硫酸盐腐蚀与疲劳荷载联合作用下混凝土劣化特性.pdf

帚1 b 卺 _昂Z 别 2 0 1 3年 4月 建筑材料学报 j oURNAL OF B UI LDI NG MATERI AL S Vo l | 1 6， No 2 Ap r ， 2 0 13 文 章 编 号 ： 1 0 0 7 9 6 2 9 ( 2 0 1 3 ) 0 2 0 2 4 9 0 6 硫酸盐腐蚀与疲劳荷载联合作用 下混凝土劣化特性 邢 明亮 ， 关博 文 ， 陈拴发 ， 盛 燕萍 ， 熊 锐 ( 1 长 安大 学 材 料科 学与 工程 学 院 ，陕西 西安 7 1 0 0 6 1 ； 2 长安 大学 特 殊地 区公路 工程 教育 部重 点实 验室 ，陕西 西安 7 1 0 0 6 4 ) 摘 要 ： 通过 硫 酸盐腐 蚀 与疲 劳荷 载 叠加试 验 ， 测试 了腐蚀 疲 劳破 坏过 程 中道 路 混 凝 土 的抗 弯拉 强 度 、 相 对动 弹性模 量 以及 饱 和 面干吸 水率 ， 分析 了不 同腐蚀 阶段 水 化 产物 的微 观 结构 ， 同 时 引入 叠 加 效应 系数 K 对硫 酸盐腐 蚀与 疲 劳荷 载 损 伤 叠加 效 应进 行 表征 结 果表 明 ： 由 于受到 疲 劳荷 载 的 作 用 ， 硫 酸 盐溶液 中的道 路 混凝 土无 强度增 长 ， 且 腐蚀 疲 劳 因子 随 着 时 间的 增加 而迅速 降低 ； 硫 酸 盐腐蚀 膨胀产 物 引起 的微 裂 纹与 疲 劳荷 载产 生 的裂缝 是 道路 混凝 土 腐蚀 疲 劳损 伤 的 主要 原 因； 通 过 K 值 的计 算 ， 表 明 了腐蚀损 伤 和疲 劳损伤 之 间存在相 互 促进 效应 关键 词 ：道路 混凝 土 ；硫 酸盐腐 蚀 ；疲 劳荷 载 ；叠加 效应 中 图分 类 号 ： U4 1 6 2 1 6 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 O 1 3 0 2 0 1 2 De t e r i o r a t i o n Cha r a c t e r i s t i c s o f Co n c r e t e u nd e r S u l f a t e Er o s i o n a n d Fa t i g u e Lo a d xI NG M i n g l i an g ，GUAN Bo we n ，CH EN Sh ua n 一 a ， SH EN G Ya h pi n g ，XI oNG Ru i ( 1 Sc h o ol o f M a t e r i a l s Sc i e n c e a n d Engi ne e r i n g，Cha n g a n Uni v e r s i t y，Xi a n 7 10 06 1，Chi na；2 Ke y La b or a t o r y f o r Spe c i a l Ar e a Hi ghwa y Eng i ne e r i n g of M i ni s t r y of Edu c a t i on，Cha ng a n Uni v e r s i t y，Xi a n 71 0 06 4，Ch i na) Ab s t r a c t ：Ba s e d o n e r os i o n a n d f a t i g ue e x pe r i me nt ，t h e f l e xu r a l s t r e ng t h，t he r e l a t i v e dy n a m i c e l a s t i c i t y mod ul us a nd t h e wa t e r a b s o r pt i on of t he dr y s a t ur a t i o n s ur f a c e we r e m e a s u r e d a nd t he mi c r os t r uc t u r e s of c on c r e t e a t d i f f e r e n t e r o s i o n d a ys we r e i nv e s t i g a t e dAl s o，t he c o e f f i c i e n t K o f c o mbi ne d e f f e c t wa s a pp l i e d t o c ha r a c t e r i z e t he s u pe r i m p os e d e f f e c t of s u l f a t e e r os i o n a nd f a t i gu e l oa dThe r e s u l t s s h o w t ha t o wi n g t o t h e e f f e c t o f f a t i g u e l o a d，t h e r e i s n o s t r e n g t h g r o wt h p h a s e o f t h e c o n c r e t e i n s u l f a t e s o l u t i o n a n d t h e e r o s i o n f a t i gue f a c t o r i s r e d uc e d wi t h t he i n c r e me n t of t h e t i m e Th e ma i n r e a s o ns o f e r os i o n f a t i gu e d a ma g e a r e t he e xp a n s i on pr o d uc t s ge ne r a t e d b y s u l f a t e e r o s i o n a n d t he c r a c k s pr o du c e d by f a t i gu e l oa dThe mu t u a l l y r e i n f o r c i ng e f f e c t o f s u l f a t e c o r r o s i on a nd f a t i gu e l o a d c a n b e i nd i c a t e d b y t h e K v a l u e c a l c ul a t i on Ke y wo r d s：p a v e me n t c o nc r e t e；s ul f a t e c or r o s i on；f a t i g ue l oa d；s u pe r i mp os e d e f f e c t 硫酸盐腐蚀是对混凝土危害较大的一种腐蚀性 介 质破 坏 ， 也 是影 响混凝 土 耐久性 的重要 因素 之一 ， 同时还 是影 响 因素 非 常 复 杂 、 危 害性 大 的一 种 环境 水侵 蚀 土壤 、 地下 水 、 海 水 、 腐 烂 的有机 物 以及 工业 废水中都可能含有硫酸根离子 ， 它们渗人混凝土内 部 与水泥 水化 产物 发生反 应 ， 使混凝 土产 生膨 胀 、 开 裂 、 剥落等现象 ， 并丧失强度和黏性 混凝土在服役 过程 中总要承受一定荷载 ， 因而混凝土在腐蚀过程 中， 其真实情况是荷载与腐蚀离子双 因素作用下 的 损伤失 效 近年 来 ， 在 水利 、 公路 、 海 港 以及 机 场等 工 程中都发现了硫酸盐 与荷载联合腐蚀 问题 ， 严重 的 甚 至导 致混 凝土 结构 物在 未达 到设计 使用 寿命 时 就 收稿 日期 ： 2 0 1 1 - 1 2 - 1 0 ；修订 日期 ： 2 0 1 2 0 3 3 0 基金项 目： 国家 自然科学基金资助项 目( 5 0 9 7 8 0 3 1 ) ； “ 十二五” 国家科技支撑计划项 目( 2 0 1 1 B AE2 7 B 0 4 ) ； 中央高校基本科研 业务基金资助 项 目( C HD 2 0 1 1 J C 0 1 8 ) 第一作者 ： 邢明亮 ( 1 9 8 1 一) ， 女 ， 山东威海人 ， 长安大学讲师 ， 博 士 E ma i l ： 2 8 7 2 1 8 6 2 2 q q c o rn 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 5 O 建筑材料学报 第 1 6卷 已发 生破 坏 ， 从 而造 成人 力和财 力 的极大 浪 费 1 多年 以来 ， 国 内外 许 多 学 者 在 硫 酸 盐 与 荷 载 叠加作用 对混凝 土腐蚀 方面 做 了大 量 的研 究 前 苏 联 学 者 在 上 世 纪 5 0年 代 就 对 应 力 状 态 下 混 凝 土 的抗 腐 蚀 性 做 了一 定 研 究 ， 确 认 使 用 环 境 可 能 造 成荷 载 与 腐 蚀 不 同 组 合 ， 应 力 的种 类 和 级 别 是 决 定混 凝 土 腐 蚀 性 能 的 主 要 因 素 ， 并 采 用 渗 透 系 数 的变化 来大致 表征腐蚀 程度 的变化 特征 ， 但整 个 过 程 缺乏 更 为 系统 的 分 析 以及 微 观 机 理 方 面 的 研究 B a s s u o n i 等 通 过 试 验 研 究 了 自密 实 混 凝 土在 硫 酸 钠 溶 液 和 荷 载 作 用 下 的 耐 久 性 ， 试 验 考 虑了干湿循环作用 的影响 ， 但其中的干状态系通过 人 工控制 温度 获 得 余 红 发 等 用 中型 千 斤 顶 加 载 装 置施 加 3 O 4 O 弯 曲荷 载 ， 研 究 了 普 通 混 凝 土、 掺与不掺矿物掺和料 的高强混凝 土 ( HS C) 、 复 合 掺 加 矿 物 掺 和 料 的 钢 纤 维 增 强 高 强 混 凝 土 ( S F RHS C ) 在 中 国典型盐 湖 卤水 中应力 腐蚀 后 的性 能变化 ； 邢锋等 也对荷载作用下混凝土受 硫酸盐 侵蚀 问题 进行 了一 些 研 究 孙 伟 领 衔 的课 题 组 对 混 凝 土在氯 盐 +应力 荷载 +硫酸 盐复合 作用 下 的损 伤 失效 以及混凝土在应力荷载+硫酸盐 +镁盐复合作 用下的损伤失效进行了研究 综 上 ， 目前 国 内外 研究 主要 集 中于 静载 力 下 混 凝 土 的硫酸 盐腐 蚀 ， 而 实 际 工程 中 的混 凝 土是 在 一 定 疲 劳荷 载 作 用 下 运 行 的 ， 尤 其 对 路 、 桥 等 结 构 而 言 ， 除了承 受结 构物 等 自重 作用 以外 ， 还要 承受 频 繁 的交通 荷载 重 复作用 鉴 于此 ， 本 文对 硫 酸盐侵 蚀 与 疲 劳荷载 联 合 作 用 下 的混 凝 土 劣 化 特 性 展 开 了 研 究 ， 通过 宏观 力学性 能 测 试 和微 观 S E M 测 试 ， 分 析 讨硫 酸盐腐 蚀 与疲劳 荷载联 合作 用下 道路 混凝 土 的 损 伤机制 ， 提 出 了叠 加效应 系数 K， 用 以评价 硫酸 盐 腐蚀与疲劳荷载损伤的叠加效应 1 原材料及试验方法 1 1 原材 料 水泥 ： 强度等级 为 4 2 5尧柏牌 普通硅 酸盐 水泥 ； 砂 ： 西安灞 河砂 ， 颗粒 级 配 良好 ， 视密 度 2 7 2 g c m ， 细度模数 2 8 2 ， 含泥量 小于 2 0 ； 石 ： 陕西石灰 岩 碎石 ， 连续 级配 ， 最大 粒径 为 2 0 mm HB Y高 性能 减 水剂 ( 硫 酸根 离子含 量小 于 0 0 1 0 o ， 可 忽略 ) 1 2试验 方案 考虑到不同浓度硫酸盐腐蚀介质对混凝土腐蚀 疲劳特性的综合影响， 特按单因素试验进行设计 ， 并 、 与浸 泡硫 酸盐 试件 进行对 比试 验 ， 试 验方 案见 表 1 表 1 试验方案 T a b l e 1 T e s t i n g pr o g r a m C o d e m m ( Na 2 S O4 ) F a t i g u e l o a d l e v e l ANO AN1 AN2 CNO CN1 CN2 0 3 8 0 3 8 0 3 8 0 38 0 3 8 0 3 8 0 5 1 O 0 5 1 O 1 3混凝 土配合 比 道路混凝土配合 比设计如表 2所示 ， 采用尺 寸为 1 0 0 mmx 1 0 0 mmX 4 0 0 mm 的长 方体试 件 试件 成型 后 自然养 护 2 4 h 后 拆模并移入 ( 2 0 2 ) ， 相 对湿 度 9 5 的养 护室 内养 护 2 8 d ， 然 后进行 试 验 ， 即腐蚀 龄 硫 酸钠 溶液 对道 路 混 凝 土疲 劳 特 性 的影 响规 律 ， 探 期从 标 准养 护 2 8 d 后 开始 计算 表 2混凝 土配合 比及试验结果 Ta b l e 2 M i x p r o p o r t i o n a n d t e s t r e s u l t s 1 4试验 装 置 腐蚀疲 劳试 验是 与 时间 、 应 力水 平 ( 比) 、 荷 载 谱 等因素密切相关的一项试验 ， 该研究试验周期长 ， 无 法长期使用精度很高的设备( 如 MTS ) 进行试验 鉴 于此 ， 根据试验基本要求 ， 设计 了一套机械式腐蚀疲 劳加载装置 ， 该装置能够准确模拟腐蚀环境和交变 机械应力环境， 并在荷载谱中精确融合时间因素， 试 验 装置 见图 1 。 混 凝 土 的腐 蚀疲 劳 采 用 四点 加 载 弯 1 ) 本文所涉及的掺量、 浓度 、 比值等均为质量分数或质量 比 曲试 验 1 5试验 方 法 试验 时 首 先 按 标 准 方 法 制 作 试 件 ， 标 准 养 护 2 8 d ， 按每组 3根试件测定其抗弯拉强度 ， 取其平均 值作为计算腐蚀疲劳研究所用应力水平 的依据 按 试验设计要求每组先取 3根试件置于腐蚀疲劳试验 装 置架 上 ， 倒 入 预先 配 制 的 规 定 浓 度 的 Na 。 S O 溶 液浸泡 2 4 h ， 然 后按 四点 加载 方式施 加交 变应 力 ， 再 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 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 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m