海洋环境下高性能混凝土柱的承载力试验研究.pdf

2 0 1 0年 第 7期 (总 第 2 4 9期 J N u mb e r 7 i n 2 0 1 0 ( T o t a l No 2 4 9) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 THEORE 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 0 0 7 0 0 6 海洋环境下高性能混凝土柱的承载力试验研究 朱 方之 1 , 2 。姜福香 1 l。 。赵铁军 。 ( 1 西安建筑科技大学，陕西 西安 7 1 0 0 5 5 ；2 宿迁学院，江苏 宿迁 2 2 3 8 0 0 ； 3 青岛理工大学，山东 青岛 2 6 6 0 3 3 ) 摘要： 制备了普通混凝土柱和掺加 2 0 复合超细粉高性能混凝土柱 1 O 根。基于相似理论 ， 设计了针对沿海混凝土结构所处不同环境 区域( 水下区、 水位变动区和大气区) 的人工气候腐蚀试验方案。 通过静载试验， 研究了海水腐蚀柱的破坏形态和承载力。 结果表明： 海水腐 蚀柱破坏过程与普通混凝土柱没有明显的差异； 当以海洋环境下裂缝宽度为耐久性控制指标时， 钢筋锈蚀引起的混凝土损伤对竖向构件 承载力的影响可以忽略不计 ； 掺加矿物掺合料可以提高混凝土抵抗海水侵蚀的能力 ， 但对构件承载力影响不大， 同时采取一定的技术措施 防止早龄期混凝土结构 氯离子 污染是必须的 。 关键词： 海洋环境；高性能混凝土柱；耐久性；承载力 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 0 ) 0 7 0 0 l 9 - 0 3 Ex per i men t al r es e a r c h on bea r i ng c a pac i t y o f HPC c ol um n i n mar i ne en vi r onmen t Z HUF a n g - z h i 1 , 2 1 J I ANGF u - x i a n g1 ,3 1 Z H AO T i e -ti m ( 1 Xi a l l U n iv e r s i t yo f A r c h i t e c t u r e&T e c h n o l o g y ， Xi a n 7 1 0 0 5 5 ， C h i n a ； 2 S u q i a nC o l l e g e ， S u q i a n2 2 3 8 0 0 ， C h i n a ； 3 Qi n g d a o T e c h n o l o g i c a l Un i v e r s it y， Q i n g d a o 2 6 6 0 3 3 ， C h i n a ) Abs t r a c t ： Th e t e n c o l u mns o fo r d i n a r y c o n c r e t e a n d HP C c o n c r e t e a r e ma d e Ba s e d O i l s i mi l ar t h e o r y， the a c c e l e r a t e d c o r r o s i o n t e s t of a r t i fl c i a l c l i ma t e s imu l a t i o n i n v a r i o u s e n v i r o n me n t s ( s u b me r s i o n z o n e ， wa t e r l e v e l c h ang i n g z o n e ， a n d a t mo s p h e r e z o n e )o f ma r i n e s t r u c t u r e i s d e s i g n e d Th e f a i l u r e pa e m an d b e a r i n g c a p a c i t y o f c o rro d e d c o l u mn we r e r e s e arc h e d b y s t a t i c l o a d t e s t Th e t e s t r e s u l t s s h o w tha t t h e f a i l u r e p e rio d o f ma r i n e c o r r o d e d c o l u mn h a s n o o b v i o u s l y d i ff e r e n t i a t i o n with o r d i n a r y c o n c r e c o l u mn T h e i n fl u e n c e o f b e a r i n g c a p a c i ty c a u s e d b y c o n c r e d a ma g e c a l l b e n e g l i g i b l e i f the c r a c k wi d t h i n ma r i n e e n v i r o n me n t i s t a k e n a s c o n t r o l i n d e x o f d ura b i l i tyAd d i n g mi n e r a l a d mi x t u r e s i s v e ry e ffe c t i v e t o i mp r o v e c o n c r e t e s t r u c t u r e ma r i n e c o rr o s i o n r e s i s t a n c e b u t t o the c a p a c i ty i s n o t v e ry r e mark a b l e I t i s a d v i s a b l e t o a v o i d e arly a g e c o n c r e t e s t r u c tur e c o n t a mi n a t e d b y c h l o r i d e t h r o u g h s o me t e c hn o l o g i c a l me a s ure s K e y wo r d s ： ma ri n e e n v i r o n me n t ； HP C c o l u mn ； d ura b i l i ty； b e a r i n g c a p a c i ty 0 引言 混凝土作为重要的建筑材料已有百余年的历史， 已广泛地 应用于各个领域。对于处于海洋环境下的混凝土结构来说， 其 服役条件十分恶劣。 许多国家都对处于海洋环境下的重要混凝 土结构进行了广泛的现场调查。调查发现 ： 支撑上部结构的 钢筋混凝土柱或墩台基础等近水部位( 即水位变动区) 由于受 到水流冲刷、 撞击、 干湿交替和盐的吸附结晶等物理作用， 以及 混凝土的碳化 、 盐的渗透而导致的钢筋锈蚀等化学作用所产生 的结构内在和外在的损伤均较其他区域严重， 往往使其成为结 构耐久f生失效的薄弱部位。 目前国内外关于海洋环境下钢筋混凝土劣化机理和受弯 构件耐久性的研究文献较多 ， 而支撑上部结构的钢筋混凝土 柱或墩台基础由于受力相对简单， 其耐久性研究给予的关注度 较少。如上所述， 支撑上部结构的钢筋混凝土柱或墩台基础不 易更换， 如发生腐蚀损伤， 将在一定程度上降低结构在设计寿 命期内的承载能力和耐久性， 甚至会导致整个结构的倒塌。为 丰富海洋环境下钢筋混凝土构件耐久性研究的试验数据， 完善 和发展锈蚀钢筋混凝土柱的计算方法， 本试验制备了两种配合 比的钢筋混凝土柱 ， 基于多重环境时间相似理论 ， 在不同龄期 置于人工气候室环境下， 模拟大气区和水位变动区的腐蚀。通 过静载试验， 研究了高性能混凝土柱破坏形态和承载性能。 1 原材料和构件制作 以山东省某大桥为工程背景， 为该桥耐久性设计提供依据。 原材料均采用现场使用材料。 水泥为 3 2 5 R级早强型硅酸盐水泥， 掺合料为磨细矿渣和粉煤灰混合而成的复合超细粉， 其化学成 分 见表 1 。 表 1 水泥和复合超细粉的化学成分 细骨料采用潍坊中砂， 细度模数 2 7 2 ； 粗骨料为淄博宝山 碎石， 粒径区间 5 2 0 ml n 。 氨基磺酸盐( F D N) 减水剂， 掺量 0 8 ， 减水率I2 0 ， 与水泥有较好的相容性。 为便于比较 ， 制作 2组试验柱， 其中普通混凝土柱 6根， 掺 收稿 日期 ：2 0 1 0 - 0 3 1 0 基金项目：国家“ 9 7 3 ” 计划课题( 2 0 0 9 C B 6 2 3 2 0 3 ) ； 国家自 然科学基金资助项目( 5 0 3 7 8 0 4 5 ) ； 教育部博士点基金( 2 o 0 7 0 4 2 9 0 0 1 ) 1 9 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 ( 1 ) 研究表明， 不同区域的混凝土氯离子传输机理是不同 的。其中水位变动区毛细吸附作用传输速率较快 ， 供氧充足， 导致这一部位钢筋锈蚀快于其他部位。 锈胀力引起混凝土保护 层损伤， 使得混凝土柱有效承载面积减少。另外， 与纵筋锈蚀相 比， 箍筋坑蚀更加严重。因此， 钢筋锈蚀引起的钢筋截面积减小 以及受力时锈蚀箍筋不能有效地约束 昆凝土是导致构件承载 力降低的原因之一。 ( 2 ) 根据文献 7 建议的考虑几何损伤后的截面尺寸公式， 对圆形截面构件可以修改为： d r _ d 一 2 c o t ( 1 ) 式中： d _截面原有直径， mm； d 损伤后截面计算直径， mm； c 构件保护层厚度 ， mm； 几何损伤系数建议值。 由于裂缝的存在直接影响到混凝土的渗透性和耐久性 ， 因 此各国在考虑构筑物的耐久生 与使用寿命时都规定了一个允许裂 缝宽度值【 1 l 】 。AC I 2 2 4委员会规定： 受到海水 、 潮汐及风干循环作 用的混凝土结构 ， 允许最大裂缝宽度为 O 1 5 m m； C C E S 0 1 ： 2 0 0 4 中建议在氯离子腐蚀环境下钢筋混凝土结构表面裂缝宽度允许 值为 O 1 i n l l l 。 如果以裂缝宽度 0 1 5 i l n l 计算 ， 可不考虑黏结力损 失引起的强度降低， 对轴心受压构件 a = 0 0 4 5 ， 则因截面损失引 起的承载力降低率低于 1 8 ， 这在工程上是允许的， 可以不考虑 截面损伤的影响。如本试验海水腐蚀混凝土柱相对于普通混凝 土柱承载力降低在 1 8 以内， 说明了模拟试验结果的准确性。 4 3 复合超细粉对构件承载力和 变形的影响 本试验配制的掺有 2 0 复合超细粉高性能混凝土柱相对 于同条件下的普通混凝土柱， 轴向抗压承载力提高 4 9 ， 同 时构件中的钢筋锈蚀有明显的减轻。说明使用矿物掺合料的混 凝土结构在后期强度增长和抗氯离子渗透性方面， 与普通混凝 土相比明显处于优势。 对早龄期混凝土来说 ， 水泥水化很不充分。如过早暴露于 腐蚀介质环境下， 侵蚀性离子容易扩散到构件表面一定深度。对 标养仅 1 d即腐蚀的柱， 尽管复合超细粉能够发挥“ 填充效应” 改善其密实度， 但其腐蚀也较为严重。因此， 在实际施工中， 对 未达到足够的强度和密实度之前就已经严重地暴露于恶劣的 天气条件和海水中的混凝土( 如水下区、 水位变动区) ， 应采取 一 定的技术措施防止早龄期氯离子污染。 境参数确定过程复杂， 模拟效果还有待进一步研究证实。 ( 2 ) 海水腐蚀环境下的钢筋混凝土轴心受压柱破坏过程与 普通混凝土柱未表现出明显差异。 ( 3 ) 钢筋锈蚀引起的钢筋截面积减小以及受力时锈蚀箍筋 不能有效地约束混凝土是导致构件承载力降低的原因之一。在 工程设计与施工时不能忽略箍筋锈蚀对构件承载力的影响。 ( 4 ) 纵筋锈胀力引起保护层混凝土损伤， 显著影响构件的承 载力和延性性能。当以氯离子环境下裂缝宽度作为使用寿命的控 制指标时， 几何损伤对轴心受压构件承载力影响可以忽略不计。 ( 5 ) 掺加复合超细粉等矿物掺合料是提高海洋环境下混凝 土结构耐久性有效的措施之一。同时采取一定的技术措施防止 早龄期混凝土结构氯离子污染是必须的。 参考文献 ： 1 O d d E G j O r v 严酷环境下混凝土结构的耐久性设计嗍 赵铁军， 译 E 京： 中国建材出版社， 2 0 1 0 2 冯乃谦 ， 邢锋 混凝土与混凝土结构的耐久性 M 】 E 京： 机械工业出 版社 ， 2 0 0 9 3 】 金伟良， 吕清芳， 等 东南沿海公路桥梁耐久性现状f J 1 _ 江苏大学学 报： 自然科学版， 2 0 0 7 ， 2 8 ( 3 ) 4 孙家瑛， 等 钢筋混凝土桥梁耐久性调查及防治措施研究 J 】 混凝土， 2 0 0 3 3 ) 5 王胜年 ， 黄君哲， 等 华南海 久性分析 J 1 _水运工程， 2 0 0 0 ( 6 ) ： 8 - 1 2 【 6 】 金伟良， 陈驹， 等海洋环境侵蚀作用下 浙江大学学报 ： 工学版， 2 0 0 4 ， 3 8 ( 5 ) 的调查与结构耐 【 7 惠云玲， 李荣， 等 混凝土基本构件钢筋锈蚀前后性能试验研究叨 工 业建筑， 1 9 9 7 ， 2 7 ( 6 ) 【 8 J I N We i - L i a n g ， J I N L i - B i n g A m u l t i e n v i r o n m e n t a l t i me s i mi l a r i t y t h e o r y o f l i f e p r e d i c t i o n o n c o a s t a l c o n c r e t e s t r u c t u r a l d u r a b i l i t y C # P r o c e e d i n g o f t h e I n t e r n a t i o n a l Co n f e r e n c e o n Du r a b i l i t y o f Co n c r e t e S t r u c t u r e s Z h e j i a n g ， 2 0 0 8 ： 1 0 2 3 9 C O S T A A， A P P L E T ON J C h l o ri d e p e n e t r a t i o n i n t o c o n c r e t e i n m a rin e e n v i r o n me n t p a r t I ： Ma i n p a r a m e t e r s a f f e c t i n g c h l o r i d e p e n e t r a t i o n J Ma t e ri a l s a n d S t ruc t u r e s ， 1 9 9 9 ( 2 1 ) ： 2 5 2 2 5 9 1 O M A B e r mfi d e z O d r i o z o l a ， P A l a e j o s G u t i 6 r r e z C o mp a r a t i v e s t u d y o f d i f - f e r e n t t e s t me t h o d s f o r r e i n f o r c e d c o n c r e t e d u r a b i l i t y a s s e s s me n t i n m a d B e e n v i r o n me n t J Ma t e ri a l s a n d S t ruc t u r e s ， 2 0 0 8 ( 4 1 ) ： 5 2 7 5 4 1 1 1 】 赵铁军渗透型涂料表面处理与混凝土耐久性 M 】 E 京： 科学技术出 版 社， 2 0 0 9： 1 2 3 5 结 论 作者简介 ( 1 ) 基于多重环境时I1丑 相似理论的人工气候加速腐蚀技术 为新建混凝土结构的耐久性研究提供一条有效途径。 但模拟环 上接第 1 8页 1 1 HI L L E R B O R G A A n a l y s i s o f o n e s i n g l e c r a e k C wI T r MA N N F H F r a c t u r e Me c h a n i c s o f C o n c r e t e Ams t e r d a m ： El s e v i e r S c i e n c e P u b l i s h- e r s BV ， 1 9 8 3： 22 3 2 4 9 【 1 2 HI L L E R B O R G A， MO D E E R M A n al y s i s o f c r a c k f o r ma t i o n a n d c r a c k g r o w t h i n c o n c r e t e b y me a n s o f f r a c t u r e me c h a n i c s a n d f i n i t e e l e m e n t s J C e me n t a n d C o n c r e t e Re s e a r c h ， 1 9 7 6 ， 6 ( 6 ) ： 7 7 3 7 8 2 1 3 H I L L E R B O RG AT h e th e o r e t i c a l b a s i s o f m e t h o d t o d e t e r m i n e t h e f r a c t u r e e n e r g y G F o f c o n c r e t e 明M a t e ri a l s a n d S t ru c t u r e s ， 1 9 8 5 ， 1 8 ( 4 ) ： 2 9 1 2 9 6 1 4 J 王学志， 宋玉普 ， 张小刚， 等基于尺寸效应的混凝土有效裂缝扩展 单位地址 ： 联系电话 ： 朱方之( 1 9 7 3 一 ) ， 男， 博士研究生， 主要从事混凝土材料及 结构耐久性研究。 宿迁学院建筑工程系( 2 2 3 8 0 0 ) 1 3 1 01 8 7 6 6 9 3 量研究 J 武汉理工大学学报， 2 0 0 6 ， 2 8 ( 3 ) ： 5 1 5 4 【 1 5 曾昭扬， 王燕生高碾压混凝土拱坝诱导缝和横缝布置研究 R 】 清华 大学水利水电工程系 1 6 沈新普， 冯金龙， 代树红 ， 等 基于 D S C M的混凝土结构变形局部化 试验 J j 沈阳工业大学学报， 2 0 0 8 ， 3 0 ( 2 ) ： 2 1 2 2 1 8 作者简介 ： 单位地 址 ： 联系电话 ： 王学志( 1 9 7 6 一 ) ， 男， 副教授， 博士， 主要从事混凝土断裂研 究工作。 辽宁省锦州市辽宁工业大学土木建筑工程学院( 1 2 1 0 0 1 ) l 3 3 8 42 66 O 58 21 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m