硫酸盐侵蚀下粉煤灰混凝土力学性能的试验研究.pdf

2 0 1 5年 第 4期 (总 第 3 0 6期) N u mb e r 4 i n 2 0 1 5( T o t a l N o 3 0 6) 混 凝 土 Co nc r e t e 理论研究 THEOR ETI CAL RES EARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 5 5 0 2 0 1 5 0 4 0 0 6 硫 酸盐侵蚀 下粉煤灰混凝土力学性 能的试验研究 何斌 ， 韩鹏举 ，白晓红 ( 太原理工大学 a 建筑与土木工程学院 b 材料科学与工程学院， 山西 太原 0 3 0 0 2 4 ) 摘要： 运用室 内加速腐蚀的试验方法研究 2 0 掺量的粉煤灰混凝土在不同浓度硫酸盐( Mg S O ) 侵蚀环境下的力学性能。 应用 强度损失率 卵值来评价粉煤灰混凝土的抗压强度随污染液浓度及龄期的变化 ， 并分析了相应的荷载位移曲线变化规律 。 试验结 果表明： 在混凝土中以2 0 掺量粉煤灰代替相应水泥 ， 掺和2 0 粉煤灰混凝土的抗硫酸侵蚀能力增强 ， 强度损失率 值也小于普 通混凝土的 卵值( 最大为 4 0 6 ) ， 混凝土的力学性能明显提高。 结合混凝土试块抗压强度与电阻率的关系 ， 经统计分析得 出两 种配合 比的混凝土无侧限抗压强度与试块 电阻率存在正相关关系( 月 = o 8 1 2 7 ， R 2 = 0 9 5 8 8 ) 。 关键词： 硫酸盐侵蚀 ； 粉煤灰混凝土 ； 强度损失率 ； 电阻率 中图分类号： T U 5 2 8 0 1 文献标志码： A 文章编号： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 5 ) 0 4 0 0 2 2 0 4 E x p e r i me n t a l s t u d y o n me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f f l y a s h c o n c r e t e s u b j e c t e d t o e x t e r n a l s u l f a t e a t t a c k H EB i n ， H A N P e 吲 u 一 ， B A I X i a o h o n g ( a C o l l e g e o f A r c h i t e c t u r e a n d Ci v i l En g i n e e ri n g； b C o l l e g e o f Ma t e ri a l s S c i e n c e a n d E n g i n e e ri n g ， Ta i y u an Un i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y， T a i y u a n 0 3 0 0 2 4， C h i n a ) Ab s t r a c t ： T h e me c h ani c a l p r o p e r t i e s o f c o n c r e t e mi x e d Wi t h t h e 2 0 v o l u me o f n y a s h i s r e s e a r c h e d W i t h d o me s t i c a c c e l e r a t e d C O I T O s i o n t e s t me t h o d s i n d i f f e r e n t v i s c o s i t y o f s u l f a t e ( Mg S O4 ) e r o d i n g e n v i r o n me n t Us i n g s t r e n g t h l o s s r a t e一 7 t o v a l u e t h e c h a n g e i n c o m p r e s s i v e s t r e n g th wi t h p o l l ut i o n v i s c o s i t y a n d a ge， a n d a n alyz i n g t h e c ha n g e l a w o f l o a dd i s p l a c e me n t c u r v e Th e res u l t s s h o w t h a t a b o u t c o n c r e t e mi x e d wi t h 2 0 fl y a s h ， i t s s u l p h u ri c a c i d r e s i s t a n c e i s e n h a n c e d ， i s l e s s tha n t h e叼o f u s u a l c o n c r e t e ( c a n b e u p t o 4 0 6 ) the me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f c o n c r e t e i s s i g n i fi c a n t l y i mp r o v e d Ac c o r din g t o t h e rel a t i o n s h i p b e t we e n t h e c o mp r e s s i v e s t r e n g th a n d res i s ti v i ty o f c o n c r e t e b l o c k， i t i s a c h i e v e d t h r o u g h s t a ti s t i c a l a n a l y s i s tha t a p o s i ti v e c o r r e l a t i o n e x i s t e d i n t h e u n c o n fi n e d c o mp r e s s i o n s t r e n g th a n d r e s i s ti v i t y o f t wo d i f f e r e n t mi x i n g p r o p o rt i o n o f c o n c r e t e ( 尺 =0 8 1 2 7， R o 9 6 =0 9 5 8 8 ) Ke y wor ds： s u l f a t e a tt a c k； fly a s h c o n c r e t e；s tre n g t h l o s s r a t e；r e s i s tiv i t y 0 引言 近年来 ， 随着我国经济的发展 ， 国家对基 础设施 的建 设也加大了投入力度 ， 不少 港 口、 码头 、 铁路 、 公路 、 桥梁 、 隧道相继开工 。 与此 同时 ， 建筑材料 的需求量也 日益俱增 ， 而混凝土又是建筑工程 中量最大、 最广泛的建筑材料。 但 是 ， 由于环境条件 的恶化 ， 混凝 土材料 在硫 酸盐侵蚀环境 下 的耐久性问题也成为人们越来越关注 的焦点 。 为此 ， 国 内外学者就混凝 土受 硫酸盐侵蚀机理 的问题做 了大量 的 研究 ， 研究结果都表 明， 混凝 土受硫酸盐侵蚀 后 的力 学性能都有不同程度的退化。 但如果对受环境因素而破坏 的建筑工程进行 大修 改 ， 就会影 响其 使用 ， 浪 费时 间、 资 源 、 能源 ， 且会产生废料 ， 对环境和社会 都有十分不利的影 响。 考虑到可持续发展 战略的要求 ， 急需在混凝 土工业 中 以辅助胶凝材料代替水泥 。 研究 表 明 ， 在混凝 土中 以粉 煤灰取代部分水泥后其强度明显表现出优越性能。 D i k e o n 1 0 的试验结果也说 明了在混凝土 中掺入 粉煤 灰能明显改善其抗硫酸盐侵蚀的性能 。 粉煤灰掺人混凝 土 的目的主要是节约水泥和改善混凝土的力学性能， 粉煤灰 在混凝土 中可产生 三大基本效应 ， 这三 大效应都使 粉 煤灰混凝土 的力学性 能显著提高 ， 粉煤灰 部分取代 水 泥的混凝土混合物最终抗压强度和抗拉强度通 常都 高于 相应的纯硅酸盐水泥混凝土 。 为进一步了解粉煤灰对混凝土力学性能的影响， 笔者 就利用粉煤灰效应来研究在普通混凝 土 中以 2 0 粉煤灰 掺量取代相应水泥后期力学性能 的变化 ， 为粉煤灰混凝土 在实际硫酸盐环境下的应用提供参考依据。 1 试验 方案和 方法 1 1 混凝土材料及试块的制备、 养护 混凝土原材料用 P O 4 2 5级水泥 ， 天然豆砂 ， 粒径 为 5 2 0 m iT l 的碎石和粉煤灰。 按水灰 比为 0 6 及两种配合 比 ( 见表 1 ) 将原材料放人小型混凝 土搅拌机充分搅拌 ， 制备 1 0 0 i Y l i n x1 0 0 m m x1 0 0 n q n 3 的试块 ， 在标准养护条件下养 收稿 日期 ： 2 0 1 4 0 9 2 8 基金 项 目 ： 国家 自然科学基金( 5 1 0 7 8 2 5 3 ) ； 高等学校博士学科点专项科研基金资助项 目( 2 0 1 1 1 4 0 2 1 2 0 0 0 1 ) ； 2 0 1 4年山西省研究生优秀创新项 目( 2 0 1 4 3 0 9 0 ) 22 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 卜 _0 14 d 0 28 d 广 _0 56 d 卜0 9 0 d 2 0 一 1 4 d卜2 0 2 8 d - 2 0 一 5 6 d 2 0 一 9 0 d 浓 度 ， 图 5 试 块抗 压强 度与 溶液浓 度和浸 泡龄 期的 关 系 在浸泡初期其抗硫酸盐侵蚀能力 比较强。 混凝土硫酸盐侵 蚀破坏时一个相当复杂的物理化学过程 ， 侵蚀属于结 晶性 侵蚀， 其实质是污染溶液中S O ： 一 进入混凝土内部， 与水泥 石 的某些固相组分发生化学反应而生成一些难溶 的盐类 矿物 ， 而这些难溶的盐类矿物一方面 由于吸收了大量水分 子而体积膨胀， 形成膨胀内应力， 当膨胀内应力超过混凝 土的抗拉强度 时就会 导致混 凝土 的破坏 ， 而在 Mg S O 侵蚀溶液中 ， 砂浆一直以递增 的速率膨胀 。 但是活性掺 合料 ( 2 0 粉煤灰) 强度降低值远远大于水泥， 这可能是 由 于 Mg 离子侵蚀一方面生成 Mg ( O H) ： ， 阻碍了 S O 一离 子 的侵入 ， 另一方面生成具有胶凝性的 M s H， 降低 了强 度 ， 而且 Mg S O 侵蚀是所有硫 酸盐 侵蚀对混凝 土破坏性 最大 的一种 ， 其主要原因是 由于 Mg 和 S O 一 离子均为侵 蚀源， 二者的侵蚀破坏作用相互叠加， 构成严重的复合性 侵蚀 ， 其反应方程式为 ： Mg S O +Ca ( OH) ：+ 2 H2 O- - + C a S O4 2 H2 O+Mg ( O H) 2 C S H +M g SO4+5H2 O Mg ( O H) 2 + C a S O 4 2 H 2 O+ 2 H 2 S i O 4 4 C a O A1 2 O3 1 3 H2 O+ 3 Mg S O4 +2 C a ( O H) 2 3 c a O Al 2 O3 3 C a S O4 3 2 H2 O+ 3 Mg ( O H) 2 由于生成 的石膏晶体和钙矾石晶体会 引起混凝 土体 积膨胀 ， 产生大 量 内应力 ， 同时反应将 C a ( O H) 转化 为 Mg ( O H) ， 降低了水泥石系统的碱度 ， 破坏了C S H水化 产物的稳定性 ， 使 C S H等水化产物分解 ， 从 而造成 混凝 土强度损失 。 但是 由图 6 、 7可知 ， 粉煤灰混凝土又表现 出一定的抗 硫酸盐侵蚀 的能力 。 图中给出了硫酸镁溶液浓度和侵蚀龄期与混凝 土强 度损失率 叼值的关系 ， 其 中 叼定义为 ： 2 4 40 2 0 。 耋 一 2 0 警_ 4 0 -6 0 8O 0 1 4 2 8 4 2 5 6 7 O 8 4 9 8 龄期 ， d 图 6 普通 混凝 土的 强度损 失率n值 逻 斟 骚 嘿 O 1 4 28 4 2 56 70 84 98 龄期 ， d 图 7粉煤灰 混 凝的 强度损 失 率n值 卵=( 某龄期 时清水浸泡混凝土无侧限抗压强度 一同 龄期 同配合 比的污染混凝 土无侧限抗压强度 ) 某 龄期时 清水浸泡混凝土无侧限抗压强度 1 0 0 从图中可 以得出 ， 普通混凝土与粉煤灰混凝土在硫酸 镁溶液浸泡初期的强度损失率 叼值均为负值 ， 之后 随着浸 泡龄期的增加而逐渐 由负变正 ， 且不断增大。 侵蚀初期 ， 可 能 由于污染介质部分填充了混凝 土内部 的孔隙 ， 混凝土强 度有所提高 ， 而随着浸泡时 间的增加 ， 污染物 与混凝土发 生反应 ， 产生新 的矿物 ， 导致混凝 土膨胀开裂 ， 强度 降 低。 同时， 相同条件下， 对比图 6 、 7中的 叼值的变化， 可以 看出 ， 两种混凝土强度损失率 叼值都随污染介质浓度 的增 加而增大 ， 而粉煤灰混凝土的 叼值一般小于普通混凝 土的 叼值 。 由图6可知 ， 普通混凝土 的 值最大达 4 0 。 6 ， 而 由 图7中的 可知粉煤灰混凝土的 叩值在龄期达9 0 d时仅 为 2 8 9 ， 相对而 言 ， 粉煤灰混凝 土的强度损失率 明显减 小 ， 进一步说 明了粉煤灰混凝土在硫酸盐侵蚀环境下的力 学性能优于纯硅酸盐水泥混凝土的力学性能 。 2 4试块抗压强度 与电阻率的 关系 通过对两种配合 比混凝土 的电阻率测试 ， 经统计分析 可 以发现其无侧限抗 压强度与试块 电阻率存在正相关关 系 ， 即随着 电阻率 的增 加其抗 压强度提高 ， 统计分析所得 的统计式如下 ： 普通混凝土： g = 0 1 2 5 2 p 。 + 2 9 6 7 9 0 R ； = 0 8 1 2 7 粉煤灰混凝土： q ： 0 2 6 2 8 p 。 + 5 9 8 5 8 ： 0 9 5 8 8 式中： 口 混凝土无侧限抗压强度 ， MP a ； p 混凝土试块 电阻率 ， Q I T 1 。 结合前述 内容 ， 可以进一步验证混凝 土无损检测 以其 简单、 易行、 经济等优点被广泛应用于 昆 凝土强度评定 的可靠性。 3 结论 根据上述室内试验的数据 ， 可得到以下几点结论 ： ( 1 ) 两种混凝土试块都出现表面水泥损耗和剥落的现 象 ， 且在浸泡 5 6 d 后 ， 普通混凝 土试块 表面水 泥损耗 和剥 落量比较大， 棱角也出现不同程度的剥落， 但是粉煤灰混 凝土表观 比较完整。 ( 2 ) 不同浸泡龄期试块 的荷载 一 位移 曲线形状基本相 同， 且加载段的斜 率也基本一样。 在位 移 0 - 0 4 m m 段荷 载随位移 的变化 量很小 ， 随着 位移的增加 ， 其荷载 的增 加 速度 比较快 ， 且 随着浸泡龄期的增加粉煤灰混凝 土的峰值 3 2 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 位移和峰值强度都在普通 昆 凝土的荷载 一 位移曲线右侧 ， 峰 值强度随浸泡龄期的增加而升高 ， 峰值位移也呈右移趋势。 ( 3 ) 随硫 酸镁溶液浓度和浸泡龄期 的增加 ， 两种混凝 土的抗压强度都呈 下降趋 势。 粉煤 灰混凝 土在 浸泡 1 4 d 时的强度较高且随溶液浓度的增加而下降的幅度很小。 普 通混凝土的强度损失率 叼值最大达 4 0 6 ， 粉煤灰混凝 土 的 叼值在龄期达 9 0 d时仅为 2 8 9 。 ( 4 ) 统计分析可以发现两种混凝土的无侧限抗压强度与 试块电阻率存在正相关关系( 尺 = 0 8 1 2 7 ， 尺 = 0 9 5 8 8 ) 。 参考文献 ： 1 马昆林 混凝土盐结晶侵蚀机理与评价方法 D 长沙： 中南 大学 ， 2 0 0 9 2 左晓宝， 孙伟 硫酸盐侵蚀下的混凝土损伤破坏全过程 J 硅 酸盐学报 ， 2 0 0 9 ， 3 7 ( 7 ) ： 1 0 6 3 1 0 6 7 3 董宜森 硫酸盐侵蚀环境下混凝土耐久性能试验研究 D 杭 州： 浙江大学 ， 2 0 1 1 E 4 A N T H A MA M M， C O H E N M D， L E K J S u l t e a t t a c k r e s e a r c h w h i t h e r n o w J C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e ar c h ， 2 0 0 1 ， 3 1 ： 8 4 5 8 51 5 梁咏宁， 袁迎曙 硫酸盐腐蚀后混凝土单轴受压应力应变全曲 线r J 混凝土 ， 2 0 0 5 ( 7 ) ： 5 9 6 1 11 6 张凤杰， 吴厌， 向伟 ， 等 混凝土的硫酸盐腐蚀研究11 J 徐州工 程学院学报 ， 2 0 0 7 ， 2 2 ( 4 ) ： 5 7 5 9 7 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11 J 硅酸盐学报 ， 2 0 0 7 ( 4 ) ： 5 0 4 5 0 9 I- 8 A D A M N T h e c o n f u s e d w o r l d o f s u l f a t e a t t a c k o n c o n c r e t e 11 J 上接第 1 7页 c r e t e R e s e arc h ， 1 9 8 0 ( 1 O ) ： 7 8 1 0 1 1- 2 代祥俊 ， 蒲琪， 王利民， 等 混凝土断裂特,l*f S g 试验研究 J 山 东理工大学学报 ： 自然科学版 ， 2 0 0 5 ( 5 ) ： 4 9 3 张璇子， 陈红迁， 王志勇 混凝土材料三点弯曲破坏的声发射特 性 J 试验力学 ， 2 0 1 0 ( 4 ) ： 4 5 7 4 6 2 4 罗晓勇， 施养杭 混凝土断裂的研究现状与展望 J 四川建筑 科学研究， 2 0 0 8 ( 6 ) ： 9 4 9 9 5 徐菁， 吴子燕 混凝土材 料细观结构 断裂数值模拟 J 西北工 业大学学报 ， 2 0 0 3 ( 5 ) ： 5 5 6 5 5 9 6 - 1孙雅珍 ， 余天庆0 昆凝土破坏的断裂与损伤耦合分析 J 沈阳 建筑大学学报 ： 自然科学版 ， 2 0 0 6 ( 1 ) ： 5 3 5 6 E 7 3易富民， 董侍 ， 吴智敏， 等 C F R P加固混凝土梁断裂特性的试验 研究11 J 水力发电学报 ， 2 0 0 9 ( 6 ) ： 1 9 31 9 9 8 张雷， 王金昌 纤维混凝土开裂扩展有限元数值模拟 J 低温 建筑技术 ， 2 0 1 2 ( 4 ) ： 3 1 3 3 9 唐春安 脆性材料破坏过程分析的数值试验方法 J 力学与实 上接第 2 1页 1 0 谢晓鹏， 杨广军， 管巧艳， 等 钢纤维对混凝土抗冻性能影响的 试验研究I- J 混凝土， 2 0 0 8 ( 8 ) ： 7 3 7 5 1 1 蔡迎春， 代兵权 改性聚丙烯纤维混凝土抗冻性能试验研究11 J 混凝土 ， 2 0 1 0 ( 7 ) ： 6 3 6 4+ 7 5 1 2 韩建军 不同侵蚀介质作用下高性能混凝土耐腐蚀性研究 J 粉煤灰 ， 2 0 1 0 ( 4 ) ： 6 8+ 1 1 C e m C o n c r R e s ， 2 0 0 4 ， 3 4 ( 8 ) ： 1 2 7 51 2 9 6 11 9 3 R A MME B W ， N A I K T R， K O L B E C K J U s e o f fl y a s h s l u r r y o f u n d e r g r o u n d f a c i l i t y c o n s t r u c ti o n J C o n s t r u c ti o n a n d B u i l d i n g Mat e fi s ， 1 9 9 4 ， 8 ( i ) I O D I K E O U B T h e d u r a b i l i t y o f f l y a s h c o n c r e t e C T h i r d C A N MET ACI I n t e rna t i o n a l Co n f e r e n c e on Th e Du r a b i l i t y o f Co n c r e t e， Ni c e： 1 9 9 4， 1 4 5 1 1 冯乃谦， 等 高性能混凝土技术 M 北京： 原子能出版社， 2 0 0 0 1 2 杨鼎宜， 周明耀 ， 杨鼎久 粉煤灰混凝土的而 寸 久 111 J 3 水利与建 筑工程学报， 2 0 0 3 ， 1 ( 3 ) ： 1 4 1 3 U 数华， 冷发光， 等 混凝土辅助胶凝材料 M 北京： 中国建材 工业出版社， 2 0 1 0 1 4 3 白晓红， 赵永强， 韩鹏举， 等 污染环境对水泥土力学特性影响 的试验研究r J 岩土工程学报， 2 0 0 7 ， 2 9 ( 8 ) ： 1 2 6 0 1 2 6 3 1 5 表润章 胶凝材料学 M 武汉 ： 武汉理工大学出版社， 1 9 9 6 1 6 3 方祥位， 等 混凝土硫酸盐侵蚀速度影响因素研究 J 建筑材 料学报 ， 2 0 0 7 ， l O ( 1 ) ： 8 9 9 6 1 7 马保国 海洋高性能混凝土的研究 D 武汉： 武汉工业大学， 2 0 0 0 1 8 梁咏宁， 袁迎曙 硫酸盐侵蚀环境 因素对混凝土性能退化的影 响 J 中国矿业大学学报， 2 0 0 5 ， 3 4 ( 4 ) ： 4 5 2 4 5 7 1 9 徐菁 基于模糊系统方法的混凝土强度评定模型研究11 D 青 岛 ： 中国海洋大学 ， 2 0 0 6 作者简介： 何斌( 1 9 8 5一) ， 男， 博士研究生。 联系地址： 太原理工大学( 北区) 建筑与土木工程学院( 0 3 0 0 2 4 ) 联 系 电话 ： 1 3 6 2 3 6 0 1 2 7 2 践， 1 9 9 9 ( 2 ) ： 2 1 2 4 1 O 钟惠萍， 黄小明， 张建仁 ， 等 混凝土拉伸断裂过程的 R F P A 2 D 模拟 J 长沙交通学院学报 ， 2 0 0 1 ( 2 ) ： 4 9 5 3 1 1 唐春安， 赵文 岩石破裂全过程分析软件系统 R F P A 。 J 岩石 力学与工程学报， 1 9 9 7 ( 5 ) ： 1 0 9 1 1 0 1 2 彭克龙， 张妍华 观音岩水电站大坝碾压混凝土施工质量控 U E J 水利水电技术， 2 0 1 4 ， 4 5 ( 5 ) ： 8 1 1 1 3 英成 ， 何刚 金沙江观音岩水电站混凝土模型微震监测试验报 告 z ， 2 0 1 4 1 4 朱万成 ， 唐春安 ， 齐安文 混凝土三点弯曲试件破坏过程的数值 模拟 J 力学与实践， 1 9 9 9 ( 5 ) ： 5 5 5 6 ， 4 1 作者简介： 高新文( 1 9 7 4一 ) ， 男 ， 在读博士 ， 从事路面结构与新材 料研究。 联系地址： 山西省太原市小店区许坦西街 3 6号 山西交科院黄土 实验室( 0 3 0 0 0 6 ) 联 系 电话 ： 1 5 8 3 5 1 1 1 2 3 6 25 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m