青海盐湖地区混凝土抗碳化性能试验研究.pdf

2 0 1 1年 第 1 2期 ( 总 第 2 6 6期 ) Nu mb e r 1 2 i n 2 0 1 1 ( T o t a l No 2 6 6 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 理论研究 T HEORETI CAL RES EARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 - 3 5 5 0 2 0 1 1 1 2 0 0 7 青海盐湖地区混凝土抗碳化性能试验研究 周纲 ，刘爱东 ，王毅红。 ，惠亚楠 。 ( 1 中交第一公路勘察设计研究院有限公司，陕西 西安 7 1 0 0 7 5 ； 2 合肥招标投标中心，安徽 合肥 2 3 0 0 0 1 ；3 长安大学 建筑工程学院，陕西 西安 7 1 0 0 6 1 ) 摘要： 为解决盐湖地区公路桥梁基础防盐蚀问题 ， 从混凝土碳化角度研究混凝土在盐湖卤水侵蚀条件下的碳化性能和盐湖卤水侵蚀、 冻融循环双重因素影响下的碳化性能。 通过试验研究对比分析了未采取其他措施的高性能混凝土和采取防腐措施的高性能混凝土碳化性 能的差异， 观察防腐措施的效果， 建立了盐湖卤水条件下的混凝土碳化模型。 研究表明： 外抹和内掺防水材料的措施对提高混凝土抗碳化 性能有一定效果， 所建立的盐湖卤水条件下的混凝土碳化模型与试验结果吻合良 好。 关键词： 混凝土碳化；冻融循环；混凝土防腐； 盐湖；数学模型；试验研究 中图分类号 ： T U5 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 1 ) 1 2 0 0 2 1 0 3 St udy on c a r bon a t i on r e s i s t an c e o f c on c r e t e i n Qi ngh ai Sa l t La k e Ar ea Z HOU Ga n gI , LI UAi - d o n g ， WANG Yi - ho n g3 , HUIYa - n a n ( 1 C CC CF i r s t H i 曲 Wa y Co n s u lt a n t s C o ， L t d ， Xi a n7 1 0 0 7 5 ， C h i n a ； 2 He f e i Bi d d i n gC e n t e r ， H e f e i 2 3 0 0 0 1 ， C h i n a ； 3 S c h o o l o f C i l E n g i n e e r i n g ， C h a n g a l l Un i v e r s i t y ， Xi a ll 7 1 0 0 6 1 ， C h i n a ) Ab s t r ac t ： I n o r d e r t o s o l v e t h e a n t i s a l t c o r r o s i o n p r o b l e m o f r o a d s an d b rid g e s b a s e s i n S a l t L a k e a r e a Re s e a r c h e d t he c arb o n a t i o n p e r f o r - ma n t e s o f c o n c r e t e u n d e r t wo c o n d i t i o ns fro m t h e pe r s pe c t i v e o fc o n c r e t e c a r b o n a t i o n： u n d e r g o i n g t h e c o rro s i o n o f s a l t l a k e b rin e； un d e r g o i n g d u a l f a c t o r s o ft h e c o r r o s i v e s a l t l a k e b rin e and t h e f r e e z i n g - t ha wi n g c y c l e I n v e s t i g a t e d t h e a n t i c o r r o s i o n e ffe c t and e s t a b l i s h e d a mo d e l o f c o nc r e t e c arb o na t i o n u nd e r s a l t l ak e b r i n e b y c o mp a r i n g t h e p e rfo r man c e d i ffe r e n c e b e tw e e n tw o hig h- p e r f o rm an c e c o n c r e t e s ： o n e i s wi t h a n t i c o r r o s i o n me a s u r e s a n d an o the r i s wi t h o u t a n y c o un t e r me a s ure s S t u d i e s s h o w t h e c arb o n a t i o n r e s i s t a nc e p e r f o r man c e o f c o n c r e t e c a n b e i mp r o v e d t o s o me e x t e n t b y s me a r i n g wa t e r p r o o f ma t e ria l s and ad d tho s e ma t e ria l s i n t o i t Mo r e o v e r ， the e s t a b l i s h e d mo d e l o fc o n c r e t e c a r b o n a t i o n un d e r S a l t La ke b rin e a g r e e s we l l wi t h t h e e x p e rime n t a l r e s u l t s Ke ywor ds ： c o n c r e t e c arb o n a t i o n； fr e e z e - tha wc y c l e s ； c o rro s i o n r e s i s t a n c eo fc o n c r e t e ； s a l t l ak e ； ma t h e ma t i c a l mo d e l ； e x p e rime n t a l s t u d y 0 引言 我国干旱、 半干旱的西北地区， 分布着很多盐湖。 这些地区 气候干燥 ， 蒸发强烈， 毛细水所引起的积盐作用显著， 土中含盐 量高、 成分复杂， 给公路桥梁建设带来了一系列的困难。 根据以 往的工程经验， 建造在盐湖地区的混凝土结构普遍使用寿命短 ， 有些结构使用 3 5年甚至 1 年就遭到较为严重的破坏 ， 一般难 以达到 5 0 年的耐久性要求。 本文为解决将建的青海省察尔汗 至格尔木高速公路的混凝土防腐问题， 采用在混凝土中内掺或外 涂 X YP E X 防水材料的方法， 提高混凝土抗盐腐蚀性能。 XY P E X 是一种 自修复型的阻水材料， 可有效地将盐湖卤水隔绝在混凝 土之外。 通过对比试验， 研究采取防腐措施后混凝土的抗碳化性 能 ， 建立不同类型混凝土碳化深度模型。 根据理论和试验研究结 果， 提出盐湖地区高速公路桥梁基础防腐蚀的措施。 1 试验概 况 1 1 试验 方案 本次试验设计了三种类型， 共 1 5 组( 每组 3 个) 混凝土试件， 收稿日期：2 0 1 1 - 0 6 - -0 7 基金项目：中交第一公路勘测设计研究院有限公司科技基金项 目 即不采取防腐措施的高性能混凝土试件( 下称为空白试件) ， 内掺 XY P E X防腐材料试件和外抹 X YP E X防腐材料的试件。 试件的尺寸分为 1 0 0 mm l O 0 mm l O 0 m m( 下称立方试件 ) 和 1 0 0 mmx l O 0m mx 3 0 0m m( 下称条状试件) 两种 ， 各种试件的数 量和试验方案见图 1 。 空白1 I 条状试件I I 不冻融直接 试件 1 组 ( 3 个 ) r 1 进 行加 速 碳 化实 验 外抹X YP E X 的试件 内掺XY P E X 的试件 冻融循环5 O 次后 进行加速碳化实验 - - - - -一 冻融循环I 5 0 次后 进行加速碳化实验 图 1 试件数量和方案示意图 所有混凝土试件的强度等级均为 C 5 0 ， 水泥采用西安秦岭 牌P O 4 2 5 R级早强快硬水泥， 细骨料采用西安蓝田县灞河细砂 ( 5 mm) ， 粗骨料采用西安蓝田县产花岗岩( 2 5 ram) ， 掺合 料采用西安户县产粉煤灰， 外加剂为山西黄腾化工有限公司产 的 H T H P C聚羧酸高性能减水剂； 水为自来水。 混凝土的配合比 见表 1 。 X Y P E X的掺量为水泥用量的 2 ， 外抹 X Y P E X按照 2 1 一 一 妨 一 一妨 表 1 试件混凝土配合比 0 4 k g m 每遍的用量涂刷三遍。 由表 1 可计算得出本次试验制备的混凝土试件水胶比为 0 33 5。 根据察尔汗盐湖地区的水质检测数据， 配制与其条件相同 的卤水 ， 各化学试剂的含量见表 2 。 表 2 试验所配卤水 中各种离子的含量 试剂名称 N a C 1 Na HC O3 KC 1 C a C I 2 Na S O 4 Mg S O 4 Mg Cl2 含量 ( g L ) 3 6 6 1 3 4 5 3 5 2 8 2 6 1 6 7 4 1 4 9 7 5 6 立方试件全部采取浇水养护， 条状试件由于表面涂抹 X Y P E X 材料采取泡水养护， 水的深度达到试件高度的2 3左右。 所有试 件养护 2 8 d 。 养护结束后进行冻融循环和室内快速碳化试验。 1 2 试验 方法及过 程 冻融循环试验按照文献【 1 】 中的“ 快冻法” 执行。 冻融箱的一 次冻融循环过程为： 2 0 2 5： 2 5 mi n ； 保持一 2 5： 4 0 rai n ； ( - 2 5 2 0： 1 0 mi n ； 保持2 0 ： 3 5 mi n 。 每次循环的时间 1 6 0 m i n 左右。 在冻融过程中， 冻融箱中温度在一 2 5 2 0， 混凝土试件中 心温度在( 一 1 7 2 ) ( 8 2 ) 之间变化。 对不同的混凝土试块 分别进行 0次( 条状试件) 、 5 0次和 1 5 0次冻融循环。 碳化部分试 验按文献 1 】 中“ 碳化试验” 执行。 试验的具体流程见图2 所示。 混凝 土试件 制备与养护 0 次冻融循环 5 0 次冻融循环 1 5 0 次冻融循环 加速碳化 1 1 使用酚酞试剂 3 、 7 、 1 4 、 2 8 d J I 测定碳化深度 图 2 试验流程图 2 试验结果分析 混凝土碳化反应的主要化学反应式如下2 j ： CO2 + H2 0 H2 CO3 C a ( O H) 2 + H 2 C O3 - - - C a C O 3 + 2 H 2 0 3 Ca O。 2 S i O2 。 3 H2 0+3 H2 CO3 - - * 3 C a CO3 + 2 S I O2 + 6 H2 0 2 Ca O S i O2 4 H2 O+ 2 H2 CO3 - - - 2 Ca CO3 + S I O2 + 6 H2 0 本文所研究对象是青海盐渍土地区的混凝土结构。 由于青 海地区的气候环境较为特殊 ， 故将其按照普通碳化和冻融循环 后的碳化两种情况分别予以研究和讨论。 为了便于数据的讨论 和分析， 根据冻融循环次数的不同和混凝土试件类型的不同， 为 试验编号如下： A0 、 C O 、 M0 、 A5 0 、 C 5 0 、 MS 0 、 A1 5 0 、 C 1 5 0 、 M1 5 0 。 其中 A为空白试件 ， C为内掺 XY P E X试件， M 为外抹 X YP E X 试件， 字母后面的数字表示冻融循环的次数。 例： C 1 5 0 表示内掺 XY P E X， 冻融循环 1 5 0次的试件。 2 1 单一 因素作用下混凝土的碳化 张誉等p 提出了单一因素作用下基于碳化机理和试验的碳 化深度实用数学模型： ： 8 3 9 ( 1 一 删)“ 、 ( 1 ) V yr yc C 将试验参数代人式( 1 ) ， 可得与本次试验相匹配的碳化预 测模型： x = 1 4 0 3 、 了 一 。 未冻融的条状试件各碳化龄期的碳化深 度实测值与使用碳化模型计算的理论值见表 3 。 由表 3可看 出： ( 1 ) A0 试件的碳化过程与文献 3 模型相似程度较好， 试件 2 2 表3 试件碳化深度实测值与理论计算值比较 的碳化深度实测值均比理论计算值略大， 实测值与理论值的相 对误差约为 8 。 因此， 对于空白试件 ， 进行单一因素下的碳化， 用此种模型来模拟预测其碳化过程 ， 具有一定的可信度。 但使 用该方法预测工程中混凝土的碳化深度时宜修正 ， 否则略偏不 安全。 ( 2 ) C O 试件与此碳化模型在各个碳化周期内的碳化深度实 测值与理论碳化深度的相对误差在 1 0 以内。 但是， 由于不同碳 化周期内， 其相对误差分布范围较广 ， 因此， 此种碳化数学模型 已不适合模拟内掺 X Y P E X试件的碳化过程。 ( 3 ) 对于 M0试件 ， 因为在各个碳化周期内试验实测值与 理论计算值的相对误差均较大 ， 达到了 2 0 左右， 故此种模型 更不适合于涂抹 X Y P E X试件碳化深度的预测。 对于单一因素 下内掺和外涂XY P E X试件碳化深度的预测， 需要有一个更为合 理的碳化模型。 ( 4 ) C O和M0 试件在各碳化周期内的碳化深度均比同碳化周 期内的空白试件小， 且在碳化试验的初期， 内掺和外抹XY P E X的 试件碳化速度较快， 随着时间的延长 ， 碳化速度逐渐降低， 内掺 和外抹试件的抗碳化能力逐渐提高。 通过上述试验数据分析发现， 由于防腐材料的存在， 采用文 献 3 模型有一定误差 ， 对 c O 及 M0采用X = k b t 进行拟合则更为 合理柳 。 在幂函数x = k b t 回归分析的基础上，进一步将其转变成线 性方程进行分析， 具体过程如下： 对方程的两边分别取对数， 得： l n x = l n ( k b t ) = l n K b + b l n t ( 2 ) 令 k = l n k ， B = b ， x = h l x ， t = l n t ， 将原碳化模型转化为线性拟合函数： x = k + B t ( 3) 结合表 3中的数据， 使用最d x _V _ 乘法对方程进行拟合 ， 可分 别得到 c 0与M0的碳化深度数学模型： CO： x =1 2 3 3 I t 0 ( 4) M0 ： =1 1 2 6 4 ( 5) 利用以上两个碳化深度数学模型， 可以依次计算出试验中 C O和 M0 在各碳化龄期内的碳化深度， 并将计算出的碳化深度 理论笸及实测值示于图3与图4 。 从两图中可以明显的看出， 两种 混凝土试件的碳化深度模型与实际的碳化过程均拟合的较好。 量 6 嫠 登 蓬 s 2 u J o 2 0 3 o 混凝土快速碳化时间 d 图 3 C O 碳化深度实测值与计算值的比较 但是， 此碳化深度数学模型是针对处于陕速碳化试验的混 凝土试件而建立的， 所以， 若要具有实际使用价值 ， 就必须将其 转换成为盐湖地区自然环境下的碳化深度计算公式。 混 凝土快 速碳化 时间 ， d 图 4 M0碳化深度实测值与计算值的 比较 根据快速碳化试验碳化深度与碳化龄期的关系 x = K b t ， 将 公式简化为阁： k( 3 6 5 i fI t k C k ) b ( 0 6 0 3 t , ) ( 6 ) 将上述三种试件碳化深度数学模型中的相关系数代人式中， 可得其在盐湖非冻融地区自 然环境下的碳化发展方程表达式： A 0 ： x = 1 0 8 9 s x C- ( 7 ) C O ： ： 0 9 4 7 t 。 ( 8 ) M0 ： = 0 8 7 3 t ? - ( 9 ) 运用以上三个表达式就可以较为精确地预测出不同类型 混凝土试件在盐湖非冻融地区不同时间段内的碳化深度。 通过 对表 3和几种不同碳化发展方程的比较 ， 可知 ， 在盐湖非冻融 地区， 使用 X Y P E X材料可以大大的延缓 C O 向混凝土内部扩 散和发生碳化反应的速度， 从而能明显的提高混凝土结构的抗 碳化性能。 其中， 涂抹 X YP E X材料比内掺 X Y P E X材料更为有 效， 更加适应于青海盐湖非冻融地区。 2 2 冻融循环后混凝土的碳化 冻融循环后混凝土试件在各碳化龄期内的碳化深度实测 平均值见表 4 。 表 4 不 同冻融循环下各试 件的碳化深度平均值 mm 通过对表 4中碳化深度数据的纵横向比较， 可以看出： ( 1 ) 冻融循环次数的增加对内掺 X Y P E X材料的试件破坏 作用最小， 而对空白试件的破坏作用则较大。 但是， 由于其差值 的绝对值均很小， 不到 1 fi l m， 难以看出冻融循环次数的增加对 混凝土碳化深度的影响。 总之 ， 涂抹或内掺 XY P E X材料在抵抗 冻融循环次数增加对混凝土试件的破坏作用方面具有一定优 势， 但是优势并不明显。 ( 2 ) 无论 5 0次或 1 5 0次冻融循环， 无论 C或 M 试件， 其在 各碳化周期内的碳化深度和 A试件相比均小得多。 ( 3 ) 各碳化龄期内， M 试件的碳化深度比 C试件小 5 0 左 右， 可见对于冻融循环后的混凝土而言， 涂抹 X YP E X材料比内 掺 X Y P E X材料更能提高混凝土的抗碳化性能。 此外， 通过对比单一因素和双重因素( 冻融循环 +碳化) 下 的快速碳化试验的结果， 可以看出： 单一因素下的混凝土试件碳化深度均 比双重因素下的试 件的碳化深度要大， 对空白试件而言， 大约为 1 5 倍左右， 而对 涂抹 X YP E X材料和内掺 X Y P E X材料的试件而言则甚至达到 3 5 倍。 这是因为大量N a C I 的存在会降低卤水的冰点， 使得青 海盐湖地区的冻融循环对处在其中的混凝土并无明显的破坏 作用， 反而由于其填充作用， 降低了总孔隙率， 减小了孔径 ， 从 而降低了 C O 的扩散速度， 导致了单一因素下的混凝土试件碳 化深度大于双重因素下试件的碳化深度6 1 。 在试件碳化深度减小的同时， 由于 昆 凝土的气孔和微裂缝中充 满了C I - ， 可能会导致氯离子的扩散大大加速， 造成比普通碳化更 为严重、 迅速的钢筋锈蚀和结构破坏， 本文对此将不再作深 研究。 运用与建立 C O 、 M0试件碳化模型相同的方法， 分别建立 A、 C、 M试件的数学模型及自然环境下的混凝土碳化发展方程： A1 5 0 ： x = 0 9 7 5 t 。 及 x = 0 7 5 2 t 。 ( 1 0 ) C1 5 0 ： x = 0 3 6 5 8 6 及 x = 0 2 7 1 f 8 6 ( 1 1 ) M1 5 0 ： x = 0 2 0 1 t 。 及 x = 0 1 7 9 。 ( 1 2 ) A 5 0 ： x = 0 8 4 t 及 x = 0 6 4 9 ，o ( 1 3 ) C 5 0 ： = 0 3 5 7 t , ”及 x = 0 2 6 8 t 7 ( 1 4 ) M5 0 ： x = 0 1 7 3 及 x = 0 1 3 “ ( 1 5 ) 利用以上碳化深度数学模型， 可以依次计算出试验中各种 试件在不同碳化龄期内的碳化深度 ， 所有类型混凝土试件的碳 化深度模型与实际的碳化过程均拟合 良好。 图 5 、 6选择了两条 吻合性能最好和最差的图线， 作为示例。 混凝土快速碳化时间 ， d 图 5 A 5 0碳化深度实测值与计算值的比较 混凝土快速碳化时间 d 图 6 G 5 0碳化深度实测值与计算值的比较 运用以上表达式就可以相应地预测出不同类型混凝土试 件在盐湖冻融地区各时间段内的碳化深度。 3结语 ( 1 ) 对于青海盐湖地区， 无论混凝土结构是否参与冻融循 环 ， 无论冻融循环次数的多少( 5 0次或 1 5 0次) ， 使用 XY P E X 均能有效的提高混凝土的抗碳化性能， 其中涂抹X Y P E X材料的 抗碳化效果更佳。 ( 2 ) 由于冻融会析出少量微膨胀性的C a S O 晶体 ， 它的产 生使混凝土结构的内部产生微裂缝， 并且随着冻融次数的增加 而增多， 故同一类型的试件 ， 在经历 1 5 0次冻融后的碳化深度 要略大于同碳化龄期的5 0 次冻融循环的碳化深度。 ( 3 ) 青海盐湖地区参加冻融循环的混凝土 ， 其碳化深度和 同碳化龄期内的未经冻融直接碳化的混凝土相比明显较小。 说 下转第2 7页 2 3 表 5 耐久性关键控制指标 注： 预应力混凝土构件或部分预应力混凝土构件， 可按照现行行业规范J T J D 6 2 -2 0 0 4 ( 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范 计算裂 缝宽度。 消耗量按 2 5年设计 ， 按期更换。 后 5 0年， 设计中采用预留腐蚀 厚度 ， 非通航孔桥按 O 0 6ram 年预留 ， 通航孔桥按 0 2ram 年 预留 。 ( 7 ) 防撞钢套箱。 防撞钢套箱采用聚氨酯表面防护， 预期防 护寿命 1 0 1 5年， 采用涂层和牺牲阳极阴极保护联合防护。 4结语 港珠澳大桥工程作为是世界级的跨海通道工程、 国家重要 基础建设项目， 设计寿命采用 1 2 0 年是完全合适的， 为适应 1 2 0 年 的设计寿命， 需要相应的荷载标准取值 、 合理的结构构造、 强腐 蚀海洋环境中的耐久性保证措施， 以及能够确保工程品质与先 进的施工方法即大型化、 工厂化、 标准化、 装配化 ， 以实现 其长寿命 目 标。 上接 第 2 3页 明卤水的冻融循环对混凝土的碳化有着有利的影响， 即产生了 损伤正效应。 ( 4 ) 在相同的碳化龄期内， 涂抹或内掺 XY P E X材料的试件 经历冻融循环后的碳化深度和空白试件相比降低的百分比要 远大于其在单一因素下的数值 ， 即若仅考虑混凝土的碳化影响， 青海盐湖冻融地区的混凝土涂抹 X Y P E X材料将具有比非冻融 地区更好的适用性和工程实用价值。 ( 5 ) 本试验建立了盐湖地区自然环境下的混凝土碳化深度 模型， 模型计算值与本试验结果吻合良好。 参考 文献 ： 【 1 J T G B 0 1 -2 0 0 3 ， 公路工程技术标准【 s 2 12 J T G D 6 0 - - - 2 0 0 4 ， 公路桥涵设计通用规范 s 3 J T G D 6 2 -2 0 0 4 ， 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范 s 【4 G B T 5 7 6 -2 008 ， 混凝土结构耐久性设计规范 s 】 【 5 】T r a n s p o r t P l a n n i n g D e s i g n Ma n u a l S 2 0 0 1 ， T r a n s p o r t D e p a r t me n t ， Ho n g Ko n g 6 】S t r u c t u r e s D e s i g n Manu a l f o r H i g h w a y s a n d R a i l w a y s S 2 006 ， H i g h - wa y s De p a r t me n t ， Ho n g Ko ng 【 7 】F o u n d a t i o n D e s i gn a n d C o n s t r u c t i o n ( G E O P u b l i c a t i o n N o 1 2 0 0 6 ) ， Ge o t e c h ni c a l En g i n e e r i n g Of f i c e， C i v i l En g i n e e r i n g a n d De v e l o p me n t De pa r t me n t ， Ho n g Ko n g 作者简介 ： 联 系地址 ： 联 系电话 ： 徐军( 1 9 7 1 一 ) ， 男， 工学硕士， 高级工程师， 主要从事大跨度 桥梁结构设计、 设计咨询( 审查) 、 研究等工作。 北京西城区德胜门外大街 8 5 号( 1 0 008 8 ) 1 3 91 0 5 9 6 1 3 2 工业出版社 ， 2 0 0 5 2 张鹏 ， 赵铁军， 等 冻融前后混凝土碳化性能试验研究 混凝土， 2 007 ( 5 ) ： 6 - 1 1 【 3 张誉 ， 蒋利学， 等 混凝土结构耐久性概论 M 】 上海： 上海科学技术出 版社， 2 0 0 3 4 1曾学艺 ， 夏日威j 昆 凝土的碳化及耐久性预测叨 湖南交通科技， 2 006 ， 3 2 ( 2 ) ： 1 2 1 1 2 4 5 金伟良， 赵羽习 混凝土结构耐久性 M E 京： 科学出版社， 2 0 0 2 【 6 余红发 ， 孙伟， 等 在盐湖环境中高强与高性能混凝土的抗冻性 硅 酸盐学报， 2 004 ， 7 ( 3 2 ) ： 8 4 2 8 4 8 作者简 介： 联 系地址 参考文献： 【 1 】 D B J 1 4 s 6 2 o 0 5 ， 混凝土结构耐久性设计规程 s 1 C 京： 中国建 材 蜃系电 话 周 ( 1 9 7 1 一 ) ， 男， 高级工程师， 主要从事桥梁工程设计施 工方面的研究。 陕西省西安市雁塔区长安中路 1 6 1 号 长安大学小寨校区 建筑工程学院( 7 1 0 0 6 1 ) 1 3 5 7 2 09 2 98 8 27