水源中断后混凝土中的水分迁移重分布.pdf

2 0 1 4 年 第 7期 (总 第 2 9 7 期 ) Nu mb e r 7 i n 2 0 1 4 ( T o t a 1 N o 2 9 7 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 THEORETI CAL RES EARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 8 i s s n 1 0 0 2 - 3 5 5 0 2 0 1 4 0 7 0 0 4 水源中断后混凝土中的水分迁移重分布 张鹏 1 l2 。杨进波 。 ，赵铁军 。李绍纯 ( 1 青岛理工大学 土木工程学院，山东 青岛 2 6 6 0 3 3 ；2 卡尔斯鲁厄理工大学 混凝土结构与建筑材料研究所 ，卡尔斯鲁厄 7 6 1 3 1 ，德国 3 北京顺义区住房和城乡建设委员会 ，北京 1 0 1 3 0 0 ) 摘要 ： 通过 中子成像试验 ， 对混凝土材料的水分侵入及水源中断后 内部水分的重分布过程进行 了研究。 结果表明， 应用中子成 像能够对非透明混凝土材料内部的水分迁移进行直观的成像追踪和观测 ； 水分能够在短时间内迅速侵人并充满混凝土的裂缝区， 随 后继续沿裂缝两侧向基体内部侵入， 成为水分侵入的内部水源； 混凝土外部水源中断后， 已侵人的水分在两个方向上进行迁移重分 布 ， 一方面水分在非饱和基体的毛细吸附作用下继续向材料深处缓慢侵入 ， 同时混凝土裂缝区域的水分开始向外部扩散而失去， 整 体水分曲线向外扩展 ， 但含量降低。 关键词 ： 混凝土；水分侵入 ；水分重分布 ；中子成像 中图分类号 ： T U5 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 4 ) 0 7 0 0 1 3 0 3 W a t e r r e d i s t r i b u t i on i n c o n c r e t e a f t e r s t o p p i n g w a t e r p r o v i s i on Z H A N GP e n g 一 ， Y A NGJ i n b o 3 , Z H AOr i e j t m ， L I S h a o c h u n ( 1 D e p a r t me n t o f C i v i l E n g i n e e r i n g ， Q i n g d a oT e c h n o l o gic a l U n i v e r s i t y ， Q i n g d a o 2 6 6 0 3 3 ， C h i n a ； 2 I ns t i t ut e o fCo n c r e t e St r uc t u r e s a n dBu i l d i ngMa t e r i a l s ， Ka r l s r u heI n s t i tut e o fTe c h no l o g y， Ka r l s r u he 7 6 1 31 ， Ge r ma n y； 3 B e r i n g S h u n y i C o m mi s s i o n o f H o u s i n gand U r b a n R u r a l D e v e l o p me n t ， B e ij i n g1 0 1 3 0 0 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ：T h e t i me d e p e n d e n t p r o c e s s o f wa t e r p e n e t r a t i o n i n t o c r a c k e d c o n c r e t e an d i t s r e d i s tr i b u t i o n a ft e r s t o p p i n g wa t e r p r o v i s i o n h a v e b e e n i n v e s t i g a t e d b y me a ns o f ne u t r o n r a d i o g r a p h yRe s u l t s i n di c a t e t h a t n e u tro n r a di o g r a ph y c a n be us e d t o de t e c t wa t e r mo v e me nt i n c o n c r e t e i n a v i s i b l e a n d q u an t i t a t i v e wa y W a t e r i mme di a t e l y fil l e d t h e c r a c k on c e t h e c rac ke d c o nc r e t e wa s p ut i n c o nt a c t wi t h wa t e r Th e n wa t e r f ur t h e r mo v e d i nt o the ma t r i x o ut o f the c r a c k I n thi s c a s e the c r a c k wa s r e g a r d e d a s an i n ne r wa t e r r e s e r v o i r Whe n wa t e r p r o vi s i o n f r o m o u t s i d e wa s s t o p pe d， t h e wa t e r whi c h a l r e a dy p e n e t r a t e d i n t o c o nc r e t e wo u l d mo v e i n t wo d i r e c t i o ns On e i s t o f u r t he r pe ne t r a t e i n t o d e e p of ma t e ria l wi t h a v e r y l o w s p e e d I n t h e me an wh i l e， s o me wa t e r d i f f us e d o u t of the s p e c i me n t h r o u g h t he c r a c k a s a f o rm o f va po r Th e wa t e r pr ofil e s e x p a n d e d t o d e e p e r are a， b u t t h e c o n t e n t o fwa t e r de c r e a s e d gra d u a l l y K e y w o r d s ： c r a c k e d c o n c r e t e ； wa t e r p e n e t r a t i o n ； wa t e r r e d i s t ri b u t i o n ； n e u t r o n r a d i o gra p h y 0 引言 水泥混凝 土是现代土木工程 中应用最广 、 用量最大的 结 构材料 ， 长期 以来被认为是坚 固而耐久 的 ， 但工程 实际 表明 ， 大量混凝土材料及其结构的实际服役寿命远低于其 设计使 用年 限， 过早的耐久性失效导致严重的直接 和间接 经济损失 ， 也 给社会和生态环境造成极大影响 ， 各 国已为 此付出了巨大的代价 。 因此 ， 如何保障并提高混凝土结 构的长期耐久性成为学术和工程界着力解决的课题 。 而在 混凝土 的诸多耐 久性劣化 ( 冻融 、 氯 离子侵蚀 、 碱骨料 反 应、 碳化等) 过程中， 水分是不可或缺的必要条件和大多数 劣化过程的关键因素。 为此 ， 国内外研究人员对水分在混 凝土 内部的迁移运动进行 了大量深入系统 的研究 。 但 当混凝 土在遭受水分入侵过程 中水分供应停止时 ， 例如， 下雨时混凝土表面吸收雨水分， 雨停则意味着水分供 应中止 ； 再如 ， 对 于海水分浪溅 区和潮汐区的混凝 土结构 ， 当海水分退潮后也处于这种状况， 那么， 此时已经侵入到混 凝土内部的水分将会如何迁移运动， 内部水分将面临重新 分布 的问题 ， 然 而， 由于混凝土材料 的非透明性 ， 常规试 验 技术难 以直观观测这一重分布现象。 对此 ， 笔者采用先进的 中子射线成像技术 ， 对带裂缝混凝 土试件首先进行 了水分 侵入 ， 随后停止外部水分供应 ， 对已侵入的水分在混凝土内 部的重新分布状况进行了直观的成像观测和定量研究。 1 试 验 概 况 1 1 原材料与试件制备 原材料包括： P O 4 2 5 R级水泥， 细度为3 4 2 mV k g ； 最大 粒径为 2 5 m瑚的青岛大沽河中砂 ， 密度为 2 6 1 0 k g m3 o 试验 收稿 日期 ：2 0 1 4 - 0 1 2 1 基金项目：国家 自然科学基金资助项 目( 5 1 2 7 8 2 6 0 ， 5 1 3 0 8 3 1 6 ， 5 1 2 0 8 0 1 3 ) ； 国家重点基础研究发展计划“ 9 7 3 ” 项 目( 2 0 0 9 C B 6 2 3 2 0 3 ) 1 3 表 3 黏结强度随初始裂缝宽度的下降率 注 ： 下降率 = ( 无裂缝试件黏结强度一 各裂缝宽度试件黏结强 度 ) 无裂缝试件黏结强度。 括号中的数表示钢筋直径为 1 8 B i n时试件的初始裂缝宽 度为 0 0 8 1-n l n 。 3 3 钢筋直径对黏结强度 的影响 图 9给 出了试 件 的黏 结强度 与钢筋直 径 的关 系 ， 由 图9 可 以发现 ， 无初始裂缝试件 的黏结强度随着钢筋 直径 的增大而快 速下降 ， 直径 为 1 8 mm试件 的黏结 强度 比直 径为 1 0 m m试件的黏结强度低 2 6 7 ， 这与一般大气环境 下钢筋与混凝 土之 间黏结强度 的试验规律相 同， 即钢筋直 径越 大 ， 相对黏结面积越小 ， 黏结强度越低【 ； 对带初始裂 缝 的试件 ， 虽然黏结强度也随着钢筋直径增大而降低 ， 但 下 降趋势并不显著 。 初始裂缝宽度为 0 0 7 m m 时 ， 钢筋直 径为 1 0 m m试件的黏结强度比无初始裂缝试件降低 2 7 4 ， 而钢筋直径为 1 8 mm试件黏结强度降低 5 9 ， 即初始裂 缝宽度变化对试件黏结强度 的影响较弱 ， 而钢筋直径变化 对黏结强度的影响更 明显 。 钢筋 直径 ram 图 9 黏结强度与钢筋直径关系曲线 4结 论 经历 3 0 0 次冻融循环与 1 0 0 次海水浸泡交替作 用后 ， 钢筋与混凝土之 间的黏结强度受到初始横 向裂缝宽度 和 钢筋直径 的影响， 试验研究结论 如下 ： ( 1 ) 与无初始裂缝试件 的黏结强度 相 比， 初始裂缝宽 度为 0 1 9 1T l n时 ， 钢筋直径为 1 0 、 1 4 、 1 8 m m试件 的黏结强 度分别降低 3 4 1 、 2 6 7 、 2 0 7 。 上接第 1 5页 【 9 王立成 建筑材料吸水过程中毛细管系数与吸水率关系的理论 分析 水利学报， 2 0 0 9 ， 4 0 ( 9 ) ： 1 0 8 5 1 0 9 0 【 1 0 AS T M E 7 4 8 0 2 ， S t a n d a r d p r a c t i c e s f o r t h e r ma l n e u t r o n r a d i o g r a p h y o f ma t e r i a l s S 2 0 0 2 1 1 L E HM A N N E ， K U H N E G ， V O N T O B E L ， e t a 1 T h e n e u t r a a n d N C R r a d i o g r a p h y s t a t i o n s a t S I N Q a s u s e r f a c i l i t i e s fo r s c i e n c e a n d i n d u s t r y C P r o c 7 t h Wo r l d C o n f e r e n c e o f Ne u t r o n R a d i o gra p h y R o me ： I t a l i a n Na t i o n a l Ag e n c y for Ne w Te c h no l o g i e s ， 2 0 0 2： 59 3 -6 0 2 1 2 貊大卫 ， 刘以思 ， 金光宇 ， 等 中子照相 M C 京 ： 原子能出版社 ， 】 9 9 6 】 2 9 -1 3 4 ( 2 ) 钢筋与混凝 土之间的黏结强度随着初始裂缝宽度 的增加而降低 ， 并 随着钢筋直径的增大而降低。 ( 3 ) 随着 钢筋 直径加 大 ， 初始 裂缝宽度对试件黏结 强 度 的影响削弱 。 参考文献： 1 】王传志， 腾智明 钢筋混凝土结构理论【 M 北京： 中国建筑工业 出版社 ， 1 9 8 5 2 J2 冀晓东， 宋玉普 冻融循环后光圆钢筋与混凝土粘结性能退化 机理研究【 J 建筑结构学报， 2 0 1 1 ( 1 ) ： 7 0 7 4 3 】贡金鑫， 何世钦， 郭育霞 盐环境中冻融循环对钢筋与混凝土粘 结性能影响 J 1 大连理工大学学报， 2 0 0 5 ( 3 ) ： 4 0 5 4 0 9 【 4 F ANG C， KO U X T h e E f f e c t o f S t e e l C o r r o s i o n o n B o n d S t r e n g t h i n C o n c r e t e S t r u c t u r e s J J o u r n a l o f S h a n g h a i J i a o t o n g Un i v e r s i t y ， 2 0 0 5 ( 4 ) ： 4 3 6 4 4 0 5 】N E P A L J ， C H E N H， A L A N I A M A n a l y t i c a l m o d e l l i n g of b o n d s t r e n gt h d e gra d a t i o n d u e t o r e i n f o r c e m e n t c o r r o s i o n C D u b l i n ， I r e l a n d： T r a n s Te c h Pu b l i c a t i o n s L t d， 2 01 3 【 6 】王海超， 何世钦， 贡金鑫 冻融循环后腐蚀钢筋与混凝土粘结性 能试验研究 混凝土 ， 2 0 0 7 ( 8 ) ： 1 - 3 【 7 】何世钦， 贡金鑫 钢筋混凝土梁中锈蚀钢筋粘结性能的试验研 究 哈尔滨工业大学学报， 2 0 0 6 ( 1 2 ) ： 2 1 6 7 2 1 7 0 8 】 何世钦 ， 贡金鑫 ， 金峰 ， 等 锈蚀与冻融循环 下钢筋与混凝土粘 结退化性能 J 水力发电学报 ， 2 0 0 9 ( 2 ) ： 6 1 6 5 9 孙洋 ， 刁波 ； 昆 合侵蚀与冻融环境下钢筋与混凝土粘结强度退 化的试验研究 建筑结构学报， 2 0 0 7 ( S 1 ) ： 2 4 2 2 4 6 【 1 O 】 张君， 居贤春， 公成旭混凝土中的裂缝对氯盐侵蚀作用的影Il f J 哈尔滨工程大学学报， 2 0 1 0 ( 6 ) ： 7 2 0 7 2 4 1 1 G B T 5 0 4 7 6 - - - 2 0 0 8 ， 混凝土结构耐久性设计规范 s 】 _北京， 2 0 0 8 【 1 2 M A R S A V I N A L ， A U D E N A E R T K， D E S C H U T Y E R G， e t a 1 E x p e r i me n t a l a n d n ume ric al d e t e r mi n a t i o n o f t he c h l o ride p e n e t r a t i o n i n c r a c k e d c o n c r e t e J C o n s t ruc t i o n a n d B u i l d i n g Ma t e r i als ， 2 0 0 9 ， 2 3 ( 1 ) ： 2 6 4 2 7 4 1 3 过镇海， 时旭东 钢筋混凝土原理和分析 M E 京： 清华大学出 版社， 2 0 0 3 作者简介 联系地址 联系电话 袭杰( 1 9 8 8 一 ) ， 男， 硕士研究生， 研究方向： 主要从事混 凝土结构耐久性研究。 北京市海淀区学院路 3 7号 北京航空航天大学交通 学院东4 1 9 ( 1 0 0 1 9 1 ) 1 5 81 0 5 421 91 【 1 3 S N OE C K D， S T EU P E RA E RT S， V AN T I q TE L B OO M K， e t a 1 Vi s u a l i z a t i o n o f wa t e r pe n e t r a t i o n i n c e me nt i t i o u s me fials wi t h S U p e r a b s o r b e n t p o l y m e r s b y m e a n s o f n e u t r o n r a d i o gra p h y 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 1 2 ， 4 2 ( 8 ) ： 1 1 1 3 1 1 2 1 作者简介： 张( 1 9 8 1 一 ) ， 男， 博士， 副教授， 从事混凝土结构耐久 性研究。 联系地址： 青岛市抚顺路 1 1 号 青岛理工大学土木工程学院 ( 2 6 6 0 3 3 ) 联 系电话 ： 1 3 5 8 9 2 6 8 4 3 9 1 9 8 7 6 5 4 3 2 1 O l ， 骥姆