海洋潮汐环境下混凝土碳化行为模拟试验研究.pdf

2 0 1 4年第 1 期 铁道建筑 Ra i l wa y En gi n e e r i ng 1 25 文章 编号 ： 1 0 0 3 1 9 9 5 ( 2 0 1 4 ) o l 一 0 1 2 5 0 4 海洋潮汐环境下混凝土碳化行为模拟试验研究 徐 文冰 ， 邓 波 ， 王 婵 ， 房艳伟 ， 占 文 ( 1 中交武汉港湾工程 设计研究院有 限公 司， 湖北 武汉4 3 0 0 4 0 ； 2 长大桥梁建设施工技术交 通行业重点实验室 ， 湖北 武汉4 3 0 0 4 0 ) 摘 要 ： 混 凝 土的抗 碳化 性 能是 混凝 土 耐久 性的 重要 指 标 。在 海 洋潮 汐 环境 下的 干 湿循 环 条 件 直接 影 响 混凝 土 内部 的孔 结构 ， 进 而影 响 混凝 土 的碳 化 行 为。本 文模 拟 海工 工程 中的海 洋潮 汐环境 ， 研 究不 同配 合 比混凝土在干湿循环条件下的碳化行为， 并探 究其作用机理。研究结果表明： 干湿循环条件加速 了混 凝 土 的碳 化过 程 ， 但 粉 煤灰 和矿 粉 的掺 入 可 降低 干 湿循 环 对混凝 土抗 碳化 性 能 的影响 。 关 键词 ： 干湿循 环 碳 化行 为 孔 结 构 矿 物掺 合料 中图分 类 号 ： T U 5 2 8 5 7 文 献标 识码 ： A D O I ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 3 1 9 9 5 2 0 1 4 0 1 3 6 海 洋混 凝 土工 程 极 易 受 到海 洋 自然 环境 的影 响 ， 如海洋生物 、 海洋腐蚀介质 、 海洋潮汐循环等 ， 其 中海 洋潮汐环境造成的干湿循环对混凝土耐久性的影响显 著 ， 尤其是高浓氯盐环境下的海洋潮汐作用对混凝 土 性能的影 响更为 明显 。大量研 究表 明 ， 干湿循 环 条件对混凝土内部的氯离子侵蚀和硫酸盐侵蚀均有显 著影响。袁 晓露等 认为干湿循 环易使混凝 土 内部 产生裂缝 ， 加剧混凝土 的硫酸盐侵 蚀。丁平华等 的 研究表明干湿循环加速了 自由氯离子在混凝土内部的 积累， 降低 了混凝土的抗氯离子渗透性能 。 混凝土在干湿循环条件下 的氯离子侵蚀和硫酸盐 侵蚀已有了较为完善 的研究 ， 而对 干湿循环条件下 的 混凝土碳化性能研究较少 。本文在实验室利用混凝土 加速碳化试验箱和水槽组成干湿循环系统 ， 模拟海洋 潮汐环境下的混凝土碳化过程 ， 探究干湿循环对混凝 土碳 化行 为 的影 响机 理 。试验 设计 4组 不 同的混 凝 土 配合比， 分析不同的矿物掺合料组成及掺量在干湿循 环条件下对混凝土碳 化行为 的影响 ， 并采用孔结构分 析和微 观形 貌 分 析对 其 影 响碳 化过 程 的机 理 进行 探讨 。 1 试验 1 1 试 验原 材料 试验所用水泥为安徽海螺 P 4 2 5水 泥 ， 粉煤 灰为厦门嵩屿电厂粉煤灰 ， 矿粉为泉州 国道建材有 限 公司的 $ 9 5矿粉， 其化学成分见表 1 。试验所用集料 分别为漳州龙海的河砂和玉峰采石场的凝灰质碎石 ， 减水剂为武汉 港湾新 材料公 司生产 的 L N S P型聚羧 酸高效减水剂 ， 减水率为 2 9 1 。 表 1试验用原材料化 学成 分 1 2试 验 配合 比 试验所用的混凝 土配合 比及工作 性能 如表 2所 示。混凝土水灰 比固定为 0 3 6 ， 并分别单掺 2 0 粉煤 收稿 日期 ： 2 0 1 3 0 5 - 2 0 ； 修 回 日期 ： 2 0 1 3 1 0 2 5 作者 简介 ： 徐文冰 ( 1 9 8 5 一) ， 男 ， 湖北 武汉人 ， 工程 师 ， 硕士。 灰 、 单掺 2 0 矿粉 和复掺 2 0 粉煤灰 + 2 0 矿粉 ， 通 过调整外加剂掺量使得各组混凝土具有相同或相近的 工作性能 ， 研究不 同配 比混凝土在 干湿循环条件下的 碳化 行 为 。 1 3试 验步骤 与 测试 方法 混凝土碳化性能测试参考 普通混凝土长期性能 1 2 6 铁道建筑 J a n u a r y ， 2 0 1 4 和耐久性能试验方法( G B T 5 0 0 8 2 -2 0 0 9 ) 进行 ， 混 凝土拌合后成型 1 0 0 m m x 1 0 0 mm x 1 0 0 mm的立方体 试 块 ， 在温 度 ( 2 0 3 ) ， 相 对 湿 度 9 0 条件 下 养 护 2 6 d ， 并 置 于 6 0 的烘箱 里干燥 4 8 h后 取 出。混凝 土 试块进行碳化前使用环氧树脂进行密封( 保 留 2个相 对暴露面 ， 密封其余 4个面 ) ， 并将模拟试块置于加速 碳化试验箱 ( 温 度 ( 2 03 ) 、 相对湿度 ( 7 05 ) 、 C O 浓度( 2 03 ) ) 中的水槽 内， 水槽 内水深约为试 块高度的一半 ， 试块暴露面为上下相对的表面， 并且每 隔 2 4 h将试块取出擦干后翻转继续碳化 ， 每 2 4 h视为 一 次干湿循环。同时在碳化箱中放置不进行干湿循环 的标 准对 比试 块 ( 标 准 加 速 碳 化 条 件 下 养 护 ) 。 混凝 土碳化深度测试分别在干湿循环碳化 7 d和 2 8 d进 行 ， 测试 方法 为 酚酞指 示 剂法 ， 即在碳化 7 d和 2 8 d将 试块从碳化箱 中取 出擦干 ， 在压力机上劈裂后将 1 的酚酞酒精溶液喷至断面 ， 测试其碳化深度。混凝土 孑 L 结构分析试样取 白经过 2 8 d碳 化后? 昆凝土试 块 内 部的未碳化部分 ， 使用 A u t o P o r e 1 V9 5 0 0压 汞仪 测试 在干湿循环条件 下混凝土未碳化 部位的孑 L 隙结构分 布， 并使用扫描电镜观察混凝土内部的微观形貌。根据 孑 L 结构和形貌分析结果 ， 结合测试的混凝土碳化深度对 其影响碳化机理进行探讨。 2结果与分析 2 1碳 化 结果 分析 干湿循环条件下与标准加速碳化条件 ( 以下简称 为标 准条 件) 下 混凝土 的碳化深 度测试结果见 图 1 。 由图 1可见 ， 与标准条件下相 比， 干湿循环条件下混凝 土 7 d和 2 8 d碳化深度均有明显增高 ， 表 明其抗碳化 能力显著降低。对于不 掺加矿物掺合料 的 c 1 试样来 说 ， 干湿循 环 条件下 的 混凝 土 7 d和 2 8 d碳 化 深度 均 为标准条件下的两倍 以上 ， 表 明干湿循环环境对混凝 土的碳化反应过程有较大的影响。而当掺入粉煤灰或 矿粉后 ， 干湿循环条件对混凝土碳化的影响有所降低 。 对于同为标准条件下碳化的不同配 比混凝 土试样 ， 加 g 繇 宣 隧 谨 图 1 不同条件下的混凝土碳化 深度 对 比 入掺合料显著增加 了混凝土的碳化深度 ， 原因是 掺人 的掺 合料进 行 二次水 化 反应 减少 了混凝 土 内部 的可碳 化物质数量， 加速了混凝土的碳化过程。 2 2孔结 构分 析 为 了研 究 不 同碳 化 条 件 下 混 凝 土 内部 的 碳 化 机 理， 针对复掺粉煤灰和矿粉 的 C 4试样 与未掺加掺合 料的 c 1试样 ， 分别对其在标准 条件和干湿循环条件 下的孔结构进行分析。c 1 和 c 4在标准条件下养护后 的孔 结构 对 比见 图 2 。由图 2 ( b ) 可 见 ， 在 混 凝 土 中加 入粉煤灰和矿粉之后 ， 混凝土内部 1 2 0 n m的J I , T L 增 多 ， 而孔 径 2 01 0 0 n l l l 的孑 L 隙 则 有 所 减 少 ， 表 明混 凝 土内部孔隙由大孔向小孔转化 ， 矿物掺合料在混凝土 中起到了改善混凝土孑 L 结构大小分布的作用 ， 提高 了 混凝土抗碳化性能。但另一方面 ， 粉煤灰 和矿粉 的掺 1 2 8 铁道建筑 掺合料的 c l试样在干湿循环条件下出现 了明显的微 裂缝和粗孔隙， 而对于掺加掺合料 的 C 4试样 ， 混凝土 内部结构更密实 ， 孑 L 结构大小分布更均匀 ， 这与孔结构 测 试分 析 的结果 相 符 。 2 4机 理 分析 一 般 来说 ， 在海 洋潮 汐 的环境 下 ， 混凝 土易 受 到干 湿循 环 的影 响。在 干 湿循 环 条 件 下 ， 由于 毛 细 管 虹 吸 作用 ， 加速了外部有害离子在混凝土内部的迁移 ， 从而 加速 了混凝土的碳化进程。同时， 在干湿循环 的条件 下 ， 混凝土内部水泥水化过程 中产生的结 晶应力易在 混凝土内部聚积导致微裂缝 ， 劣化 了混凝 土内部 的孔 结构 ， 降低 了混凝土的抗碳化性能 。而在混凝 土中加 入掺合料后 ， 其活性 氧化物与水泥水化产物生成 的水 化硅酸钙和水化铝酸钙填充 了水 泥石 内部 的孔 隙， 改 善了单纯水泥体系的混凝土 内部结构 ， 同时使水泥水 化体系中的膨胀组分减少 ， 应力得到释放 ， 减轻了干湿 循环带来的结构劣化效果 ， 从而减弱 了于湿循 环对混 凝 土抗 碳化 性能 的影 响 。 3 结论 本试验模拟了海洋潮汐环境下的混凝土干湿循环 过程 ， 对不同配合比混凝土的碳化行为进行 了分析 ， 并 使用孔结构分析和微观形貌 分析对其机理进行 了探 讨 ， 得 出主要结 论如 下 ： I ) 干湿环境作用劣化 了混凝土内部孔隙结构 ， 混 凝土内部粗孑 L 隙增多 ， 加速 了混凝土的碳化过程 。 2 ) 在混凝土 中掺入矿物掺合 料可明显 改善混凝 土的内部孔隙结构 ， 减弱干湿循环对混凝土抗碳化性 能的影响。但另一方 面， 粉煤灰 和矿粉 的掺入使混凝 土 内部碱含量显著降低 ， 减少 了混凝土 内部可碳化物 质的数量 ， 两者的综合影响仍 导致混凝土 的抗碳化性 能 降低 。 参 考 文 献 1 G A N J I A N E， P O U Y A H S E f f e c t o f m a g n e s i u m a n d s u l f a t e i o n s o n du r a bi l i t y o f s i l i c a f ume b l e n de d mi x e s e x p o s e d t o t he s e a wa t e r t i d a l z o n e f J C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 2 0 0 5 ， 3 5 ( 7 ) ： 1 3 3 2 1 3 4 3 2 N G A L A V T ， P A G E C L E f f e c t s o f c a r b o n a t i o n o n p o r e s t r u c t u r e a n d d i f f u s i o n a l p r o p e r t i e s o f h y d r a t e d c e m e n t p a s t e s J C e me n t a n d C o n c r e t e Re s e a r c h， 1 9 9 7， 2 7 ( 7)： 9 9 5 1 0 0 7 3 秦 明强 ， 朱瑶宏 ， 李进辉 ， 等 人 工混合砂在轨道交通 工程 混 凝土 中的应用研究 J 铁道建筑 ， 2 0 1 l ( 9 ) ： 7 7 7 9 4 徐文冰 ， 秦明强 ， 占文 ， 等 机制砂特性对 C 5 0管片混凝土性 能的影响 J 混凝土世界 ， 2 0 1 3 ( 2 ) ： 7 7 8 2 5 叶俊能 ， 杨亚勤 ， 徐 文冰 ， 等 管片用 C 5 0机制砂混凝土配合 比设计及性 能研究 J 施 工技 术 ， 2 0 1 3 ( 9 ) ： 6 2 6 5 6 江 向平 ， 秦明强 ， 肖军 ， 等 硅烷浸渍条件对混凝土 防腐蚀效 果影 响研究 J 铁道建筑 ， 2 0 1 3 ( 7 ) ： 1 4 6 1 4 9 7 袁 晓露 ， 李北星 ， 崔巩 ， 等 干湿循环硫 酸盐 侵蚀 下混凝 土损 伤机理的分析 J 公 路 ， 2 0 0 9 ( 2 ) ： 1 6 3 1 6 6 8 丁平华 ， 高建 明 ， 汪廷 秀 干湿循 环作用 下混凝 土抗 氯离 子 侵蚀 研究 J 福 建建筑 ， 2 0 0 9 ( 1 2 ) ： 3 5 S i m u l a t i o n t e s t s t ud y o n c o n c r e t e c a b o n i z a t i o n b e h a v i o r i n m a r i n e t i d a l c o n d i t i o n s XU W e n b i n g 一， DENG Bo 一， W ANG Ch a n 一， F ANG Ya n we i ， Z HAN W e n ( 1 c c c c Wu h a n Ha r b o u r E n g i n e e r i n g D e s i g n a n d R e s e a r c h C o ， L t d ， Wu h a n H u b e i 4 3 0 0 4 0 ， C h i n a ； 2 K e y L a b o r a t o r y o f L a r g e s p a n B r i d g e C o n s t r u c t i o n T e c h n o l o g y ， Mi n i s t r y o f C o mmu n i c a t i o n， Wu h a n Hu b e i 4 3 0 0 4 0， C h i n a ) Abs t r a c t ： Ca r b o n i z a t i o n r e s i s t a n c e i S o n e o f t h e mo s t i mp o r t a n t i n d e x i n d e t e r mi n i n g t h e d u r a bi l i t y o f t h e c o n c r e t e I n a t i d e e n v i r o n me n t ， t h e we t t i n g d r y i n g c y c l e d i r e c t l y a ffe c t t h e p o r e s t r uc t u r e o f t he c o n c r e t e， wh i c h f u r t h e r i n flu e n c e t h e c a r b o n i z a t i o n p r o c e s s Th e p a p e r s i mu l a t e d t h e t i d e e n v i r o n me n t wi t h t h e p u r p o s e o f s t u d y i n g t h e c a r b o n i z a t i o n p r o c e s s o f c o n c r e t e wi t h d i ffe r e n t mi x po r t i o n i n we t t i n g d r y i n g c y c l e a n d i t s me c h a n i s mt h e r e s u l t s i n d i c a t e t h a t we t t i n g d ryi n g c y c l e a c c e l e r a t e s t h e c a r b o n i z a t i o n p r o c e s s， b u t fly a s h a n d mi n e r a l p o wd e r ma y u n d e r mi n e t h e i n f l u e n c e o f we t t i n g d r y i n g c y c l e t o t h e c a r b o n i z a t i o n r e s i s t a n c e o f t h e c o n c r e t e Ke y wo r ds： W e t t i n g d ryi n g c y c l e； C a r b o n i z a t i o n； P o r e s t r u c t u r e； Mi n e r a l a d mi x t u r e ( 责任审编葛全红)