碳化与酸雨侵蚀共同作用下钢纤维混凝土的耐久性能.pdf

第 1 7卷第 4期 2 0 1 4年 8月 建筑材料学报 J OURNAL OF B UI LDI NG MATERI ALS Vo 1 17。 No 4 Au g， 2 01 4 文章编号 ： 1 0 0 7 9 6 2 9 ( 2 0 1 4 ) 0 4 0 5 7 9 0 7 碳化与酸雨侵蚀共 同作用下钢纤维混凝土的耐久性能 王 艳 ， 牛获涛。 ， 苗元耀。 ( 1 西安建 筑 科技 大学 材 料科 学 与工 程博 士后科 研 流动 站 ，陕西 西 安 7 1 0 0 5 5 ； 2 重庆大学 山地城镇建设与新技术教育部重点实验室 ， 重庆 4 0 0 0 4 5 ； 3 西安建筑科技大学 土木工程学院，陕西 西安 7 1 0 0 5 5 ) 摘要 ：测试 了碳 化和 酸 雨侵 蚀 共 同作 用 下钢 纤维 混 凝 土 的质 量 变化 率 、 劈 拉 强度 变化 率 、 溶蚀 深 度 、 中性化 深度 ， 系统研 究 了碳化 和 酸 雨侵 蚀 共 同作 用 下钢 纤 维混 凝 土 的 耐 久性 能 结 果表 明 ： 碳 化 加速 了酸 雨侵 蚀 下 混凝 土的 溶蚀 ； 碳 化 和 酸 雨侵 蚀 共 同作 用 下 的 混凝 土 质 量 损 失 率 、 劈拉 强度 损 失 率 以及 溶蚀 深 度都 大 于单独 酸 雨侵蚀 作 用下 的 混凝 土 质量 损 失 率 、 劈 拉 强 度 损 失 率 以及 溶蚀 深度， 中性化深度 大于单独酸雨侵蚀 下中性化深度和单独碳化作 用下中性化深度的叠加 ； 碳化 与 酸雨侵蚀作用对混凝土 中性化都有贡献， 并且贡献大小几乎相 当 适量钢 纤维的掺入能有效抑制 酸 雨侵蚀 引起 的混凝 土溶 蚀 ， 并 降低 混 凝 土 中性 化速 度 ； 掺 1 5 ( 体 积 分数 ) 钢 纤维 混凝 土 的 耐久 性 能最优 关键 词 ： 钢 纤 维混凝 土 ； 碳 化 ；酸 雨侵 蚀 ；共 同作 用 ；中性 化 ； 耐 久性 能 中图分类 号 ： T U5 2 8 5 7 2 文 献标 志码 ： A d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 7 9 6 2 9 2 0 1 4 0 4 0 0 4 Du r a b i l i t y o f St e e l Fi b e r Re i n f o r c e d Co n c r e t e u n d e r t h e Co mb i n e d Ef f e c t s o f Ca r b o ni z a t i O n a nd Ac i d Ra i n Er o s i o n W A NG Yan N 儿，D i t ao。 。M I AO Yu an yao 。 ( 1 M a t e r i a l S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g Ce n t e r s f o r P o s t - d o c t o r a l S t u d i e s ，Xi a n Un i v e r s i t y o f Ar c h i t e c t u r e a n d Te c h n o l o g y ， Xi a n 7 1 0 0 5 5，Ch i n a ；2 Ke y L a b o r a t o r y o f Ne w Te c h n o l o g y f o r Co n s t r u c t io n o f C i t i e s i n M o u n t a i n Ar e a o f Chi na Educ a t i o n M i ni s t r y，Ch on gq i ng Un i ve r s i t y，Ch on gq i ng 40 00 45，Ch i na；3 Sc ho o l o f Ci v i l En gi n e e r i ng， Xi a n Un i v e r s i t y o f Ar c h i t e c t u r e a n d Te c h n o l o g y ，Xi a n 7 1 0 0 5 5，Ch i n a ) Ab s t r a c t ：Th e d u r a b i l i t y o f s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e ( S FRC)wa s i n v e s t i g a t e d u n d e r t h e c o mb i n e d e f f e c t s o f c a r bo n i z a t i o n a nd a c i d r a i n e r o s i o n b y t e s t i n g m a s s c ha ng e r a t e ，s p l i t t i ng t e n s i l e s t r e n g t h c h a n ge r a t e，c o r r o d e d d e p t h a nd ne u t r a l i z a t i o n de p t hTe s t r e s ul t s i n di c a t e t h a t t he c o n c r e t e c o r r os i o n u nd e r t he a c i d r a i n e r o s i o n e f f e c t i S a c c e l e r a t e d by c a r b o n i z a t i o n U n d e r t he c o mbi ne d e f f e c t s o f c a r b on i z a t i o n a nd a c i d r a i n e r o s i o n， t he c o nc r e t e ma s s l o s s r a t e，s p l i t t i n g t e ns i l e s t r e ng t h l o s s r a t e a nd c o r r od e d d e p t h a r e g r e a t e r t h a n t h o s e o f c on c r e t e un de r t he a c i d r a i n e r o s i o n e f f e c t a l on e，a n d t he ne u t r a l i z a t i o n de p t h i s l a r g e r t ha n t h e s u pe r p os i t i o n o f t h a t u nd e r t h e a c i d r a i n e r o s i o n e f f e c t a n d t ha t u nd e r t h e c a r bo n i z a t i on e f f e c t The e f f e c t of c a r b o ni z a t i o n a n d a c i d r a i n e r os i on h a s a l mo s t e q ua l c o nt r i bu t i o n t o t h e n e u t r a l i z a t i o n o f c o nc r e t e Pr o pe r mi x t u r e o f s t e e 1 f i be r c a n e f f e c t i v e l y i nh i b i t t he c o nc r e t e c o r r o s i on u nd e r t h e a c i d r a i n e r o s i o n e f f e c t a nd r e d uc e t he ne u t r a l i z a t i o n s p e e d T h e c o n c r e t e wi t h 1 5 ( b y v o l u me )s t e e l f i b e r i s o f t h e o p t i ma l d u r a b i l i t y Ke y wo r d s ：s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e ( S FRC) ；c a r b o n i z a t i o n；a c i d r a i n e r o s i o n；c o mb i n e d e f f e c t ；n e u t r a l i z a t i on；du r a bi l i t y 收稿 日期 ： 2 0 1 3 0 3 - 0 7 ；修订 日期 ： 2 0 1 3 - 0 6 2 6 基金项 目： 国家杰 出青年科学基金资助项 目( 5 0 7 2 5 8 2 4 ) ； 重庆大学 山地城镇建设与新技术教育部重点实验 室访 问学者基金资助项 目 第一作者 ： 王艳 ( 1 9 8 2 一 ) ， 女 ， 湖北 随州人 ， 西安建筑科技大学讲师 ， 博士 E - ma i l ： wa n g y a n w j x 1 2 6 t o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 5 8 O 建筑材料学报 第 1 7 卷 混凝 土抗 拉强度 低 ， 限制 了它 向大 跨结 构 、 悬 挑 结 构等领 域 的发 展 在 混凝 土 中掺人 钢 纤 维 能提 高 其抗拉强度， 改善其脆性 近些年人们对钢纤维混凝 土 的力学 性 能 、 增强 机理 等进行 了深入 的研究 _ 1 ， 同 时对单一因素作用下钢纤维混凝土的耐久性能如抗 碳 化性 能 、 抗 冻性 能 、 抗 氯盐 侵 蚀 性 能 等 也 开 展 了一系 列研究 然 而 ， 实 际工程 中 的混 凝 土并 不 是在单一因素作用下工作 的 许多研究者_ 6 。 通过 研究 盐溶 液对 混凝 土 冻 融 破坏 的影 响 后认 为 ： 多 种 因素共同作用下的混凝土损伤并不是各 因素单独作 用下混凝土损伤的简单叠加 因此探讨实际工程 中 多种 因素 共 同作 用下 混 凝 土损 伤 特 点 ， 更 加 客观 与 准确 地评 价混 凝 土 的耐 久 性 能 ， 是 当前 混 凝 土耐 久 性 能研究 中的一个 重要课 题 一 般大气环境中混凝土碳化是引起钢筋锈蚀的 的侵蚀破坏现象越来越突显 出来， 因此人们对酸雨 侵蚀下混凝土的破坏形态和机理等做 了一些探索性 研究 1 8 - 2 o ， 但这些研究主要 以普通混凝土和砂浆 为 研究 对象 碳化 与 酸雨 侵 蚀 共 同作 用 下 粉煤 灰 混凝 土中性化规律研究已逐渐展开 ， 但关于碳化与酸 雨侵蚀共同作用下钢纤维混凝土耐久性能的研究则 鲜有报 道 本 文测 试 了碳化 和 酸 雨侵 蚀 共 同作 用 下 钢纤维 混凝 土 的质 量变化 率 、 劈 拉强 度变化 率 、 溶蚀 深度和中性化深度 ， 系统研究 了碳化和酸雨侵蚀共 同作 用下 钢纤维 混凝 土耐久性 能 的劣化规 律及 钢纤 维掺量的影响 ， 深入分析碳化 和酸雨侵蚀共 同作用 下 钢纤维 混凝 土 的损 伤 机理 ， 为建 立 钢纤 维 混 凝 土 服役 寿命 预测模 型奠定 理论 基础 1 试验概况 主要 原 因 2 O世 纪 6 O年代 初 期 混 凝 土碳 化 已 引起 1 1 混凝 土配合 比 人们 的关 注 ， 经 过 4 O多 年 的快 速碳 化 试 验 、 长期 暴 采用 5 种 混凝 土配合 比( 见表 1 ) ， 水胶 比 ( 质量 露试验及实际工程调查研究 ， 国内外研究者对混凝 比) 均为 0 4 5 所用水泥为秦岭牌 P O4 2 5 R普通 土碳化 机理 与影 响 因 素 已经 有 了深刻 的认 识 ， 并 提 硅酸盐 水泥 ， 砂为 霸河 中砂 ， 碎 石为 泾 阳 口镇 石 灰岩 出了多种碳化深度 预测 的理论模 型 1 。 和经验 模 质锤破碎石 ， 减水剂为陕西瑞德建材科技有限责任 型_ 1 。 。 ， 然而这些模型都是基于单一碳化作用建立 公司高效减水剂 ， 钢纤维为重庆宜筑公 司剪切波浪 的 随着现代化工业进程 的发展， 酸雨对建 筑材料 型钢纤维( 长 3 0 mm， 直径 0 5 mm， 长径 比为 6 O ， 抗 表 1 钢纤维混凝土配合比与力学性能 T a b l e l M i x p r o p o r t i o n a n d me c h a n i c a l p r o p e r t ie s o f s t e e l f i b e r r e i nf o r c e d c o n c r e t e S t e e 1 f i b e r Mi x p r 。 p o r t i 。 n ( k g m一 。 ) Us e l e v e l ( b y co c o n t e n t ( b y ， 三 i C v o rn e ) e m e n t S a n d i Co mp r e s s i v e S p l i t t i n g t e ns i l e s t r e n gt h s t r e n g t h ( 2 4 d ) MPa ( 2 4 d) MPa S FC一 1 5 S FD 2 0 拉 强度 大于 3 8 0 MP a ) 1 2试 验设 计 为分析碳化和酸雨侵蚀共 同作用下钢纤维混凝 土耐 久性 能的 劣化 规 律 ， 分 别 进行 了钢 纤 维 混凝 土 快速碳 化试 验 ( C 试 验) 、 酸 雨侵 蚀 试 验 ( a 试 验 ) 、 碳 化 与 酸雨侵蚀 共 同作用 试验 ( c +a 试 验) ( 1 ) 快速 碳化 试验 快速碳化试验在快速碳化箱中进行 当碳化到 3 ， 6 ， 9 d时取 出试件进行中性化深度( z 。 ) 测试 碳化 箱中二氧化碳浓度( 体积分数) 为( 2 0 3 ) ， 相对湿 度为 ( 7 0 5 ) ， 温度为 ( 2 0 3 ) ( 2 ) 酸雨 侵蚀试 验 酸雨侵蚀试验在模拟酸雨溶液中以干湿循环方 式 进行 干湿循 环制度 为 ： 试 件在模 拟 酸雨溶 液 中浸 泡 1 0 d ， 取 出 自然 晾干 3 d 每进 行 2次干 湿循 环 ( 即 为 1次大 循环 ) 后 取 出试件 进行混 凝 土质量 、 溶 蚀深 度 ( 6 ) 、 劈拉强 度 、 中性化 深度 ( z ) 测试 针对 硫 酸型酸 雨 的 特点 ， 采 用 硫 酸 氨 和 硝 酸混 合 溶液来 模拟 酸雨溶 液 ， 其 中硫 酸氨 用于控 制 S O 一 浓 度 ， 硝 酸用 于调 节 溶 液 p H 值 在调 查 中 国 4 9个 城市降水 s O； 一和 H 浓度的基础上选择 s 0： 一浓 度 为 0 0 1 mo l L， P H 值为 3 0 ( 3 ) 碳化与酸雨侵蚀共 同作用试验 有研究 2 叩表明 ： 实验室 中采用先碳化后酸雨浸 泡 的试验 方法 ， 混 凝 土 耐久 性 能 劣 化规 律 最 接 近 自 然 界 中碳 化 与酸雨 侵蚀共 同作 用下混 凝 土耐久 性 能 5 0 C P C C F F S S 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4期 王 艳 ， 等 ： 碳 化与酸雨侵蚀 共同作用下钢纤维混凝土的耐久性能 5 8 1 的劣化 规律 碳化与酸雨侵蚀共 同作用试验采用先碳化后酸 雨侵蚀的交替循环试验模式 以试件快速碳化 3 d + 酸雨 侵蚀 2个 干 湿 循 环 为 1个 大循 环 每 次 大 循 环 后取 出试 件进 行混 凝 土 质量 、 溶蚀 深 度 ( 6 + ) 、 劈 拉 强度 、 中性 化深 度 ( + ) 测 试 1 3测试 方 法 分 别参 照 GB 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 和 J G T 3 O 6 4 1 9 9 9 钢 纤维混凝土 测试混凝土质量及劈拉强度 ， 试件尺寸 均 为 1 0 0 mm1 0 0 mm1 0 0 mm 采用 尺 寸为 1 0 0 mm1 0 0 mm3 0 0 mm 的试 件测 试混 凝土 溶 蚀 深 度及 中性 化 深 度 试 验 前 沿 试 件长度方向将其分为 4段 ， 并划线标记截面， 如图 1 所示 图 1 试件标记方式 Fi g 1 L a b e l o f t h e s a mp l e s ( s i z e ： mm) 溶蚀 深度 取试 件 标 记 截 面 宽度 变 化 来 评 价 ， 具 体方法为 ： 每次大循环后 ， 用游标卡尺分别测量第 J 个 试 件离 A 端最 近 标记 截 面 第 i 个 测 点 ( 沿 标 记 截 面 高 度 ( h )方 向 每 1 0 mm为 1个 测 点 ) 的 宽 度 a ： ( ram) ， 1 0个测量值 中去掉 1个最大值与 1个最 小 值 ， 取 剩余 的平 均值 作 为该标 记 截面 的宽 度 ， 则第 J个 试件 的溶 蚀 深度 b ( ram) 为 ： b一 型 2 ( 1 ) 每组 混 凝土 的溶 蚀 深 度 b ( ram) 取 3个 试 件 溶 蚀 深度 的算 术平 均值 参 照 G B T 5 0 0 8 2 - 2 0 0 9测试 混凝 土 中性化 深 度， 具体步骤为 ： 在岩石切割机上将第 歹个试件从 A 端标记截面处开始破型， 晾干后立即喷上浓度 ( 质量 分数) 为 1 的 酚 酞酒 精 溶 液， 测 量 中性 化 深 度 ： ( m m) 混凝土第 J个试件实际中性化深度 z ( ra m) 应为z ： 与该截面溶蚀深度b 之和， 即为： 一 ： + ( 2 ) 每组混 凝 土 中性 化 深 度 ( ram) 取 3个 试 件 中 性化深度的算术平均值 2 试 验结果及分析 2 1 钢纤维 混凝 土质 量变 化 不 同试 验 模 式 下 S F C - 1 5质 量 变 化 率 与 大 循 环次 数 的关 系见 图 2 图 2 不同试验模式下 S F C 一 1 5质量变化率与 大循 环次数的关系 Fi g 2 Re l a t i on s hi ps o f SFC一 1 5 ma s s c ha n ge r a t e a nd l a r ge c y c l e nu m b e r i n di f f er e nt t e s t mod e s 由图 2可见 ： 2种试验模式 ( a试验模式与 C +a 试 验模 式 ) 下 ， 侵 蚀初 期试 件质 量都 有不 同程 度 的增 加 ， 而侵蚀中后期试件质量则不断下降 酸雨 中 的 H 与 混 凝 土 中 的 碱 性 组 分 发 生 反 应 ， 导致 混凝 土质 量减 小 ， 而 酸雨 中 的 S O ： 一与混 凝 土 中 的 C a ( OH) 发 生 反 应 ， 生 成 膨 胀 性 物 质 石 膏 ( C a S O 2 H。 O) ， 使混 凝土 质 量增 加 在侵 蚀 初期 ， S O ： 一 作用 占主导 地 位 ， 因 此 试 件 质 量 有 所 增 加 随 着侵蚀过程的继续 ， H 作用 占主导地位 ， 试件溶蚀 程度开始加剧 ， 部分细骨料开始脱落、 流失 ， 试件质 量 不断下 降 由图 2 还 可见 ， 3次 大循 环 后 ， 碳 化 与酸 雨 侵 蚀 共同作用下试件质量损失率是单独酸雨侵蚀作用下 试件 质 量损 失 率 的 1 5倍 ， 说 明碳 化加 速 了酸雨 侵 蚀下 混凝 土 的溶蚀 虽然碳化反应的主要产物能将混凝土的凝胶孔 隙和部分毛细孔隙堵塞 ， 使混凝土 的密实度有所 提 高 ， 一 定程 度上 阻 碍 了酸 雨 中有 害 介 质 向混凝 土 内 部 的扩散 ， 减缓 了混 凝土 质量 的 降低 ， 但 是碳 化反 应 已经破 坏 了混 凝 土表 层 的胶 凝 结 构 ， 使 混凝 土在 酸 雨溶液中的溶蚀速度大 幅提高 ， 超过 了因碳化提高 混 凝 土密实 度 而使 其 质 量 损 失 速度 减缓 的幅 度 ， 最 终表现为碳化与酸雨侵蚀共同作用下混凝土质量损 失率大于单独酸雨侵蚀作用下混凝土质量损失率 3次 大循 环 后 ， 不 同试 验 模 式 下 混凝 土 质 量 变 化率与钢纤维掺量的关系见 图 3 由图 3可见 ： 2 种 试 验模式 下 ， 适 量 钢纤 维 的掺 加 能 减少 混 凝 土 的 质 量损失率 当钢纤维掺量( 体积分数) 为 0 1 5 lJ 0 甚 善 U 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 5 8 2 建筑材料学报 第 1 7卷 时 ， 随钢纤维掺量的增加 ， 试件质量损失率都减小 当钢纤维掺量为 1 5 时 ， 试件质量损失率最小 当 钢纤维掺量增加到 2 0 时， 混凝土质量损失率反 而较钢纤维掺量为 1 5 的有所增 大 这是 因为适 量钢纤维的掺加能提高混凝土 的抗拉强度 ， 有效阻 止 混凝 土硬 化过 程 中微 裂 缝 的产 生 与发 展 ， 缩 小 裂 缝 尺度 ， 减少 裂缝 数量 ， 降低各 种侵 蚀介质 在 混凝 土 中 的扩 散速 度 当钢纤维 掺量 超过 一定界 限值 时 ， 其 在混凝 土 中变得 不 易 分 散均 匀 ， 与水 泥 石 之 间 的薄 弱界面增多， 这降低了混凝土的密实性 ， 使得酸雨侵 蚀速 度加 快 图 3 3 次大循环后混凝土质量变化率与钢纤维掺量的关系 Fi g 3 Re l a t i on s hi ps o f c o nc r e t e ma s s c ha n ge r a t e a nd s t e e l f i b e r c o n t e n t ( b y v o l u me ) a f t e r 3 l a r g e c y c l e s 2 2 钢 纤 维混凝 土溶蚀 深 度变化 不同试验模式下 S F C - 1 5溶蚀 深度 与大循环 次 数 的关系见 图 4 由 图 4可 见 ， 碳 化 与酸 雨侵 蚀 共 同作用 下混凝 土溶 蚀深 度基 本较单 独酸 雨侵 蚀作 用 下混凝 土溶 蚀深 度 大 ， 这 说 明碳 化 对 表 层 混凝 土 酸 雨侵蚀 起 到加剧 作用 0 6 O 4 O 2 0 1 2 3 La r g e c y c l en u mb e r t i me s 图 4 不同试验模式下 S F E - 1 5 溶蚀深度与大循环次数的关系 Fi g 4 Re l a t i on s hi ps of SFC一 1 5 c o r r o de d de p t h a nd l a r g e c y c l e n u mb e r i n d i f f e r e n t t e s t mo d e s 掺量为 1 - 5 的有所增加 这是 因为 当钢纤维掺量 超过 一定值 时 ， 混 凝 土和易性 劣化 ， 混凝 土硬 化后 的 强度降低 ， 抵抗酸雨侵蚀能力下降， 混凝土溶蚀深度 增 加 0 O5 1 0 1 5 S t e e l fib e r c o n t e n t 图 5 3次大循环后混凝 土溶蚀深度 与钢纤维掺量 的关 系 Fi g5 Re l a t i o ns h i ps o f c o nc r e t e c o r r o de d de p t h a nd s t e e l f i b e r c o n t e n t ( b y v o l u me )a f t e r 3 l a r g e c y c l e s 2 3钢 纤维 混凝土劈 拉 强度衰 减规律 不同试验模 式下 S F C 一 1 5劈拉强 度变化率 与 大循环次数的关 系见 图 6 3次大循环后 ， 不 同试 验 模式下混凝土劈拉强度变化率与钢纤维掺量的关系 见图 7 La r g e c y c l e n umb e r t i me s 不 同试验模式下 S F C - 1 5劈拉强度变化率与 大循环次数 的关系 Re l a t i o ns hi ps of S FC I 5 s pl i t t i n g t e ns i l e s t r e n g t h c h a n g e r a t e a n d l a r g e c y c l e n u mb e r j n d i f f e r e n t t e s t mo d e s l 一1 2 1 1 1 l l O O 0 I l 董 台 o 口 等 。 量0 U ， a 甚o 鼋 u 6 ，a 】 B J 品 蠹 3 琶 口 尝 。 一 I s 量 首 耋d s 图 氡 口 量 # 一 一 昌 u 鲁 Q a p a p 呈 0 U S E 与 率 盯 =要 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4期 王 艳 ， 等 ： 碳 化与酸雨侵蚀共同作用下钢纤维混凝土的耐久性能 5 8 3 由图 6可见 ： ( 1 ) 随着大循环次数 的增加 ， S F C 一 1 5 劈拉强度呈先增后降趋势 ( 2 ) 在第 1次大循环 前 ， c +a 试验模式下 S F C - 1 5劈拉强度增长率大于 a 试 验模 式 ； 在 第 1次 大 循 环 后 ， c + a试 验 模 式 下 S F C 一 1 5劈拉强度下降率小 于 a试验模式 ， 表明碳 化对酸雨侵蚀引起的混凝土劈拉强度损失有一定的 抑制作用 由于碳化能使混凝土密实 ， 从而抑制 了混 凝土劈拉强度的降低 由图 7可见 ， 钢纤维掺量对混凝土劈拉强度变化 率的影响有一定程度的波动， 但是总体上掺人适量钢 纤维能减小混凝土劈拉强度 的降低幅度 3次大循环 后 ， c +a 试 验 模 式 下普 通 混 凝 土 劈 拉 强 度 损失 率 为 1 8 ， S F C - I 5为 8 2 ， 即钢 纤维 掺 量 为 1 5 的混 凝土劈拉强度损失率是普通混凝土的 4 6 2 4 钢纤 维 混凝土 中性 化深 度 不 同试 验 模 式 下 S F C 一 1 5中性 化 深 度 与 大 循 环 次数 的关 系见 图 8 3次 大循 环后 混凝 土 中性 化 深 度与钢纤维掺量的关系见图 9 耋 45 薹 ， 2 薹 O l 2 3 La r g e c y c l e n u mb e r t i me s 图 8 不同试 验模式下 S F C - 1 5中性化深度 与 大循环次数的关系 Fi g 8 Re l a t i on s hi p s o f SFC一 1 5 ne u t r a l i z a t i o n d e pt h a nd l a r g e c y c l e n u mb e r i n d i f f e r e n t t e s t mo d e s 图 9 3次大循环后混凝 土中性化深度与钢纤维掺量 的关 系 Fi g 9 Re l a t i o n s h i p s o f c o n c r e t e n e u t r a l iz a t i o n d e p t h a n d s t e e l f i b e r c o n t e n t ( b y v o l u me )a f t e r 3 l a r g e c y c l e s 由图 8可见 ， 在 最 初 的碳 化 和 酸雨 侵 蚀 共 同 作 用下 ， 混凝土 中性化速度很快 ， 之后混凝土中性化速 度逐 渐放 慢 在碳化和酸雨侵蚀共 同作用初期 ， 混凝 土中可 供反 应 的物质 比较 多 ， 反应 比较 剧烈 ， 中性化 发 展 迅 速 随着反 应 的进 行 ， 可 供 反 应 的 物质 逐 渐 被 消 耗 ， 所以在碳化和酸雨侵蚀共同作用后期混凝土中性化 发 展较 慢 ， 第 3次 大循 环 后 混 凝 土 中性化 深 度 增 长 小 于前 2次 循环 由图 9可 见 ， 在 C +a试 验 模 式 下 ， 3次 大循 环 后 ， 当 钢 纤 维掺 量 为 0 1 5 时 ， 随 着 钢纤 维 掺 量 的 增 加 ， 混 凝 土 中 性 化 深 度 不 断 减 小 ， 例 如 掺 1 5 钢纤维混凝土 S F C 一 1 5的中性化深度 比普通 混凝 土减小 了 5 O ； 当钢纤 维掺 量增 加 到 2 0 时 ， 混 凝 土 中性 化深 度稍 大 于普通 混凝 土 3 碳 化和酸雨侵蚀 耦合效应分析 图 8 ， 9显示 ， 碳 化 与 酸 雨侵 蚀 共 同作 用 下 钢 纤 维 混凝 土 的中性化 深度 并不 是单 独 酸雨侵 蚀作 用 下 中性化深度和单独碳化作用下中性化深度 的叠加 ， 而是大于两者之和 ， 说 明碳化与酸雨侵蚀共 同作用 产生 了耦 合效 应 当钢 纤 维掺 量 为 1 5 时 ， 无 论 哪 种试 验模 式下 混 凝 土 的 中性 化 深 度 均 为 最 小 ； 当 钢 纤维 掺量 为 2 0 时 ， 无 论 哪 种 试 验 模 式 下 混 凝 土 的中性化深度均为最大 ， 并与普通混凝土相 当 为了分析酸雨侵蚀和碳化在共 同作用中对混凝 土中性化的贡献程度 ， 以及两者共 同作用时是否产 生耦合效应， 引入钢纤维混凝土碳化影响系数 、 酸 雨影 响系数 和耦 合系 数 k ： 。一 z z ( 3 ) 一 X c + x ( 4 ) k ( 5 ) Xc十X 如果 等于 1 ， 说明碳化在共同作用 中对混凝 土 中性 化不 起作 用 ； 如果 小 于 1 ， 说 明碳 化在 共 同 作 用 中对混 凝土 中性 化起 抑制 作用 ； 如果 大于 1 ， 说 明碳 化在 共 同作 用 中对 混凝 土 中性 化 有 贡 献 ， 并 且 越大碳 化 对混 凝土 中性 化贡 献也越 大 同理 ， 可以反映酸雨侵蚀在共 同作用中对混凝土中性化所 起的作用 另外 ， 如果 k等于 1 ， 说 明碳 化与酸雨侵 蚀共 同作用不存在耦合效应 ； 如果 k大于 1 ， 说 明碳 化 与酸雨 侵蚀 共 同作用 下 的 中性 化深 度 大于各 因素 单 独作用 下 的 中性 化 深 度 的叠 加 ， 即碳 化 与 酸 雨 侵 蚀共 同作用存在耦合效应 按照式( 3 ) ( 5 ) ， 分别计算 出 ， 以及 k ， 列 于表 2 表 2显示 ， 值与 值均大于 1 ， 且两者数值相 当， 表 明碳化与酸雨侵蚀在共同作用 中对钢纤维混 凝土 中性 化都 有贡 献 ， 并 且 贡 献 大小 几 乎 相 当 k值 大于 1 ， 说明存在碳化与酸雨侵蚀耦合效应， 两者共 9 8 7 6 5 4 3 2 1 I吾 d 3 口g 焉 _【 置 T l 0 Z 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 5 8 4 。 建筑材料学报 第 1 7卷 SFc _ 2 0 5 1 8 2 9 2 2 5 0 3 5 3 1 9 9 2 5 7 2 7 0 2 4 2 1 4 4 1 3 7 1 3 0 1 3 7 1 ) Be c a us e t h e n e u t r a l i z a t i o n d e p t h o f S FC - 1 5 i s v e r y s ma l l i n i n i t i a l e r o s i o n s t a g e，t h i s br i n g s a b o u t t h e me a s u r e me n t e r r o r ， S O t h e d a t e i s big g e r t h a n t h e o t h e r ， a n d i s r e mo v e d o u t i n t h e a v e r a g e v a l u e c a l c ul a t i o n 同作用引起的混凝土中性化深度为各因素单独作用 中性化 深度 之 和 的 1 2 7倍 另 外 ， k值 随 钢 纤 维 掺 量的改变基本无 明显变化， 表明钢纤维掺量对碳化 与酸雨侵蚀共同作用耦合效应无显著影响 基于上 述试 验 分 析结 果 ， 笔 者 将碳 化 与酸 雨 侵 蚀共同作用 下钢纤 维混凝土 的侵蚀过程分 为 3个 阶段 ： ( 1 ) 侵蚀 初 期 在 此 阶段 ， C O。 与 表层 混凝 土 中 的 C a ( OH) 和 主 要 胶 凝 物 质 C - S H 发 生 化 学 反 应 ， 生成 C a C O 。 C a C 0 。可将 混 凝 土 的凝 胶 孑 L 隙 和 部分毛细孔 隙堵塞 ， 使混凝土的密实度有所提高， 一 定程 度上 阻碍 了后续 酸雨 中有 害介质 向混凝 土 内部 的扩 散 但 是碳 化 反 应 已 经破 坏 了 表层 混 凝 土 的胶 凝 结构 ， 当有 酸性 降 水 时 ， 酸 雨 与混 凝 土 表 面接 触 ， H 与混凝 土表 层 的碳 化 产 物 C a C O。发 生反 应 ， 置 换 出 C a 抖 ， 混 凝 土 开始 溶 蚀 除 此 之 外 ， H 还 与 混 凝土表层 的其 他水 化 产 物发 生反 应 并 溶 出大 量 C a 抖 ， 这些 C a 与 酸雨 中的 S O 一 反 应 生成 石 膏 ， 附 着 在混凝 土表 面 在 侵蚀初 期 ， 掺入 适 量 钢 纤维 的混 凝 土 由于 纤 维 的拉结 作用 ， 其溶 蚀深 度较 小 ， 此 时碳化 起 主导 作 用 ， 混凝 土质 量与劈 拉 强度略 有增加 ； 而普 通混 凝 土 与掺量较大的钢纤维混凝土 由于溶蚀深度较大， 混 凝土质量与劈拉强度已开始下降 ( 2 ) 侵蚀 中期 在此 阶段 ， 混凝 土表层 溶蚀 严 重 ， C O 与酸雨 中有 害 介 质 继续 向混凝 土 内部 扩 散 ， 与 硬 化水 泥浆 发生反 应 ， 混 凝土 中性化 深度 增长 迅 速 在 C O 与酸 雨共存 情况 下 ， 被酸 雨溶 出的 C a 抖， F e 抖及 A1 计等将阻碍 H 向混凝土内部 的渗透， 但 却有利于 C 0； 一 与 S O ： 一的渗透， 它们与溶出的 C a 。 。 发生 反应 ， 生 成 C a C O3 和 C a S O 2 Hz O C a C 03 和 C a S O 2 H O虽 然堵 塞 了混 凝土 的孔 通道 ， 但是 同 时又减小 了 C a 。 排斥 H 渗透的能力 ， 而 H 的进 一 步渗透又为 c O； 一 与 S O 一 的渗透提供 了更有利的 条 件 因此 ， 碳 化 与 酸雨 侵 蚀相 互 促进 ， 碳 化 对 混凝 土在酸雨中的溶蚀起到加速作用 ( 3 ) 侵蚀 后期 在此 阶段 ， 混 凝 土 中性 化 已达 到 一 定的深度 ， 中性化产物体积变大 ， 使混凝土孔隙减 小 ， 混凝土中性化速度变慢 ， 但表层 已碳化的混凝土 在酸雨 作用 下仍 继 续 快 速溶 蚀 ， 由此 引 起 的 混凝 土 质量降低速度与溶蚀深度增加速度并没有变慢 与 此同时， 酸雨 中的s O： 一 不断渗透并与 H 代换出来 的 C a 。 结 合 ， 在混 凝 土 内部 生 成 大 量