静力弯曲荷载作用下地下结构混凝土硫酸盐侵蚀试验研究.pdf

2 0 1 6 年 第 2期 (总 第 3 1 6期) Nu mb e r 2 i n 2 0 1 6( T o t a l N o 3 1 6】 混 凝 土 Co nc r e t e 理论研究 THEORETI CAL RESE ARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 6 0 2 0 1 2 静力弯 曲荷载作用下地下结构 混凝 土 硫 酸盐侵蚀试验研 究 龚道 阳 ， 徐锋 ， 刘伟庆 ， 王曙光 ， 刘 金龙 ( 南京工业大学 土木工程学院， 江苏 南京 2 1 1 8 1 6 ) 摘要： 硫酸盐侵蚀是导致地下结构混凝土材料性能劣化的主要原因之一。 进行了静力弯曲荷载与硫酸盐浸泡耦合腐蚀试验 ， 测定并研究了混凝土残余抗弯强度退化规律和相对动弹性模量的发展规律 ； 利用化学滴定方法( E D T A) 测得了混凝土中硫酸根 离子的浓度分布规律。 试验结果表明， 长期静力荷载及硫酸盐侵蚀的共同作用加速了混凝土材料中硫酸根离子的扩散和材料性 能的劣化。 关键词 ： 静力弯曲荷载； 硫酸盐； 残余抗弯强度 ； 相对动弹性模量 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 6 ) 0 2 0 0 4 7 0 5 Ex p e r i me n t a l s t u d y o n u n d e r g r ou n d s t r u c t u r e c o n c r e t e u n de r s t a t i c b e n d i n g l o a d s a n d s u l f a t e a t t a c k GONG Da o y a n g，XU Fe n g， U U We i q i n g，WANG S hu gu a n g， LI U J i nl o n g ( C o l l e g e o f C i v i l E n g i n e e r i n g ， N a n j i n g T e c h U n i v e r s i t y ， N a n j i n g 2 1 1 8 1 6 ， C h i n a ) Abs t r ac t ： S u l f a t e a t t a c k i s o n e o f t h e ma i n c a u s e s l e a d i n g t o me c ha n i c a l d e t e rio r a t i on o f u n d e r g r o u nd c o n c r e t e ma t e ria l s Th e c o r r o s i v e e x p e ri me n t o f s p e c i me n s s u b j e c t e d t o s t a ti c b e n d i n g l o a d a n d s u l f a t e wa s u n d e a k e n Th e d e t e ri o r a ti o n o f r e s i d u a l fl e x u r a l s t r e n g th o f c o n c r e a n d r e l a t i v e d y n a mi c mo d u l u s o f e l a s ti c i t y we r e me a s u r e d a n d s t u d i e d Th e c h e mi c a l t i tr a t i o n me tho d( E DT A) wa s u ti l i z e d to me a s u r e th e d i s t r i b u tio n o f s u l f a t e i o n c o n c e n t r a t i o n i n c o n c r e t e Th e t e s t r e s u hs s h o w th a t t h e c o u p l e d a c ti o n o f l o n g t e r m s t a t i c b e n d i n g l o a d a n d s u l f a t e a a c k a c c e l e r a t e d th e d i f f u s i on o f s ul f a t e i on s i n to c o n c r e t e a n d d e t e r i or a ti o n o f m a t e ria l p r o p e r t i e s o f c o n c r e Ke y wor ds ： s t a t i c b e n d i n g l o a d； s u l f a t e ； r e s i d u ai fl e x ura l s t r e n g t h ； r e l a t i v e d y n a mi c e l a s t i c mo d u l u s 0 引言 地下交通混凝土结构( 地铁、 隧道等) 在城市中正扮演 着越来越重要的角色。 作为重要 的基础设施 ， 地铁 、 隧道 的 设计使用年限为 1 0 0年 ， 能否长期安全服役 至关重 要。 地 下混凝土结构所处环境较地上混凝土结构相 比更加恶劣 ， 如硫酸根等侵蚀性离子存在于地下环境 中， 会腐蚀混凝土 材料使之劣化。 同时 ， 在实际服役 中地 下混凝 土结构还承 受长期荷 载的作用 。 这些都对地下结构的安全运营造成 了 极大 的挑战。 因此 ， 地下交通轨道设施 的结构安全受到社 会各界的广泛关注 ， 其 耐久性 问题也是 学者 们研究 的重 点。 学者们对混凝土硫酸盐侵蚀研究超过 1 0 0年时间 ， 取 得了巨大的研究成果 。 硫酸根离子通过多种途径传输 到混凝土内部与水泥水化产物发生反应 ， 使混凝 土产生膨 胀 、 开裂 、 剥落 ， 从而又加快 了混凝土 的劣化 ； 同时， 由于 荷载作用 ， 混凝土结构产生微裂缝 ， 加速 了硫 酸盐 在混凝 土中的扩散 ， 加剧 了混凝土 的损伤 ， 使其最 终丧失 了强 度和整体性 ， 降低了耐久性 。 因此荷 载与硫酸盐耦合作用 下对地下混凝土结构的耐久性影响巨大， 但目前针对地下 结构混凝土材料 的荷载和硫 酸盐耦合影响研究 十分有 限， 考虑实际工程中双重破坏因素或多重破坏因素， 开展硫酸 盐与静载耦合混凝土耐久性研究具有重要意义 。 本试验针对地下混凝土材料的服役环境特点 ， 将混凝 土材料浸泡在硫 酸盐环境 中并考虑不 同强度 的长期 荷载 作用 ， 探究长期静载和硫酸盐耦合作用对混凝土材料力学 性能的影响。 通过硫 酸盐滴定试验测试 硫酸盐浓度分布 ， 探索其在材料 中的扩散规律 ， 为将来进一步对地下结构混 凝土材料在静载 与硫 酸盐环境耦合作用下耐久性研 究提 供借鉴。 1 试验方案 1 1 原材料及试件制作 原料采用南京 江南小野 田水泥 厂 的 P I I 5 2 5级 水 泥 ， 细度模数为 2 3 3 0的普通河砂 ， 粒径在 5 - 2 5 m m 的 碎石 ， I I 级低钙粉煤灰 ， $ 9 5级磨 细矿 渣 ， 聚羧酸减水剂 。 试验用混凝土配合 比见表 1 。 收稿 日期 ： 2 0 1 5 0 3 1 8 基金 项 目： 国家 9 7 3计划项 目( 2 0 1 1 C B 0 1 3 8 0 0 ) ； 江苏省 自然科学基金( B K 2 0 1 3 0 9 4 3 ) ； 江苏省高校 自然科学基金面上项 目( 1 3 K J B 5 6 0 0 0 4 ) 4 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 损失 ， 计算如式( 1 ) 。 ： 毳 X 1 o 。 ( 1 ) 式 中： 尺 ： 硫酸盐侵蚀 l 天后混凝土的抗弯强度 ； 龄期 2 8 d未受侵蚀时混凝土 的抗弯强度 。 越小 ， 表示混凝土强度损失越大 。 1 2 3 混凝土相对动弹性模量测定 动 弹性模量是反映混凝土材料性 能的重要参数之一 ， 混凝土内部孑 L 隙结 构的变化 ， 如裂纹、 密实度等 的改变都 会直接 引起材料的动弹性模量下降。 混凝土的动弹性模量 与超声波在其内部传的输速度有如关系式( 2 ) 。 E ： p v z ( 2 ) 式 中： p 混凝土材料的密度 ； v 混凝土材料的泊松 比。 为 了消除试件本身差异 的影响 ， 通 常采用相对动弹性 模量 作为评价混凝土性能 的指标 。 忽略混凝土材料 的 密度 以及泊松 比的变化 ， 可用下式来表示混凝土试 件的相 对动弹性模量 ： 7 S,2 ( 3) 式中 ： V o 、 V n 初始试件和侵蚀 n 天后的超声波速。 本试验采用 N M 一 4 B非金属超声波检测仪测试侵蚀 前后 的混凝土超 声波速 ， 测量 过程 中采用 黄油作 为耦合 剂， 采样周期 0 2 s ， 发射电压5 0 0 V。 试验过程中， 首先测 量各混凝土试件未侵蚀时的超声波速 ， 然后在不侵蚀面用 硅胶密封 ， 到侵蚀龄期后将混凝土试件从 溶液 中取 出， 褪 去外层硅胶 ， 再次测量侵蚀后 的超声波速 ， 根据 超声波速 与相对动弹性模量 的关 系计算 出各混凝 土试件 的相对动 弹性模量 ， 每个工况有 3块混凝土试件 ， 取其 相对动 弹性 模量平均值作为侵蚀后的相对动弹性模量。 1 2 4 硫酸盐浓度测试 为了了解硫酸根离子在混凝土内部传输情况 ， 需要测 定各试验时间节点混凝土 内部硫 酸根离子浓度 的分布情 况。 测试 步骤为首先在试件 的纯弯段钻粉取样 ， 然后进行 浓度测试 。 取粉位置为纯弯段 的受拉 区， 为 了较为精确测 得硫酸根离子浓度 分布情 况 ， 结合 台钻精度和实 际情 况 ， 由表 及 里 每 层 厚 度取 2 m m， 1 0 m m 以 后 每层 厚 度 取 4 r n l T l 。 试验钻床 和钻头如 图 5所 示。 为 了钻取 足量 的粉 末 ， 每行钻孔 7 - 8 个 ， 共钻 6 7行 ( 图 6 ) ； 将各孔钻 出的粉 末混合均匀 ， 并通过孔径为 0 6 3的筛子 ， 以备测试使用 。 硫酸盐浓度测定 采用 E D T A滴定 法 。 溶 液 中硫 酸 根离子浓度的计算式为 ： c ( s ) = j ( s 0 一 ) ：c( s o4 - )vM 1 0 3 m ， ( 4 ) ( 5 ) 图5 Z 5 1 61 A型台式钻床 段 圈 6钻 孔位 置不 葸圈 式中： C C l 氯化钡标准溶液 和 E D T A标准溶液 浓度 ， mo l L； v 1 、 v 2 E D T A消耗的体积 ， m L； 加入氯化钡溶液的体积 ， mL ； M硫酸根离子 的摩尔质量 ， g mo l ； m 、 粉末质量 ； 制备粉末溶液的体积。 2试验 结果 与分析 2 1 混凝土抗弯强度 劣化规律 长期静力荷载 的作用会 引起 混凝土结构力 学性能 的 变化 。 在硫酸盐浓度相 同的情况下 ， 不 同荷载水平对硫 酸 盐腐蚀下混凝土残余抗弯强度的影响如图 7 所示 。 由图可 以看 出， 无荷 载的试件在 3 0 d时残余抗弯强度基本无 变 化； 1 5 0 d时仍保持较高的残余抗弯强度； 在2 7 0 d时下降 为0 8 。 荷载水平为 0 3 ( 含 0 3 ) 以下 时， 侵蚀 3 0 d 后 ， 残余 抗弯强度下降较小， 甚至略有增大； 在 1 5 0 d时下降为标准 抗弯强度的0 8 5 ； 在侵蚀龄期为2 7 0 d时， 抗弯强度下降为 标准抗弯强度的 O 6 5 。 而荷载水平为 O 4 、 O 5的试 件在 侵 蚀3 0 d时就有下降， 3 0 d 后残余抗弯强度下降较为明显； 当侵蚀 龄期为 1 5 0 d时 ， 抗弯 强度 即下降为标准抗 弯强度 的0 8 ； 当侵蚀龄期为 2 7 0 d时， 残余抗弯强度已经下降 为 0 6 左右。 上述现象是 由于荷载水平较小时 ， 硫酸根离子扩散速 度较慢 ， 3 0 d的侵蚀程度微 乎其微 ， 硫酸根离子与 之反应 生成的膨胀性产物较少 ， 因此还未对混凝土形成张拉应力 或者张拉应力不足 以导致混凝土性能劣化 ， 反而降低了混 凝土的孔 隙率 ， 所 以抗弯强度基本无变化 甚至略有增 大。 而较高的持续荷载水平本身对混凝 土即可造成一定 的损 伤 ， 因此抗弯强度有所下降。 从整体来看 ， 随着侵蚀龄期的 进一步增加 ， 混凝土抗弯强度不断下降 ， 荷载水平较高时 ， 4 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 抗弯强度下降幅度更大 。 说明混凝土抗弯强度 的劣化一是 持续 的弯曲荷载对 昆 凝土的抗弯强度造成一定的损伤 ； 二 是因持续的荷载产生微 裂缝 导致硫酸根离子加速进入混 凝土内部 ， 并与水泥水化产物生成膨胀性产物而引起混凝 土的损伤 。 这两者相互影响， 引起混凝土抗弯强度 的损失 。 侵 蚀 龄 期 d 图7混凝土试件剩余抗弯强度劣化规律 2 2混凝 土相对动弹性模 量退化规律 长期静力荷载也会对混凝土的动弹性模量产 生影响 。 相同硫酸盐浓度 ， 不 同荷载水平对混凝土相对动弹性模量 的影 响如图 8所示 。 荷载水平为 0 3 ( 含 0 3 ) 以下时 ， 侵蚀 3 0 d后 ， 相对 动弹性模 量下降较 小 ， 甚至 略有增 大。 3 0 d 至 2 7 0 d下降趋势大致 不变 ， 侵蚀 2 7 0 d时相对动弹性模 量为 0 7 5 左右 。 荷载水 平为 0 4 、 0 5的试件在 3 0 d时相 对动弹性模量略有下 降， 3 0 d 后 下降速度增快 ， 但也基本 呈线性下降 ， 2 7 0 d时相对动弹性模量约为 0 6 5 。 侵 蚀 龄 期 d 图 8 相对动弹性模量变化规律图 相对动弹性模量和残余抗弯强度都反映了长期静 力 荷载对硫酸盐侵蚀下混凝土力学性能的影 响， 它们之间的 关系如图 9所示 。 由图可知 ， 相对动 弹性模量 的变化规律 与残余抗弯强度变化规律基本一致 ， 说明相对动弹性模 量 在一定程度上可 以很 好的表征混凝土试件 的力学性能 变 化趋势。 相对 动弹性 模量 图9 相对动弹性模量与残余抗弯强度对比 2 3 硫酸根 离子浓度分布规律 2 3 1 侵蚀龄期对硫酸盐浓度分布的影响 50 不同龄期下硫酸根离子浓度随深度分布规律如 图 l O 所示。 由图可 以看 出， 混凝土中侵蚀进 入的硫 酸根离子浓 度的整体分布规律具有 一致性 ： 随着龄期 的增 加 ， 同一深 度处的硫酸根离子浓度也在增加 ， 从表面到 7 n l i n左右深 度 的硫酸根浓度增长比较明显 ， 大于 7 ln r n深度 时增长趋 于缓和。 以图 1 0 ( b ) 为例 ， 在荷载水平为 0 3的情况下 ， 当 侵蚀时间为 3 0 d 时 ， 距混凝土表面 1 m m处 的硫酸根离 子 浓度为 1 4 ， 距混凝土表面 7 i n i i 1 处 的硫酸根离子浓度 为 0 3 ， 当侵蚀时间为 2 7 0 d时 ， 距混凝土表面 1 m m处的硫 酸根离子浓度为 2 1 ； 距混凝土表面 7 mm处的硫酸根 离 子浓度为 0 5 。 这一方 面由于硫 酸根 离子不断往混凝 土 内部扩散传输 ； 另一方面 ， 硫酸根离子不断与混凝土发 生 反应 ， 扩大了混凝土 内外浓度差 ， 在浓度梯度作用下 ， 硫酸 根离子进一步往混凝土内部扩散传输 。 蓬 吲 如 榴 罡 悸 O 3 O 芝 2 5 2 0 寝 嚣 1 o 0 5 O 3 O 毋 2 5 z o 譬 诺 O 5 0 3 O 2 5 2 o 寝 譬 1 o O 5 0 距离表面深度 m m ( a ) 无荷 载 距离 表面深度 mm ( d ) 荷 载水 平0 5 图 1 0不同侵蚀龄期硫酸根离子浓度分布规律 同一侵蚀龄期下硫酸根离子浓度 随着侵蚀 深度的增 加越来越小。 以图 1 0 ( d ) 为例 ， 在荷 载水平为 0 5的情况 l 1 l 0 0 O 0 O 骥静 鼷 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 下， 侵蚀龄期为2 7 0 d时， 混凝土表面至深度3 m m处硫酸 根离子浓度从 2 9 迅速下降为 1 4 ， 随着深度 的加深 ， 硫 酸根离子浓度下 降有所减慢 ， 深度 3 m m 至 1 6 mm硫酸根 离子浓度从 1 4 缓慢下降为 0 3 ， 越往深处这种趋 势变 得越来越缓和。 这是由于虽然 随着侵蚀龄期 的延长 ， 硫 酸 根离子不断与混凝土材料发生反应 ， 但是硫酸根离子的扩 散与反应主要发生在混凝土 的表层 ， 2 7 0 d的侵蚀龄期 还 不足以对混凝土产生较为严重的侵蚀 。 2 3 2 荷载水平对混凝土内部硫酸根离子浓度分布的影响 不同荷载水平下混凝土 内部硫酸根 离子浓度 随深 度 的分布规律如图 1 1 所示。 由图可 以看出， 总体上硫酸根离 子浓度随着荷载水平 的增 大而增大。 荷载水平为 0 3 、 0 4 3 2 墨 堰O 3 2 篓 饕 。 时硫 酸根离 子含 量略 大于无 荷 载情 况 ； 荷 载水 平 为 0 5 时 ， 硫 酸根离子含量 明显高 于荷 载水平小于 0 5的情况 ， 这种趋势随着侵蚀龄期的延长而愈加明显 。 这是 由于低荷 载水平虽然引起 了混凝土 的损伤 ， 但 在有 限 的侵 蚀龄 期 内， 不足以引起硫酸根离 子对混凝 土的严重侵蚀。 而荷 载 水平为 0 5时混凝土将会受到较为严重的损伤 ， 大大加 速 了硫酸根离子对混凝土的侵蚀 ， 硫 酸根离子又与混凝土内 部材料发生反应 ， 生成膨胀性产 物 ， 进一 步引起 混凝土 的 损伤发展 ， 从而导致硫酸盐进一 步向混凝土 中侵蚀 ， 形 成 恶性循环。 结合图 7 、 8 可知 ， 在不 同的荷载水平 、 同一侵蚀 龄期 的情况下 ， 硫酸根离子浓度越 高 ， 残余抗 弯强度和 相 对动弹性模量越低 。 此规律也与前述结论一致。 3 z 篓 薹 o O 2 4 6 8 1 0 0 2 4 6 8 1 0 0 2 4 6 8 1 0 距离表面深度 ram 距离表面深度 mm 距离表面深度 mm ( a ) 侵蚀 龄 期3 0 d ( b ) 侵蚀 龄 期9 O d ( c ) 侵 蚀龄 期1 5 0 d 蠢 2 篓 藿 o 0 3 6 9 1 2 1 5 1 8 距 离表面深 度 mm f d ) 侵蚀 龄 期2 1 0 d 3 2 羹 藿 o 0 3 6 9 1 2 1 5 1 8 距离 表面深 度 mm ( e ) 侵 蚀 龄期2 7 0 d 图 1 1 不同荷载水平硫酸根离子浓度分布规律 3 结 论 本研究进行 了荷载作用下 的混凝土硫 酸盐侵蚀试验 ， 主要研究 了混凝土抗弯强度退化规律 ； 分析了受荷混凝土受 硫酸盐侵蚀动弹性模量的退化规律 ； 测试了各侵蚀龄期混凝 土内部硫酸根离子浓度分布规律 ， 主要得出以下结论 ： ( 1 ) 抗弯强度和动弹性模量 的劣化规律表 明 ， 侵蚀 龄 期较短( 3 0 d ) 以及荷载水平较小 ( 小于等于 0 3 ) 时 ， 硫 酸 盐对混凝土侵蚀程度不高； 随着侵蚀龄期和荷载水平的加 大 ， 硫酸盐的侵蚀对混凝土的力学性能产生了明显影响。 ( 2 ) 随着侵蚀深度的增加 ， 硫酸根离子浓度迅速减小 ； 侵蚀龄期的增长 ， 硫 酸盐 不断向混凝土 内部侵蚀 ， 相 同深 度处的硫酸根离 子不断增加 ； 随着荷载水平 的增加 ， 混凝 土的损伤不断加 大 ， 为硫 酸盐的侵蚀提供 了通道 ， 加速 了 其扩散 。 硫酸盐与水泥水化物的反应产物进一步导致损 伤 的发展 ， 由此形成恶性循环 ， 加速了混凝土损伤劣化进程。 参考文献： 1 N G U Y E N T Q， P E T K O V I C J ， D A N G L A P ， e t a 1 Mo d e l l i n g o f c o i l p i e d i o n a n d m o i s t u r e la a n s p o r t i n p o r o u s b u i l d i n g m a t e r i a l s J C o n s t r u c t i o n a n d B u i l d i n g Ma t e r i a l s ， 2 0 0 8 ( 2 2 ) ： 2 1 8 5 2 1 9 5 2 左晓宝， 到 帏 硫酸盐侵蚀下的混凝土损伤破坏全过程分析 J 圭 酸盐学报 ， 2 0 0 9 ， 3 7 ( 7 ) ： 1 0 6 3 1 0 6 7 3 I D I A R T A E C o u p l e d a n a l y s i s o f d e g r a d a t i o n p r o c e s s e s i n C O N c r e t e s p e c i m e n s a t t h e me s ol e v e l D S p a i n ： U n i v e r s i t a t P o l i t c n i c a De Ca t a l u n y a， 2 00 9 4 冷发光， 冯乃谦 ， 邢峰 混凝土应力腐蚀研究现状及问题 J 混 凝土 ， 2 0 0 0 ( 8 ) ： 6 9 5 3赵尚传 海洋环境钢筋混凝土桥梁老化性能与防腐技术 c 第六届全国建筑腐蚀防护学术交流会论文集， 2 0 0 4 6 3冷发光 荷载1 乍 用下混凝土氯离子渗透性及其测试方法研究 D 北京 ： 清华大学， 2 0 0 2 7 金祖权 西部地区严酷环境下混凝土的耐久性与寿命预 U E D 南 京： 东南大学， 2 O O 6 8 慕儒 冻融循环与外部弯曲应力、 盐 容液复合作用下混凝土的耐久 性与寿命预涣 U E D 南京 ： 东南大学， 2 0 0 0 9 制盐工业通用试验 方法硫酸根离子的测定： G B T 1 3 0 2 5 8 9 1 I s 北京： 中国标准出版社， 2 0 0 5 第一作者 联 系地址 联 系电话 龚道阳( 1 9 9 0一 ) ， 男 ， 硕士研究生 ， 从事混凝土材料耐 久性研究。 南京市浦珠南路 3 0号 南京 工业大学江浦校区 8 0 2 0 信箱3 2分箱( 2 1 1 8 1 6 ) 1 8 0 6 1 2 0 8 4 2 3 51 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m