硫酸盐侵蚀与冻融循环作用下混凝土损伤试验研究.pdf

2 0 1 0年第 2期 4月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 C HI NA C0NC RE T E AND C EME NT P RODUC T S 2 01 0 N0 2 Ap r i l 硫酸盐侵蚀与冻融循环作用下混凝土损伤试验研究 安新正 ，易 成 ，刘 燕 。 ，张结太 ( 1 中国矿业大学煤炭资源与安全开采 国家重点实验室， 北京 1 0 0 0 8 3 ； 2 河北工程大学土木学院 ， 邯郸 0 5 6 0 3 8 ； 3 河北农业大学城乡建设学 院， 保定 0 7 1 0 0 1 ) 摘要 ： 研究 了水灰 比为 0 4 4的泵送混凝 土在 6 O ( 质 量分数)N a 2 S O 溶液 中浸 泡一自然 干燥 循环以及浸泡一 干燥循环后再 经冻融循环条件 下混凝土的损伤失效 规律和特点 。结果 表明 ， 在浸泡一 干燥循环初期 ， 其损伤变量 D ( T) = O ， 并 且相对动弹性模量 呈线性增加 ， 但随着浸泡一 干燥循环周 期的增加 ， 其损伤 变量 D经历 了从 0到缓慢增加 、 再 到快速增加 的过 程 ， 而相对动弹性模 量 E 从线性增加转而呈现缓慢下 降。与单 一的浸泡一 干燥循环相 比， 浸泡一 干燥循环与冻融 循环的共同作用 大大加速 了混凝 土的 损伤进程 。 关键词 ： 泵送混凝土 ； 硫酸盐侵蚀 ； 干一 湿循环 ； 冻融循环 ； 损伤 Ab s t r a c t ：I n t h e p r o c e s s o f l i f e -c y c l e o f c o n c r e t e ，s u l f a t e a t t a c k a n d f r e e z e- t h a w c y c l e s a r e t wo i mp o r t a n t f a c t o r s t h a t a f f e c t t he d u r a b i l i t y o f c o n c r e t e s t r u c t u r e s Th e d a ma g e p r o c e s s o f p ump i n g c o n c r e t e wi t h wa t e r t o c e me n t r a t i o o f 0 4 4 un d e r i mme r s i o n -d r y c y c l e s o r i mme r s i o n d r y f r e e z e t h a w c y c l e s i n s o l u t i o n s o f 6 O N 2 S O4 i s s t ud i e d T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e r e l a t i v e d y n a mi c mo d u l u s of e l a s t i c i t y E i n c r e a s e s l i n e a r l y a n d t h e d a m a g e v a r i a b l e Dm ( r ) = 0 i n t h e i n i t i a l s t a g e o f i mme r s i o n d ry c y c l e s ，b u t a c c o r d i n g t o t h e i mme r s i o n d ry c y c l e s i n c r e a s e d ，t h e d a ma g e v a r i ab l e D e x p e r i e n c e d t h e p r o c e s s f r o m 0 t o s l o w i n c r e a s i n g ， a t l a s t r a pi d i n c r e a s i n g ， a n d t h e r e l a t i v e d y n a mi c mo d u l u s of e l ast i c i t y E e x p e r i e n c e d t h e p r o c e s s f r o m i nc r e a s i n g l i n e a rly t o d e c r e asi n g s l o wl y Co mp a r e d wi t h t h e i mme r s i o n d ry c y c l e s ，t he i n t e r a c t i v e e f f e c t s o f i mme r s i o n d r y c y c l e s a n d f r e e z e t h a w c y c l e s h a v e g r e a t l y a c c e l e r a t e d t h e p r o c e s s o f c o n c r e t e d a mag e K e y wo r d s ： P u mp i n g c o n c r e t e ； S u l f a t e a t t a c k ； I mme r s i o n - d ry c y c l e s ；F r e e z e t h a w c y c l e s ；Da ma g e 中图分类号 ： TU 5 2 8 文献标 志码 ： A 文章编 号： 1 0 0 0 - 4 6 3 7( 2 0 1 0) 0 2 一 O 1 0 3 0前言 在现代混凝 土工程施 工中 ，采 用泵送混凝土是 最 常用 的施工方法之一 。据不完 全统计 ，在混凝土工 程 中 ， 泵送混凝 土 占有超过 8 5 以上 的份 额 ， 因此 ， 研 究 泵送混凝 土的耐久性很有 必要 。 调查发 现 ， 在我 国西北 广 大地 区 ， 混凝 土结构 的硫酸盐侵蚀 、 冻融循环作用 是 普遍存在 的 ，绝大多数 已有混凝 土结 构物韵 损伤甚 至 失效破坏都 与硫 酸盐及 冻融循 环对 其的侵蚀作用有 着 十分密切 的关 系 1 - 2 。 目前 ， 国内外针对混凝土结构硫 酸盐 、 氯盐 的侵蚀 以及混凝土 中钢筋锈蚀 引起混凝 土结 构的损伤失效 已 有大量 的研究 ， 并取得 了诸多 的研究 成果【 。然而 ， 目 前关于硫酸盐溶液 、冻融循环作用 下泵送混凝土 的损 伤 、 劣化规律的试验研究报道较少 。 为 了研究泵送混凝 土 的耐久性能 ，本文开展 了硫酸钠干一 湿循环侵蚀 、 干 湿循 环一 冻融循环条 件下泵送 混凝 土的损 伤失效规 律 及特征 的试验研究 。 1 试验过程 1 1 泵 送混凝 土原材料 水泥 为 P 0 4 2 5级 ； 粗骨料 为石 灰石 ， 表 观密度 2 5 3 ， 粒径 5 - 2 0 mm； 细骨料 为 河砂 ， 表观 密度 2 6 5 ， 细 度模 数 2 6 ； 抗 裂 防水剂 WG； 粉煤 灰 为邯郸 某 电厂 产 I 级灰 ； 矿渣粉为 $ 9 5级 ； 泵送剂 为 F J 一 1 。 1 - 2 试件制作 泵送混凝土实测坍落 度为 1 8 0 mm， 其配合 比及力 学性 能 如表 1 所示 。泵 送 混凝 土试 验用 试 件尺 寸 为 1 0 0 mmx 1 0 0 mmx 4 0 0 mm，分为 A、 B两组 ，每组 6个试 件 ， 编号分 别为 A P C 3 0 、 B P C 3 0 。所有 试件注模完成 后移 至标准养 护室 ， 养 护 2 4 h后拆 模 ， 并标 准养护 2 8 d 备用 。 表 1 泵送混凝 土配合比及 力学性能 基金项目： 煤炭资源与安全开采国家重点实验室开放课题基金 1 3 试验工况设计 ( S K L C R S M O 9 K F B 0 8 ) , 目； 河北省建设厅科研基金( 2 0 0 8 1 0 4 ) 项目 。 本试验 中泵送混凝土试 件的浸泡溶液 为 6 ( 质量 一 l 一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 0年第 2期 混凝土与水泥制品 总第 1 7 2期 分数) N a 2 S O 溶 液。腐蚀试验在两种工况 ( 工况 I、 工 况 ) 条件下进行。 工况 I， 即干一 湿交替循环工况 。将试件先 在浓度 为 6 ( 质量分数) N a S 0 4 溶液 中浸泡 2 d ，然后取 出擦 去其表 面的水珠并将其放置 于 9 0 的烘箱 中烘 干 1 2 h 后取出 ，再在室 内 自然条件下放 置 l d称为一个浸泡一 干燥交替循环周期 ， 在此称为一个 干一 湿循环。 工况 ，即干湿循环一 冻融循环工况 。将完成干一 湿循环后 的试 件再放入慢速 冻融箱 中进行 冻融循环 。 首先冻结 2 6 h ( 一 1 7 o C 2 ) ， 然 后解冻 。至此 ， 试件 已 完成一次干一 湿循环和一次冻融循环 。 在此把先进行一 次干一 湿循环 ， 而后再进行一次冻融循环的情况 称为一 个干湿一 冻融循环。 1 4 腐蚀设计及损伤检测 为了研究泵送混凝土在硫酸盐侵蚀 、冻融循环条 件下的损伤规律和特性， 分别设计了两种腐蚀条件。 在工况 I 条件下 ， 对 A组泵送混凝 土试 件分别完 成 0 、 5 、 1 0 、 1 5 、 2 0 、 2 5 、 3 0 、 3 5 、 4 0个干一 湿循环 。 在工况 条件下 ， 对 B组泵送混凝土试件 分别完 成 0 、 5 、 1 0 、 1 5 、 2 0 、 2 5 、 3 0 、 3 5 、 4 0个干湿一 冻融循环。 在 以上两种工况下分别应用混凝土超声波检测仪 和混凝土动弹仪检测各个循环周期下泵送混凝土 的超 声波波速 、 动弹性模量。 1 5 损伤计算 泵送混凝土在工况 I、 条件下 ， 其腐蚀损伤可 以 有多种描述方式 ，在此采用混凝土 的相对动弹性模量 E 损 伤变量 D ( T ) 方法对 不 同工 况条件 下泵送 混凝 土损伤进行定量描述。 ( 1 ) 泵送 混凝 土的相对动弹性模量 可 以通过测 量其 在不同条件下 的动弹性模量 并依据式 ( 1 ) 进 行计 算 。 E r d = ( 1 ) d 0 式 中， E 和 E 分别为泵送混凝土标准养 护 2 8 d和经 历 T个周期 数的 干一 湿循 环 ( 或干湿一 冻融 循环 ) 时 的 动弹性模量值 ， 单位为 G P a 。 ( 2 ) 泵送 混凝 土的损伤 变量 D ( T ) 可通 过测量其 在不同条件下混凝土平均超声波波速并 依据式 ( 2 ) 进 行计算嘲 。 V2 D m ( T ) =I 一 ( 2 ) V0 式 中， m为工况 条件 ， m =I或 m= ； D ( T ) 为 m=I 或 m= 工况条件下 ， 循环周期 为 T时的损伤变量值 ， 0 4 D ( T ) l ； V 为混凝土标 准养护 2 8 d时 的超 声波波速 平均值 ，单位 为 k m s ； V 为混凝土经历 T个 周期 的干 一， )一 湿循环 ( 或干湿一 冻融循环) 时的超声波波速平均值 ， 单 位为 k m s 。 另外 ， 在 m=I 或 m =工况条件下 ， 对泵送 混凝 土 进行超声波测试分 析时 ，若超声波波速 V V ，可取 D ( T ) = 0 。此时， 混凝土无腐蚀损伤现象发生。 2 损伤特性与分析 2 1 损伤特性 工况 I、条件下 ，在试件 完成设 定的循 环次数 后 ，分别应用混凝土动弹仪和超声波检测仪测试泵送 混凝土相应 的动弹性模量和超声波波速 ， 并依据式( 1 ) 和式 ( 2 ) 计算 出对应条件下相对于标准养护 2 8 d的相 对动弹性模量 E 及损伤变量 D ( T ) 。 图 l 为混凝土在干湿交替循环( 干湿一 冻融循环 ) 时的相对动弹性模量与循环周期 的关 系曲线 ( E 一T 曲线) 。图 2为混凝土在 干湿交替循环( 干湿一 冻融循 环 ) 下 的损伤 变量 与循环周期 的关 系曲线【 D ( T ) 一 T曲 线1 。 O 2 0 4 0 6 0 周 期厂 r 图 1 混凝 土在干湿交替循环( 干湿一 冻融循环) 时的相对动弹性模量 1 O O 8 o6 04 02 0 O O 2 O 4 O 6 0 周 期厂 r 图 2 混凝土在于湿交替循环( 于湿一 冻融循环) 下的损伤变量 由图 1 可知 ，泵送 混凝 土在干湿交替循 环条件下 E 一 T曲线大致经历 了 3 个 阶段 ， 即 ： 线性增加 阶段 、 缓 慢下 降阶段和加速下降阶段。 对于线性增加阶段 ， 腐蚀 周期数约为 T = I O ， E 值增加 了约 5 ；对 于缓慢下 降 2 0 8 6 4 2 O l l 0 O 0 O O 姻 、 教需 靛 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 安新正 ， 易 成 ， 刘 燕 ， 等 硫酸盐侵蚀与冻融循环作用下混凝土损伤试验研究 阶段 ， 腐 蚀周 期数 约为 T = 1 0 - 2 5 ， 此 阶段 E 一值上 升 到极值后 开始呈现 出随 T的增 加而 缓慢下 降 的趋势 ； 对 于加 速下 降 阶段 ， 腐 蚀周 期 数 约为 T 2 5 ， 此 阶段 E 值 由缓慢下降趋势转而 随 T的增加而加速下降 。 经 过 4 0个 干湿 交 替 循 环 周 期 后 E 值 最 终 下 降 了 约 2 2 。 由图 1 干湿一 冻融循环曲线可知 ， 其相对动 弹性模 量 E 的变化大致包括平稳 阶段 、 缓慢 下降阶段和快 速 下 降阶段三个 阶段 。 对于平稳发展 阶段 ， 腐蚀周期数 约 为 T 1 0 ， 此期 问内 E 值上下 波动微小 ， 可 近似认 为 是处于平稳发展 阶段 ；缓慢下 降段 ，腐蚀 周期数约 为 T = 1 0 - 2 0 ， 此 阶段 E 一 值 处 于缓 慢下 降趋 势 ； 快速 下 降 段 ， 腐蚀周期数约为 T 2 0 ， 此 阶段 内 ， E 值与缓慢下 降 阶段相 比较 ， 下 降速度加快 ， 试件 外观劣化 更加 明显 。 经 过 4 0个 干湿 一 冻融 循 环 周期 后 E 值 大 约下 降 了 5 8 。 由图 2可知 ，泵 送混凝土在干湿交 替循环( 工况 I)条件下 ， 在 T = 1 0以前 的损 伤变 量 D ( T ) = 0 ， 在 T = 1 0 - 2 0时损伤变量 开始缓慢增加 ， 并 在 T = 2 0后增长 加快 ；在于湿一 冻融循 环( 工 况 )条 件下 ，当 T = 4 0 时 ， 与工况 I 相 比， 工况 条件下泵送混凝 土的损伤进 程大大加快了 ， 试验结果表 明 ， D( T = 4 0 ) = 1 9 D I( T = 4 0 ) 。 2 2 损伤分析 在硫 酸钠溶 液干一 湿 交替循 环作 用下 ， S O 4 2 一 离 子 加速扩 散并进 入混凝 土 内部与铝相结合生成具有膨 胀 性的钙矾石。钙矾石 进入并 填充到混凝土 的原始微 孔 隙 、 微裂缝 之中 ， 弥补 了泵送 混凝土 的初始损 伤 ， 从 而 使得其相对动弹性模量 呈现出线性增加现象。然 而 ， 到了侵蚀 的中后期 阶段 ， 由于钙矾石的大量增加 与 体积膨胀 ， 当膨胀 的内应力 大于混凝 土 的抗拉强度 时 ， 混凝土就 开始 出现钙 矾石膨 胀裂缝 ，从而产生侵蚀性 损伤 。同时 ， 随着侵蚀性损伤裂缝 的大量增加 ， 微裂缝 问相互 连通 ， 加速 了 S O 4 2 一 离子 向混 凝土 内部 的扩散 与 渗透 ，并在侵蚀后期 由于损伤裂缝 的大量产生与积 累 从而导致试件严重损伤而破坏 。 相 比于单一的干一 湿交 替循环 ， 在相 同的侵蚀周期数 条件下 ， 干湿一 冻融 循环 条件下 的损伤程度 远大 于单一 干一 湿交 替循环条 件下 的损伤程度 。 可以说 ， 冻融循 环加速 了泵送混凝土 的硫 酸钠腐蚀损伤进程，加大了泵送混凝土硫酸盐腐蚀损 伤的程度。 3结 论 ( 1 ) 经过 6 N a S O 溶液 侵蚀一 干燥 交替循 环 的作 用 ， 在侵蚀 一 干燥循 环的初 期阶段( T 1 0 ) ， 泵送混凝土 试件 无损伤发生 ， 其 损伤变量 D ( T ) = 0 ， 相对 动弹性模 量 E r d 呈线性 增加 ； 当 T = 1 0 - 2 0时 ， D ( T ) 缓慢增 加 ， E I d 则缓 慢降低 ； 当 T 2 0时 ， D ( T ) 加快 增大 ， E 则加速降 低 。 ( 2 ) 经 过 6 N a 2 S O 溶液侵蚀一 干燥循环 与冻融循 环 的共 同作用 ，与单一 的 N a 2 S O 溶液侵蚀一 干燥循 环 结果相 比， 当 T 1 0时 ， E 值 变化不大 ， 随着 T的增 大 E 一 值 呈快速降低趋势 。 对 于 D ( T ) 来 说 ， T 5时 ， 其值 保持 为 0 。T 5时 ， 试 件 的损伤 开始产 生 ， 并 随着 T的 增加而增大 。 参考文献： 1 金祖权 西部 地区严酷环境下混凝土的耐久性与 寿命 预测【 D 东 南大学 ， 2 0 0 6 【 2 王复生， 孙瑞 莲， 秦小 鹃 察 尔汗盐湖 条件下水 泥混凝土 耐久性 调查研究 J _ 硅酸盐通报 ， 2 0 0 2 ， 2 l ( 4 ) ： 1 6 2 2 3 】安新正， 易成， 王晓虹， 张结太 钢筋 与混 凝土耦合腐蚀 RC梁性 能研 究 J J 河北工程大学 学报 ( 自然科学版) ， 2 6 ( 3 ) ： 1 5 1 8 【 4 HE K AL A E E ， K I S HA R E ， MO S T A F 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 a r d e n e d b l e n d e d c e me n t p a s t e s u n d e r d i f f e r e n t c i r c u ms t a n c e s I J 】 C e m C o n c r R e s ， 2 0 0 2 ， 3 2 f 9 ) ： 1 4 2 1 1 4 2 7 5 】N E V I 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 1 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 【 6 】张璐， 施养 杭 钢筋 锈蚀后 混凝 土耐久 性的模 糊可 靠度 分析 J 】 华侨人学学 报( 自然科学版) ， 2 0 0 7 ， 2 8 ( 1 ) ： 7 1 7 4 7 余红发， 孙伟， 周二 良， 鄢 良慧 混凝土 使用 寿命预测方法 的研究 I 、 I I 、 【 J J 硅酸盐学报， 2 0 0 2 ， 3 O ( 6 ) ： 6 8 6 7 0 1 8 罗晓辉， 徐育 才，罗昕 基于细观 孔结构 的混凝土损伤 劣化特性 分析 J 】 武汉 大学学报 ( 理 学版) ， 2 0 0 5 ， 5 1 ( 8 2 ) ： 2 1 7 2 2 0 7 B RO WN P W， B AD G E R S T h e d i s t r i b u t i o n s o f b o u n d s u l f a t e s a n d c h l o r i d e s i n c o n c r e t e s u b j e c t e d t o m i x e d N a C I ，Mg S 0 4 , Na 2 s 0 4 a t t a c k J 】 C e m C o n c r R e s ， 2 0 0 0 ， 3 0 ( 1 0 ) ：1 5 3 5 - 1 5 4 2 【 8 】OMA R S a e e d B a g b a b r a A 1 - A m o u d i ，MO H AMME D Ma s i e h u d d i n ， YAS ER A B Abd u i AI Ro l e o f c h l o r i d e i o n s o n e x p a n s i o n a n d s t r e n g t h r e d u c t i o n i n p l a i n a n d b l e n d e d c e me n t s i n s u l f a t e e n v i r o n me n t s J C o n s t r B u i l d Ma t e r , 1 9 9 5 ， 9 ( 1 ) ： 2 5 3 3 收稿 日期 ： 2 0 1 0 - 0 2 2 5 作者简介 ： 安新正 ( 1 9 6 3 一 ) ， 男 ， 博士 、 副教授 。 通讯 地址 ： 邯郸市 ， 河北工程大学土木工程学 院 联系电话 ： 1 3 9 3 1 0 9 6 0 2 2 E -ma i l ： a xz 6 0 22 1 6 3 c om 一 3 一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m