硫酸盐侵蚀环境下混凝土立方体抗压强度退化.pdf

2 0 1 1年 第 3 期 (总 第 2 5 7 期 ) Nu mb e r 3i n2 01 l ( To mINo 2 5 7) 混 凝 土 Co nc r e t e 理论研究 T HEORE TI 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 0 3 0 1 7 硫酸盐侵蚀环境下混凝土立方体抗压强度退化 张琴 。吴庆 ，汪俊华 z ( 1 无锡旅游商贸高等职业技术学校，江苏 无锡 2 1 4 0 0 0 ； 2 江苏科技大学 土建学院， 江苏 镇江 2 1 2 0 0 3 ) 摘要 ： 通过试验观察混凝土试件遭受硫酸钠侵蚀 以后表面特征的变化 ， 分析表 面状态 出现的原 因； 并观察加载试验后试件的破坏状态 与未受侵蚀试件 的破坏状态进行对 比， 分析混凝土受侵蚀后加载破坏状态的规律。 并通 过试验结果结合各性能指标与影响因素( 时间 、 水 灰比) 之间关系， 分析硫酸盐侵蚀环境下抗力退化规律 。 关键词 ： 混凝土 ；硫酸盐侵蚀 ；干湿循环；立方体抗压强度 中图分类号 ： T U5 2 8 0 l 文献标 志码 ： A 文章编号： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 1 ) 0 3 0 0 5 3 0 2 De t e r i or a t i on me c ha ni s ms of c ubi c c ompr e s s i v e s t r e ng t h un de r su l f a t e e r os i on e nv i r onmen t Z H ANGQ i n wuQ i n g WA NGJ u n - h u a ( 1 Wu x i Hi g h e r V o c a t i o n a l S c h o o l o f T o u fi s m a n dC o mme r c e ， Wu x i 2 1 4 0 0 0 ， C h i n a ； 2 S c h o o l o f A r c h i t e c t u r e a n d C i v i l E n g i n e e r i n g ， J i a n g s u Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， Z h e n j i a n g 2 1 2 0 0 3 ， C h in a ) Abs t r a c t ： Byt h eo b s e r v e r sh a v e a c o n c r e t ef r o m t h e s urfa c ef e a tur e s s u l f a t e e r o s i o n， an a l y z i n gthe s u rfa c e o f t h e s t a t e a p pe a r e d； a n d o bs e r v et h e t ri a l a ft e r l o a d i n g the d e s t r u c t i o n o f s tat e a n d t h e e r o s i o n o f s t a t e h a v e c o n d uc t e d b y c o n ffa ， t he e r o s i o n of t h e c o n c r e t e a fte r l o a d i n g a b r e a c h o f l a ws t h r o u g h t h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t s a n a l y s e s the pe rfo r m a n c e i n di c a t o r s a n d i n flu e n c e the r e l a t i o n s h i p b e t we e n e n v i r o n me n t a n d s u l f a t e e r o s i o n c o n c r e t e c u b e r e s i s t a n c e u nd e r th e l a w s t r e n g t h K e y wo r d s ： c o n c r e t e ； s u l f a t e a t t a c k ； d r y we t c i r c u l a t i o n ； c u b i c c o mp r e s s i v e s t r e n gt h 0 引言 本试验设计 0 4、 O 6两种水灰 比， 采用淮南“ 八公山” 牌 P O 3 2 5 级水泥， 每立方米的混凝土的质量取 2 4 0 0 k g ， 保持水 泥用量不变， 根据 0 4与 0 6的水灰比调整用水量； 选用 I 级级 配普通碎石， 粒径 5 - 2 5 r a m石子； 选用细度模数为 2 8 7的淮河 中砂， 按不同的水灰比选择合理的砂率。 根据砂率调整砂子， 石 子用量， 并进行配合比计算。 表 1 砂率选择表 制作 1 5 0 mmx l 5 0 m mx l 5 0 n l n l 的标准抗压试件， 每组 3 块， 根据不同水灰比， 同时考虑侵蚀时间( 0 、 7 、 1 4 、 2 1 ， 2 8 d ) ， 共需试 件 3 O 个 。 除侵蚀 0 d的两组， 所有试件在饱和浓度的硫酸钠侵蚀溶液 中浸泡 1 2 h ， 擦干后放置自然环境 1 h ， 并进行外观观察， 再放 入烘干箱 ， 在 8 0温度下烘干 1 0 h ， 取出后冷却 1 h并观察外 观变化， 2 4 h为一个循环。 按照时间段( 0 、 7 、 I 4 、 2 l 、 2 8 d ) gN再 行加载试验。 采用 T Y E 2 0 0 0 型压力试验机， 对试件进行连续、 均 匀加载， 加载速度为 O 3 -4 ) 5 MP a s 。 1 破坏形态及分析 1 1 受侵蚀表面破坏形态 在第 2次循环后 ， 试件表面既有明显的侵蚀现象， 烘干以 收稿 日期 ：2 0 1 0 1 0 - 0 5 后有析盐现象， 使的试件表面出现成片的霜白色； 侵蚀溶液中 的试件表面有一层呈黑灰色的、 类似为水泥浆体的溶解性物质。 随着侵蚀的加剧， 至5次循环， 试件表面的水泥压光全部消失， 变的粗糙， 砂子外露。 有些试件表面出现起鼓现象 ， 水泥砂浆整体凸起， 最后整 片的脱落。 第 7 次干湿循环后， 试件表面出现明显的细裂纹 ， 但 是随着侵蚀的进行， 在同一块试件上却没有再次出现裂纹， 只是 原有的裂纹的裂缝宽深有所加大。 侵蚀的过程中， 试件的棱角最 早出现侵蚀特征， 侵蚀也最为严重， 变化也最为明显。 第 2 8 次 循环结束时， 试件棱角变成光圆状。 部分受侵蚀试件表面形态， 图 1 所示 。 图 1 立方体试件侵蚀后表面破坏形态 1 2 加 载后破 坏 形 态 加载后可见试件内部呈土黄色， 没有水泥浆体的黏聚力 ， 各骨料部分呈松散、 脆酥状。 随着侵蚀的加深 ， 试件内部所受的 化学侵蚀作用越来越明显。 未侵蚀的试件加载破坏后， 试件出现 一 条主要的裂缝， 各部分还是各成独立整体， 各骨料黏结性完好； 而遭侵蚀试件加载破坏后发现， 各部分比较松散 ， 当出现主裂 5 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 缝后， 各部分都已失去黏聚力， 从整体上看呈脆性破坏。 侵蚀后 加载破坏形态 ， 如图 2 所示 。 图 2 立方体试件加载破坏后形态 1 3 破坏形态分析 从现有的反应机理分析得到的结论是： 侵蚀后主要外观破 坏形态是混凝土表面起鼓 ， 开裂 ， 即物理侵蚀现象 为主 ， 而混凝 土变软、 变酥是伴随现象， 即化学侵蚀是次要破坏。 但是从本次 试验 的外观破坏形态结果来看 。 虽有起鼓 、 开裂现象 ， 但是并不 明显。 当试件侵蚀到第 2 8 d时， 试件表面有起砂现象， 外观虽有 细微 的开裂 ， 但裂缝宽度不大 ， 不深 。 烘干时 的烘干箱内的温度 较高 ， 从而会使得混凝土试件从低温到高温 、 从浸泡到烘干的 时间变化太短， 会引起混凝土试件 的干缩变化 。 所以混凝土表面 细微的裂纹 ， 可能并不是完全 由于产生结 晶引起 的。 现有的破坏形态结论 ： 石膏结晶破坏 、 钙矾石结晶破坏 、 钙 硅石侵蚀破坏。 破坏后的现象全部表现为膨胀开裂， 而膨胀量也 应该随着侵蚀溶液浓度的增大而变大。 但本次试验说明 ： 在高浓 度的侵蚀溶液中， 试件最终破坏形态主要是混凝土变软、 变酥， 而 表面可能并不会 出现开裂 ； 发生 的侵蚀破坏应 当以化学反应 为 主 ， 混凝 土内部化学黏结力遭到破坏 。 2 试验 结果及分析 2 1 性能指 标定 义 定义剩余强度系数K ： ： ( 1 ) 厶 式 中： 表示 水灰比的混凝土试件剩余强度系数； 第 i 天混凝土强度 ， 在此处 i = 0 ， 7 ， l 4 ， 2 1 ， 2 8 ( 0 d表 示未受侵蚀) ； g - 一 养护 2 8 d时混凝土强度 。 2 2 加 载试验 结果 加载试验结果 ， 如表 2 4 所示 。 表 2 0 4水灰 比试件各侵蚀期荷载均值 2 3 不 同水灰 比试件 受侵蚀抗 压 强度 变化 从 图 3 可 以看出 ： 在整个侵蚀周期内 ， 两种水灰 比的试件 ， 其强度衰减都出现强度平缓降低和急剧衰减两个阶段， 但出现 的时间不 同。 0 4水灰 比试件 ， 在侵蚀早期其强度既出现较大降 低 ， 随后变化幅度趋于平缓， 随后出现急剧降低 ； 0 6 水灰比试 5 4 侵 蚀时 司r， d 图 3 不同水灰比条件下立方体 抗压强度衰减变化比较 件 ， 在侵蚀早期其强度变化不大， 但在第二个测量周期内其强 度出现急剧降低， 随后其强度变化趋于平缓。 图 4可以看出， 在四周的侵蚀时间内， 两类试件强度都降 低了2 8 左右； 在侵蚀第一周后 ， 0 4水灰 比立方体试件其强 度降低了1 0 ， 0 6水灰 比立方体试件其强度只降低了3 4 ； 在第二周内， 0 4水灰比立方体试件强度降低在 1 5 以下 ， 但 0 6水灰比立方体试件其强度降低却在 2 0 以上； 在剩余的侵 蚀时间内， 0 4水灰比立方体试件强度降低了1 9 左右 ， 而 0 6 水灰比立方体试件其强度， 在两周的侵蚀时间内， 降低只减少 了2 左右 3O 25 2 0 末1 5 虹 10 5 侵蚀 时I司T d 图 4立方体抗压强度衰减百分 比 整个侵蚀循环结束后 ， 相比未受侵蚀的立方体试件， 剩余 抗压强度为7 1 左 右 ， 如图 5 所示 。 侵蚀 的早期结束以后 ， 0 6 水 灰比试件强度降低的速率相比O 4水灰比试件要快。 第二周结 束时， 0 6水灰比试件其强度降低百分比是 0 4水灰比试件强度 降低百分比的 2倍以上 ， 说明水灰比越大， 受硫酸盐侵蚀的后 果就越严重。 但在侵蚀的早期， 水灰比越大， 其强度降低却越慢。 水灰比较大， 在侵蚀的后期其强度趋于平缓， 较小水灰比试件 在侵蚀后期其强度却呈直线趋势急剧下降。 侵蚀 时间T d 图 5 立方体抗压试 件 K值 随侵蚀时间变化 无论 何种水灰 比条件 下 ， 混凝 土试件受侵蚀后 ， 最终 其强 度都有较大程度的降低， 但是强度变化趋势都有明显的平缓阶 段。 较小水灰比强度下降的平缓阶段出现相对较晚， 说明混凝 土试件在受硫酸盐侵蚀时， 较小水灰比对于混凝土强度下降有 较明显 的抑制作用。 2 4结果 分析 从现有的反应机理分析， 在侵蚀的早期， 当膨胀应力没有 下转第 1 1 8页 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 筑 ， 2 0 1 0， 2 ( 3 0 )： 2 1 3 2 1 4 2 O 杨静， 王宏宇 J 型流动仪测定大流动性混凝土工作性的试验研究 工业建筑 ， 2 0 0 3 ， 2 ( 3 3 ) ： 4 9 5 1 ， 5 8 2 1 1 王国杰， 郑建岚 ， 李轶慧 新拌自密实混凝土工作性测试方法的评价 与探讨f J 1 福州大学学报： 自然科学版 2 0 0 5 ， l O ( 增T U ) ： 1 7 7 1 8 1 上接第 5 4页 超过混凝土的抗拉强度时， 其产生的膨胀应力， 相当于对混凝 土试件施加预应力， 使抗压强度相较侵蚀前 ， 有微小的上降， 即 其剩余强度系数 K应有一个数值是大于 1 0 0 ， 其理论 K值示 意图如图 6 所示 。 图 6 理论 ， ( 值曲线 比较剩余强度系数 值变化， 图5 。 虽然 值的没有微小的 上升阶段， 但不同水灰比条件下， 却都有明显的平缓阶段， 说明高 浓度侵蚀条件下， 混凝土试件遭受侵蚀时， 内部孔隙中也生成了微 溶或不溶性的化学产物， 另外有较大比例的可溶性产物。 可溶与不 溶性的产物生成， 使得混凝土试件在被侵蚀过程中强度下降出现 较长时间的平缓阶段。 由于低水灰比试件内部孑 L 隙率较小， 在侵蚀 早期侵蚀溶液不能充分与水泥浆体发生化学反应生成难溶产物 ， 所以早期主要受化学侵蚀作用影响， 其强度出现明显下降。 随后 ， 当化学反应生成足 够的不溶产物后 ， 主要受物理 侵 蚀影响， 这时主要形成结晶体， 产生膨胀应力， 膨胀应力没有超 过混凝土试件的抗拉强度 ， 所以此阶段试件没有 出现裂缝 ， 强度 变化不明显。 所以 0 4水灰 比试件的剩余强度变化曲线会先下降 ， 后区于平缓。 而高水灰比混凝土试件的内部孔隙率较大， 侵蚀溶 液可以充分进入， 并参加化学反应， 生成不溶性产物。 此阶段以 物理侵蚀作用为主， 由于不溶性产物的结晶存在， 形成膨胀应 力， 所以强度变化并不明显。 而随着不溶性产物的增多， 膨胀应 力继续增长， 当大于混凝土试件的抗拉强度后， 试件表面开始 出现裂缝， 强度开始急剧的降低 ! 所以0 6 水灰比试件的剩余强 度变化曲线会先平缓， 后区急剧下降。 9 。 8 。 0 6 。 5 0 U 1 l 4 2l 2 3 5 42 侵蚀 时问T d 图 7立方体抗压试件 K值随侵蚀时变化的拟 合曲线 y = 一 1 0 1 3 7 x + 9 9 6 5 2 ( 2 ) 一 1 1 3 4 9 x + 9 9 6 5 ( 3) 式中： 侵蚀时间， d ； 值 ， 。 图 7 对 0 4和0 6这两组不同水灰比的抗压试件 K值变化 曲线进行拟合， 并得到直线拟合方程。 据此， 可以推测立方体抗 11 8 2 2 1 C E C S 2 1 ： 2 0 0 0 ， 超声法检测混凝土缺陷技术规程【 s 】 作者简介： 单智( 1 9 8 7 一 ) ， 男， 硕士研究生。 联系地址 ： 南华大学城市建设学院( 4 2 1 0 0 1 ) 联系电话 ： 0 7 3 4 8 2 8 2 4 1 2 压强度降低到极限值的时间。 式( 2 ) 、 ( 3 ) 分别为水灰比0 4 、 0 6 组 试件的 值拟合方程。 3结论 ( 1 ) 水灰比并不影响混凝土强度的最终侵蚀程度。 主要通过 影响侵蚀溶液进人试件 内部的多少 ， 推迟物理破坏 出现的时间 ， 进而影响强度急剧 降低 出现的时间。 ( 2 ) 在高侵蚀浓 度条件下 ， 现在有硫酸盐 侵蚀反应机理 并 不可靠。 从混凝土试件受硫酸钠侵蚀后的外观变化， 以及加载破 坏后骨料呈松散状分析， 高浓度条件下， 混凝土受硫酸盐侵蚀 后更多 的是一种化学侵蚀破坏过。 破坏形 态并不是从 内而外出 现裂缝， 而是外观完好 ， 整体呈软酥松， 骨料呈松散状。 ( 3 ) 侵蚀的早期， 高水灰比试件由于孔隙率比较大， 受到化 学及物理破坏的双重作用， 而水泥浆体进一步水化及侵蚀溶液 本身的结晶膨胀影响。 使得强度降低相对较小 ； 低水灰 比试件 由于孔隙率相对较小， 在侵蚀的早期受化学侵蚀破坏作用 ， 尽管 水泥浆体会进一步水化， 侵蚀溶液本身也会形成结晶膨胀， 却不 足以抵消化学侵蚀作用 ， 强度降低相对较大。 ( 4 ) 侵蚀的 中后期 ， 低水灰 比试件会受到化学及 物理破坏 作用 ， 但膨胀应 力小于混凝土 的抗 拉强度 ， 所 以这个阶段强度 变化平缓。 高水灰比试件此阶段主要受物理破坏作用， 膨胀应力 大于混凝土的抗拉强度 ， 所以这个阶段强度出现急剧降低。 ( 5 ) 控制混凝土试件的水灰比， 只能控制化学及物理侵蚀 破坏出现的时间。 随着侵蚀溶液的浓度升高， 侵蚀越来越转向化 学侵蚀破坏， 通过控制试件水灰比阻止侵蚀的作用会越来越小。 ( 6 ) 在侵蚀溶液的浓度不同， 较低水灰比混凝土试件遭受 侵蚀后 的破坏作用机理也不 同。 较低浓度时主要为化学及物理 破坏共同作用； 较高浓度时， 化学破坏作用更明显 ， 随后发生共 同作用 。 参考文献 ： 1 】 张誉混凝土结构耐久性概论f M 上海 ： 上海科学技术出版社， 2 0 0 3 【 2 】袁润童胶凝材料学【 M 】 武汉： 武汉工业大学出版社， 1 9 9 6 3 亢景富 混凝土硫酸盐侵蚀研究中的几个基本问题l J I _ 混凝土， 1 9 9 5 ( 3 ) ： 9 - 1 8 4 B R O WN P W T h a u ma s i t e f o r ma t i o n a n d o t h e r f 0 r ms o f s u l f a t e a t t a c k ， g u e s t e d it o r i a l J C e m C o mp o s ， 2 0 0 2 ， 2 4 ( 3 4 ) ： 3 01 3 0 3 【 5 】金雁南 混凝土硫酸盐侵蚀的类型及作用机理【J _ 华东交通大学学 报 ， 2 0 0 6 ( 1 0 ) 【 6 C O D Y R D， C OD Y A M R e d u c t i o n o f c o n c r e t e d e t e ri o r a t i o n b y E t t r i n g i t e u s i n g c r y s t a l g r o w t h i n h i b i t i o n t e c h n i q u e s C F i n a l R e p o rt Ma y ， 2 0 0 1 作者简介 联 系地址 联 系电话 张琴( 1 9 7 1 一 ) ， 女， 主要从事钢筋混凝土结构教学研究。 无锡市厂石路 9 9 9 号 无锡旅游商贸高等职业技术学校 ( 2 1 4 0 0 0 ) l 3 9 61 7 5 3 8 6 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m