硫酸盐侵蚀环境下混凝土强度的经时变化模型.pdf

第 2 7卷 第3期 2 0 1 0年 3月 长 江科 学 院 院 报 J o u r n a l o f Y a n g t z e R i v e r S c i e n t i fi c Re s e a r c h I n s t i t u t e V0l _ 2 7 No 3 Ma r 2 O 1 0 文章编号： 1 0 0 1 5 4 8 5 ( 2 0 1 0) 0 3 0 0 5 9 0 3 硫酸盐侵蚀环境下混凝土强度的经时变化模型 袁晓露 ， 李北星 ， 崔巩 ， 赵尚传 ( 1 武汉理工大学 硅酸盐教育部重点实验室， 武汉4 3 0 0 7 0； 2 交通部 公路科学研究院， 北京1 0 0 0 8 8 ) 摘要： 通过干湿循环 一 硫酸盐侵蚀加速试验方法， 研究了高性能混凝土抗压强度的经时演变规律 ， 采用统计 回归方 法分析试验数据， 得到了混凝土强度平均值和标准差的经时变化函数， 建立了硫酸盐侵蚀环境下高性能混凝土抗 压强度的经时变化函数概率模型。结果分析表明： 硫酸盐侵蚀环境下， 混凝土的抗压强度平均值呈现出显著的二 次多项式经时变化规律； 抗压强度标准差的经时变化过程表现为典 的一阶指数增长函数。 关键词： 硫酸盐 ； 高性能混凝土； 抗压强度； 经时变化 ； 模型 中图分类号： T U 5 2 8 0 1 文献标识码： A 混凝土结构在服役过程中会经常遭受各种环境 介质的侵蚀， 其中硫酸盐( 通常存在于土壤、 海水及 地下水 中) 侵蚀是最广泛 、 最普通的化学侵蚀形式。 硫酸盐通过渗透扩散进入混凝土内部 ， 与水泥石 中 的一些 固相组分反应 ， 致使混凝土内部结构 的破坏 以及物理力学性能的迅速劣化 。 混凝土强度是确定混凝土结构构件抗力的基本 参数， 其经时变化规律是建立服役结构抗力衰减模 型的基础。因此 ， 硫酸盐侵蚀环境下混凝 土强度 的 演变规律一直是学术 界研究 的重 点 。然而 ， 现 有这些研究通常是假设混凝土遭受均匀侵蚀 ， 将混 凝土强度作为性质定量， 试验分析其经时变化过程， 而忽视 了侵蚀环境 、 材料性质等因素对强度发展 的 随机影响。 若考虑混凝土强度作为随机变量 ， 那么其概率 分布 、 平均值和标准差 的经时变化规律将是服役结 构抗力评价迫切需要解决 的问题。本文通过干湿循 环加速试验方法研究 了高性能? 昆 凝土抗压强度的经 时变化过程 ， 并采用回归方法分析试验数据 ， 建立 了 硫酸盐侵蚀环境下高性能混凝土强度的经时变化概 率模型 1 试验研究 1 1 原材料 水泥 ： 华新 P 0 4 2 5级水泥 ； 粉煤灰 ： 阳逻 电 厂 I 级粉煤灰 ， 比表面积 6 2 0 m k g ； 细集料 ： 巴河 河砂 ， 细度模数2 9 ， 表观密度 2 6 3 0 k g m ； 粗集料 ： 黄石大冶旺仁百花碎石场连续级配石灰岩碎石 ， 表 观密度 2 7 2 0 k #m 。 ， 压碎指标1 1 6 ， 粒径范围 5 2 5 mm。减水剂 ： B A S F S P一 8 C R聚羧酸盐高性能减 水剂 ， 固含量 2 0 ， 减水 率 2 5 。硫酸钠 ： 化学试 剂 ， 分析纯 。 1 2试验过程 设计了一批高性能混凝土， 胶凝材料用量 4 6 0 4 8 0 k g m ， 水 胶 t L 0 3 20 3 4 ， 粉 煤灰 掺量 为 0 1 0 ， 砂率 4 o 。拌和时 ， 调整减水剂用量， 以满足混 凝土的初始坍落度达( 2 2 02 0 ) m m、 扩展度 ( 5 0 0 5 0 ) m m为准。试件 ( 1 0 0 l im a1 0 0 m m 4 0 0 m m) 成 型后， 标 准 养 护 至 2 8 d ， 测试 试 件 的抗 压 强 度 为 7 3 1 7 6 4 M P a ， 参照D L T 5 1 5 0 2 0 0 1 水工混凝土 试验规程 测试试件的自振频率。 将试件置于 ( 7 5-4 - 5 ) o C烘箱 中烘 干( 61 )h ， 冷却 1 h ； 放人( 9 5 0 5 ) N a S O 溶液中室温浸 泡 ( 1 61 )h ， 取 出晾干 1 h ， 一个循环为( 2 4 2 )h 。 每天对溶液定时进行搅拌 ， 每 7 d更换一次侵蚀溶 液 。由于试件是分多层随机放置于烘箱和室温溶液 中， 温度 、 湿度及溶液浓度难于完全 均匀， 因而混凝 土是遭受一个随机 的干湿循环 一硫酸盐侵蚀过程。 每 2 5 d循环测试一次 自振频率 ， 计算试件相对动 弹 模量 ； 根据相对 动弹模量值 的排序 ， 将 试件分 为 9 组， 每组随机抽取3个试件， 测试抗压强度并计算平 均值。 1 3 试验结果与分析 干湿循环 一硫酸盐侵蚀条件下混凝土的抗压强 度变化过程如图 1 所示 。结果表明， 混凝土抗压强 收稿 日期 ： 2 0 0 9 - 0 4 0 8 ；修回 日期 ： 2 0 0 9 0 6 0 2 基金项 目： 西部交通建设科技项 目( 2 0 0 6 3 1 8 2 2 3 0 2 0 8 ) 作者简 介： 袁晓露 ( 1 9 8 0 ) ， 女 ， 四川乐 山人 ， 博士研究 生 ， 主要从事混 凝土耐久 性方 面的研究 ， ( 电话 ) 1 3 9 8 6 2 8 5 0 5 1 ( 电子信箱 )y u a n x i a o l u1 9 8 0 y a h o o c o rn c n 。 长江科学院院报 2 0 1 0生 度在侵蚀初期 增大 ， 1 0 0 d循 环侵蚀 后快 速下 降。 强度测试值在侵蚀 中前期较为均匀， 侵蚀后期 由于 受到侵蚀环境 、 材料性质等因素的影响， 呈现出较大 的随机性 。 图 1 混凝土的抗压 强度 Fi g 1 Co mpr e s s i v e s t r e n g t h o f c o n c r e t e 2 硫酸盐侵蚀环境下混凝 土强度的 经时变化概率模型 2 1 混凝土强度的概率分布 结构设计中， 混凝土强度作为随机变量， 服从对 数正态分布。当混凝土遭受硫酸盐侵蚀时， 其强度 随服役时间劣化 ， 需采用非平稳随机过程模型描述 服役混凝土的强度 ， 认为强度仍服从对数正态分布 ， 任意时刻 t 混凝土抗压强度的概率密度函数可以表 示为 f ) 1 e x p ( 一 )， ( 1 ) 式中： 胁， 卢 为模型参数， 由抗压强度的平均值 函数 肛 ( t ) 和标准差函数 盯 ( ) 相应确定。 -t R ( ) 叼( ) ； ( 2 ) R( t )：8 ( t ) 册。 册， 册为混凝土 2 8 d ( 即 t =0 ) 抗压强度平 均值和 标准差； 卵 ( t ) ， ( ) 是随时间变化的函数 ， 分别表示 混凝土强度平均值和标准差的变化规律 j 。 干湿循环制度会加快硫酸盐侵蚀进程和混凝土 力学性能的劣化速率。A t k i n s o n研究了硫酸盐长期 浸泡制度与干湿循环制度下混凝土性能的相关性 ， 得出等效系数 K=8 。因此认 为干湿循环加速试 验条件下试件抗压强度的变化速率与硫酸盐侵蚀环 境下混凝土抗压强度的变化规律线性相关 ， 即 ( )： ， 7 ( ) ； ( 3 ) R( t )：k ( t ) 册 。 式中： 为干湿循环加速条件与硫酸盐侵蚀环境中 混凝土抗压强度的等效系数 ； 叼 ( t ) ， ( t ) 分别表 示干湿循环加速试验条件下混凝土抗压强度平均值 和标准差的经时变化函数。记 K。 = 加， = 舳，( 3 ) 式可表示为 月( t )=K 1 叼 ( t )； L斗 J R( t )=K 2 ( t ) 。 于是 ， 研究干湿循环加速试验条件下混凝土抗压强 度平均值和标准差的经时变化函数将是建立硫酸盐 侵蚀环境 中混凝土抗压强度经时变化模型的关键。 2 2 抗压强度平均值的经时变化 函数 卵 ( t ) 基于图 1中混凝土抗压强度测试值 ， 研究高性 能混凝土抗压强度平均值 的经时变化 函数 叼 ( t ) 。 平均抗压强度经时变化值如 图 2所示 ， 对散点 图进 行数据拟合 ， 得到如下回归曲线函数 叼 ( )：0 9 7 7 3 6+0 0 0 2 9 4 t 一1 9 5 1 9 2 e t 。 利用非线性最小二乘 回归方法计算曲线相关系 数 R = 0 9 8 5 8 。这说 明硫酸盐侵蚀环境下混凝土 的抗压强度平均值呈现出显著的二次多项式经时变 化规律。 0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 t | a 图 2 强度平均值经时变化函数 F i g 2 Fu n c t i o n o f me a n v a h l e o f s t r e n g t h 2 3抗压强度标准差的经时变化 函数 图3为高性能混凝土抗压强度标准差的经时变 化 散点图 ， 混凝土的抗压强度标准差在侵蚀中前期 t d 图 3强度标 准差经 时变化 函数 F i g 3 Du r a t i o n c u r v e o f s t a n d a r d d e v i a t i o n o f s t r e n g t h 第 3期 袁晓露 等 硫酸盐侵蚀环境下混凝土强度的经时变化模型 6 1 无显著变化 ， 1 5 0 d循 环侵蚀后快 速增长 。这表 明 混凝土的抗压强度在侵蚀 后期易受到侵蚀环境 、 材 料性质等因素的影 响， 呈现 出较大 的波动性。数据 拟合得到回归 函数 占 ( ) = 1 6 1 7 6 2 e x p ( ) - 4 _ 2 o 6 0 5， 利用非线性最小 二乘 回归方法计 算 曲线相关 系数 R = 0 9 8 3 1 7 。因此 ， 硫酸盐侵蚀环境 下混凝土抗 压强度标准差 的经时变化过程表现为典型的一阶指 数增长函数。 3 结 论 ( 1 )干湿循环 一 硫酸盐侵蚀条件下 ， 混凝土抗压 强度在侵蚀初期增大， 后期快速下降 。强度测试值在 侵蚀中前期较为均匀， 侵蚀后期 由于受到侵蚀环境、 材料性质等 因素的影响， 呈现出较大的随机性。 ( 2 )硫酸盐侵蚀环境下 ， 混凝 土的抗压强度平 均值呈现出显著的二次多项式经时变化规律 ， 抗压 强度标准差的经时变化过程表现为典型的一阶指数 增长 函数 。 参考文献 ： 1 MI N D E S S S ， Y O U NG J F ，D A R WI N DC o n c r e t e ， 2 n d e d P e a r s o n E d u c a t i o n M 京： 化学工业出版社 ， 2 0 0 4 吴科如，译， 混凝土北 ( M I N D E S S S ，Y O U N G J FDAR WI N DC o n c r e t e 2 n d e d P e a r s o n E d u c a t i o n l M 1 t r a n s l a t e d b y WU K e r u B e i j i n g ： C h e mi c a l I n d u s t r y P r e s s 2 0 0 4 ( i n C h i n e s e) ) 乔宏霞， 何忠茂 ， 朱彦鹏 ， 等S O 存在下水泥基复 合材料力学性能研究 J 应用基础与工程科学学报， 2 0 0 6 ，1 4( 1 ) ：6 97 6 ( Q I A O H o n g x i a ，H E Z h o n g ma cZHU Ya n p e n ge t a1 Stud y o n t he me c h a ni c s o f c e me n t b a s e d ma t e r i a l i n s u lf a t e e n v i r o n me n t I J I J o u r n a l o f B a s i c S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 6 ，1 4( 1 ) ：6 9 7 6 ( i n C h i n e s e ) ) 梁咏宁， 袁迎曙硫酸钠和硫酸镁溶液中混凝土腐蚀 破坏的机理 J 硅酸盐学报 ， 2 0 0 7， 3 5 ( 4 ) ： 5 0 4 5 0 8 ( L I A N G Y o n g n i n g ，Y U A N Y i n g s h u Me c h a n i s m o f c o n c r e t e d e s t r u c t i o n u n d e r s o d i u m s u l f a t e a n d ma g n e s i u m s u l f a t e s o l u t i o n J J o u r n a l o f t h e C h i n e s e C e r a m i c S o c i e t y ， 2 0 0 7 ， 3 5 ( 4 ) ： 5 0 4 5 0 8 ( i n C h i n e s e ) ) 牛荻涛混凝土结构耐久性与寿命预测 M 北京： 科学 出版社 ， 2 0 0 3 ( N I U D i t a o D u r a b i l i t y a n d S e r v i c e L i f e P r e d i c t i o n o f C o n c r e t e S t r u c t u r e M B e i j i n g ： s c i e n c e P r e s s ， 2 o o 3 ( i n C h i n e s e ) ) AT KI NS 0N AHEARNE J AMe c h a n i s t i c mo d e l f o r t h e d u r a b i l i t y o f c o n c r e t e b a r r i e r s e x p o s e d t o s u l f a t e b e a r i n g g r o u n d w a t e r l J Ma t e r i a l s R e s e a r c h S o c i e t y S y m p o s i u m Pr o c e e d i n g s，1 9 90，1 7 6：1 491 5 6 ( 编辑 ： 曾小汉 ) S t r e n g t h Du r a t i o n M o d e l o f Co n c r e t e Ex p o s e d t o S u l f a t e En v i r o n me n t YUAN Xi a o 1 u ，L I Be i x i n g ，CUI Go n g ，ZHAO S ha n g c h ua n ( I K e y L a b o r a t o r y o f S i l i c a t e M a t e ri a l s S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g o f Mi n i s t r y o f E d u c a t i o n ，Wu h a n U n i v e r s i t y o f Te c h n o l o g y，W uh a n 4 3 0 0 7 0， Ch i n a；2 Re s e a r c h I n s t i t u t e o f Hi g h wa y o f Mi n i s t ry o f C o m mu n i c a t i o n s ， B e i j i n g 1 0 0 0 8 8 ， C h i n a ) Abs t r a c t： Ac c e l e r a t i n g e x p e rime n t a l me t h o d o f we t d ry s u l f a t e e r o s i o n wa s a p p l i e d t o i nv e s t i g a t e t h e l a w o f c o n c r e t e s t r e n g t h c h a n g i n g wi t h t i me By me a n s o f s t a t i s t i c s a n d r e g r e s s i o n，f un c t i o n s o f me a n v a l u e a n d s t a n da r d d e v i a t i o n o f c o n c r e t e s t r e n gth we r e o b t a i n e d t o e s t a b l i s h t h e p r o b a b i l i t y mo d e l o f c o mp r e s s i v e s t r e n gth o f h i g h p e r f o r ma n c e c 0 n e r e t e e x p o s e d t o t h e s u l f a t e e n v i r o nme n t Th e r e s ul t s s h o w t h a t ：u n d e r t h e s u l f a t e e x po s u r e，t he me a n v a l u e o f c o n c r e t e c o mp r e s s i v e s t r e n gth p r e s e n t s t h e r e l a t i o n s h i p o f q u a d r a t i c p o l y n o mi a l wi t h t i me ；t h e f u n c t i o n p r e s e n t i n g t y p i c a l e x po n e n t i a l g r o wt h c a n be u s e d t o e x p r e s s t h e r e l a t i o n o f s t a n da r d d e v i a t i o n o f c o mp r e s s i v e s t r e n g t h wi t h t i me Ke y wo r d s： s u l f a t e：h i g h p e r f o r ma n c e c o n c r e t e；c o mp r e s s i v e s t r e n g t h；c h a n g i n g wi t h t i me；mo de l