混凝土抗硫酸盐侵蚀性能的研究.pdf

1 3 0 科技研究 城 市道桥与 防洪 2 0 1 1 年 3 月第 3 期 混凝土抗硫酸盐侵蚀性能的研究 彭一春 ， 马守才 ， 张粉芹 ( 1 兰州工业高等专科学校 ， 甘肃兰州 7 3 0 0 5 0 ； 2 兰州交通大学， 甘肃兰州 7 3 0 0 7 0 ) 摘要： 该文分析讨论了腐蚀方式 、 水胶比、 矿物外加剂对混凝土抗腐蚀侵蚀性能的影响， 试验结果表明： 干湿循环的腐蚀速 度最快； 水胶比的降低 、 掺入粉煤灰均提高了混凝土的抗盐侵蚀性能， 但引气剂的引入降低了混凝土的抗盐侵蚀性能。 关键词： 腐蚀； 水胶比； 引气剂； 干湿循环 中图分类号 ： T U 5 2 8 2 文献 标识码 ： A文章编号 ： 1 0 0 9 7 7 1 6 ( 2 0 1 1 ) 0 3 0 1 3 0 0 3 0 前言 西北地 区盐渍 土约 占全 国盐 渍土 总 面积 的 6 0 左右。同时 ， 甘肃省 由于昼夜温差大 ， 常年 干 旱 ， 降雨 少 ， 蒸 发特别 大 ， 引起 干湿循 环 、 冻融循 环 、 等加剧盐类 的腐蚀 。另外 ， 甘肃地表水 水质含 侵蚀性离子也较为严重 ， 水NY - V2 S O ： 、 C l 、 、 Mg 。 最为显著 。 有关盐渍土地 区混凝土结构的耐久性破坏 的 调查表 明 ， 一些 道路 、 桥梁 、 建 筑物 、 地下 管道乃 至电线杆等l 1 - 2 】 ， 仅使用几年就遭 到严重的腐蚀破 坏 ， 不得不进行工程修 复 ， 造 成巨大 的经济损 失。 这些混凝土结构 的破坏 ， 除设 计 、 施 工 的原 因外 ， 与材 料在恶劣的气候 、环境条件下的耐久性不足 也有很大关系。 尽管 ，国内外不少专家针对盐类对混凝 土的 腐蚀作了大量研究 ，提出了配制抗腐 蚀混凝土的 一 些措施 ，但对于这些措施配制 出的抗腐 蚀混凝 土在 甘肃特殊气候 、地理环境下的耐久 性研究 贫 乏。 因此 ， 本文针对甘肃盐渍土地区的气候和环境 特点 ， 研究 了腐 蚀方式 、 水胶 比、 矿物外加剂对 混 凝土抗腐蚀性能的影 响。 1 试 验概 况 1 1试验原材料 ( 1 ) 水泥 ： 4 2 5 级 普通硅 酸盐水 泥 ， 各 项性 能 满足标准要求。 ( 2 ) 复合矿物掺和料 ： 复合矿物掺和料 是将矿 渣 、粉煤灰 、硅灰三种材料按不 同的 比例配合形 成。粉煤灰采用 I 级粉煤灰 ， 按 用于水泥和混凝 土的粉煤灰 ( G B T 1 5 9 6 2 0 0 5 ) 及 用于水 泥和混 凝土 中的粒化高炉矿渣粉 ( G B T 1 8 0 4 6 2 0 0 0 ) 和 收稿 日期 ： 2 0 1 0 1 0 1 2 作者简介 ： 彭一 春( 1 9 7 7 一) ， 女 ， 湖南娄底 人 ， 硕士 ， 讲 师 ， 从事 土木工 程材料 教学及 研究 工作 。 高强高性 能混凝土用矿物 t - J J n 剂 ( G B T 1 8 7 3 6 2 0 0 2 ) 为检测依据测定 ， 所用粉煤灰性 能指标及化 学成分见表 1 。所用矿渣粉的性能指标见表2 。硅 粉 ： 本课题选用加 密硅粉 。 表 1粉煤灰 性能指 标 指 标 警警 警 ( 注：表2 中除比表 面积的 单位 为m2 k g ：9 - 。其 它项单位 均 为 。 ) ( 3 ) 砂 ： 山砂 ， 该砂细度模数2 3 ， 级配 良好 ， 属于 中砂 ， 堆积密度 1 7 0 0 k g m ， 表观密度2 6 0 8 k g m 。 ， 含泥量为1 7 。 ( 4) 石 子 ： 碎 石 ， 粒径 为51 0 m m， 级 配 良好 ， 含泥量为0 3 ， 表观密度为2 3 6 9 k g m 。 ( 5 ) 减水剂 ： C 5 0 混凝土组使用S D J 聚羧酸高效 减水剂 ， 其 他混凝土使用萘 系s P N。 ( 6 ) 引气剂 ： S J 一 2 引气剂 。 ( 7 ) 水 ： 自来水 。 1 2 混 凝 土 配 比 经过综合考虑 ，所设 计的混凝土 的配合 比情 况见表3 。其 中， C系列的为基准混凝土( 不掺矿物 l- J J I 剂和引气剂 ) ， YC 为单掺引气剂 的混凝土 ， F C 为单掺矿物外加剂 的混凝土 ( 矿物外加剂是按硅 灰 ： 粉煤 灰 ： 矿渣粉 = l ： 6 ： 3 配合而成 ) ， F Y C为既掺 矿物外加剂又掺引气剂的双掺混凝土 。新拌混凝 土的坍落度通过控制水泥浆用量及减水剂用量达 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 1 年 3 月第 3 期 城 市道桥 与防洪 科技研究 1 3 1 到 1 4 01 8 0 m m； 矿 物外加 剂掺量 3 0 ， 其 中代 替 水 泥量为2 0 。 表3各类 混凝 配 合比 编号 砂率 混凝土配合 比 ( k g 1 11 。 ) 水 水 泥 高 石 减 水 剂 引 气 剂 ( ) ，( 。) 1 3 试 验 方 法 将成形的混凝土试件( 4 01 7 1 1 I 1 x4 0m i l l 1 6 0ra m) 标准养 生9 0 d ，分 别浸泡 于强腐 蚀溶 液和水 中 ， 腐蚀 溶液 中的试件 采用 完全 浸泡 ( F 1 ) 、 立 式半 浸 ( F 2 ) 、 干湿循环( F 3 ) 三种腐蚀方式。 在借鉴有关经 验 的基 础上 3 J ， 本 试 验 干湿 循 环 制度 ： 烘 干 8 h + 冷 却 I h+浸泡 1 5 h， 即每个 循 环共2 4 h， 在这 种 循 环情 况下 ， 混凝 土受 两 种作 用 的破 坏 ： 其 一 为 化 学破坏 ， 其二 为物理作 用 ， 即盐 的结 晶作用 。 腐 蚀 介 质 ：强腐 蚀 复合 盐 溶 液 ，含盐 总 量 2 2 3 6 ， 其 中硫酸钠 的含量为 l O 3 6 ， 氯化镁 的含量为1 2 ； 为保持试验过程中腐蚀介质的浓 度 不变 ， 5 0 d 换 一次 溶液 ，试 件在浸泡过程 中， 每 天用 1 mo l L H， S O 滴定， 以中和 试件 在溶 液 中放 出的C a ( O H) ， 边滴 定边 搅拌 使溶 液p H值 保持 在 7 0左 右 。定 期测定 各类混 凝土试 件 的抗压 抗折 强度 ， 以强腐 蚀溶液 中 的试件 强度 与水 中养护 试 件 的强度 比值为抗蚀系数来评价混凝土的抗腐 蚀 性 。 2混 凝土腐 蚀试 验 结果 2 1 腐蚀方式的影 响 不 同腐蚀 方式 下C 2 0 混凝 土抗腐 蚀试验 结果 如 图1 、 图2 所示 。 S 霸 。 垛 6 0 羹 40 2 0 0 Fl F 2 F 3 图 1 不 同腐蚀方 式下 C 2 0混凝 土的抗 压抗 蚀 系数 l O O 窭8 0 蠡 6 0 1j ； 羹 4 0 羹 2 0 0 图 2 不 同腐蚀 方式 下 C2 0混 凝土 的抗 折抗蚀 系数 由图1 、 图2 可知 ： 干湿循 环腐蚀 方式 下 ， 抗压 抗折系数变化的速度和幅度最大；立式半浸腐蚀 方式下 ， 抗压抗折 系数 的变化速度 和幅度次之 ； 完 全浸泡方式 下 ，抗压抗蚀 系数 的变化速度和幅度 最小。 其原 因主要是完全浸 泡是化学腐蚀 ； 立式半 浸腐蚀是盐结 晶和化学腐蚀 双重破 坏 ；而干湿循 环则是 加 速 了的盐 结 晶和 化学 腐 蚀 双重 破坏腐 蚀 。在硫酸镁溶液 中 ， 化学反应主要有 以下几种 ： CH+M s +2H_ Cs H ， +MH 1 C 日1 3 + 3 MS + 2 C H+ 2 0 _ C 。 3 C S 。 H3 z + 3 MH ( 2 ) C s H+ Ms + 5 H MH+ c S H s 2 H 0 3 2 MH+ S 2 一 2 一 5 一 H+ H ( 4) 式( 1 ) 中反应 生成 的石膏 或钙 矾石 引起 混凝 土的体积膨胀， 同时反应将C H 转化成M H ， 降低了 水泥石系统 的碱度 ，破坏 了C S H水 化产物稳定 存在 的条件 ， 使水化产物分解 ， 造成混凝土强度和 粘 结性 的损 失 。式 ( 2 ) 中反应 生成膨 胀性产物 钙 矾石 ，并 且将水化 C H转化 成MH。在混凝 土系统 中， 若存在单硫型水化硫铝酸钙， 则也会参与这类 转化反应 ， 对混凝土有类似的破坏作用。式 ( 3 ) 和 式 ( 4 ) 两种 反应将 水泥 石 的主要 强度组 分c s H 分解为没有胶结性 能的硅胶或进一步转化为硅 酸 镁 ， 导致 混凝 土强度损 失 ， 粘结性下降 。硫酸盐对 混凝 土的破 坏不仅是 一个 复杂的化学过程 ，而且 在某种环境 下还伴有 物理过 程盐 结晶侵蚀 ( 如 硫 酸钠 结 晶而 成 的十 水硫 酸钠 是原 体 积 的4 5 倍 ) 。 盐结 晶膨胀侵蚀破坏 的特点是水泥水化产物 基本末参 与作用 ， 而混凝土材料孔结构 、 空气 中相 对湿度 的变化及盐溶液 中离子 的种类 、浓度 和结 晶性质是其控制因素 。这种物理侵蚀 的速度远快 于环境水的化学腐蚀， 破坏也更加严重5l 。 虽然 ，立式半浸 能更 真实地模拟混凝土结构 在温差较 大的西部 土壤 中的腐蚀 状况 ， 但是 ， 采用 干湿循 环腐蚀方式 ，可以在较 短的时间 内反映 出 盐溶 液对混凝土 的破坏作用 ，也 可以模 拟混凝 土 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 3 2 科技研究 城 市道桥 与防洪 2 0 1 1 年 3 月第 3 期 结构在西部土壤 中的腐蚀状况 ， 所 以 ， 本文后面的 数据只采用于湿循环腐蚀方式下的强度试验数据 10 0 进行腐蚀性能的分析。 8 0 2 2 水胶 比的影响 印 不同水胶比的混凝土的抗压抗折系数随干湿 罂 。 循环次数的变化结果如图3 、 图4 所示。 藿 一 0 J 口 5 0 d 1 0 0 d I 1 0 0 1j 5 8 0 量 6 0 4 0 2 0 0 C 2 0 C 3 0 C 4 0 图 3不 同水胶 比混凝 土抗 压抗 蚀 系数 l 里 ! I C 2 0 fi 3 0 C 4 0 图 4不 同水胶 比混凝 土抗折 抗蚀 系数 由图3 、图4 可知 ： C 4 0 混凝土在干湿循环腐蚀 条件下 ， 经 1 0 0 周期抗压抗折系数均大于1 ， 说明其 混凝土的抗腐蚀能力强 ； C 3 0 混凝土经 1 0 0 周期抗压 抗折系数均小于1 ， 说明混凝土已遭到破坏 ， 抗腐蚀 能力较差 ； c 2 0 混凝 土经过5 O 周期抗压抗折系数均 小于1 ， 说 明其抗腐蚀能力最差。试验结果表明： 降 低水胶 比，可延缓混凝土抗硫 酸盐的腐蚀能力 ， 但 不能从根本上解决混凝土 的抗硫酸盐 、 镁盐 的腐蚀 问题 。其原因是水胶 比越大 ， 砂浆及集料与水泥石 界面处硬化浆体的孑 L 隙率越高 ， 侵蚀性离子更易扩 散 、 渗透到水 泥石 内， 膨胀性产物不断生成 、 积累 ， 膨胀应力增大， 混凝土结构遭受破坏的程度越大。 2 3 外加剂的影响 各类 C 2 0 混凝 土在干湿循 环作用 下腐蚀试验 结果如图5 、 图6 所示 。 C20 YC2 0 FC20 FYC20 图 5各类 C 2 0混凝 土抗 压抗蚀 系数 C 2 0 Y C 2 0 F C 2 0 F Y C 2 0 图 6各 类 C 2 0混 凝土抗 折抗蚀 系数 从 图5 、 图6 可知 ， 各 类C 2 0 混凝土 中F C 混凝土 抗 压抗 折 系数降低 的幅度最小 ， Y c 混凝土抗压抗 折系数降低的幅度最大， 说明单掺矿物外加剂对抗 腐蚀性有利 ， 单掺引气剂对抗腐蚀性不利 ， 采用复 掺能够改善单掺引气剂对抗腐蚀性不利的局面。 因 为活性矿物掺和料( 如硅灰 、 矿渣 、 粉煤灰等) 中含有 大量的活性组分S i O ， 及活性A 1 ， O ， 它们能和波特兰 水泥水化过程 中所产生的游离 石灰及高碱性水化 硅酸钙产生二次反应 ， 生成强度更高 、 稳定性更好 的低碱性水化硅酸钙 ， 从而达到改善水化胶凝物质 的组成并消除游离石灰的 目的。 同时有的超细矿物 掺合料其平均粒径远小于水泥粒子的平均粒径 ， 它 们能填充于水泥粒子之间的空隙中 ， 使水泥石结构 更为致密 ， 并阻断可能形成 的渗透通路。 因此 ， 混凝 土掺人掺合料 ，抗盐腐蚀性能也得 到有效 的提高。 如果在混凝土中掺入引气剂 ， 将会在水泥浆体中引 入气孑 L ， 且引人 的气孑 L 的绝大多都在2 0 0 n m以上【 6 】 。 而P K Me t h a通过试验得 出，当气孔大于1 0 0 n m时 就对其强度和抗渗性有不 良影响。因此 ， 掺入引气 剂 ， 对混凝土的抗盐腐蚀性性能不利。 4 结论 ( 1 ) 不 同浸泡方式 下混凝 土的抗压抗 蚀系数 和抗折 抗蚀系数对腐蚀 性液体 的敏感次 序为 ： 干 湿循环大于立式半浸 ， 立式半浸又大于完全浸泡 。 ( 2 ) 降低水胶比， 水泥浆体中的自由水空间减 少 ， 形成的水化产物结构越密实 ， 提高其抗侵蚀性能。 ( 3 ) 掺 入粉煤灰 ， 改善孔结 构 ， 有效 防止侵蚀 离子侵入 ， 提高混凝土的抗硫酸盐侵蚀性， 掺人适 量的粉煤灰是必要 的。 ( 4 ) 加入引气剂 ， 引入的气 孔绝大多数都是大 于2 0 0 n m的有害气孔 ， 因此 ， 对抗蚀性能不利 。 参考文 献 1 l -保 国， 贺行 洋 内盐 湖环 境 中混凝 土硫酸 盐侵 蚀破 坏研究 【 J 】 混 凝土， 2 0 0 1 ( 4 ) ： 1 1 - 1 5 ( 下转第 1 3 8页) 蚰 加 舳 蚰 加 0 一 、 加 。 一 ) 辍 基 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 3 8 科技研究 城 市道桥与 防洪 2 0 1 1 年 3 月第 3 期 3 8 忽略预应 力筋和普通钢筋 的作用 在计算测点理论值时 ，在有限元模 型中常常 不考虑预应力筋和普通钢筋的作 用 ，这将减小截 面的抗弯刚度 ， 尤其是在截面配筋较多时 ， 测点理 论值 的计算结果减小较多 。表 2反应了这一 因素 对校验系数的影响程度 。 表 2 钢 筋对 校验 系数 的影响程 度一览 表 校验 系数增幅 项目 应力 挠度 该 桥板梁 截面 的普通钢 筋配筋 率 0 4 6 ， 预 应力筋配筋率 0 3 1 ， 配筋率并不算高 ， 但对校验 系数影响 明显 。 对于截 面配筋率更 高的桥梁结构 ， 在计算校验系数时 ， 更应该计入这一 因素的影 响。 3 9 剪力滞效应 引起 的偏差 对 于 T形截面梁 、 箱形截面梁 ， 在承受弯矩 等 内力时 ， 由于剪力滞效应 ， 截面应力不再沿梁高呈 线性分布 ， 导致按初等梁理 论 ( 基于平截面假定 ) 计算得到 的应力与实际出现偏差 。特别是宽跨 比 较大 、翼缘板 的刚度 占截面总刚度 的百分 比较 大 的桥梁结构 ， 剪力滞 的影响更为突出。 对于简支梁 桥 ，承受集 中力或均布荷载时 ，剪力滞系数可达 1 1 - 1 3 ， 对理论计算值的影 响是 比较突出的。 在桥梁设计计算 中， 常用翼缘板 的有效宽度或 剪力滞系数来考虑剪力滞效应的影响。 在桥梁荷载 试验 中， 计算理论值时 ， 可采用这一方法。 也可在试 验时 ， 在控制截面上沿横 向多贴几 片应变片 ， 求 得 各应变片测量值的平均值后 ， 再计算校验系数。 d = 一 d ( E I ) ， d s = 一 d ( E I ) ， ：旦 ( 3 ) d 6 b 对于混凝 土简支 梁 ， 高跨 比 h 几 通常在 1 1 1 1 2 5 ， 跨度 L在 5 i n 5 0 I n 取值 ， 所以在 9 2 2 0 8 取 值 ，也 即挠度的校验系数 比应力对截 面抗 弯刚度 E I 敏感 得多 。在本文算 例 中 d A d e = 3 6 7， 这也正 是 在分析 影 响因素 ( 3 7节 ) 时 ， 挠度 的校验 系数 增 幅明显大于应力 的原 因所在。 5结论 本文对桥梁荷载试验的校验系数进行 了详细 讨论 ，并结合 工程实例分析 了影响荷 载试验校验 系数 的主要因素。 分析表 明， 按照 目前桥梁荷载试 验 中常用的计 算模 型和方法 ， 可以得到如下结论 ： ( 1 ) 将 支座简化为理想 约束 、 桥 面连续 ； 将车 轮荷载作为集中力处理 ；检测设备及测试人员 的 重 力对 桥梁 的作用 等 因素对 校验 系数 的影 响很 小 ， 可 以忽略。 ( 2 ) 加 载车辆停 靠位置 的前后偏差 对 内力计 算值 的影响很 小 ，左右偏差对 内力计算值影 响较 大 ，所 以现场指挥人员应特别注意车辆 的左右停 靠位置尽量准确。 ( 3 ) 桥面铺装层 、 钢筋的作用对校验 系数 的影 响显著 ， 不宜忽 略。 ( 4 ) 在控制截面上沿横 向多贴几片应变片 ， 求 得各应变片测量值 的平均值后 ， 再计算校验系数 ， 可以减小剪力滞效应对校验系数的影响 。 ( 5 ) 挠 度 的校验 系数 比应力 对截 面抗 弯刚度 E I 更为敏感 。 4 灵敏度分 析 参考文 献 1 范立 础 桥 梁工 程( 上 册 ) M 北 京 ： 人 民交 通 出版 社 ， 2 0 0 1 在分析影响 因素( 3 7节 ) 时 ， 发现截面抗 弯刚 2 玲森 桥梁工程【 M 北京： 人民交通出版社， 2 0 0 8 度 E I 的改变导致 挠度校验 系数 的增 幅较应力 更 3 项海帆高等桥梁结构理论【 M 北京： 人民 交通出 版社， 2 0 0 0 - 为明显。 以 奎 妻 里 = 混 凝 土 桥 涵 设 计 规 采x = b r 4 - , ， J F为例 ，来分析跨 中截 面的挠度和应 变与 一 截面抗弯 刚度 E I 之 间的灵敏度关 系。 6 顾达培 简支空心板梁桥校验系数影响因素及评估办法研究 ： s= ：一 ( 上接 第 1 3 2页 ) f 2 1 -,小林 ， 林 少杰 ， 等 严 寒地 区混凝 土抗 硫酸盐 强腐 蚀技 术实 验 研 究 广 东水利水 电， 2 0 0 4 ( 3 ) ： 4 7 4 9 【 3 】 石 明霞 水泥一 超细粉煤灰复合胶凝材料耐蚀性能研究【 D 】 长 沙： 中南大学 ， 2 0 0 2 【 4 N E VI L L E A T h e c o n f u s e d w o r l d o f s u l f a t e a t t a c k o n c o n c r e t e J C e m C o n c r R e s ， 2 0 0 4 ， 3 4 ( 8 ) ： 1 2 7 5 - 1 2 9 6 ( 5 Hi me W， Ma r r i n e k R ， B a c k u s e t al L S a l t h y d r a t i o n d i s t r e s s J C o n c r e t e I n t e r n a t i o n al， 2 1 ( 1 0 ) ： 4 3 4 9 ， 2 0 0 1 6 】 张粉 芹 ， 彭 一春 ， 王 起 才 C 2 0 混 凝 土组 成材 料与 孔 结构 及性 能 关 系的研究 【 J 城市道 桥与 防洪， 2 0 0 9 ( 4 ) ： 1 1 0 1 1 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m