在硫酸盐环境下冻融-干湿循环对混凝土的影响.pdf

2 0 1 2年 第 6 期 (总 第 2 7 2 期 ) N u mb e r 6 i n 2 O l 2 ( T o t a l No ． 2 7 2 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 T HE0RE TI CAL RES EARCH d o i ： 1 0 ． 3 9 6 9 ／j ． i s s n ． 1 0 0 2 — 3 5 5 0 ．2 0 1 2 ．0 6 ． 0 1 6 在硫酸盐环境下冻融一 干湿循环对混凝土的影响 金海军 ’ ，于继寿 ，李立辉 1 ,2 吴志娟 z 。周红志 ， ( 1 ． 北京建工集团 新型建材有限责任公司，北京 1 0 1 1 0 4 ；2 ． 哈尔滨工业大学 交通科学与工程学院， 黑龙江 哈尔滨 1 5 0 0 0 1 ) j 、 ’ 摘要： 采用单一冻融、 单一干湿和冻融一 千湿循环交替作用的方法， 研究了混凝土在不同浓度的硫酸盐溶液中的耐久性能 试验采用 1 0 0 m mx l O 0 m mx 4 0 0 m i l l 试件直立完全浸泡进行干湿循环。 研究表明， 硫酸盐冻融一 千湿循环作用下， 溶液浓度对冻融破坏的影响存在临 界值 C = 4 ．7 ％。 当 c ≤4 ． 7 ％时， 冻融一 干湿破坏随着溶液浓度的提高相对动弹性模量损失增大， 而质量损失减小； 当C > 4 ． 7 ％时， 溶液浓度对 冻融破坏或冻融一 干湿复合破坏影响不大。 冻融一 干湿破坏力最强、 冻融破坏次之， 干湿破坏最为缓慢； 且干湿循环使冻融循环破坏加剧。 试验发现 1 5 ％F A取代水泥， 混凝土抗硫酸盐腐蚀最佳。 关键词： 冻融一 干湿循环； 硫酸钠；相对动弹性模量；质量损失 中图分类号： T U 5 2 8 ． 0 l 文献标志码： A 文章编号： 1 0 0 2 — 3 5 5 0 ( 2 0 1 2 ) 0 6 — 0 046 — 0 5 St u d ．y on s u l ph a t e en vi r onme nt u nde r f r e e ze - t h a w a nd dr y w e t c y c l i ng o f c onc r e t e J I NHa l - j an ， YUJ i - s h o u 2 , L I L i - h u i ， WUZh i -j u a n 2 , ZH OUHo n g - z h i ’ ( 1 ． Be ij in g Co n s t r u c t i o nE n g i n e e ri n g Gr o u pNe wB u i l d i n gMa t e ri a l s C o ． ， L t d ． ， B e ij i n g 1 0 1 1 0 4， C h i n a ； 2 ． Ha r b i nI n s t i t u t e o f T e c h n o l o g yT r a n s p o r t a t i o n S c i e n c e a n dE n g i n e e ri n g ， Harb i n 1 5 0 0 0 1 ， C h ina ) Abs t r ac t ： S i n g l e fre e z e — t h a w c y c l e s ， s i n g l e we t - d r y c y c l e s ， an d f r e e z e - t h a w and we t — d r y c y c l e s s tud i e d b y me ans o fc o n c r e t e i n s u l f a t e s o l u t i o n s o fd i ffe r e n t c o n c e n t r a t i o n s o fd u r a bi l i t y ． Ex p e rime n t wi th 1 0 0 mm xl 0 0 mm x 4 0 0 mi l l u p r i g h t s p e c i me n c o mpl e t e l y i mm e r s e d f o r we t a n d d r y c y - c l e ．Stud i e s h a v e s h o wn t h a t s u l f a t e fre e z e — tha w an d we t — d r y c y c l e s ， the c o n c e n t m t i o n o n t h e i mp a c t o ff r e e z e tha w c y c l e s d a ma g e th e r e i s c rit i c a l v a l u e C= 4．7 ％ ， wh e n C≤4．7 ％ ， t he fre e z e t h a w a n d we t — d r y c y c l e s d e s t r uc t i o n i n c r e a s e d a s t h e rel a t i v e c o n c e n t r a t i o n t h e g r e a t e r the l o s s o fd y , n a mi c e l a s t i c mo d u l u s ， whi l e the s ma l l e r ma s s l o s s ， wh e n C>4 ． 7 ％ ， the c o n c e n t r a t i o n o f th e fre e z e — th a w o r fr e e z e — t h a w an d we t — d r y c y c l e s d a ma g e h as l i t t l e e ffe c t ； t h e fre e z e — t h a w a n d we t — d r y c y c l e s d e s ~o y >f r e e z e — t h a w c y c l e s d a m a g e >d e s t r u c t i o n o fwe t - d r y c y c l e s ， we t a n d d r y c y c l e s t o p r o — mo t ei n c r e a s e dfre e z e ． t h a wda ma g e； s tud yfou n d1 5 ％ FA r e p l a c e me n to f c e me n t ， c o n c r e t e r e s i s ta n c et o s u l f a t e c o r r os i o nof theb e s t ． K e y w o r d s ： fr e e z e t h a w a n d we t - d r y c y c l e s ； s u l f a t e ； r e l a t i v e d y n a mi c e l ast i c mo d u l e ； q u a l i ty l o s s 0 引言 随着科技的进步、 材料科学日异月新， 各种特种、 新型材料 在不同领域得到了广泛应用 ， 甚至完全取代传统材料。 但是 ， 从 建筑行业来看混凝土仍具发展潜力 ， 目前为止 ， 还未出现被取 代或替换局面。 不管是在混凝土应用还是土木工程领域， 混凝土 都深受喜爱， 它具有材料便宜、 施工技术简易、 材料结构稳定等 优点， 仍然是地下、 桥梁路面、 房屋建筑等工程的主要结构材料。 虽然 ， 目前混凝土也存在着一些缺陷和不足， 例如一些重大的 国家或国际工程未到服役期， 工程就出现倒坍损毁现象。 但这并 不是因为混凝土设计的强度不够， 原材料性能不好 ， 问题往往 出现在混凝土的耐久性和施工技术等方面。 随着时代科技的进 步和研究学者对诸类问题的深入研究， 耐久性成为混凝土配合 比设计首要考虑的问题 ， 提高了混凝土使用寿命 ， 同时降低经 济成本节约能源【 ” 。 因此， 研究水泥混凝土的耐久性具有重要的 科学价值和社会价值。 在我国北方， 盐碱、 盐湖地域广阔， 环境恶劣， 混凝土往往 遭受多因素共同破坏， 混凝土耐久性问题尤为严重。 然而， 目前 研究多因素共同作用下混凝土耐久性的文章较少， 尤其是盐环 收稿 日期 ：2 0 1 1 - 1 2 — 1 6 4 6 境下冻融一 干湿循环对混凝土作用的研究更少㈣。 因此， 深入研 究盐碱环境下冻融一 干湿循环对混凝土的影响， 为北方盐碱地区 混凝土结构耐久性提供了理论支撑， 具有深远意义。 1 试验部 分 1 ． 1 原材料 冀东盾石牌 P 0 4 2 ． 5 级水泥； 细度模数 2 ． 8 5 、 表观密度为 2 6 5 1 k g ／ m3 的 H 中砂； 最大 至 为2 5 r m n 、 表观密度为2 7 1 0 k g ／ m 的连续级配北京碎石； 需水量为 9 4 ％的l 级粉煤灰， 细度1 0 ． 6 ％、 烧失量 2 ． 4 ％； 北京建工新型建材有限公司生产的聚羧酸高效减 水剂， 其减水率为 2 7 ％； 分析纯无水硫酸钠和分析纯氯化钠 ， 均 为天津巴斯顿产品。 1 ． 2 主要 仪 器 北京康科瑞公司生产的NM- 4 B型非金属超声检测分析 仪； 精度为 1 g的电子称； 混凝土含气量筒； 混凝土冻融循环一 体机以及鼓风烘箱。 1 ． 3 配合 比、 盐溶 液 以及 试验 方 法 试验配合 比、 混凝土的物理 、 力学性能以及盐溶液分别详 见表 1 、 2 ； 本试验采用硫酸钠盐溶液， 浓度见表 3 。 1 2 1 O 蠢 s 鑫 2 0 4 8 1 2 1 6 2 O 长度 ／ c m 图 6 为 6 ． 6 2 ％N a 2 S O 溶液在冻融循环作用下垂直方 向浓度分布 从图 5可以看出， 在 3 1 3 K时溶解度最高为 5 2 ．3 g ， 对应质 量浓度为 3 2 ． 4 ％； 然而在 2 7 3 K时溶解度为 5 ． 1 g ， 对应质量浓 度为4 ． 7 ％， 硫酸钠溶解度随温度变化很大， 低温时溶解度特别 低。 因此， 溶解度影响硫酸钠溶液中的混凝土冻融破坏程度。 结 合图 6发现 ， 溶液在冻融情况下会出现浓度不均现象， 大约在 容器的 3 ／ 5 处为一个梯度点， 上部溶液逼近溶液在此温度下的溶 解度值， 下部溶液出现过饱和现象， 溶质大量析晶， 这与图3现 象一致。 由此， 可以分析硫酸盐冻融试验 ： ①当溶液的浓度C > 4 ．7 ％ 的时候 ， 体系的浓度随温度变化， 温度趋近于 0℃浓度趋近于 4 ． 7 ％； ②当溶液浓度 C≤4 ． 7 ％的时候 ， 体系浓度不会出现浓度 分层现象。 因此， 在低温的时候硫酸钠的溶解度低， 出现大量析 晶现象。 s 3溶液浓度接近 4 ． 7 ％， s 4溶液的浓度 c > 4 ． 7 ％， 在低温 冻融时两者都达到饱 和浓度 ， 因此破坏程度相近。 综 上 ， 混凝土在硫 酸钠溶液 中单 一冻融循环 时 ， 冻 融初期 出现试件质量增加， 但随着破坏加剧 ， 质量剧减口 ； 低浓度硫酸 盐溶液质量损失较相对动弹性模量损失先达到失效值， 反之， 高 浓度硫酸钠溶液相对动弹性模量损失较质量损失先达到失效 值； 硫酸盐浓度对混凝土破坏存在临界浓度 C = 4 ．7 ％。 2 ． 2 硫酸钠溶液 中干湿循环对混凝土的影响 图 7 、 8 研究 W／ B = 0 ． 3 5 ， 2 5 ％F A， 含气量为 2 ． 7 ％的混凝土分 别浸泡在 s 1 、 s 2 、 s 3 、 s 4 溶液和水中进行干湿循环作用 ， 每 5个 循环测量试件的质量和通过试件两端的声时。 干湿循环次数 图 7 硫酸钠溶液中混凝土干湿次数与质量损失的关 系 l 20 芝 1 1 o 皿 吲 ． 0o 惹 9 0 8 0 7O o l o 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 o 干湿循环 次数 图 8 硫酸钠溶液中混凝 土干湿次数与相对动弹模 的关系 从图7 发现干 湿循环作用下混凝土质量损失变化不明显， 48 ． 经过 7 0次干湿循环质量损失均低于 1 ％， 由于干湿循环实质是 膨胀性盐结晶破坏的过程， 它是一个缓慢的腐蚀过程。 试验中带 结晶水的硫酸盐结晶膨胀小 ， 产生内应力小， 破坏不明显 ， 过程 缓慢。 对比观察图 8 ， 干湿循环前 2 0 次动弹性模量增加， 这是因 为盐溶液浸入混凝土内部孔隙结晶， 填充孔隙使得试件致密。 之 后混凝土动弹性模量开始损失， 但损失较小 ， 即使干湿循环达 到 7 0 次其损失率也仅为7 ． 9 2 ％， 说明干湿循环是缓慢的腐蚀过 程。 由于时间有限， 本试验只做到 7 O次干湿循环。 东南大学金祖全对干湿研究比较全面， 他研究结果表明 O P C一般要在干湿循环 3 0 0以上才出现较为明显的质量损失 和动弹性模量损失现象， 其质量损失约为 2 ％， 动弹性模量损失 约 为 2 0 ％ 。 2 ． 3 硫酸钠溶液冻融一 千湿循环对混凝土的影响 由图 9 可以看出， 随着硫酸钠溶液浓度的增加试件质量损 失率下降， s 1 溶液中试件在 5 次冻融一 干湿循环作用下质量损 失约为3 ％， s 4溶液中试件质量损失仅为0 ．5 ％， 比 s l 中减小 6 倍。 首先 ， 硫酸盐浓度的提高降低了溶液的冰点 ， 提高混凝土抗冻 性， 其次， 虽然硫酸钠溶液结冰相变产生一定膨胀内应力 ， 但是， 硫酸钠结冰体与冰相比受挤压的时表现出一定的塑性， 起到缓 冲作用从而减小内应力。 因此， 随着硫酸钠浓度的提高试件的质 量损失减小。 冻融一 千湿循环 次数 图 9 硫酸钠溶液 中混凝土冻融一 千湿次数与质量损失的关系 对比图9 与图 1 ， 明显看出冻融一 干湿循环破坏比单一冻融循 环破坏程度强。 s 1 、 S 2和 S 3经 1 0 0次冻融循环质量损失约为 5 ％， 但在冻融一 干湿循环作用下仅仅 7 次循环质量损失均达到5 ％。 图 1 0为 S 1 、 S 2 、 S 3和 S 4溶液 中 4 O次不同循环作 用下 质 量损失与相对动弹性模量对比， 随着溶液浓度的提高其腐蚀破 坏先加剧后减缓， s 3 条件下对混凝土的破坏最严重； 与冻融循环 和冻融一 千湿循环相比单一干湿循环对混凝土的作用较为缓慢 的过程； 冻融一 干湿循环 比单一冻融循环对混凝土劣化作用更为 剧烈 ， 随时间延迟破坏更为明显 。 《 鲫 觳 靛 冻融一 千湿循 环次数 图 1 0 硫酸钠溶液 中混凝土冻融一 千湿次数与相对动弹模 的关 系 综上， 虽然冻融循环起主导作用， 但是干湿循环促进了硫 酸盐结晶， 加快硫酸盐和水化产物反应 ， 使 内部产生裂纹并扩 坏或冻融一 干湿复合破坏影响不大， 此时混凝土相对动弹性模量 损失比质量损失先达到破坏指标。 ( 2 ) 在硫酸钠溶液中的冻融一 干湿作用比单一的冻融、 干湿 破坏严重， 他们之间存在平均效应关系。 试验发现 ， 7 O次干湿循 环作用后混凝土质量损失均小于 0 ． 5 ％， 相对动弹性模量损失均 小 于 1 0 ％。 ( 3 ) 适量粉煤灰能提高混凝土抗冻融一 干湿循环破坏的能 力； 本试验发现， 掺入 1 5 ％F A效果最佳。 参考文献 ： ⋯ 1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， 2 0 0 4 ： 2 - 2 ． 【 2 ]ME H T A P K ． A d v a n c e m e n t s i n p o l y m e r c o n c r e t e t e c h n o l o g y [ S ] ． C o n c r e t e I n t e r n a t i o n a l ， 1 9 9 9 ， 2 1 ( 6 ) ： 3 - 4 ． [ 3 】P O WE R S T C ． A w o r k i n g h y p o t h e s i s f o r f u r t h e r s t u d i e s o f f r o s t r e s i s - t a n c e [ J ] ． J o u r n a l o f t h e A C I ． ， 1 9 4 5 ， 1 6 ( 4 ) ： 2 4 5 — 2 7 2 ． [ 4 ]陈国林 ， 李宁， 傅沛兴． 抗冻混凝土的试验研究与工程应用[ J 1 ． 混凝 上接第 4 5页 图3是 7 d 棱柱体( 加减水剂) 的受压时的荷载一 位移图， 从 图 3也可以看出再生混凝土的韧性好于普通混凝土 ， 随着再生 粗骨料取代率的增加 ， 荷载一 位移曲线变得越来越饱满， 随着荷 载的增加位移增长量越来越高， 说明再生混凝土的延性越来越 好， 但刚度越来越低。 3结论 试验系统研究了不同再生粗骨料取代率及外加剂对再生 混凝土破坏形态的影响， 得出如下结论： ( 1 ) 再生混凝土立方体试块和棱柱体的单轴受压破坏过程 和破坏模式与普通混凝土基本一致。 ( 2 ) 再生混凝土的韧性好于普通混凝土， 随着再生粗骨料 取代率的增加， 再生混凝土的延性越来越好， 但刚度越来越低。 ( 3 ) 添加减水剂的再生混凝土延性好于不添加减水剂的再 生混凝土 ， 破坏形态相似。 参考文献 ： [ 1 】 刘婷婷， 张涛． 再生混凝土研究现状与存在的问题【 J ] ． 山东建材， 2 0 0 5 土 。 2 0 0 3 ( 3 ) ： 5 2 — 5 5 ． 【 5 】J A C O B S E N S ． C a l c u l a t i n g l iq u i d t r a n s p o r t i n t o h i g h — p e r f o r ma n c e c o n — c r e t e d u r i n g w e t f r e e z e ／ t h a w [J ] ．C e me n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 2 0 0 6 ( 3 5 ) ： 2l 3 — 21 9 ． 【 6 1孙伟， 潘钢华 ， 秦鸿根． 粉煤灰混凝土冻融破坏机理研究『 J 1 ． 建筑材料 学报， 2 0 0 2 ( 3 ) ： 3 7 — 4 2 ． [ 7 】 葛勇， 杨文翠， 张宝生． 硫酸盐溶液中混凝土抗冻融干湿循环性能[ J 1 _ 东南大学学报， 2 0 0 6 ， 2 ( 3 6 ) ： 2 5 3 — 2 5 7 ． 【 8 ] 牛全林． 预防盐碱环境中混凝土结构耐久性病害的研究与应用[ D 】 ． 北京： 清华大学， 2 0 0 4 ： 7 - 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