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张东方等 ： 硫酸盐环境下的混凝土冻融变形规律 DOI ： 1 0 1 3 9 0 5 j c n k i d w j z 2 0 1 5 0 6 0 0 1 硫酸盐环境下 的混凝土冻融变形规律 张东方 ， 万小梅 ， 张同波 ( 1 青岛理工大学蓝色经济区工程建设 与安全协 同创新 中心 。 山东青岛2 6 6 0 3 3 ； 2 青 岛理工大学土木工程学院 ， 山东青岛2 6 6 0 3 3： 3 1青建集团股份公 司， 山东青 岛2 6 6 0 7 1 ) 【 摘要】 文中 试验研究了混凝土试块在硫酸盐腐蚀和冻融循环复合条件下的变形发展规律。在质量分数 5 的硫酸钠溶液、 5 的硫酸镁溶液和水中， 对引气和未引气的混凝土试块进行快速冻融， 同时在 5 硫酸钠溶液 和5 硫酸镁溶液中浸泡混凝土试块以进行对比， 在此过程中采用静态应变仪测量试块的应变发展规律。研究结 果得， 在 1 2 0 0 m i n时间里 ， 引气的试块要比未引气的试块应变增长量大一倍。在硫酸钠溶液冻融条件下的试块应 变增长最快， 破坏最显著， 其后依次是水中冻融、 硫酸镁溶液冻融、 硫酸钠溶液浸泡和硫酸镁溶液浸泡等条件下的 试 块。 【 关键词】 混凝土 ； 硫酸盐腐蚀； 冻融循环 ； 变形规律 【 中图分类号】 T U 5 2 8 0 1 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 5 ) 0 6 0 0 0 1 0 3 0引言 1 8 9 2年 ， Mi h a E l l i s 首先发现了硫酸盐对混凝土 的侵蚀作用。随后 1 0 0多年里 ， 各国学者对硫酸盐侵 蚀进 行 了大 量 的、 全面 的研究 ， 积 累 了丰 富 的文献 资 料。前苏联、 美国、 欧洲等相继制定了混凝土抗腐蚀 的标准 ， 为 防止和延缓 混凝土 的硫酸盐 侵蚀取 得 了明 显的效果 ， P i a s t a 等对于持续压缩荷载作用下混凝 土抗硫酸盐侵蚀性能进行了研究， S c h n e i d e r _ 2 于 1 9 9 3 年首先开始了对高性能混凝土的应力腐蚀研究 ， Z i v i c a 等 研究了压缩荷载作用下硫酸盐溶液对水泥砂浆 的腐蚀特性。与国外相 比， 我国在混凝土硫酸盐侵蚀 方面的研究起步较晚。黄战等人 介绍了因硫酸盐 侵蚀引起的混凝土结构耐久性损伤现状与研究情况 ， 分析了其损伤机理。金祖权 等人研究了矿渣混凝 土在5 硫酸钠溶液中浸烘循环 ， 其相对动弹模量， 幅 值及抗压强度演化规律。张云清 等人采用快速法 研究了高强混凝土和大掺量矿物掺和料混凝土在水 和5 硫酸镁溶液中的抗冻性。黄士元等 研究了混 凝土在硫化钠溶液腐蚀环境下的抗盐冻剥离性。孙 伟等 研究了混凝土在 3 5 硫化钠和 5 硫酸钠溶 液腐蚀环境下 的抗冻性。但是国内外对混凝土在硫 酸盐腐蚀和冻融循环作用下的研究大多针对其抗拉 强度、 抗压强度、 抗折强度、 相对动弹模量以及质量损 失等特性 ， 然而在受硫酸盐腐蚀和冻融循环作用的混 凝土应力应变关系的研究很少。文中将通过试验 ， 研 究砂浆试块在硫酸盐腐蚀和冻融循环复合条件下的 变形规律， 为进一步探讨类似环境下混凝土结构的服 役性能退化提供试验基础 。 1 试验概况 1 1 原材料及混凝土配合比 为降低误差 ， 试验使用的是水灰比为 0 6的水泥 砂浆试块 ， 包括引气和非引气两种类型。配合比如表 1 所示。试验原材料包括： 山水东岳集团水泥厂生产 的 R O 4 2 5普通硅酸盐水泥； 砂子为大沽河出产的中 砂 ， 级配合格 ； 江苏博特聚羧酸高效减水剂 ， 科力建材 有限公司生产的松香热聚物引气剂 ， 普通 自来水。 表 1 试块配合比 配合 比 k g 泥 I l l 一 。 k g m 一 ， 一 j 一 ) 减水 剂 水 引气剂 水 灰比 k g m - 3 1 。 2 试件制作和试验方法 砂浆试块尺寸为 4 0 m m X 4 0 m m1 6 0 m m， 试验 中 重点考虑溶液种类对混 凝土 变形规律 的影 响 ， 试块 冻 融( 浸泡) 环境分为五组( 质量分数为 5 硫酸钠溶液 冻融 、 5 硫酸镁 溶液冻融 、 5 硫 酸钠 溶液浸 泡 、 5 硫 酸镁溶液浸泡、 水冻) ， 每组各包括 2块基准试块和 2 块加 0 0 3 引气剂的试块 ( c和 C A) ， 另外制备相应 的温度补偿试块。砂浆试块浇筑 2 4 h后拆模 ， 之后将 试件放人( 2 0 2 ) 的水中养护至 2 8 d龄期。 将到达养护龄期的试块从水 中取出， 晾干表面。 在试件的两成型面沿试块纵向方向粘贴尺寸为 3 m m 3 0 m m的胶基应变片， 然后涂上环氧树脂保护。将 基金项 目】 山东省高校优秀科 研创新 团队资助项 目； 山东省 自然科学基金资助项 目( Z R 2 0 1 1 E E Q 0 3 1 ) ； 山东省 高等学校科技计 划项 目 ( J 1 4 L G 0 5 ) ； 青岛市基础研究 一 联合基金计划项目( 1 3 1 4一 l 1 5 一 j c h ) 。 张东方等： 硫酸盐环境下的混凝土冻融变形规律 3 2 3 试块在冻融和浸泡条件下的变形规律 纂 0 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 0 1 0 0 0 1 2 0 0 时间 ra i n 一 5 硫酸镁溶液冻融 水冻 一 5 硫酸钠溶液冻融 图4 同一配合 比在不 同冻融条件下的变形规律 0 2 0 0 4 O O 6 0 O 8 0 0 1 0 o 0 1 2 0 o 时间 r a i n 一5 硫酸镁溶液浸泡 一 5 硫酸钠溶液浸泡 图 5 同一配合 比试件在不同环境浸泡下的变形规律 从图4和图5中可以看出， 试块在不同的条件下 ， 应变曲线总体呈现上升的趋势 ， 混凝土试块在 5 硫 酸钠溶液冻融条件下变形最大， 然后依次是水冻、 5 硫酸镁溶液冻融、 5 硫酸钠溶液浸泡、 5 硫酸镁溶液 浸泡， 在 1 2 0 0 m i n的冻融循环中， 混凝土试块在 5 硫 酸钠溶液冻融环境中的应变大约在 0 6 0 0 W a范围内 波动 ， 在水冻条件下的应变在 0 4 5 0 1L e 范围内波动 ， 在 5 硫酸镁溶液冻融条件下应变大致在 0 3 0 0范 围内波动 ， 在硫酸盐浸泡条件下的应变从 O w a长 到 了 2 0 0 1 x 。 试块在 5 硫酸钠溶液冻融条件下的变形大于在 水冻条件下的变形， 那是因为试块在 5 硫酸钠溶液 冻融条件下不仅有冻融循环的破坏作用而且有硫酸 根离子的腐蚀。起初试块受冻融循环的影响比较大 ， 然后随着冻融循环的进行 ， 裂缝 的开展， 硫酸根离子 逐渐渗透到裂缝与水泥水化产物反应生成膨胀物石 膏和钙矾石 ， 加深裂缝 的开展 ， 所 以试块 在 5 硫 酸钠 溶液冻融条件下的变形大于在水冻条件下的变形。 试块在 5 硫酸镁溶液冻融条件下的变形发展较 小。主要原因是 ， 在硫酸镁溶液环境下， 镁离子与氢 氧根反应 ， 在混凝土表面生成氢氧化镁密闭膜， 减缓 了硫酸根离子和水的进入， 在一定程度上减慢 了钙矾 石、 石膏等膨胀物的形成和水结冰的进程， 另外镁离 子具有降低冰点的作用 ， 所以试件在硫酸镁冻融条件 下要 比水冻变形小 。 试块在 5 硫酸钠溶液浸泡情 况下 的变形 要大 于 5 硫酸镁溶液。那是因为试块在 5 硫酸镁溶液中 浸泡， 镁离子与氢氧化钙反应在混凝土表面生成 了氢 氧化镁保护膜， 减缓了硫酸根离子的侵蚀 ， 所以一开 始试块在 5 硫酸镁溶液浸泡条件 下的应变 变化要慢 一 些， 但后来应变增长速率逐渐和 5 硫酸钠溶液浸 泡的曲线一致， 所以试块在 5 硫酸钠溶液浸泡情况 下的变形要大于 5 硫酸镁溶液 。 2 4 引气和非 引气试 块的变形规律 图6是引气与未引气的试块在 5 硫酸钠溶液冻 融条件 下应 变的发展规 律。从 可 以看 出 ， 相 同水 灰 比 的试块 在相同条件 下进行 冻融循 环 ， 非 引气 的试 块 比 引气 的试块变 形大。 混凝土试块中掺加引气剂 ， 通过引气剂在混凝土 中产生独立且均匀的气泡， 气泡被压缩， 大大的减轻 了冰冻给孔隙带来的胀压力 ， 溶解时表面胀压力又将 水排回孔隙。另外 ， 独立且均匀的气泡使硫酸根离子 不易向内部渗透迁移， 从而减缓了硫酸根离子对试块 的腐蚀 ， 所以在相同的冻融条件下加引气剂的试件比 不加引气剂的试件变形小。 纂 0 2 O 0 4 O O 6 o 0 8 o o l 0 0 0 1 2 0 0 时间 mi t t 一 不由 日 弓 I 气 - 一 由 弓 I 气 图 6 在 5 硫酸钠溶液中冻融的试块应变发展规律 3结 语 ( 1 ) 试块的应变随温度的升降有一定的变化规 律。当温度降低时， 砂浆试块的应变增大， 当温度升高 时， 砂浆试块的应变减小， 随着冻融循环的进行呈现周 期性变化。应变曲线随着冻融循环总体逐渐上升。 ( 2 ) 在硫酸盐环境 的冻融条件下， 引气的试块 比未引气的试块变形要小。在一定时间里， 未引气试 块随着冻融循环的应变增长大约是引气试块随冻融 循环的应变增长的2倍。 ( 下转第8页) O 6 5 4 3 2 1 1 2 o 6 5 4 3 2 1 1 2 加 0 6 5 4 3 2 l l 2 8 低温建筑技术 2 0 1 5年第 6 期( 总第2 0 4 期) 同时， 文中借鉴 了 A C I 公式、 前苏联建议公式及 我国建议公式对试验数据进行了拟合 ， 结果如下： E=1 5 0 6 6 以 一 1 0 9 0 8 ( 6 ) 1n5 E ( 7 ) 以上三式的 值分别为 0 9 9 9 ， 0 9 9 9 ， 0 9 9 9 。试 验值与以上三式所得计算值之比的平均值 、 均方差及 变异系数如表 3所示 ， 可见三个式子拟合效果均较好。 表 3 弹性模量试验值与计算值的b 匕 较结果 公式编号 弹性模量试验值与计算值之比 平均值 均方差 变异系数 5结语 ( 1 ) 煤矸石因具有火山灰活性一般作为微粉料 可改善胶凝材料性能。但本试验煤矸石作为细骨料 掺加， 所以导致骨料内部活性成分不能有效参与水化 反应 ， 从而水化产物 CS H量减少， 降低了密实度， 另外， 本次实验采用煤矸石 1 0 0 取代天然砂， 煤矸石 由于在破碎过程中内部存在微裂缝 ， 强度低于天然骨 ( 上接 第3页) ( 3 ) 在一定时间里， 试块在硫酸钠溶液冻融环境 中的应变从 0增 长到 了 6 0 0 e ， 在 水 中冻 融条 件下 的 应变从0增长到了4 5 0 8 ， 在5 硫酸镁溶液冻融条件 下应变从 0增长到了 3 0 0 t L e ， 在硫酸盐浸泡条件下的 应变从 0 t x e增长到了 2 0 0 1 e 。试块在硫 酸钠溶液冻 融 条件下的应变发展最大 ， 破坏最严重， 然后依次是水中 冻融、 硫酸镁溶液冻融、 硫酸钠溶液浸泡和硫酸镁溶液 浸泡等环境条件。 参考文献 1 P I AS T A W G， S AWI C Z Z， HA S T A J S u l f a t e d u r a b i l i t y o f c o n c res u n d e r c o n s t a n t s u s t a i n e d l o ed J C e me n t C o n c r e t e R e s e a r c h ， 1 9 8 9， 1 9 ( 2 ) ： 2 1 6 2 2 7 2 S c HN E I D E R U。 P I A s T A w G T h e b e h a v i o r o f c o n c r e t e u n d e r N a 2 S O 4 s o l u ti o n and s u s t m n e d c o m p re s s i o n o r b e n d i n g J M a g a z i n e o f C o n c ret e R e s e a r c h ， 1 9 9 1 ， 4 3 ( 1 5 7) ： 2 8 1 2 8 9 3 Z I V I C A V ， S Z A B O V B e h a v i o r of c e m e n t c o m p o s i t e u n d e r C O rn p r e s s io n l o a d a t s u l f a t e a t t a c k J C e m e n t C o n c r e t e R e s e a r c h 。 1 9 9 4， 2 4 ( 8 ) ：1 4 7 51 4 8 4 料 ， 致使骨架强度降低， 从而充填材料强度指标降低。 ( 2 ) 煤矸石作为细骨料 1 0 0 取代天然砂使其 矿物活性受到限制 ， 对材料强度及抗渗性能负面影响 较大， 所以控制煤矸石掺量对于改善材料综合性能较 为有利。 ( 3 ) 根据对本试验结果统计分析， 劈拉强度与 立方体抗压强度之间具有线性函数或幂函数关系， 立 方体抗压强度与轴心抗压强度间具有线性关系， 同时 弹性模量与轴心抗压强度间具有较好的线性关系。 参 考文献 1 赵才智 煤矿新型膏体充填材料性能及其应用研究 D 北 京 ： 中国矿业大学 ， 2 o o 8 2 魏秀泉 煤矸石凝石胶凝材料及其在似膏体充填中的应用 D 北京 ： 中国矿业大学 ， 2 0 1 0 3 孙文标 似膏体充填料浆配合比的实验研究 J 中国矿业， 2 0 0 5 ， ( 8 )：7 O一 7 1 收稿日期 2 0 1 5 0 1 2 3 作者简介 高柯( 1 9 8 4 一) ， 女， 河南开封人， 助教， 硕士， 从 事 工程材料的教学及研 究。 4 黄战， 刑锋 ， 邢嫒嫒， 董必钦， 罗帅 硫酸盐侵蚀对混凝土结构 耐久性 的损伤研究 J 混凝 土， 2 0 0 8 ， ( 8 ) ： 4 5 4 9 5 金祖权， 郭学武 ， 侯保荣， 李秋义， 高嵩矿渣混凝土硫酸盐腐 蚀研究 J 青岛理工大学学报， 2 0 0 9 ， 3 0 ( 4 ) ： 7 6 8 6 6 张云清， 余红发 ， 孙伟， 张建业 混凝土在 M g S O 腐蚀环境作 用下的抗冻性研究 c 全国混凝土新技术、 新标准及工程 应用学术交流会 ， 2 0 1 0 7 杨全兵， 吴学礼 ， 黄士元 去冻盐引起的混凝土的盐冻剥蚀破 坏 J 黑龙江交通科技， 2 0 0 0 ， ( S I ) ： 2 6 ， 9 8 S U NW， MUR， L U OXMI A Oc E ff e c t of c h l o r i d e s a l t 。 f r e e z e t h a w c y c l i n gand e x t e r n a l l y a p p l i ed l o a d 0 1 1t h e pe r f o r ma n c e o f the c o n c re t e J C e m e n t a n d C o n c re t e R e s e a r c h ， 2 0 0 2 ， 3 2( 1 2 ) ： 1 8 5 91 8 6 4 9 G B T 5 0 0 8 2 2 0 0 9 ， 普通混凝土长期性能和耐久性能试验方 法标 准 S 【 收稿日期】 作者简介 通讯作者 2 o 1 5一o 3一o 9 张东方( 1 9 8 9一) ， 男， 山东青岛人， 硕士研究生， 研究方向 ： 混凝土耐久性。 万小梅( 1 9 7 4一) ， 女 ， 山东 青岛人 ， 博士 ， 副教 授。 从事高性 能混凝土 、 混凝土材料的耐久性研究 。