室内加速与暴露试验混凝土损伤的关系研究.pdf

2 0 1 4 年 第 1 0期 (总 第 3 0 0 期 ) N u mb e r 1 0 i n 2 0 1 4 ( T o t a l No 3 0 0 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 理论研究 THE0RET I CAL RES EARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 8 i s s n 1 0 0 2 - 3 5 5 0 2 0 1 4 1 0 0 0 9 室内加速与暴露试验混凝土损伤的关系研究 李强 。张立明 。何忠茂 。 ( 1 浙江建设职业技术学院，浙江 杭州 3 1 1 2 3 1 ；2 吉林交通职业技术学院 ，吉林 长春 1 3 0 0 1 2 ； 3 甘肃土木工程科学研究院 ，甘肃 兰州 7 3 0 0 2 0 ) 摘要 ： 研究 了C 3 0 、 C 5 0 和 C 8 0 S F 1 0 在长期浸泡、 干湿循环和现场暴露环境下的强度损伤变化规律 ， 测定不同腐蚀时间相对动 弹模量， 以长期浸泡为标准 ， 分别建立不同暴露试验的损伤加速度和损伤速度与标准环境的转换关系。 试验结果表明： 混凝土损伤与 抗压强度呈反 比。 与暴露环境相比， 长期浸泡和干湿循环都加速了混凝土的损伤 ， 干湿循环更显著； 混凝土强度等级与损伤加速度 A 和损伤速度A。 分别呈正指数和负指数函数关系 ， 混凝土强度等级与损伤加速度的换算系数 K A 和损伤速度的换算系数 K v 呈指 数 函数关系， 可通过换算系数和浸泡损伤加速度 A 和损伤速度A。 预测现场暴露环境和现场暴露一 千湿循环环境下的混凝土的相对 动弹模量。 关键词： 混凝土构件；室内加速试验 ；现场暴露试验；相对动弹模量 ；相关性研究 中图分类号： T U 5 2 8 0 1 文献标志码 ： A 文章编号： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 4 ) 1 0 0 0 3 4 0 4 Co r r e l a t i o n be t w e e n a c c e l e r a t e d i n d oo r a n d e x p o s e d t e s t f o r c o n c r e t e da m a g e L a n g ， zHANG 2 HEZho n g ma o。 ( 1 Z h e j i a n g C o l l e g e o f C o n s t r u c t i o n ， H a n g z h o u 3 1 1 2 3 1 ， C h i n a ； 2 J i l i n C o m mu n i c a t i o n P o l y t e c h n i c ， C h a n g c h un 1 3 0 0 1 2 ， C h i n a 3 E n g i n e e r i n g t e c hn i c a l o f Ga n s u， La n z h o u 7 3 0 0 2 0 ， C h i n a ) Abs t r a c t ： Th e v a r i e t y o fC3 0、 C5 0、 C8 0S F1 0 d a ma ge r u l e i n s a l t l a ke b r i n e p e r ma n e n t i mme r s i o n、 we t - d r y c y c l e a n d s a l t l ak e e x po s u r e e n v i r o n me n t w a s d i s c u s s e d ， t h e m o d e l o f r e l a t i v e d y n a m i c e l a s t i c mo d u l u s( E ) and c o r r o s i v e t i m e w a s e s t a b l i s h e d T h e t e s t r e s u l t s s h o w e d t ha t c o nc r e t e d a ma g e t e n ds t o v a r y i n ve r s e l y wi th c o nc r e t e c o mpr e s s i o n i n c r e a s e Co mp a r i s o n t o fie l d e x p os u r e， bo th pe rm a ne nt i mme r s i o n an dy - we t c y c l e we r e a l l a c c e l e r a t e c o nc r e t e d am a g e， y - we t c y c l e wa s mo r e a p pare n t Th e r e l a t i o n s h i p b e t we e n c o n c r e t e s t r e ng t h s g r a de a n d the c o n c e nt r a t i o n of da ma ge a c c e l e r a t i o n an d d a ma g e r a t e wa s e x p r e s s e d b y e x p o ne n t i a l f u n c t i o n The r e l ati v e d yn a mi c mo d ul u s of c o n c r e t e i n e xp o s u r e fie l d o r d r y - we t c y c l e a nd e x p o s u r e fie l d wa s p r e d i c t e d b y us e o f c o n ve r t p a r a me t e r an d d a mag e a c c e l e r a t i o n an d dam a g e r a t e i n pe r man e n t i mme r s i o n K e ywor ds ： c o n c r e t e s t r u c t u r e ； a c c e l e r a t e dt e s t ； e x p o s uret e s t ； r e l a t i v ed yn am i c e l a s t i cmo d u l u s ； c o rre l a t i o n 0 引言 在腐蚀环境下 ， 硫酸盐腐蚀、 干湿循环、 氯离子锈蚀 钢筋是引起混凝 土耐久 性不足 的主要原 因 1 - 2 。 国内外学 者广泛的研究 了小尺寸 的砂浆试件和混凝土试件的耐久 性试验， 选用的腐蚀溶液大多是单一氯盐或硫酸盐溶液， 对氯盐 和硫 酸盐 混合溶液研究还不 多 。 金祖权 口 - 4 描述 了 混凝土试件在的硫酸盐和氯盐复合溶液环境下混凝土试 件 的氯离子扩散规律和结构损伤过程 ，同时也研究 了弯 曲荷载和腐蚀溶液作用下混凝土试件 的氯离子扩散规律 和结构损伤过程。 余红发5 _ 8 研究了六种典型混凝土试件 在高浓度盐湖卤水环境下 ， 进行冻融、 干湿单一情况和加 载耦合条件下 了混凝 土试件 的应力腐蚀 和氯离子扩 散规 律 ， 并建立 的相应 的模 型 。 张 云清 9 1 探讨 了混凝土试 件在 硫酸盐和氯盐环境下 ， 进行快速冻融 、 自然冻融和长期浸 泡 ， 混凝土构件的表面剥落和应力腐蚀的规律。 张立明 1 o l 摸 索了混 凝土构件在室 内浸泡浸烘循环和盐湖暴露环境 下 的三种混 凝土 的氯 离子扩散 能力 。 而 实际工 程采用 的 多是钢筋混 凝土结构 ， 研究混凝 土构件 的耐久性 尤为 重 要 。 同时对 混凝土构 件在不 同试 验环境 的转换关 系 的研 究还没未 见报道 。 本 研究选取青 海察尔 汗盐 湖 卤水为 腐 蚀溶液 ， 分别进行 了现场暴露试验 、 室内长期浸 泡和干湿 循环试验 ， 讨论钢筋 混凝土 梁在不 同试 验环 境下 的腐 蚀 规律 ， 是长期浸泡 为标 准环境下 ， 建立现场暴露环境与标 准环境的关系式。 为盐湖地区混凝土结构耐久性设计提 供试验数据 。 收稿 日期 ：2 0 1 4 - - 0 4 1 6 基金项 目：国家重点基础研究发展计划( “ 9 7 3 ” 计划 ) 项 目( 2 0 0 9 C B 6 2 3 2 0 3 ) ； 浙江省 自然科学基金项 目( L Y 1 2 E 0 8 0 0 3 ) ； 浙江省科技计划项 目 ( 2 0 1 3 C 3 1 0 1 1 ) ； 住房和城乡建设部科技项 目( 2 0 1 2 K 2 1 3 ) 3 4 1试 验 1 1 原材料 湖北黄石水泥厂生产的华新牌 P I 5 2 5 级水泥， 镇江 谏壁 电厂华源 I 级粉煤灰 。 江苏江南粉磨公 司生产 的 $ 9 5 级磨细矿渣 ， 比表面积 4 6 1 m2 k g 。 胶凝材料化学成分见表 1 。 兰州产河砂， I I 区级配， 中砂细度模数为 2 5 。 甘肃省临洮 河 口产石灰岩碎石 ， 5 2 0 mn l 连续级配 ， 最大粒径 2 0 1 T U T I 。 饮用水 ， 江苏省 苏博 特 P c A ( I ) 聚羧 酸类高性 能减水剂 ， 减水率达 2 0 以上。 表 1 胶凝材料的化学成分 1 2配 合 比 试件尺寸 5 0 0 mm 1 0 0 m mx 7 5 to n i 棱柱体 。 矿物掺合 料分别为 ： 硅灰掺 1 0 。 水 灰 比为 0 5 3 、 0 3 5和 0 2 3 。 其配 合 比及 2 8 d 抗压强度见表 2 。 表 2混凝土配合比及抗压强度 青海察尔汗盐湖运 回卤水 ， 到 中科院青海盐湖研究所 进行等离子光谱测定化学成分件见表 3 ： 表 3 青海察尔汗盐湖卤水化学成分 总含量 化学成分 ( m g L) ( g L) Na +K M8 2 + C a 2 _ C 1 一 S O 4 - H C O j C O 3 21 68 3 6 0 5 97 7 8 3 5 1 30 4 2 41 2 0 4 2 0 9 2 2 29 0 1 27 4 1 71 6 1 3试 验 方 法 相对动弹模量用北京康科瑞公司生产的N M 4 B非金 属超声 波检测仪测定 如图 2 所示 。 混凝土的相对动弹模量 可用式 ( 1 ) 计算 ： T Z 2 = = ( 1 ) E 0 5 式中 ： 相对动弹模量 ； 混凝土试验前的初始动弹模量 ； 混凝土试验前 的超声波波速 ； E混凝 土在 t 时刻的动弹模量 ； 混凝土在 时刻 的超声波波速。 参照国标 G B T 5 0 0 8 2 -2 0 0 9 普通混凝土长期性能 和耐久性能试验方法标准 阍 当降低到 6 0 ； 质量损失率达 到 5 以上可认为混凝土已经发生应力破坏 ， 详细测定方 法参考文献 6 。 棱柱体试件为 5 0 0 m mx l O 0 m mx 7 5 1 1 1 11 1 ， 混凝 土构件 标准养护 2 8 d 。 测定好 初始超 声波值 后 ， 依次放置在 如下 持续浸泡环境 、 干湿循环 ( 盐湖 卤水 中浸泡 2 d 和 6 0烘 2 0 0 4 0 0 6 0 浸 蚀 时间 d ( a ) 长 期浸 泡 图 1 盐湖暴露现场 1 d 为一个循环 ) 及现场暴露环境下。 分别在 9 0 、 1 8 0 、 2 7 0 、 3 3 0 、 3 6 0 、 4 8 0 、 5 4 0 d 测定各棱柱体的相对动弹模量。 2试 验 结果 2 1 抗压强度等级对混凝土损伤规律的影响 混凝土构件在三种试验环境下 ， 其相对动弹模量 E变 化规律见 图 2 。 如 图 2 所示 ： 不 同混凝土构件在相同的试验 环境下 ， 其相对动 弹模量 E变化规律是 一致 的。 可划分为 两个 阶段 ： 相对动弹模量强化阶段 ： 没有反应的水泥继 续水化 ， 混凝土构件孔隙、 缺陷处生成腐蚀产生， 密实了混 凝土结构。 随着混凝土强度的增大 ， 混凝土构件 E增加速 率明显增大 ， 其达到最大值的时间明显缩短 。 如 C 3 0 构件在 干湿循环环境下 ， C 3 0 在 2 7 0 d 达到最大值 ， 增加了 1 7 8 ， C 5 0 在 3 3 0 d 达到最大值 ， 增加了 2 0 6 ， C 8 0 S F 1 0 在 4 8 0 d 达到最大值 ， 增加 了 2 0 6 。 相对动弹模量下 降阶段 ： 混 2 0 0 4 0 0 浸蚀 时间 ， d ( c ) 现 场暴露 3 5 凝土水化减缓 ， 腐蚀产物填满孔隙后 ， 产生裂纹导致混凝 土孔 壁破坏 ， 裂纹引发 、 扩 展 ， 并最终 导致混凝 土构件破 坏。 随着 昆 凝土强度的增加 ， 混凝土构件 劣化速率明显 增大 ， 其达到破坏的时间明显缩短 。 如 C 3 0构件在干湿循 环环境下 ， C 3 0在 6 6 0 d 达到了 8 3 7 ， 减低 了 3 4 1 ， C 5 0 在 6 6 0 d 达到 9 9 2 ， 降低 了 2 1 4 ， C 8 0 S F 1 0 在 6 6 0 d 达到 了 1 1 0 3 ， 降低了 1 0 I 3 。 2 2 试验环境对混凝土损伤规律影响 三种试 验环境下 ， C 3 0 、 C 5 0和 C 8 0 S F 1 0构件相 对动 弹模量 E 变化规律 见 图 3 。 如 图 3所示 ： 混凝 土构 件在 不同的试 验环境下 ， 其相对动弹模量 毋 变化规律是一致 的。 可划分为两个阶段： 相对动弹模量强化阶段 ： 干湿 循环 的试 验条件 下 ， 混 凝土 构件 最先 达到 最大 值 ， 其次 是长期浸泡试验， 最后是现场暴露环境 。 如 C 3 0 构件在 这三种试验环境下， 达到最大值的时间和增加幅度依次 是 ： 2 7 0 d 1 7 8 ， 3 9 0 d 2 3 5 ， 5 4 0 d 1 5 2 。 相对动弹模 量 下 降阶段 ： 干湿 循环 的试验 条件 下 ， 混凝 土构 件最 先 达到最 大值 ， 其次 是长 期浸 泡试验 ， 最 后 是现场 暴 露环 境。 如 C 3 0 构件在这三种试验环境下， 在腐蚀了 5 4 0 d 后， 其相对 动弹模量 值依次 为 ： 1 1 5 5 、 9 9 4 和 1 1 0 1 。 与 长期浸泡试 验相 比 ， 干湿循环加 速 了混凝 土构件 的强度 损伤 2 0 0 4 0 0 6 0 0 0 浸蚀 时 间 ， d ( a ) C 3 0 2 O 0 4 0 0 浸蚀 时间 ， d ( b ) CS 0 述 图 3 C 3 0 、 C 5 0和 C 8 0 S F 1 0在不 同试验环境下 E r t 变化规律 3 室 内加速试验与现场暴露试验的相 关 系数 3 1 混凝 土构件相对动 弹模量 演化 方程 根据混凝土构件在不同试验环境下相 对动弹模量的 变化规律 ， 利用数据分 析软件 ， 建立 了混凝 土构件 相对动 2 O 0 4 0 0 浸蚀 时间 ， d ( e ) C8 0 S F1 0 表 5 试验常数 a 0 ， b o ， a 1 和 式中 ： A 。 混凝土构件的初始 损伤速度 ； A 混凝土构件的初始 层 的损伤加速度。 表 4为混 凝土构 件在腐蚀 环境下 的 E 变化方 程 的 系数 。 表 4 混凝土构件在盐湖腐蚀环境中的损伤参数 C30 0 1 01 1 0 9 5 4 0 1 37 3 0 9 2 3 0 0 2 4 5 0 0 8 0 0 9 91 C50 0 0 65 0 6 0 9 8 3 0 0 87 1 0 9 5 4 0 01 8 1 0 0 4 0 0 9 8 9 C80 0 0 5 0 04 0 9 7 6 0 0 56 0 7 0 9 9 6 0 01 l 4 0 0 0 6 099 6 以表 4的数据依据， 利用电子表格进行 回归分析 ， 回归 系数在 0 9 0以上， 建立损伤速度A 。 和损伤加速度 A 与混 凝土强度等级的关系式： A o = O C ( 2 ) A1 = 0 l e 正 ( 3 ) 式中： A 。 混凝土构件的初始 损伤速度 ； A 混凝土构件的初始 E 的损伤加速度 ； 厂 C 混凝土的抗压强度 ， MP a 。 a o ， b 。 ， n 和 b 是试验常数 ， 见表 5 。 3 6 以长期浸泡环境为标准环境， 损伤加速度 A ， 损伤速 度 A 8 ， 其他 环境下混凝 土构件 的损 伤加速度 和速度为 4 和 A 。 令 和 分 别为其 他环境 与标准 环境 的损 伤加 速度和速度 的换算 系数 ， 则混凝 土强度与 和 的表达 式见式( 4 ) 和( 5 ) 。 ： ： )， c = l， c ( 4) A e 一 筹 篆 等 N (5 ) 式 中 ： 、 6 、 n N 、 6 损伤加速度 和损伤速 度 的换算 常 数 ， 见表 6 所示 ： 表 6 换算常数的值 长期浸泡环境与现场环境的损伤速度 的换算关 系可 用式 ( 6 ) 和( 7 ) ： A 5 、 ，A 6 ( 6 ) K D w ( 7 ) 将式 ( 4 ) 和( 5 ) 和表 6中的数据代取式( 7 ) 可得 ： ( 1 ) 当现场暴露环境时 ： K v - vF vD W - 、 ，F = 4 2 1 8 e ( 2 ) 当现场暴露一 干湿循环时： v K v D W = 4 21 8 x1 2 5 m0 0 0 ， m 3 3 =5 2 7 2 e n 0 3 驴 同理可得长期浸泡环境 与现场 环境 的损伤加 速度的 换算关系可用式( 8 ) 和( 9 ) ： A f = K A A 8 ( 8 ) = 磷 KD w ( 9 ) 将式( 4 ) 和( 5 ) 和表 6 中的数据代取式( 9 ) 可得 ( 1 ) 当现场暴露环境 时： K A = 磁 D w = 磷= 3 3 6 4 e 。 ( 2 ) 当现场暴露一 干湿循环时 ： A 硪K KD A w = 3 3 6 4 e 1 6 6 7 e - O 0 7 = 5 6 0 8 e m 。 式 中 厂 C 混凝土的抗压强度 ， MP a 。 将式 ( 6 ) 和式( 8 ) 代入式 ( 1 ) 可得到 ， 盐湖现场环境下 相对动弹模量的关 系式 ： 辟= KA 4 0 v Ai t +1 0 0 ( 1 0 ) 式中： ： 长期浸泡环境损伤加速度； A 3 长期浸泡环境损伤速度 ； 损伤加速度 的换算系数 ， 其值见式( 7 ) ； 损伤速度的换算系数 ， 其值见式( 7 ) 。 4结 论 通过对各混凝 土构件在室 内加速试验和现场暴露试 验的损伤规律进行研究 ， 以长期浸泡环境为基准 ， 建立室 外环境标准环境 的转换关系。 得到以下结论 ： ( 1 ) 混凝土构件相对动弹模 量 变化规律是一致 的。 可划 分为两个阶段 ： 相对动弹模量强化阶段 ； 相对动 弹模量下 降阶段 。 随着混凝 土强度的增 加 ， 混凝 土构件 E 劣化速率 明显增 大 ， 其达到破坏的时间明显缩短 。 干湿循 环的试验条件下 ， 昆 凝土构件最先达到最大值， 其次是长 期浸泡试验 ， 最后是现场暴露环境 。 ( 2 ) A 。 表示混凝土构件的初始 辟损伤速度 ； A 表示混 凝土构件 的初始 E 的损伤加速度 ， 混凝土强度等级与损伤 加速度 A 呈正指数 函数关系 ， 混凝 土强度等级 与损伤 加 上接 第 3 3页 【 4 L I P e n g p i n g ， S U D a g e n， Wa n g S h e n g n i a n I n fl u e n c e o f b i n d e r c o m p o s i t i o n a n d c o n c r e t e p o r e s t r u c t u r e o n c hl o rid e d i f f u s i o n c o e f f i e i e n t i n c o n c r e t e J J o u r n a l o f Wu h a n Un i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ( Ma t e r i a l s s c i e n c e ) ， 2 0 1 1 ， 2 6 ( 1 ) ： 1 6 0 1 6 4 【 5 王成启， 尹海卿 混凝土成熟度在码头面层切缝中的应用 J 水 运工程 ， 2 0 1 0 ( 1 1 ) ： 1 4 1 1 4 4 【 6 郑涛， 张万庆， 朱红 混凝土成熟度在工程施工中应用实例l J J 混 凝土， 2 0 0 2 ( 6 ) ： 44 4 5 7 G B T 5 0 0 8 2 -2 0 0 9 ， 普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法 标准 s 】 速度 呈负指数函数关系。 ( 3 ) 以长期浸泡环境为基准 ， 建立现场暴露环境和现 场暴露一 干湿循环条件下损伤加速度和损伤速度 的换算系 数 K 和 的表达式 ， 混凝土强度等级与 和损 呈指 数 函数关 系 ， 可通过换 算系数和浸泡损伤加速度 4 和损 伤速度 A 。 预测现场暴露环境和现场暴露 一 干湿循环环境 下 的混凝土的相对动弹模量。 参考文献： 【 1 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 J C e m e n t C o n c r e t e R e s e a r c h ， 2 0 0 4 ， 3 4 ( 8 ) ： 1 2 7 5 1 2 9 6 2 HE KAL E E， K I S H AR E， MOS T AF A H Ma g n e s i u m s u l f a t e a t t a c k o n h ard e ne d b l e n d e d c e me n t p a s t e s u nd e r d i f f e r e n t c i r c u ms t a nc e s C e m e n t C o n c r e t e R e s e a r c h ， 2 0 0 2 ， 3 2 ( 9 ) ： 1 4 2 1 1 4 2 7 3 金祖权， 孙伟， 张云升 混凝土在硫酸盐、 氯盐溶液中的损伤过 程f J 1 硅酸盐学报， 2 0 0 6 ， 3 4 ( 5 ) ： 6 3 0 6 3 5 4 金祖权， 孙伟， 赵铁军， 等 混凝土在硫酸盐一 氯盐环境下的损伤 失效研究f J 1 东南大学学报 ： 自然科学版 ， 2 0 0 6 ， 3 6 ( I I ) 增刊 ： 2 00 -2 0 4 5 余红发 盐湖地区高性能混凝土的耐久性、 机理与使用寿命预 测方法 D 】 南京 ： 东南大学材料科学与工程学院， 2 0 0 4 6 余红发， 孙伟， 李美丹 荷载对混凝土在腐蚀) 冻融作用下强度 的影O fi J J 哈尔滨工业大学学报， 2 0 1 0 ， 4 2 ( 2 ) ： 2 9 7 3 0 1 7 余红发， 孙伟， 屈武， 等 盐湖地区的环境条件与混凝土和钢筋 混凝土结构的耐久性 工业建筑， 2 0 0 3 ， 3 3 ( 3 ) ： 1 - 4 【 8 】YU HO NGF A， S UN WE I ， Z HANG YU NS H E NG， e t a 1 D u r a b i l i t y o f c o n c r e t e s u b j e c t e d t o t h e c o m b i n e d a c t i o n s of fl e x u r al s t r e s s ， f r e e z e - t h a w c y c l e s a n d b i t t e r n s o l u t i o n s J J o u r n a l o f Wu h a n Un - i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， 2 0 0 8 ， 2 3 ( 6 ) ： 8 9 3 9 0 0 9 张云清， 余红发， 孙伟， 等Mg S O 腐蚀环境作用下混凝土的抗冻 性【 J J 建筑材料学报， 2 0 1 1 ( 5 ) ： 6 9 8 7 0 2 1 0 】 张立明， 余红发， 何忠茂 盐湖地区混凝土的氯离子扩散性 中 南大学学报： 自然科学版， 2 0 1 1 ， 4 2 ( 6 ) ： 1 7 5 2 1 7 5 5 作者简介 ： 李( 1 9 7 5 一 ) ， 男， 副教授 ， 研究方向： 混凝土耐久性 。 联系地址： 杭州市萧山区高教园区浙江建设职业技术学院( 3 1 1 2 3 1 ) 联系电话： 1 8 9 6 9 9 3 0 5 9 8 8 8 石明霞 ， 谢友均 ， 刘宝举 水泥一 粉煤灰复合胶凝材料的水化性 能研究 J 1 建筑材料学报 ， 2 0 0 2 ， 5 ( 2 ) ： 1 1 4 1 1 9 9 张云升， 孙伟， 郑克仁， 等水泥一 粉煤灰浆体的水化反应进程 J | 东南大学学报， 2 0 0 6 ， 3 6 ( 1 ) ： 1 1 8 1 2 3 作者简介： 联系地址 ： 联系电话 ： 黎鹏平 ( 1 9 8 0 一 ) ， 男， 博士 ， 高级工程师。 研究方向： 海港 工程高性能混凝土耐久性研究。 广州市海珠区前进路 1 5 7 号 2 0 1 B室 ( 5 1 0 2 3 0 ) 1 59 2 0 3 0 44 2 7 37