碳化耦合作用劣化顯著性較高，且風(fēng)沙沖蝕－碳化耦合作用對(duì)風(fēng)積沙粉體混凝土的劣化顯著性低于碳化－風(fēng)沙沖蝕作用，風(fēng)沙沖蝕－碳化耦合作用時(shí)，在90°沖蝕角作用時(shí)產(chǎn)生的沖蝕坑洞深度將近兩倍于45°時(shí)，且風(fēng)沙沖蝕后，碳化深度隨著齡期的增加而逐漸減少，14 d齡期時(shí)C25-15組風(fēng)積沙粉體混凝土碳化深度已低于C25-0組普通混凝土6%，28 d齡期時(shí)達(dá)到10.6%。

3）風(fēng)積沙粉體混凝土內(nèi)部孔徑在20 nm以下的無(wú)害孔的比例多于普通混凝土21.37個(gè)百分點(diǎn)，200 nm以上多害孔少于普通混凝土13.93個(gè)百分點(diǎn)，其劣化顯著性低于普通混凝土；風(fēng)沙沖蝕－碳化耦合作用后風(fēng)積沙粉體混凝土孔隙度下降0.47%，普通混凝土為0.14%，20 nm以下的無(wú)害孔的比例高出普通混凝土25.15%，且沿碳化深度方向10～15 mm范圍內(nèi)形成碳化區(qū)、碳化產(chǎn)物發(fā)生變化區(qū)（生成硫酸鈣）及非碳化區(qū)共同存在的混合區(qū)。

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Durability of aeolian sand powder concrete under mechanism of aeolian sand blowing erosion and carbonization

Li Genfeng, Shen Xiangdong※, Zou Yuxiao, Gao Bo

(,010018,)

Aeolian sand (different from mechanical sand), which is widely distributed in Inner Mongolia, China, is generated from wind erosion and very easy to obtained. In this paper, we studied aeolian sand powder as the cement substitute material and tested its durability under wind sand erosion. During wind sand event, concrete can be destroyed by the sand from the air, which is also called the sand erosion of deflation. Aeolian sand blowing erosion -carbonation and carbonation-aeolian sand blowing erosion were designed as two working conditions in this study. The aeolian sand blowing erosion tester, carbonization tester, universal testing machine, ultra-deep three-dimensional microscope, nuclear magnetic resonance technology, X-ray phase analysis, field emission scanning electron microscopy, etc. were selected in the laboratory to determine the deterioration mechanism and durability in aeolian sand blowing erosion of deflation and carbonization environment. The results showed that when aeolian sand erosion occurred, especially in the very beginning, the impact angle of 90° erosion angle dominated the impact, resulting in erosion pits which could be seen by human eyes. The effect of 45° erosion angle was mainly on the cutting action of erosion action, producing erosion gullies. And aeolian sand blowing erosion destroyed the cement stone structure on the surface of the concrete, exposing the coarse aggregates that were wrapped inside, increasing the carbonation depth by up to 3 times. The carbonization mechanism of ordinary concrete and aeolian sand powder concrete in carbonization was different, which was reported before. When ordinary concrete was carbonized, decalcification reaction occurred due to calcium hydroxide and calcium silicate hydration. Aeolian sand powder concrete was decalcified due to calcium hydroxide, calcium silicate hydrate, and ettringite. However, due to the swelling effect of the carbonized product itself, the concrete became loose, and the quality loss after aeolian sand erosion was increased by more than 1.6 times. The ratio of non-hazardous pores with an inner pore diameter below 20 nm in aeolian sand powder concrete was more than 21.37 percent point of that of ordinary concrete, and the harmful pores above 200 nm were less than 13.93 percent point of ordinary concrete, and the deterioration was less obvious than ordinary concrete, which could be the essential evidence that the durability the aeolian sand powder concrete was higher than that of ordinary concrete. Compared with a single working condition, the degradation under aeolian sand erosion and carbonation coupling was significantly higher, and the deterioration of aeolian sand blowing erosion -carbonization coupling was significantly lower than that of carbonization- aeolian sand blowing erosion. Along the direction of carbonization, in the range of 10-15 mm after the aeolian sand erosion and carbonation coupling effect, the carbonized zone, the non-carbonized zone, and the mixed zone where the carbonized product changes occurred (formation of calcium sulfate). With the results, researchers could attain several laws about the aeolian sand powder concrete, which could be the basic theory for the development. Our research also provides more choice and basis for the construction of water conservancy projects, and the social and economic benefits are remarkable.

concrete; durability; porosity; aeolian sand; aeolian sand blowing erosion; carbonization; erosion angle; decalcification

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.17.021

TU528

A

1002-6819(2018)-17-0158-09

2018-03-14

2018-07-24

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51569021，51769025），內(nèi)蒙古博士研究生科研創(chuàng)新基金（B20171012918）

李根峰，男，博士生，主要從事混凝土耐久性方面的研究。Email：1548874061@qq.com

申向東，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事混凝土耐久性方面的研究。Email：ndsxd@163.com

李根峰，申向東，鄒欲曉，高波. 風(fēng)沙沖蝕與碳化耦合作用下風(fēng)積沙粉體混凝土耐久性能[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2018，34(17)：158－166. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.17.021 http://www.tcsae.org

Li Genfeng, Shen Xiangdong, Zou Yuxiao, Gao Bo. Durability of aeolian sand powder concrete under mechanism of aeolian sand blowing erosion and carbonization[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(17): 158－166. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.17.021 http://www.tcsae.org