混凝土在盐雾腐蚀和海水侵蚀中的劣化损伤.pdf

2 0 1 4年第 1 1 期 1 1月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA C0NCRETE AND CEMENT PRODUCTS 2 01 4 No 1 1 N o v e mb e r 混凝土在盐雾腐蚀和海水侵蚀中的劣化损伤 吴庆令 ， 杨益洪 ， 裴伟伟 ( 温州设计集团有限公司， 3 2 5 0 0 3 ) 摘要 ： 模拟海 洋盐 雾区和水 下区， 采用非破 损检测方 法测 定了混凝 土在 盐雾腐蚀和海 水侵蚀 中的相对动弹性 模 量和质量损 失率， 研 究了混凝土的经 时劣化损伤 演变规律 、 特点及损伤程度 。同时比较 了盐雾环境和海水环境 对 混凝 土损伤 劣化 的共性和 差别。最后借助损伤度概念 ， 探讨 了矿渣掺 量和混凝土强度对混凝土损伤度的影响 结果 表 明， 相对动弹性模 量经时变化过程表现为 4个阶段 ， 质量损 失变化过程 包括 2个阶段 。盐 雾腐蚀造 成的混凝土损 伤 大于海水侵蚀 ； 混凝土的损伤度随着矿渣掺量的增加 而增 大， 同时混凝土强度 亦对损伤度起着重要影响。 关键词 ： 盐雾腐蚀 ； 海水侵 蚀 ； 矿渣掺量 ； 混凝土强度 ； 损伤 Abs t r a c t ：Si mu l a t i ng ma r i n e s a l t s p r a y z o ne a n d s ub me r ge d z o ne i n l a bo r a t o r y ，t h e r e l a t i v e d y na mi c mo d ul us o f e l a s t i c i t y a n d ma s s l o s s r a t e o f c o n c r e t e s u b i e c t e d t o s a l t s p r a y c o r r o s i o n a n d s e a wa t e r a t t a c k a r e d e t e r mi n e d b y t h e me t h o d o f n o n d a ma g e d e t e c t i o n ， t h e d a ma g e e v o l u t i o n a l l a w ， c h a r a c t e r s a n d d a ma g e d e g r e e o f c o n c r e t e a r e i n v e s t i g a t e d Me a n w h i l e ， t h e d e t e r i o r a t i o n o f c o n c r e t e s u b j e c t e d t o s a l t s p r a y a n d s e a w a t e r e n v i r o n m e n t i s a n a l y z e d a n d c o mp a r e d A t l a s t ， b a s e d o n t he c o nc e pt o f da ma g e de g r e e，t he i n flu e nc e s o f s l a g c o nt e nt a nd c o nc r e t e s t r e ng t h o n d a ma ge d e g r e e o f c o nc r e t e a r e d e e p l y d i s c u s s e d T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e c h a n g e t e n d e n c y o f t h e r e l a t i v e d y n a mi c mo d u l u s o f e l a s t i c i t y e x h i b i t s 4 s t a g e s ， a n d ma s s l o s s c h a n g e r e p r e s e n t s 2 s t a g e s T h e d e t e r i o r a t i o n o f s a l t s p r a y c o rro s i o n i s mo r e s e r i o u s t h a n t h a t o f s e a wa t e r a t t a c k ，t h e d a ma g e d e g r e e o f c o n c r e t e e n l a r g e s w i t h t h e i n c r e a s i n g o f s l a g c o n t e n t ，me a n w h i l e ， c o n c r e t e s t r e n g t h h a s a n i m po r t a nt i mp a c t on i t Ke y wo r d s ： S a l t s p r a y c o rro s i o n ； S e a w a t e r a t t a c k ； S l a g c o n t e n t ； C o n c r e t e s t r e n g t h ； Da ma g e 中 图分 类号 ： TU5 2 8 0 1 文 献 标 识 码 ： A 文 章 编 号 ： 1 0 0 0 4 6 3 7( 2 01 4) 1 1 3 O O 5 O前 言 混凝 土 耐 久 性 是 指 混 凝 土 抵 抗 环 境 介 质作 用 并长期保持其 良好 的使用性能和外观完整性 ， 从而 维持混凝土结构安全 、 正常使用 的能力 ， 其性能的 好坏是高性能 昆 凝土的重要指标。至今有关 昆 凝土 耐 久 性在 国 内外 已有 大 量 的研究 报 导 ， 其 中环 境 因 素作为造成混凝土腐蚀破坏的一个主要原因 ， 引起 了专家学者们 的重点关注。余曼丽等 研究了冻融 循 环及 海水 浸泡 双 重 因素 对混 凝 土 耐 久性 的影 响 ； 孙伟等口 - 4 探讨 了混凝土及高性能混凝土在冻融或 化学腐蚀环境和荷载耦合作用下的性能失效规律 ； 元 成方 等 5 1分 析 了干湿 循 环 机制 下 碳 化混 凝 土 氯离 子侵蚀情况 ； 0 T r o c 6 n i s 等 6 1 基于 1 1 个伊 比利亚美 洲 ( I b e r o a me r i c a n ) 国家的 2 1 个 现场海洋暴露 站试 验 ， 分析了海洋环境对混凝土结构性能的影响； C e n 一 z 【 7 _研究了碳化环境下粉煤灰混凝 土的性能变化 ； Me h t a 研 究 了低 水灰 比( 1 o w w c ) 硅 灰混 凝土 在 6种 化学腐蚀溶液中抵抗化学腐蚀 的性能。 目前对 昆凝 土耐久性 中的环境影响研究多集 中在冻融循环 、 海水侵蚀 、 干湿循 环 、 碳化 、 化学腐 一 3 0一 蚀及其多种环境因素耦合作用方面 ， 关于海洋盐雾 环境 中的混凝土劣化损伤性能报道还 比较少见。为 此 ， 本 文设计 了多种 配合 比的混凝 土 ， 模拟海洋盐 雾区和水下区 ， 直接进行盐雾试 验 ， 并结合海水 浸 泡试验对混凝 土进行非破损检测和对 比分析 ， 测 定 混凝土的相对 动弹性模量和质量损失率 ， 同时观测 试件的外观剥落表征情况 ， 研究混凝土的损伤劣化 失 效 规律 和 特 点 ， 以期 为 海 洋盐 雾 环 境 中混 凝 土 的 耐久性提供一定的参考。 1 试验 1 1 原 材料 P 1 I 5 2 5级硅 酸 盐水 泥 ， 化 学 成分 见 表 l ； $ 9 5 级磨 细 矿 渣 ( S G) ， 化 学 成分 见 表 1 ； 黄 砂 ， 表观 密 度 2 5 0 0 k g m ， 细度模数 2 7 2 ， 属 于 区级 配 ， 中砂 ； 玄 武岩碎石 ，表观 密度 2 8 2 0 k g m ，压碎指标 6 ， 5 1 0 mm连续级配 ； J M B型萘 系高效减水剂 ，黄褐色 粉末 ，减水率达 2 0 以上 ， N a 2 S O 含量小于 2 ， 氯 离子含量小 于 0 0 1 ； 液体 J M一 2 0 0 0 c高效引气剂 ， 推荐掺量为 0 0 0 5 - 0 ： 0 1 ； 水 ： 饮用水。 1 2 配合 比 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 吴庆令 ， 杨益洪 ， 裴伟伟 混凝土在盐雾腐蚀和海水侵蚀 中的劣化损伤 设 计 了 5种 混 凝 土 ：不 掺 S G 的 基 准 混 凝 土 J Z C 3 0 ( 混凝 土 强度 为 C 3 0 ) ； 掺 加 3 0 S G 的矿 渣 混 凝土 $ 3 0 C 5 0 ( $ 3 0代表 S G掺量为 3 0 ， C 5 0代 表混 凝土强度 为 C 5 0 ， 此后编号 以此类 推) 和 $ 3 0 C 7 0 ； 掺 加 7 0 S G 的矿渣 t 昆凝土 $ 7 0 C 3 0和 $ 7 0 C 5 0 。 表 2是 5种混凝土的配合 比、坍落度和 9 0 d立方体抗压强 度 。 1 - 3试验 方法 本 文试 验制备 了 4 0 m mx 4 O mmx l 6 O m m棱柱体 混凝土试件 ， 振动成型 ， 保湿养护 ， 2 4 h后拆模 ， 移置 标准养护室养护至 9 0 d ，之后直接进行盐雾腐蚀试 验 ， 腐蚀试验在室温下进行。盐雾规则是 ： 制备 5倍 浓度的人工海水 ， 每隔 1 2 h往混凝 土表面喷盐雾一 次 ， 一天两次 。盐雾量约为 3 8 8 x 1 0 k g ( c m h ) ， 盐 雾沉降量约为 3 8 9 5 mg ( m h ) 。试验 中人工海水成 分见表 3 。 海水每隔两个月配置并更换一次。 为了比 较混凝 土试件的损伤劣化程度 ， 同时进行了混 凝土 在海水中的浸泡试验。 表 3人工海水的配 比 k g m 相对动弹性模量和质量损 失率的计算按照 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 进行 ， 虽然这两个指标是在混凝 土抗 冻性的试验方法中提 出的 ， 考虑到试验结果的可 比 性 ， 本 工 作 用 这两 个 指 标来 评 定 所 有 混凝 土 试 件 的 损伤程度 。同时 ， 相对 动弹性模量本身反应的是混 凝土内部微裂缝开展情况 ， 质量损失反应混凝土表 面 的破坏程度 ， 达到一定程度 的质量损失 ， 混凝 土 表面剥落会造成骨料或增强材料暴露9 1 。因此 ， 用这 两个指标反映混凝土 内部与表 面受到损伤 的程度。 试验过程中 ，采用 N M一 4 B型非金属超声波检测分 析仪测定超声波声 时， 采样周期设定为 0 1 I z s ， 则混 凝土 的相对动弹性模量( Re l a t i v e d y n a m i c m o d u l u s o f e l a s t i c i t y ， ) 为 ： 2 ， 2 = 备 专 = 10 0 ( 1 ) 式 中 ： E 为 试 件 的 相对 动 弹性 模 量 ， ； 、 。 、 t 。 分别为混凝土试件损伤前的初始动弹性模量 、 初始 声 速 ( m s ) 和 初 始 声 时 ( Ix s ) ； E 、 、 分 别 混 凝 土 试 件损伤后的动弹性模量 、 声速和声时。 采用电子天平 ( 精度 0 1 g ) 测量混凝土试件 的质 量损失率 ， 按式( 2 ) 计算 ： 警 。 (2 ) 式 中： 为试件 的质量损失率 ， ； G 。 和 G 分 别为损伤前后 的质量 ， g 。 2结 果与讨 论 2 1 混凝土在海水侵蚀中的劣化损伤 图 1是 混 凝 土 试 件 在 海 水 侵 蚀 过 程 中 的 相 对 动弹性模量和质量变化 。由图 1 ( a ) 可知 ： 混凝土 E 的变化包 括 4个 阶段 ： 快 速下 降段 、 上 升段 、 水平 段 、 逐渐下降段 。 昆凝土第 1阶段快速下降主要是 海水 C l 一 侵蚀导致的初始损伤 。第 2阶段 E表现为 上升 段是 由于 S 0 4 2 一 扩散 到 混凝 土 近表 面 区 ， 在 孑 L 隙 和界 面 区生成 钙 矾 石 ， 密 实 了混 凝 土结 构 。混 凝 土 的 后 2个 阶段 变 化 的主要 原 因在于 ： 随着 腐蚀 时间的增加 ， S O 继续 向内部扩散 ， 腐蚀产物和水化 产物密实混凝土 内部结构 ； 而在混凝 土近表面区生 成的钙矾石结 晶长大 ， 一旦其膨胀应力超过混凝 土 的抗 拉强度 ， 将 导致 该区域形成许 多微裂纹 ； 两者 产生 的一增一减作用刚好相互抵消， 因此 处于水 一 31 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 4年第 1 1 期 昆凝土与水泥制 品 总第 2 2 3期 0 4 0 0I2 0 O 【 ) ( 】 料 一 O 2 0 制 _ ( ) _4 0 -0 6 O - 0l 8 O 0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 侵蚀时间 d 侵蚀时IN d ( a ) 相对动 弹性模星 ( b ) 质量变化 图 1 混凝 土试件在 海水 侵蚀 过程中的相对动弹性模 量与质量变化 平段 。随着腐蚀继续进行， 微裂纹开始相互连通 ， 钙矾石大量生成 ， 裂纹宽度大幅度增加 ， 其 表现 为逐渐下降段。 海 水 浸 泡腐 蚀 前期 ， 5种混 凝 土 的 E 没 有 可 比 性 ，至 3 5 6 d后 才 开 始 呈 现 一 定 的 规 律 ： $ 3 0 C 5 0 J Z C 3 0 S 3 0 C 7 0 S 7 0 C 3 0 S 7 0 C 5 0 。在经 历 5 6 6 d的海 水侵蚀 后 ，其 E 分别 为 9 7 9 2 、 9 6 6 6 、 9 4 4 6 、 9 3 0 0 和 8 9 5 7 ， 这说明 $ 3 0 C 5 0抗海水侵蚀性最 好 ， $ 7 0 C 5 0最差。 由此可见 ， 对处于海洋水下区的混 凝土结构 ，采用适量 S G的混凝土 比不掺或高掺量 矿 渣 的混凝 土更 加有 利 。 根 据 图 l ( b ) 所 示 的混 凝 土试 件质 量 变化 规 律 ， 可 以发 现 质 量变 化 曲线 呈 现一 升 一 降趋 势 ： 0 3 2 6 d 缓慢线性增加 ，之后开始快速 降低 。5 6 6 d时最大 ( $ 7 0 C 3 0 ) 和最小 ( J Z C 3 0 ) 质量变化率分 别达到 一 0 7 2 ( 负号代表损失 ， 下 同) 和 0 0 3 ( 正号代表增 加 ， 下 同) 。 2 2 混 凝 土在 盐雾腐 蚀 中的劣化 损伤 图 2是 混凝 土试件在盐雾腐蚀过程 中的相对 1 1 0 1 0 0 9 O 8 0 7 O 6 0 3 2 0 1 0 0 2 o 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 侵蚀 时问， d 动弹性模量和质量变化 。由图 2 ( a ) 可见 ， 在盐雾腐 蚀作用下 ， 混凝土试件 的 随着腐蚀时间的变化分 为 4个阶段 ： 上 升段 、 快速下降段 、 水平段 、 缓慢下 降段 。上 升段 ， 其 超过 1 0 0 的原 因是 S G的缓 慢 水化使得混凝土 内部结构更加致密所致 。 的下降 主 要 是混 凝 土 试件 内部形 成 微 裂缝 所 致 ， 盐雾 腐 蚀 作 用 下 ， 水 泥浆 、 界面 区和孔 都 受 到较 大影 响 ， 水 泥 浆 中会出现大量的微裂缝 ， 并 日 随着腐蚀时间逐渐 发展 ， 孔隙在腐蚀循环过程 中孔径逐渐增大 ， 数量 增多 ， 界面区也会受到削弱 ， 出现孔缝。上述结果表 明， 盐雾腐蚀作用下的混凝土破坏是一个由疏松到 致 密再 到疏 松 的物理 演 变过程 。 E ，下 降 速 率 为 $ 7 0 C 3 0 $ 7 0 C 5 0 $ 3 0 C 5 0 S 3 0 C 7 0 J z C 3 0 ， 在经历 5 6 6 d的盐雾腐蚀作用后 ， 其 E 分 别 为8 1 1 0 、 8 5 6 3 、 9 3 0 6 、 9 4 5 0 和 9 7 6 4 ， 这 说 明在 海洋 盐 雾环 境 中 ， 不掺 S G的 昆凝 土 J Z C 3 0表 现 出更好 的 抗腐 蚀 性 ， 而 $ 7 0 C 3 0最 差 。 因此 ， 针对 暴 露 于实 际海 洋盐 雾 环境 中 的混 凝 土 结 构 ， 建议混凝土不掺 S G为宜 。 1 0 0 0 5O O O 0 一 0 5 0 _l _0 0 皑 一1 5 O - 2O 0 25 0 0 1 0 0 2 0 H0 3 0 0 4 0 0 5 O O 6 0 0 侵蚀时 间 d ( a ) 相对 动弹性模量 ( b ) 质量变化 图 2 混凝土试件在盐雾腐蚀过程 中的相对动弹性模量与质量变化 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 2 0 1 4年第 1 1 期 混凝土与水泥制品 总第 2 2 3期 度的剥落需要更大的破坏力。而海水侵蚀 中的混凝 土损伤度与强度的关系则刚好相反。 3结论 ( 1 ) 混凝土在海水侵蚀过程中的 E ， 变化包括 4 个阶段 ： 快速下降段 、 上升段 、 水平段 、 逐渐下降段 。 盐雾腐蚀 中的 E ， 变化表现为上升 、 快速下降 、 水平 、 缓慢下降等 4个阶段。质量损失变化均呈现一升一 降趋势 。结果表明 ， 混凝土腐蚀破坏是一个疏松一 致 密一 疏松的物理演变过程。 ( 2 ) 盐 雾 环 境 中 的混 凝 土损 伤 大 于 海水 侵 蚀 下 的混凝 土损 伤 。S G掺量 越大 ， 两 种腐蚀 环境 表现 出 的损 伤劣 化和 表 面破坏 特征 差别 越 为 明显 。 ( 3 ) 无 论 是 海 水 侵 蚀 还 是 盐 雾 腐 蚀 ， 混 凝 土 损 伤度 均 随着 S G掺 量 的增 大 而增 大 。混 凝 土 强度 对 损伤度亦有影响 ， 盐雾环境 中的混凝土损伤度 随混 凝土强度的提高而下降， 海水侵蚀中则表现相反。 ( 4 ) 对 处 于海 洋 水 下 区 的混 凝 土 结 构 ， 采 用 适 量 S G的 混凝 土 比不 掺 或高 掺 量矿 渣 混凝 土 更加 有 利 ， 而针对暴露于实际海洋盐雾环境 中的混凝土结 构 ， 建 议混 凝 土不 掺 S G为宜 。 参 考 文 献 ： 【 1 】 余 曼丽， 蹇 守卫， 穆 松 冻融循 环及海水 浸泡双重 因素对 昆凝土耐久性的影响【 J 1 中国水运， 2 0 0 7 ， 5 ( 9 ) ： 5 8 - 5 9 2 】We i S u n ， R u Mu ， X i n L u o ，e t a 1 E f f e c t o f 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 g a n d e x t e r n a l l y a p p l i e d l o a d o n t h e p e r f o r m a n c e o f t h e c o n c r e t e J C e m e n t a n d c o n c r e t e R e s e a r c h ， 2 0 0 2 ， 收 稿 日期 ： 2 0 1 4 0 9 0 2 作者简介 ： 吴庆令 ( 1 9 8 1 一 ) ， 男 ， 工程师 。 通讯地 址 ： 温州市鹿城区蝉儿路 7 1 号 联 系 电话 ： 1 8 9 6 8 8 9 5 9 8 4 E- ma i l ： 6 4 5 5 5 5 4 1 q q c o rn 欢迎订阅 2 0 1 5年 福建建材 期刊 福建建材 期刊创刊于 1 9 8 2年 ， 为大 1 6开本 1 2 0页月刊 ， 是全国性科技学术期刊 、 福建省优 秀科技期刊、 中国期刊全文数据库 和 中文科技期刊数据库 全文收录期刊 、 台湾华艺数位股份有 限公司数据库收录期刊、 中国学术期刊综合评价数据库 统计源期刊， 由福建省能源集 团有限责任 公 司主管 ，福建能源报业有 限公 司主办 ，福建省建筑材料工业科学研究所等协办。刊号 ： C N 3 5 1 1 0 7 T U、 I S S N1 0 0 4 4 7 2 8 。全国各地邮局均可订阅， 邮发代号 ： 3 4 3 1 。读者也可直接汇款至本刊编 辑 部订 阅。订 价每期 1 0元 ， 全年 1 2 0元 。欢迎 订 阅 。 福建建材 期刊宣传报道国家有关建设 、 建筑 、 建材行业 的政策法规 ， 反映相关行业的科技发 展动态 ， 先进的技术和管理经验 ， 介绍新材料 、 新技术 、 新工艺 、 新装备 的研究发展状况。栏 目设有 ： 发展论坛 、 试验研究 、 综合论述 、 标准 与检测 、 建筑与装修 、 工程应用 、 地基工程 、 路桥工程 、 施工技 术 、 生产技术 、 能源与环保 、 机械设备 、 监理与管理 、 房地产建设 、 建设经济 、 工作研究等 。欢迎投稿 。 福建建材 期刊是建材 、 建筑 、 建设及相关企业展示企业风采 、 树立企业形象、 宣传企业产品的 理想媒体 。本刊广告经营许可证号： 3 5 0 0 0 0 4 0 0 0 0 8 0 。欢迎刊登广告。 地址 ： 3 5 0 0 0 1 福州市省府路 1号金皇大厦 1 O楼 电话 ： 0 5 9 l 一 8 3 8 0 1 7 8 0 8 7 5 2 7 0 3 4 ( 传真) E ma i l ： f j j c b j b 1 6 3 C O n l 3 4 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一一 一一 一一 一一 一 一一一一一 一一一一一 一一一一 一一一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m