模拟海水低温环境下混凝土抗压性能试验研究.pdf

2 0 1 5 年 第 4期 (总 第 3 0 6 期) Nu mb e r 4 i n 2 0 1 5 ( T o t a l N o 3 0 6 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 理论研究 THE ORET I 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 5 0 4 0 1 2 模拟海水低温环境下混凝土抗压性能试验研究 张英姿 ， 陈 国芳 ， 范颖芳 ( 1 哈尔滨工业大学 土木工程系，山东 威海 2 6 4 2 0 9 ； 2 大连海事大学 道路与桥梁工程研究所， 辽宁 大连 1 1 6 0 2 6 ) 摘要： 为了研究低温海水环境下混凝土的抗压力学性能变化 ， 依据实测温度变化记录( 不同于以往快速冻融试验 ) ， 在试验室 模拟了低温海水环境下混凝土的腐蚀过程， 对在不同腐蚀程度下 6 O 个混凝土棱柱体试件进行抗压性能试验 ， 得到了不同腐蚀时 期混凝土抗压性能指标( 轴心抗压强度 、 静力受压弹性模量等) 。 试验结果表 明： 低温海水侵蚀后混凝土试件的外观、 质量和破坏 形态等均随侵蚀时间发生变化 ， 且随着腐蚀时间的延长 ， 轴心抗压强度逐渐降低， 但弹性模量变化不明显 ； 分别采用质量损失 、 抗 压强度、 弹性模量和吸能能力等指标的变化率为损伤指标 ， 对不同腐蚀程度混凝土力学性能的退化进行分析， 得到了各损伤指标 与混凝土抗压性能退化程度之间的变化规律。 关键词 ： 混凝土； 腐蚀； 抗压性能； 低温 ； 海水 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 5 ) 0 4 0 0 4 4 0 5 E x p e r i me n t a l s t u d y o n c omp r e s s iv e p r op e r t y o f c o n c r e t e c o r r o d e d b y s i m u la t e d s e a wa t e r i n l o w t e m p e r a t u r e ZHANG Yi n gz i ， CHEN Gu o f a ng ， FAN Yi n g f a n g ( 1 De p a r t me n t o f C i v i l E n g i n e e ri n g ， Ha r b i n I n s ti t u t e o f T e c h n o l o g y a t We i h a i ， We i h a i 2 6 4 2 0 9， C h i n a ； 2 I n s ti t u t e o f R o a d a n d Bri d g e E n g i n e e ri n g ， Da l i a n Ma r i ti me U n i v e r s i t y ， Da l i a n 1 1 6 0 2 6 ， C h i n a ) Abst r a c t： To i n v e s ti ga t e c o mp r e s s i v e pe r f o r ma nc e o f c o n c r e t e s e r v i c e d i n t h e l o w t e mpe r a t u r e s e a wa t e r e n v i r o n me n t ， a c c e l e r a t e d c o r r o s i o n t e s t s we r e e x e c u d o n 6 0 c o n c r e p ris m s s pe c i m e ns i n the l a bo r a t o r y S pe c i m e ns we r e e x p os e d t o th e s i m u l a t e d l o w t e m p e r a t u r e s e a wa t e r e n v i r o n me n t ， a n d t h e c h a n g e o f the t e mp e r a t u r e i s d i f f e r e n t f r o m the r a p i d f r e e z i n gtha wi n g c y c l e Ax i a l c o mp r e s s i v e s t r e n g t h， e l a s t i c mo du l u s ， we i g h t a n d a p p e a r a n c e o f the c o rro d e d s p e c i me n s we r e a c hi e v e d I t i s s ho wn that， i n t h e l o w t e mp e r a tur e s e a wa t e r e n vi r o n me n t ， p h ys i c a l a nd me c h a n i c a l p r o p e r t y o f c o n c r e t e s p e c i me ns c h a ng e d I t i s d i s c o v e r e d t h a t the c o mp r e s s i v e s e n g th o f the c o n c r e t e d e c r e a s e wi t h t h e i n c r e a s e o f c o r r o s i o n d u r a t i o n， whi l e e l a s tic m o d u l u s h a s n o r e g u l a r c h a ng e Ta ki n g t h e m a s s los s r a t i o， s tr e n g t h d e g r a d a ti o n r a t i o a n d e l a s t i c m o d u l us d e g r a d a t i o n r a t i o a n d e n e r g y l os s a s d a m a g e i n d e x， e f f e c t s o f t h e c o r r os i o n s o l u t i o n o n the p r o pe r t y o f c o n c r e t e we r e di s c us s e d i n d e t a i l Re l a t i on s h i p s b e t we e n the d a ma g e i n d i c e s a nd c o r r o s i o n s t a t e o f s p e c i m e ns we r e a c h i e v e d Key wor ds： c o n c r e t e； c o rro s i on； c o mp r e s s i v e p e rfo r man c e； l o w t e mp e r a t u r e； s e a wa t e r 0 引言 海洋面积 占地球 表 面面积 的 7 1 8 ， 仅 我 国就有 约 1 8 0 0 0 k m漫 长的海岸线 。 我国正处于经济高速发展时期 ， 许 多耗资巨大的重要构筑物 ， 如跨海大桥 、 海底 隧道 、 海上 采油平台 、 海港 、 近海工程等 已经或正在兴建 ， 在这些大量 的海洋工程中混凝土一直是使用量最大和最基本的材料 ， 而今后很长的一段 时间内， 海岸 、 海 中和海底 工程结构 的 材料仍将以 昆 凝土材料为主， 但是混凝土在服役期间要遭 受低温环境下海水各种离子 ( 如氯离子 、 硫酸根离子 、 镁离 子等 ) 的侵蚀 。 这些处于海洋或氯离子环境条件下混凝土 结构 的耐久性 自然成为土木工程界关注 的焦点 ， 因此受海 水腐蚀混凝土力学性能退化 规律的探讨是研究整个结构 力学性能退化 的基础 ， 意义重大。 迄今 为止 ， 国内外学者 对混凝 土在海水 冻融循环下 力学性能 的影 响 开展 了一定 的试 验研 究 。 和 理论 分 析 。 J 。 B a d e r l l 通过试验研究 了沿 海地区地下 部位 的混 凝土 ， 研究结果表明水灰比及水泥量等配合 比参数对混凝 土中氯离子扩散和硫酸盐的抗腐蚀性有着重要的影响 ； 杨 全兵 结合现场调研 和试 验研 究对除冰盐引起 的混凝 土 剥蚀破坏 的机理和影 响因素进行了系统 的研究 ， 提出了抗 冻设计参数 ； 覃丽坤 等采用快速冻融方法对浸泡在模仿 海水 3 5 N a C 1 溶 液 中的混凝土进行 0 、 2 5 、 5 0 、 7 5 、 1 0 0次 冻融循环试验 ， 研 究 了冻 融循环对 海水 中混凝 土抗压 强 度 、 弹性模量及 应力 一应变关系 的影响 ， 并在此基础 上建 立了相应 的破坏准则 ； 陈妤 等从冻融与氯盐侵蚀机理出 发 ， 通过试验测定 了不同冻融条件下 的氯离子 扩散深度 ， 建立 了冻融条件下预应力混凝土结构氯离子扩散模型 ； 孙 洋 等采用快冻法 ， 以 3 的氯化钠和 5 的硫酸钠混合溶 液为侵蚀介质 ， 对水灰 比为 0 4 4 、 0 5 0和 0 5 5的混凝土试 收稿 日期 ： 2 0 1 4 0 9 1 4 基金 项 目 ： E 日 家 自然科学基 金资助 ( 5 0 7 0 8 0 1 0， 5 1 3 0 8 1 6 6 ) ； 威海 市科技发展计划项 目( 2 0 1 3 D XG J 0 8 ) ； 哈工大科研创新基 金( 2 0 1 5 1 1 9 ) 44 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 件进行 了 0 、 5 0 、 1 0 0 、 1 5 0 、 2 0 0次 的冻融循 环试 验 ， 试验 结 果表明 ： 混凝土随之冻融循环 次数 的增加 ， 其 质量和力 学 性能呈现 出不 同程 度 的下降趋势 ， 且 水灰 比越大 下 降越 快 ； 基于热力学和线 弹性理论 ， P e n t t a l a 计算 了湿混 凝土 在冻融循环 中的压力 、 应力和应变 ； C h o 川利用响应面方法 预测了混凝土 因冻融循环发生破坏的概率 。 综上所述 ， 目前 的研究成果大多都是根据快速冻融循 环法进 行试验分析 ， 针对抗 冻等级安全性 展开 的， 且 在两 个或者多个腐蚀介质共 同作用下受腐蚀 混凝土力学 性能 的相关研究资料甚少 ， 对正常使用温度范 围偏低温度下受 海水侵蚀混凝土力学特性缺乏系统而全面的研究。 区别以 往试验研究 ， 为 了使试验结果 更接近真实情 况 ， 本试验 主 要研究模拟真实持续低温作用下 受海水侵蚀混凝 土静 力 抗压弹性模 量、 单 轴轴 心抗压 强度等 力学 指标 的变化 规 律 ， 试 图探讨复合 因素作用下混凝 土的腐蚀机理及其损伤 劣化特性 。 1 试 验 研 究 1 1 原材料 为与实际工程相接 近 ， 尽量减小混凝土配制过程中的 离散性 ， 本次试 验混凝 土试件 采用大 连彤 阳建 筑材料 有 限公 司生产 的 C 3 0预拌混凝 土。 坍落 度为 1 8 0 m m， 水 泥 为小野 田普通 4 2 5 R级水泥 ， 砂子为大 沙河 中砂 ， 石子 为 5 - 2 5 m m青碎石 ， 配合 比如表 1 所示 。 表 1 混凝土配合比设计 1 2试 件 制 作 制作尺寸为 1 5 0 m m 1 5 0 m m 3 0 0 m m 标准棱 柱体 试件 6 0个 ， 并同期制作了标 准立 方体试件测试 2 8 d抗压 强度。 试件形成静置两昼夜后脱模 ， 在养护室 里养 护 2 8 d 后 ， 测试立方体抗压强度为 4 5 9 MP a 。 1 3试 验 方 法 及 过 程 1 - 3 1 试 验方法 目前 国内外针对 冻融条件 下混凝土力 学性能变 化规 律研究 ， 大多数 试验 都推行 快冻 法。 区别 以往试 验研 究 ， 本研究 主要探 讨 在 实际 持续 低 温 环境 下 受 海水 侵 蚀 混 凝 土的力学性 能劣化规律 。 针对我 国黄海海域海水中的主 要盐分及含量 ， 并 依据各种离 子在水 中的饱 和度 ， 本试验 模拟 的海水为黄海流域海水主要离子浓 度的 5倍 ， 所 配制 海水溶液主要离子的浓度为 ： S O 一为 1 2 0 0 0 g L， Mg 为 6 7 5 0 g L ， C 1 一 为 9 0 0 0 0 g L ， 依据冯 乃谦 关 于硫酸盐 、 镁盐 、 氯盐对混凝土侵蚀等级 的分类 ( 分 为强 、 中、 弱三个 等级 ) ， 试验中各种离子 的浓 度均 已达 到对混 凝土 的强腐 蚀等级， 采用市场所售分析纯进行配制。 试验制作了6 0个 棱柱体试件， 分为 l 0组 ， 常温下 1 组 ， 其余 9组进行加速 腐蚀低温试验 ， 其分组如表 2 所示 。 表 2试验设置 混凝土试件进行 的侵蚀 时间均为该 日( 2 4 h ) 的不 同循 环 天数 。 图 1温厦 变化 1 3 2 试验过程 待混凝土试件标准养护后 取 出， 进行外 观检查 ， 然后 放在模拟海水 中浸泡 。 因本试验于 2 0 0 8 年 1 0月浇筑混凝 土 ， 故试验按照我国现行规范 G B T 5 0 0 8 2 -2 0 0 9 普通混 凝土长期性和耐久性 能试验方法 1 9 1 的相关规定 ， 混凝 土 试件在模拟海水溶液 中浸泡至少 4 d ， 为尽量使海水渗透 到试件中 ， 本试验中拟定将试 件浸泡 6 d 。 浸泡完毕后 ， 取 出试件 ， 用布擦除表面水分 ， 利用 B W3 2 K H岛津 中型电子 天平 ( 精度 0 1 g ， 量程 3 2 k g ) 称重。 按照规程 的规定 ， “ 需将试件放入装有海水的试件盒中” ， 由于试验仪器的局 限l 生， 本试验 中试件一半置于空气 中， 另一半浸在海水 中 ， 将试件和试 验盒 一 同放人 E U 一 0 2 K A 型高 低 温试验 箱 ( 温度控制精度达到 0 1) ， 该设备温度控制可 以设置 的 最低温度为 一 4 5， 最高温度可达 1 6 0 ， 可根据用户需 要设置时间和温度 的程序段 。 按照图 1 的程序进行 温度控 制 ， 达到规定试验时间取出 ， 将试件表面浮渣清理 干净 ， 擦 去表面积水 ， 并检查其外部损伤 ， 用 电子天平测试质量 ， 然 后放置 5 d ， 采用 Y A W Y A W2 0 0 0 A型 2 0 0 t 微机控制 电 液伺服压力试验机进行轴心抗压力学性能试验 。 根 警 曼 2试 验 结 果 与 分 析1 于9 7 0 年 1 月 4 日 ，因当时气象站数据获取的局限性 ， 取 四个点表示该天温度 变化情况 ， 如 图 1 所示 ， 本试验 中对 根据 G B T 5 0 0 8 1 -2 0 0 2 普 通混凝 土力学 性能试 验 4 5 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 D 与侵蚀 时间基 本上成线 性增加 关系 ， 其线 性 回归 相关 系数为 0 8 6 。 2 5 静力抗压 弹性模量 为便于分析比较经受不同腐蚀时间的受腐蚀混凝土 与同期未腐蚀混凝 土试件弹性模量 的变化规律 ， 定义受腐 蚀混凝 土静力抗压弹性模量损失率 D 为 ： DE c =( 1一 c o )1 0 0 ( 3 ) 式中： E 腐蚀 t d 混凝土弹性模量； E 同期对 比组混凝 土弹性模量 。 受不同浓度溶液侵蚀混 凝土静力抗 压弹性模 量 比损 失率 D 与腐蚀作用 时间的关系如 图 5 所示 。 1 3 5 7 9 l l 1 3 腐蚀时间， d 图 5 相对静力抗压弹性模量比与腐蚀时间的关系 从 图 5 可看 出 ， 可 以看 出， 受侵蚀 的混凝土静力 抗压 弹性模量损失率 D 与侵蚀时间无明显 的规 律 ， 数 据较为 离散。 但总体上 D 的数据大都分布在第一象限， 这说 明 低温海水环境下浸泡的混凝土已经发生了明显 的劣化 。 2 6吸 能 能 力 混凝土的吸能能力是研究混 凝土从 开始受力 、 产生裂 缝直至破坏时所吸收能量 的物理量 ， 定义为其应力 一 应变 曲线上 在 达 到 最 大 应 力 前 曲 线 与 应 变 轴 所 包 围 的面 积 。 在本试验中假设混凝土达到轴心抗压强度前 ， 其应 力应变符合线性关系即应力 一 应 变曲线 的上升段为直线 ， 根据测得的轴心抗压强度和静力抗压弹性模量， 故可以得 到受侵蚀混凝土试件的吸能能力 。 为便于分析比较经受不 同腐蚀时间的受侵蚀混凝土与未腐蚀混凝土试件吸能能 力 的变化规律 ， 定义吸能能力损失率为 ： D =( 1 一 Y V , W o ) 1 0 0 9 6 ( 3 ) 式 中： D 混凝 土试件的吸能能力损失率 ； 腐蚀 t 天混凝土的吸能能力； 未腐蚀混凝土的吸能能力。 浸泡不同时间的试件其吸能能力损失率 D 与侵蚀时 间的关 系 ， 如 图 6 所示 。 由图 6可 以看 出 ， 随着 侵蚀时 间的增 长 ， 混凝土 的吸 能能力损失率呈逐渐上升的趋势。 这说明由于低温海水的 腐蚀作用对混凝土内部造成损伤 ， 使得混凝土抵抗变形的 能力发生一定程度的降低( D 最大值为 0 2 0 ) 。 因此， 本试验 中混凝土吸能能力损失较小 ， 进行抗压性能测试时 试件仍 能表现 出较大的塑性变形 。 2 7 各损伤指标 与侵蚀 时间之 间的关 系 综上本 研究定义 的四个损失指标 ( 质量损失率D ， 轴 连 鬣 盏 萋 薹 蝠 侵 蚀时 间 d 图 6混凝土试件的吸能能力损失率和侵蚀时间的关系 心抗压强度损失率 D ， 静力抗压弹性模量损失率 D 。 以及 吸能能力损失率 D ) 与侵蚀时间的关系如图7所示。 2 0 1 5 1 0 靼 s O -5 0- 3 O 2 连 蠖0 1 蠢 。 一 O 1 一 O 2 1 3 5 7 9 I1 13 侵 蚀时 间 d ( a ) 1 3 5 7 9 I l 1 3 侵 蚀时 间 ， d ( b ) 图7 损伤指标与侵蚀时间之间的关系 由图 7可 以看 出， D 与 D 值变 化较 小 ， 最 大仅 为 0 2 6 ， 而 D 变化值最大 ， D 。 变化波动较大。 四个损伤 因 子随着侵蚀时间的增长， 变化不同， 这说明腐蚀对混凝土 各性能指标影响不 同。 D 。 在试验初期减小甚至为负值 ， 即 质量有所增加 ， 而 7 d之后 质量才有所 减小 ， 且 在整个试 验过程中变化值较小 ， 没有发生明显的剥 落现象 ， 因此 ， 质 量损失率 D 。 对混凝土低温腐蚀耐久性劣化性能变化不敏 感 ， 故不能准确评价其劣化程 度 ； D 与 D 变化 趋势大致 相近 ， 随腐蚀时间的延长而增大 ， 反 映的是混凝土 内部总 体缺陷的发展， 表现出低温腐蚀对混凝土力学性能的劣化 进程 ， 虽然吸能能力损失率较小 ， 低 于抗压 强度损失率 ， 但 也能体现低温腐蚀对混凝土力学性能的劣化趋势； 在本次 试验中， 弹性模量的测试结果波动较大， D 未能较好地体 现混凝土的劣化进程 。 因此 ， 本试验 中， 损伤指标 D 和 D 能够较好地反映混凝土力学性能劣化过程。 3 结论 通过 对模拟低温海水 环境下受不 同时间侵 蚀的 C 3 0 4 7 8 7 6 5 4 3 2 1 0 1 2 3 Q 彗咖 徼幽 箍靛 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 昆 凝土棱柱体试件进行抗压力学性能试验研究 ， 主要得到 以下结论 ： ( 1 ) 在较短的腐蚀时间( 仅为 1 2 d ) 内， 受侵蚀混凝土 试件表面未发生明显的剥落现象 ， 试 件的破坏形态未发生 显著变化 ， 其最终破 坏形式 并非瞬间 的压溃 ， 而表现 出较 大 的塑性变形。 ( 2 ) 低温海水环境下受腐蚀混凝土试件质量表现出先 增加后减小的趋势 ， 且变化范 围较小 ， 受腐蚀后 昆 凝 土试 件轴心抗压强度随着侵蚀时间的延长逐渐降低 ， 而其静力 抗压弹性模量变化不显著且波动较大， 吸能能力损失率随 着腐蚀 时问的延长呈逐渐上升 的趋势 。 ( 3 ) 在质量损失率 、 抗压强度损失率 、 弹性模量损失率 以及吸能能力损失率 等四个损伤指标 中能较好地反 映混 凝土力学性能劣化过程 的是 D ( 抗压强度损失 率) 和 D ( 吸能能力损失率 ) 。 参考 文献 ： 1 B A D E R M A P e rf o r ma n c e o f c o n c r e t e i n a c o a s t a l e n v i r o n me n t E J C e m e n t &C o n c r e t e C o mp o s i t e s ， 2 0 0 3 ， 2 5 ( 4 ) ： 5 3 9 5 4 8 2 杨全兵， 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o n g m i n g ， L I N G a o D y n a m i c T e n s i l e P r o p e r t i e s o f C o n c r e t e u n d e r D i f f e r e n t E n v i r o n me n t s I 3 J o u r n a l o f Wu h a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y Ma t e r S c i E d ， 2 0 0 6 ， 2 1 ( 4 ) ： 1 6 3 1 6 8 作者 简介 联系地址 联系电话 张英姿( 1 9 7 9 一) ， 女 ， 副教授， 从事混凝土结构耐久性 及抗震性能研究。 哈尔滨工业大学土木工程系( 2 6 4 2 0 9 ) 1 8 7 6 9 1 9 6 0 5 2 国建筑工业出版社， 2 0 0 8 1 2 C E C S 2 2 0 ： 2 0 0 7 ， 混凝土结构 耐久性评定标准 s 北京 ： 中国 建筑工业出版社 ， 2 0 0 7 1 3 3 C E C S 5 3 ： 9 3 ， 混凝土碱含量限值标准 s 北京： 中国建筑工业 出版社 ， 1 9 9 3 作者简介 ： 孙彬( 1 9 7 8一) ， 男， 博士 ， 副研究员， 研究方向 ： 主要从 事混凝土结构耐久， 性与既有结构可靠性研究。 联系地址： 北京币北三环东路 3 0 号 中国建筑科学研究院建筑工 程检测中I B ( 1 0 0 0 1 3 ) 联系电话 ： 1 3 9 1 1 0 8 6 1 1 9 具I- P 安徽 C N 2 0 2 7 8 1 3 7 2 U 2 0 1 3 0 3 1 3 9 宋功业 一种干硬性混凝土试块留置设备 P 江苏 C N 2 0 1 8 0 3 8 8 4 U 2 01 10 42 0 1 O 马志鸣， 赵铁军 ， 王鹏刚， 等 矿物掺合料对混凝土毛细吸收作 用影响的试验研究f J - I 混凝土 ， 2 0 1 4 ( 3 ) ： 8 7 8 9 1 1 徐方， 朱婧， 陈建平， 等 矿物掺合料对聚合物改性多孔水泥混 凝土的性能影响研究 J 混凝土， 2 0 1 2 ( 4 ) ： 4 1 4 4 1 2 1J 数华， 冷发光， 李丽华 混凝土辅助胶凝材料E M 北京： 中国 建材工业出版社， 2 0 1 0 作者简介 ： 郭傲( 1 9 8 9一) ， 女， 在读硕士研究生 ， 研究方向 ： 混凝 土耐久性。 联系地址 联 系电话 山东省 青岛市四方 区抚顺路 1 1号 青岛理工 大学 ( 2 6 6 0 3 3 ) 1 5 1 9 2 49 0 1 7 l 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m