弯曲荷载和试验环境对混凝土构件损伤的影响.pdf

2 0 1 3 年 第 1 1期 (总 第 2 8 9 期 ) Nu mb e r l 1 i n 2 01 3 ( T o t a l No 2 8 9) 混 凝 土 Co nc r e t e 理论研究 THEoRETI CAL RESE ARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 3 1 1 0 1 4 4 0 弯曲荷载和试验环境对混凝土构件损伤的影响 沈艳忱 ，梅字靖 ( 南京水利科学研究院，江苏 南京 2 1 0 0 2 9 ) 摘要： 研究 了C 3 0 、 C 5 0和 C 8 0 S F 1 0构件在盐湖卤水浸泡、 现场暴露环境 ， 无荷载和 4 0 弯曲荷载条件下 ， 相对动弹模量变化 规律 ， 及其微观结构演变过程。 结果表 明： 混凝土构件在腐蚀环境下 ， 其损伤过程包括上升阶段和下降阶段 。 与现场暴露环境相 比， 盐湖卤水浸泡加速了混凝土构件的应力腐蚀 ； 混凝土构件在现场暴露环境下的损伤过程极其缓慢 。 施加 4 0 弯曲荷载混凝土 构件相对动弹性模量急剧下降， 趋势显著。 混凝土的强度等级越高混凝土构件损伤过程越长 ， 利用电镜分析其腐蚀产物为钙矾石 和石膏， 会导致混凝土构件开裂。 盐湖卤水 4 0 弯曲荷载是加速混凝土构件损伤的有效方法。 关键词： 弯曲荷载；试验环境 ；盐湖卤水 ；相对动弹模量 中图分类号 ： T U 5 2 8 叭 文献标志码 ： A 文章编号： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 3 ) 1 1 0 0 5 3 0 3 I n f l u e n c e o f c on c r e t e s t r u c t u r e d a ma g e e x p os e d t o t e s t e n v i r o n me n t a n d 4 0 f l e x u r a l l o a d i n g S H E NY a n c h e n ， ME I Y u fi n g ( N a ln j i n g H y d r a u l i c R e s e a r c h I n s t i tu t e ， Na n j i n g 2 1 0 0 2 9 ， C h i n a ) Abs t r a c t ： Th ed a ma g epr o c e s so f C3 0 C5 0a n dC8 0 SF1 0 s t r uc t ur ee x po s e dt o s a l t 1 a keb r i n ea a c k， s a l t 1 a k e e x p o s ur cu n d e r 0， 4 0 fle x u r a 1 l o a d i n g a n d wa s s y s t e ma t i c a l l y i n v e s t i g a t e d E n v i r o n me n t a l s c a n n i n g e l e c t r o n mi c r o s c o p y ( ES E M ) wa s u s e d t o i n v e s t i g a t e t h e mi c r o s t r u c tur e o f i n t e r i o r c o nc r e t e Th e t e s t r e s u l t s s h o we d t h a t ， c o n c r e t e s t r u c t ur e s t r e n g t h g r a d e wa s l e s s pr oc e s s i nc l ud e d Co mp a r e d wi t h s a l t l a k e e xp o s u r e， t h e p r o c e s s o f c o n c r e t e s t r u c t u r e wa s a c c e l e r a t e d b y s a l t l a k e b r i ne i mme r s i o n Th e p r o c e s s of c o n c r e t e s t r u c tur e d a ma g e wa s v e r y s l o wl y u n de r s a l t l ak e e x p o s u r e 4 0 fle x ur a l l o a d i ng， t h e n wa s o bv i o u s d e c r e a s e d c o nc r e t e s t r uc t u r e s tre ng t h gra d e Th e d a ma g e p r o c e s s o f c o n c r e t e s t r u c t u r e d e c r e a s e d wi t h c o n c r e t e s tre n gth ， c o r r o s i o n p r o d u c t b y E n v i r o n me n t a l s c a n n i n g e l e c t r o n mi c r o s c o p y wa s e t t r i n g i t e a n d g y ps um， c a u s e d t he e x pa n s i o n o fc o n c r e t e s t r uc t u r e S a l t l ak e br i n e 一 40 f l e xu r a l l o a d i ng d a ma g e pr o c e s s o fc o nc r e t e s t ruc tur e Ke y w or ds： fle x u r a l l o a d i n g； dr yi n g i mme r s i n g c y c l e s ； s a l t l ak e b r i n e； r e l a t i v e d y n a mi c e l a s t i c mo du l us 0 引 言 盐湖地 区混凝土结构要承受氯离子 、 硫酸根离子 、 碳化 和荷载等的多种因素影响 。 因此盐湖地 区混凝 土结构早期 破坏是个多因素相互耦合 的作用结果 。 对混凝土结构耐 久性研究 ， 国内外学者3 - 5 大多关注了小尺寸的砂浆试件和 混凝土试件 的耐久性试验 ， 选用的腐蚀溶液大多是单一氯 盐或硫 酸盐溶液 ； 多采用室内未加 载试验 。 余 红发6 卅 研究 了 6 种典型混凝土试件在高浓度盐湖 卤水环境下 ， 进行冻 融、 干湿单一情况混凝土试件的应力腐蚀和氯离子扩散规 律 ， 并建立的相应 的模 型。 张云清 0 1 探讨 了混凝 土试 件在 硫酸盐和氯盐溶液 中， 进行快速冻融 、 自然冻融和长期浸 泡 ， 混凝土构件的表面剥落和应力腐蚀的规律。 张立明1 1 摸 索了混凝土构件在室 内浸 泡 、 浸烘循环 和盐湖暴露环境下 的 3 种混凝土 的氯离子扩散能力。 对混凝土构件现场暴露 环境下 + 4 0 弯曲荷载条件下的应力腐蚀研究还未见报道。 本研究选取青海盐湖卤水为腐蚀溶液 ， 在现场暴露试验 、 室 内浸泡环境下 ， 施加 4 0 的弯曲荷载 ， 深入讨论混凝 土构 件的试验环境 、 4 0 弯曲荷载单一及其耦合作用下 ， 混凝土 构件腐蚀应力腐蚀规律 ， 并采用 E S E M 分析了其微结构演 变过程 。 1 试 验 1 1 原材料 湖北 黄石水 泥厂生产 的华新 牌 P I 5 2 5级水 泥 ， 镇 江谏 壁 电厂华 源 I 级粉 煤灰 。 江苏江南 粉磨公 司生产 的 $ 9 5 级磨 细矿渣 ， 比表面积 4 6 1 m 2 k g 。 胶凝材 料化学成分 见 表 1 。 兰州产 河砂 ， I I 区级配 ， 中砂 细度模 数为 2 5 。 甘 肃省 临洮河 口产石灰岩碎石 ， 5 2 0 mm连续 级配 ， 最 大粒 径 2 0 mm。 饮用水 ， 江苏省苏博特 P C A ( I ) 聚羧酸类 高性 能 减水剂 ， 减水率达 2 0 以上 ， 小 型钢筋笼 、 试模 如图 1 所示 收稿 日期 ：2 0 1 3 - 0 5 0 4 基金项 目：国家重点基础研究发展计划( “ 9 7 3 ” 计划 ) 项 目( 2 0 0 9 C B 6 2 3 2 0 3 ) ； 国家 自然科学基金项 目( 2 1 2 7 6 2 6 4 ) ； 国家 自然科学基金项 目 ( 5 1 l 7 8 2 2 1 ) 5 3 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 芝 d 嘣 融 需 fX 腐 蚀龄 期 d ( a ) C3 0 腐蚀 龄期 d ( b ) CS 0 图 4 各 因素作用下 C 3 0 5 O和 C 8 0 S F 1 0耐腐蚀能力的影响 的水化铝酸钙 、 氢氧化钙发生化学反应生成钙矾石和石膏 0 同时硫酸盐本身结晶 ； 自身体积膨胀 ， 加速 了混凝土构件 自身的劣化。 而盐湖现场环境下 ， 由于盐湖水不结冰 ， 硫酸 盐是通过干湿循环进入混凝 土内部 ， 由于盐湖地 区气候 干 燥 ， 引起 了混凝 土构件表面开裂 ， 内部形成连 同孔隙 ， 为盐 湖卤水提供了进入混凝土内部的通道 ； 盐分积累越多， 反应 生成钙矾石和石膏和结 晶越多 ， 结 晶应力 、 体积膨胀越大 ， 混凝土构件损伤越快 。 但只有在降雨和融雪的时候才能产 生干湿腐蚀 ， 而盐湖地 区降水稀少 ， 因此在盐湖现场暴露 环境下混凝土构件损伤过程极其缓慢。 2 2 施加 4 0 荷 载 对混凝 土构件 损伤 劣化过 程 的 影 响 图 4 表述 _ 施加 4 0 荷载后 ， 盐湖卤水浸泡和盐湖现场 暴露试验环境下 C 3 0 、 C 5 0 和 C 8 0 S F 1 0 混凝土构件相对动弹 性模量随侵蚀龄期的变化规律。 由图4 可知 ， 施加 4 0 的弯曲 荷载后 ， C 3 0 、 C 5 0 和 C 8 0 S F 1 0混凝 土构件相对动弹性模量 的变化规律没有变化 ， 各混凝土构件的相对动弹性模量表现 出先下降 ， 后缓慢下降的变化规律。 4 0 弯曲荷载加速了各 混凝土构件的损伤过程。 如 C 5 0 构件 ， 经过 6 6 0 d的腐蚀后 ， 盐湖卤水腐蚀 、 盐湖卤水 4 0 弯曲荷载 、 盐湖现场暴露和盐 湖现场暴露 4 0 弯曲荷载的相对动弹模量分别为 1 1 5 4 、 1 1 0 2 、 l l 1 6 和 1 1 3 2 。 其原因是施加 4 0 弯曲荷载后 ， 在混凝 土构件表面和内部产生微裂缝 ， 增加了连通孔隙和裂缝的深 度 ， 从而扩大盐湖 卤水向混凝土 内部扩散的传输通道 ， 加速 了硫酸根离子扩散速度和毛细管吸附作用和盐结晶应力。 2 3 混凝 土 强度 等级 对混凝 土构件损 伤 劣化过程 的影 响 图 5为 C 3 0 、 C 5 0和 C 8 0 S F 1 0 混凝土构件在盐湖卤水 浸泡 、 盐湖卤水 4 0 弯 曲荷载 、 盐 湖现场暴露和盐湖现场 暴露 4 0 弯 曲荷载作用下 的相对 动弹性模量随侵蚀龄期 变化规律 。 由图 5 可知 ， 3 种混凝土构件在不 同试验条件下 其相对弹性模量变化趋势一致 ， 先上升 ， 后缓慢下降 。 如在 盐 湖卤水 4 0 弯曲荷载作用下 ， 经过 6 6 0 d的腐 蚀 ， C 3 0 混凝土构件相对动弹模量为 1 0 4 4 ， C 5 0混凝土构件的为 1 1 0 2 和 C 8 0 S F 1 0 混凝土构件 为 1 1 9 2 。 可 见在 i因素 作用下 C 8 0 S F 1 0 损伤程度最小 ， 其次是 C 5 0 ， 最后是 C 3 0 。 原 因是 C 3 0 混凝土具有较高的水灰 比， 高水灰比的混凝土 的内部结 构不密实及较 高的孑 L 隙率 为有害离 子向混凝 土 内部 扩散 提供了通道 ， 同时混凝 土强度低 ， 抵 抗盐结晶应 琶 血l 敲 需 霞 靶 1 OO 80 60 40 1 25 1 20 蛔 1 15 瓣 需 1 1 0 理 l O 5 1 O0 2 00 40 0 60 0 800 腐蚀 龄期 d ( c ) C8 0 S F1 0 _ C3 0 +C5 O 广 - C8 0 S F1 0 C 3 0 4 0 荷载 十C5 0 4 0 荷载 +C 8 0 S F 1 0 - 4 0 荷载 0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 腐蚀龄 期 d ( a ) 盐湖卤水浸泡 _C3 0 卜 _ C5 0 广 _C8 0 S F1 0 *一C3 0 4 0 荷载 +C 5 0 4 0 荷载 +C 8 0 S F 1 0 - 4 0 荷载 0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 腐蚀龄期 d ( b ) 盐湖现场暴露环境 图 5 混凝土强度等级对混凝土构件相对动弹模量 力差 ， 一定程度上加速了混凝土在盐 湖卤水侵蚀作用下的 损伤劣化速率和程度 。 2 4 4 0 弯曲荷载一 盐湖卤水侵蚀作用下混凝土构 件 的微 结构演变 在 4 0 弯曲荷 载盐湖 卤水侵蚀作用 ， 对侵蚀前 、 侵 蚀 3 3 0 、 6 6 0 d的 C 3 0构件进 行 S E M 分析混凝 土孑 L 洞中微 观 结构 的变化 ， 如图 6 所示。 侵蚀前混凝土内部孔隙中有少量 的片状物质和针状晶体 ， 经过 3 3 0 d 侵蚀 ， 混凝土构件内部 孔洞中存在大量 的针棒状腐蚀产物 ， 它们从孔洞壁 向孔 的 中心生长 ； 经过 6 6 0 d的侵蚀 ， 混凝土孔洞几乎完全被针状 产物充填 ， 并形成 裂纹混凝土。 裂缝并在进一步发展 ， 通过 对腐蚀产物进行确定为钙矾石 、 石膏和硫酸盐晶体 。 这是因 为S O 扩散到混凝土近表面 区， 在孔隙和界 面区生成钙矾 石和石膏 ， 当钙矾石和石膏结 晶长大 ， 一旦其膨 胀力超 过 混凝土 的抗拉强度 ， 就会产生大量裂缝 ， 相对动 弹模量开 始劣化 ， 随着试验 的继续 ， 裂缝进一步扩展 ， 促进钙矾石 和 石膏的生成 ， 相对动弹模量迅速下降。 3结论 混凝 土构件在不 同试验环境 和 4 0 荷载作用下其相 下转第 7 1页 55 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