多种环境因素综合作用下水泥混凝土抗压强度衰变规律.pdf

2 0 1 3年 第 8期 (总 第 2 8 6 期 J N u mb e r 8 i n 2 0 1 3 ( T o t a l No 2 8 6 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 T HEORET I CAL RES E ARCH 多种环境因素综合作用下水泥混凝土 抗压强度衰变规律 于蕾 ，张金喜，贾冬 ( 北京工业大学 交通工程重点实验室，北京 1 0 0 1 2 4 ) 摘要 ： 试验成型了三种不 同配合 比的水泥混凝土试件 ， 分别为普通水泥混凝土， 含气量 4 的引气混凝土 ， 等量取代法掺 1 5 粉煤灰且含气量 4 的水泥混凝土 ； 进行了四种环境因素综合作用下的水泥混凝土抗压强度衰变规律研究； 结论显示多因素综合 作用下混凝土抗压强度变化量并不等于各单因素作用下抗压强度变化量代数和， 引入抗压强度劣化因子 ， 分配权重系数 ， 建立了 多种环境因素综合作用下的水泥混凝土抗压强度衰变模型。 关键词 ： 水泥混凝土；环境因素 ；抗压强度 ；劣化因子；衰变模型 中图分类号： T U 5 2 8 0 6 4 文献标志码： A 文章编号： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 3 ) 0 8 0 0 4 3 0 4 Re gu l a r i t y o n c o m p r e s s i v e s t r e n g t h v a r i a t i o n i n c e m e n t c o n c r e t e c or r o d e d b y e n v i r on me n t a l e ffe c t s YULe i ， ZHANG J i nx i ， J I A Do n g ( K e y L a b o r a t o r y o f T r a f fi c E n g i n e e r i n g ， B e i j i n g U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， B e i j i n g 1 0 0 1 2 4 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： T h r e e k i n d s o f c e me n t c o n c r e t e s we r e 1 i s t e d a s f o l l o w ： n o r ma l c o n c r e t e ， a i r - e n t r a i n e d c o n c r e t e wi t h 4 g a s c o n t e n t c o n c r e t e wi t h 1 5 fly a s h a n d 4 g a s c on t e n t Co mp r e s s i ve s t r e n g t hs we r e me a s u r e d o n s p e c i me n s c o r r od e d b y f o u r ki n d s o f e nv i r o n me n t a l e ffe c t Th e r e s u l t s s h o we d t h a t c o mp r e s s i v e s t r e ng t h s o n s p e c i me n s c o r r o d e d b y f o ur k i n ds o fe n v i r o nme n t a l e ffe c t s we r e n o t e q u a l e d t 0 a l g e b r a i c s um a mo n g s pe c i me n s c o r r o de d by s i ng l e f a c t o r Wi t h pa r a me t e r s o fd e g r a d a t i o n f a c t or a n d we i g b t i n g c o e Nc i e n t ， c o mp r e s s i ve s t r e ng t h de - c a y mod e l wa s f o u nd t o p r e di c t c omp r e s s i v e s t r e n g t h v a r i a t i o n K e ywo r d s ： c e me n t c o n c r e t e ； e n v i r o n me n t a l f a c t o r ； c o mp r e s s i v e s t r e n gth ； d e g r a d a t i o nf a c t o r ； d e c a ymo d e l 0 引言 调查我国北方地区道路破损状况发现 ， 道路水泥混凝土 构件的病害 ， 主要受 干湿循环 、 氯盐侵蚀 、 碳化 、 以及冻融循 环等因素的长期综合作用导致。 有研究表明， 碳化使得侵蚀 离子更容易渗透进入混凝土内部， 与干湿作用相结合起到了 加速混凝土破坏的效果 ” 。 在我国北方 内陆地区 ， 冬季昼夜 温差较大 ， 加上雪天除冰盐 的使用 ， 造成大量道路桥梁发生 盐冻破坏回 。 国际著名混凝土专家 Me h t a t3 1 ， Ne v i l l e m 和我 国 工程院资深院士吴中伟教授 5 - 6 都曾指 出混凝土耐久性破坏 常常是协同作用的结果 ， 应考虑主次先后和随时间变化 的因 素。 孙伟院士同 也多次提 出“ 当前关于混凝土损伤劣化过程 的研究与实际工程所处环境不符 ， 实际工程的耐久性是在荷 载因素与环境因素双重和多重破坏 因素作用下的混凝土损 伤劣化过程” 。 开展有关混凝土耐久性在多因素作用下劣化 机理的研究 已成为当今混凝土耐久性研究的一个重点问 。 针对 以上情况 ， 研究主要探讨多种环境 因素综合作用 下 ， 水 泥混凝土抗压强度变化规律 ， 试 图建立基于多种环 境因素劣化作用 的强度衰变预测模型。 1 试 验 1 1 原材料 水泥 由北京水泥厂有限责任公 司生产的 P O 4 2 5 级 水泥 ， 物理力学性能见表 1 。 表 1 水泥物理力学性能 本试验中粉煤灰为山东德 I 1 华能电厂生产的F 类 I 级 粉煤灰， 其技术指标见表 2 。 试验用砂为普通河砂， 细度模数 2 7 8 ， 属中砂。 累计筛 余百分率见表 3 。 收稿 日期 ：2 0 1 3 4 ) 2 1 8 基金项 目：国家 自然科学基金( 5 1 2 7 8 0 1 6 ) ； 2 0 1 0 年北京工业大学交通工程重点实验室开放基金( J T P 2 0 1 0 1 ) 4 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 2 多种环境 因素综合作用下水泥混凝土性能 衰 变 规 律 2 1 不同环境 因素对水泥混凝土抗压强度的影响 下列图表 D w( D I y i n g a n d We t t i n g ) 表示干湿循环作用 ， NC L ( N a C 1 ) 表示氯盐侵蚀作用 ， C ( C a r b o n i z i n g ) 表示碳化作 用 ， F T ( F r e e z i n g a n d T h a wi n g ) 表示冻融循环作用 ； D W+ N C L 表示盐水促进干湿循环作用后养护到冻融循 环结束 ， D W+ N C L + C表示盐水促进 干湿循环又经碳化作用后养护 到冻 融循环 结束 ， D w+ NC L + c + F T表示盐 水促 进干湿 循 环后依 次经历碳化 和冻融循环作用 。 各个单 因素对混凝 土抗压强度 的贡献如图 6 所示。 干 湿循环使普通混凝土抗压 强度下 降， 使引气混凝土和掺粉 煤灰引气混凝土强度增长 ， 氯盐侵蚀与碳化均促进混凝土 强度增长 ， 冻融循环使混凝土抗压强度下降 。 侵 蚀 环 境 图 6单因素对混凝土抗压强度的影响 l 普通混凝土抗压强度受冻融循环影响最大 ， 引气混 凝土受冻融循环影响最小 ， 掺粉煤灰 引气混凝土居中。 然就 各环境 因素的作用效果来看 ， 2 引气混凝土更能较稳定 的 抵抗外界环境的侵蚀作用。 环境 因素综合作 用下水 泥混凝土强度 的变化情况如 图 7 所示。 干湿循环与氯盐侵蚀耦合作用 、 干湿循环与氯盐 侵蚀耦合再 经碳化叠加作用对水泥 混凝 土的强度增长有 促进作用 ； 干湿循环与氯盐侵蚀耦合作用再经碳化冻融循 环的叠加作用会降低水泥混凝土的抗压强度 。 DW + NCL DW + NCL+ C+ F T 侵蚀 环境 图 7 多因素 综合 作 用对 混凝 土 强度 的影 响 普通混凝 土经受 四种环境因素的综合作用后 ， 强度下 降最大， 2 引气混凝土更能抵抗各种环境因素的综合作用。 图 8 给出了混凝土在各个单因素作用下， 强度变化 量 的累计 叠加情况 ， 以及 四种环境 因素综合作用下 ， 水 泥 混凝土强度 变化量。 显然 ， 四种 因素综合作用下混凝土强 度 的变化量 并不等于各个单 因素作 用下强度变化量 的代 数和 。 誊 l L 鹱 1 2 3 混 凝 土 I D 图 8 单 因素与多因素综合作用的抗压强度变化量对 比 2 2 多因素综合作用下水泥混凝土力学性能衰变 模 型 由上述分析可知 ， 多 因素综合作用下水泥混凝土抗压 强度衰变量并不等于各单 因素作用于混凝土后抗压强度 变化量 的代数和 ， 但多因素综合作用效果又与单因素有关 。 为研究二者之间的定量关系 ， 引入权重系数来描述不 同因 素对混凝土抗压强度衰变的影响程度 ， 用字母 表示 ， 以下 简称权重系数 ； C i 表示因素 i 对水泥混凝土抗压强度的 劣化程度 ， 以下简称水泥混凝土抗压强度劣化因子 G， 于是 有多因素叠加后抗压强度劣化 因子计算式 ： C = C z+ k q ( 1 ) 式 中： r C X 1 0 0 ( 2 ) C S o 式中 ： G _ _ 因素作用后 ， 水泥混凝土抗压强度劣化因子 ； C S i 经 i 因素作用后 ， 水泥混凝土抗压强度实测值； c S 。 养护到 i 因素作用后 ， 水泥混凝土抗压强度实 测值。 本研究 中水泥混凝土主要受干湿循环 ， 氯盐侵蚀 ， 碳化 及冻融循环作用 ， 由公式( 1 ) 、 ( 2 ) 有 ： C 口 口= C lD w C ( 3 ) C D N 口( C D w N 0 ( 4 ) C m N C L _ C 仟 fC D 、 k C v r ( 5 ) 于是有多因素综合作用下水泥混凝抗压强度衰变模型： C I )W L + c C D C 旧 C c + k ” C 丌 ( 6 ) k为各个单因素权重系数 ， 记 1 配合 比水泥混凝 土各 个 单因素权重系数分别 为 k ， k 。 ， k 。 ” ， 2 配合 比 k 2 ， ： ， k 2 vv ， 3 配合 比k 3 , k ， k 3 ， 将各个单 因素对水泥混凝土抗压强度 劣化程度的劣化 因子构成 向量 = ( C D w ， c ， C ， C H ) ， 于是 多因素综合作用下三种配合 比衰变情况可写成 如公式( 7 ) 所列非齐次线性方程组的形式 ： 1 k 1 k l I 1 k 2 k 2 【 1 ， ， ，j 解得 ： CD w 日 Cc C F r C = C o + KZ o ( 8 ) 式中： c 一 多因素综合作用下三种配合比衰变情况所简 化成的非齐次线性方程组的一个特解 ； 一 多因素综合作用下三种配合比衰变情况所简 化成 的非齐次线性方程组导出组的基础解系 ； 45 O O 0 0 0 0 0 0 O 0 2 0 墓 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m K 一与混凝土配合比有关的量化参数， 以下称为水 泥混凝土配合 比特征参数 K。 于是 ， 得 多因素综合作用下水泥混凝土抗压强度衰变 模型 ： c c i ( Dw， NCL， C， F T) ( 9) 由式 ( 2 ) 得 四种劣化 因素及其组合 的劣化 因子 G， 列 于表 5 。 表 5 因素 ， 的水泥混凝土抗压强度劣化因子 G一览表 由式( 3 ) ( 5 ) 以及表 1 中的劣化因子 G， 计算得权重 系数 j ， 列于表 6 。 表 6 权重系数 值一览表 由式( 7 ) 、 ( 8 ) 结合表 1 、 2 ， 计算得劣化因子解 向量 ： C = - 3 6 1 2 2 2 7 5 - 4 1 3 0 I V + K 一 1 4 4 0 0 6 0 1 1 1 由式( 9 ) 得多因素综合作用下水泥混凝土抗压强度衰 变模型 ： C c 兀 ；一 6 3 0 2 7 K ( 1 0 ) 式中： K 一水泥混凝土配合 比特征参数 ， 取值参见表 7 。 表 7 水泥混凝土配合比特征参数 ， ( 值一览表 上接第 4 2页 工程设计运用 中 ， 要 注意 ： 再生混凝土梁承载力 随着 再生骨料取代率的增加而减小， 工程设计要控制取代率 ， 本 文建议取折减 系数 0 = o 7 6 。 4结语 再生混凝土梁的抗剪承载力作用与普通混凝土梁类似。 再生混凝土抗剪承载力与再生混凝土的强度、 箍筋的数量及 再生骨料的取代率有关。 通过拟合给出了较为简单适用的再 生混凝土梁抗剪承载力计算公式， 建议折减系数取 0 7 4 。 参考文献： 【 1 】肖建庄 再生混凝土【 M 】 北京： 中国建筑工业出版社， 2 0 0 8 2 】肖建庄， 兰阳 再生混凝土梁抗剪性能试验研究 J 结构工程师， 2 0 0 4 ， 2 0 ( 6 ) ： 5 4 5 8 46 3 总结 进行了干湿循环 、 氯盐侵蚀 、 碳化 、 冻融循环综合作用 下水泥混凝土抗压强度的衰变规律研究 ， 得 出结论 如下 ： ( 1 ) 干湿循 环会使 普通混凝土抗压强度下 降 ， 使 引气 混凝土和掺粉煤灰引气混凝土抗压强度增长 ； 氯盐侵蚀与 碳化作用均会促进混凝土抗压强度增长 ； 冻融循环使混凝 土抗压强度下降。 ( 2 ) 引气混凝土在各环境 因素作用下 ， 抗压强度 变化 量最为稳定 ， 也 即引气混凝土对各种环境因素的综合耐久 性较普通混凝土与掺粉煤灰引气混凝土强。 ( 3 ) 多种环境因素综合作用下水泥混凝 土抗压强度变 化量并不等于各单因素作用下混凝 土抗压强度变化 量的 代数和。 ( 4 ) 以抗压强度劣化因子 G为指标 ， 分配权重系数， 建 立 了在多重环境因素综合作用下 ， 水泥混凝土抗压强度衰 变模型： c 慨 1 =一 6 3 0 2 7 K， 其中 为混凝土配合比特 征参数， 不同种水泥混凝土 值不同， 并给出了三种常见 水泥混凝土的配合 比特征参数值 。 参考文献： 1 郑佳明 干湿循环与碳化对混凝土硫酸盐侵蚀的影响研究【 D I 场 州 ： 扬州大学 ， 2 0 0 9 2 张金喜 ， 张江 ， 郭明阳 ， 等 不同氯盐环境下水泥混凝土结构氯 离子侵蚀研究f J 1 _ 市政技术 ， 2 0 0 7 ， 2 5 ( 4 ) ： 3 1 5 3 1 8 【 3 ME T HA P K， BU RRO WS R W B u i l d i n g d u r a b l e s t r u c t u r e s i n t h e 2 1 s t c e n t u r y J C o n c r e t e I n t e r n a t i o n a l ， 2 0 0 1 ， 2 3 ( 3 ) ： 5 7 6 1 4 1 A d a m N e v i l l e C o n s i d e r a t i o n o f d u r a b i l i t y of c o n c r e t e s t r u c t u r e s ： p a s t ， p r e s e n t ， a n d f u t u r e J Ma t e ria l s a n d S t r u c t u r e s ， 2 0 0 1 ， 3 4( 3 j ： 1 1 4 一 l 1 8 5 吴中伟 ， 廉慧珍 水泥基复合材 料科学研 究中的辨证思维 J 混 凝土， 2 0 0 0 ( 4 ) ： 1 3 3 1 3 5 6 】吴中伟 ， 廉慧珍 高性能 混凝 土【 M】 北京 ： 中国铁道 出版 社 ， 1 9 9 9： 21 8 -2 1 9 【 7 孙伟 荷载与环境因素耦合作用下结构混凝土的耐久性与服役 寿命f J 1 东南大学学报， 2 0 0 6 ， 3 6 ( S u p I I ) ： 7 - 1 4 【 8 18 王琴 昆 凝土在干湿循环与硫酸盐侵蚀双重因素作用下的损伤 研究 D I 扬州： 扬州大学， 2 0 0 8 作者简介 ： 于蕾 ( 1 9 8 5 一 ) ， 女 ， 博士研究生。 联系地址： 北京市朝阳区平乐园 1 0 0 号( 1 0 0 1 2 4 ) 联系电话 ： 1 3 4 3 6 9 4 8 4 0 0 3 张雷顺， 张晓磊， 闰国新 再生混凝土无腹筋梁抗剪性能试验研 究【 J 】 工业建筑， 2 0 0 7 ， 3 7 ( 9 ) ： 5 7 6 1 4 】周彬彬 ， 孙伟 民， 郭樟根 ， 等 再生混凝土梁抗剪承载力试验研 究【 J 1 四川建筑科学研究， 2 0 0 9 ， 3 5 ( 6 ) ： 1 6 1 8 5 邓志恒， 杨海峰， 罗延明， 等 再生混凝土有腹筋简支梁斜截面 抗剪试验研究【 J 1 工业建筑， 2 0 1 0 ， 4 0 ( 1 2 ) ： 4 7 5 0 【 6 G B 5 0 0 1 0 -2 0 0 2 ， 混凝土结构设计规范【 s 】 匕 京： 中国建筑工业 出版社 ， 2 0 0 2 【 7 】吴泽进 再生混凝土材料力学性能与受弯构件受剪性能试验研 究【 D 】 北京： 清华大学， 2 0 1 1 作者简介： 闫国新( 1 9 8 0 一 ) ， 男， 讲师， 硕士研究生， 主要从事混凝 土结构、 水利施工教学与研究工作。 联 系地址： 联 系电话： 河南省开封市东京大道西段黄河水院水利系( 4 7 5 0 0 4 ) 1 5 9 37 81 1 2 2 0 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m