混凝土盐类腐蚀破坏模拟分析.pdf

第1 0 卷第2 期 石家庄铁路职业技术学院学报 VOL 1 0 No 2 2 01 1年 6月 J OURNA LOF S HI J I A ZHUANGI NS TI T UTEOFRAI L WA YT ECHNOL OGY J u 11 2 01 l 混凝土盐类腐蚀破坏模拟分析 李科兴 宁波 ( 陕西铁路工程职 业技术学院 陕西渭 南7 1 4 0 0 0 ) 摘要 ：混凝土盐结 晶破坏是混凝土内毛细孔 中吸提 了基础中的地下水，在混凝土 内某一高度达 到平衡后，当外界相对湿度降低而使毛细孔 中水分蒸发时，盐溶液被浓缩，各种不同的盐将按其特 有的结晶学特征结晶生长。从破坏特征、机理、影响因素等几个方面进行分析。 关键词 ：混凝土 盐结 晶 破坏 模拟分析 中图分类号： T u 5 2 g 文献标识码： A 文章编号： 1 6 7 3 1 8 1 6 ( 2 0 1 1 )0 2 0 0 1 2 -0 5 盐碱地区的地表层 ，由于水分蒸发 ，地表层盐碱浓度高于地下 4 5倍 ；在盐碱地中埋设的混凝 土结构，如电杆、站牌等；靠近地表处的混凝土中的盐碱含量也高于埋设在地下的部分，使这一区 域中的混凝土结构的盐碱腐蚀破坏更加严重，产生所谓 “ 烂根”等破坏现象。 1 盐结晶膨胀腐蚀的基本特性 1 1盐结晶膨胀腐蚀的定义 盐类结晶侵蚀系指在水位变化范围内或干湿循环区内的混凝土，在潮湿状态下，通过毛细作用 吸进各种可溶性溶液，在干燥条件下经蒸发、浓缩而析晶，使毛细管产生很大结晶压力而导致混凝 土破坏。 1 2结晶膨胀腐蚀的破坏特征 ( 1 ) 破坏部位为毛细孔吸提平衡高度干湿循环的区域内，均在结构的与水或土壤接触面之上 3 0 0 6 0 0 n l n l 范围之内。接触面之下的破坏 ，可能为盐类的化学腐蚀结果。 ( 2) 呈 由表及里的剥蚀性破坏。这种破坏往往由试件的成型面开始，先出现麻面 ，继续发展为 局部表皮剥落 ，进而大面积露出石子 ，接着石子剥落 ，最后试件完全崩溃。 ( 3 ) 可在破坏处或者裂缝处观察到盐的白色粒状晶体，这是盐结晶物理破坏最为显著的特征。 1 3盐结晶膨胀腐蚀的机理 盐由物理原因所形成的晶体生长压力而对混凝土产生破坏。当混凝土与含大量溶质的水相接触 时， 就会发生盐结晶膨胀腐蚀腐蚀。与混凝土材料相接触的土基中的盐溶液或海水，在毛细管张力 的作用下 ，可被混凝土毛细管提升 ，L a p L a c e 公式可知 ，当毛细孔径为耐 ，贝 j 毛细孔张力为： P ： r ( 1 ) 式中 ：z _x p毛细孔张力；( ) - 表 面张力；r 一毛细孔孔径。 收稿 日期：2 0 1 1 0 3 2 6 作者简介：李科兴 ( 1 9 8 1 一) ，女，汉，陕西渭南人，硕士，研究方向建筑结构。 1 2 第 2期 李科兴 ，等 混凝土盐类腐蚀破坏模拟分析 在此压力作用下，理想多孔材料中毛细孔 内的液体可被提升高度为： h ： P g ( 2) 式中： 一毛细孔内液体提升高度 ；( ) I 表 面张力 ；r 一毛细孔孑 L 径； 孔 内液体密度。 2 盐结晶压力的影响因素及计算 2 1空气相对湿度的影响 按上述原理提升平衡的毛细孔 中的盐溶液 ，当空气中相对湿度变化时 ，水分子将发生蒸发脱附 或吸附凝聚作用。 由K e l v i n方程知 ： R T 1 n ： 一 P 0 ( 3) 式中： 一摩尔气体常数；卜温度；B T 温度下弯曲液面的蒸汽压；最 r _ T温度下平 液面的蒸汽压； 液体克分子体积； 一毛细孔孔径。 2 2过饱和度的影响及结晶压力计算 从盐溶液中结晶只能发生在一定温度下溶质( c) 的浓度超过饱和浓度( C s ) 时。 一般来讲， c c ( 过饱和度 ) 值越高，结晶压力越大。根据C o r r e n s 提出的盐类结晶压力公式，结晶压力P 与饱合度 有下面的比例关系： ： l n v c ( 4 ) 其中：卜盐溶液浓度；e温度 T下的溶液饱合浓度； 盐的摩尔体积； 摩尔气体常数 ； - 温度。 由上式可得出不同情况下溶液的结晶压力 ( 1 a tm= 0 1 1 )，见表 1 ： 表 1过饱和度 C C , = 2时结晶压力 3 盐结晶压力作用下混凝土受力的数值模拟 3 1混凝土孔结构计算模型 ( 如图 2 所示 ) 图 2 计算模型 1 3 第 2 期 李科兴，等 混凝土盐类腐蚀破坏模拟分析 计算结果 ：(1 ) X方 向应力( 压力为负，拉力为正 )如图 3 所示。 ( 2)Y方 向应力( 压力为负，拉力为正 )如图 4所示。 3 4结论 3 4 1不 同盐溶液 ( 同一饱和度 ) 石膏Ca S O4 2 H， 0溶液在 O C U 随着孔径变化 ，毛细孔周边混凝土拉应力变化 曲线如下图 所 示 。 从图 3 、图 4中可得 出如下结论 ： (1 )同一温度下，当毛细孔孔径不变时 ，随着到孔边距离的增加 ，混凝土所t tkN的拉应力线性 减小 ，不 同孔径的变化趋势相 同。当到孔边距离不变时，随着孔径增加 ，混凝土受到的拉应力先增 加而后迅速下降，孔径为 2 0 n m时，混凝土受力最大。 ( 2 ) 同一孔径下 ( 2 0 n m) ，当毛细孔温度不变时，随着到孔边距离的增加，混凝土所收到的拉 应力线性减小，不同温度下的变化趋势相同。当到孔边距离不变时，随着温度增加，混凝土受到的 拉应力线性增加。 岩盐 N a C 1 、硫酸钙 C a S O 溶液在 0 C 时随着孔径变化 ，毛细孔周边混凝土拉应力变化曲线如图 5所示 ： 图 5 同一溶液不 同温度毛细孔周边混凝土拉应力变化曲线 从图中可得出如下结论 ： ( 1 )同一温度下 ，当毛细孔孔径不变时 ，随着到孑 L 边距离的增加 ，混凝土所收到的拉应力线性 减小 ，不同孑 L 径的变化趋势相同。当到孔边距离不变时，随着孔径增加 ，混凝土受到的拉应力先增 加而后迅速下降，孔径为 2 0 n m时 ，混凝土受力最大。 ( 2) 从上述两种溶液 的应力变化图可看出 ， 不 同溶液时混凝土所受到的拉应力值不同，但变化 趋势相同。 3 4 2不同混凝土强度时，结 晶压力对混凝土受力状态的影响 取过饱和度为 2的石膏溶液在孑 L 径为 2 0 n m的毛细孔中结晶，在 C 2 0 、 C2 5 、C 3 0三种不同混凝 1 5 石家庄铁路职业技术学院学报 2 0 1 1午第 2期 土强度时所产生的混凝土第一主应力值变化趋势。 从 图 6可看出，混凝土强度的变化对孔边拉应力的影响不大 ，但随着混凝土强度的提高 ，混凝 土 自身拉应力有所增加 ，从而减少混凝土的破坏范围。 参考文献： 图 6 不同混凝土强度对毛细孔周边第一主应力影响曲线 【 1 】 李志国 试论盐溶液对混凝土及钢筋混凝土的破坏 混凝土 1 9 9 5 1 7 ( 2 ) ： 1 0 1 4 【 2 1 何文 混凝土耐盐结晶膨胀腐蚀性能研究 D 】 湖南大学， 2 0 0 5 【 3 】 尹正风 宁夏地区混凝土腐蚀机理与治理研究【 D 】 东北大学，2 0 0 6 Sa l t c o r r o s i o n d a ma g e s i m u l a t i o n o f c o n c r e t e L IKe x i n g Ni n gBo ( S h a a n x i We i n a n n s t i t u t e o f R a i l w a y T e c h n o l o g y We i n a n S h a a n x i 7 1 4 0 0 0 C h i n a ) Ab s t r a c t ：Co n c r e t e s a l t c r y s t a l l i z a t i o n wi t h i n t h e p o r e s o f t h e c o n c r e t e d a ma g e a b s o r p d o n t o me n t i o n t h e f o u n d a ti o n o f the g r o u n d wa t e r , i n c o n c r e t e a h i g h d e g r e e o f b a l a n c e ， wh e n t h e o u i d e r e l a t i v e h u mi d i t y r e d u c e s e v a p o r a ti o n l e a v i n g p o r e s ， t h e s a l t s o l u t i o n i s c o n c e n t r a t e d ， t h e d i f f e r e n t c r y s t all i n e s a l t wi l l b e the u n i qu e c h a r a c t e r i s tic s o f the i r c r ys t a l gr o wt h F r o m t he f a i l u r e c ha r a c t e r i s t i c s ， me c han i s m ， f a c t o r s ， an d s e v e r a l o t h e r a s p e c t s o f a n aly s i s Ke y wo r d s ：s a l t c rys t a l l i z a t i o n d a ma g e s i mu l a t i o n o f c o n c r e t e 1 6