受侵蚀混凝土耐久性衰减影响因素试验研究.pdf

2 0 1 5年 第 3 期 (总 第 3 0 5 期 ) Nu mb e r 3 i n 2 0 1 5 ( T 0 No 3 0 5) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 THEORETI CAL RESE ARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 5 0 3 0 0 1 受侵 蚀混凝土耐久性衰减影 响因素试验研 究 徐存东，刘辉， 聂俊坤 ， 王荣荣，连海东， 翟东辉 ( 华北水利水电大学 水资源高效利用与保障工程河南省协同创新中心， 河南 郑州 4 5 0 0 4 5 ) 摘要： 针对地处滨海和盐渍区的混凝土建筑物长期遭受干湿循环和有害化学离子侵蚀的双重作用 ， 导致混凝土耐久性衰减的 问题 ， 采用现场调查 、 室内加速试验 、 理论分析等相结合 的研究方法 ， 进行干湿循环下硫酸盐、 复合盐( 硫酸盐 + 氯盐) 、 水三种不 同侵蚀条件的对 比试验 ， 以试件的相对动弹性模量为评价指标 ， 研究不 同侵蚀方式、 侵蚀介质、 水灰比、 及粉煤灰掺加对受侵蚀混 凝土耐久性能衰减的影响规律 ， 研究结果表明： 干湿循环能够促进硫酸盐对混凝土 的侵蚀 ； 干湿循环与硫酸盐侵蚀条件下 ， 硫酸 盐的侵蚀作用较复合盐的侵蚀作用明显 ， 掺入 2 0 粉煤灰对于增强混凝土抗盐结晶侵蚀性能有一定的积极效用。 关键词 ： 混凝土耐久性 ； 干湿循环 ； 侵蚀作用 ； 相对动弹性模量 中图分类号： T U 5 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 5 ) 0 3 0 0 0 1 0 4 E x p e r i me n t a l s t u d y o n t h e i mp a c t f a c t o r s o f t h e a t t e n u a t i o n o f e r o d e d c on c r e t e d u r a bi l i t y X U Cu n d o n g ， U U H u i ，NI E J u n k u n ，W AN G Ro n gr o n g ，LI AN Ha i d o ng，ZHAIDo ng h u i ( Co l l a b o r a t i v e I n n o v a d o n Ce n t e r o f Wa t e r Re s o u r c e s E f f i c i e n t Uti l i z a ti o n a n d P r o t e c t i o n E n g i n e e ri n g， N o r th C h i n a U n i v e r s i t y o f Wa t e r R e s o ur c e s and E l e c t r i c P o w e r ， Z h e n g z h o u 4 5 0 0 4 5 ， C h i n a ) Abs t r ac t： I n the c o a s t a l a n d s a l i n e a r e a t h e c on c r e te s t r u c t u r e s ha v e b e e n s u ffe rin g the l on gt e r m e r o s i o n i mp a c t s o f d r ywe t c i r c u l a t i o n a n d h a r mf u l c h e mi c al i o n， l e a d i n g t o t h e a t t e n u a t i o n o f c o n c r e t e d u r a b i l i ty A s t u d y me t h o d c o mb i n i n g fi e l d i n v e s ti g a ti o n， i n d o o r a c c e l e r a t e d t e s t a n d the o r e ti c al analy s i s wa s u s e d t O c o n d u c t the c o mp a r i s o n e x p e ri me n t wi th t h r e e e r o s i o n s o l u ti o n s ( s u l f a t e ， s u l f a t e+ c h l o ri n e s a l t ， wa t e r ) u n d e rthe c o n d i ti o n o f d r ywe t c i r c u l a ti o n T h e e x p e r i me n t tOo kthe r e l a t i v e d y n a mi cmo d u l u s a s the e v a l u a ti o ni n de x S O a s tO s tud y the i mp a c t l a ws o n the a t t e n u a t i o n o f c o n c r e t e d ura b i l i t y o f d i f f e r e n t f a c t o r s s u c h a s e r o s i o n wa y s， e r o s i o n me d i a， wa t e r c e me n t r a ti o， fly a s h mi x an d S O o n Th e r e s u l t s s ho w tha t ， the d r ywe t c i r c u l a ti on C an qu i c ke n the s u l f a t e a t t a c k o n the c o nc r e te； u n d e r t h e c o n d i tio n s o f the d r ywe t c i r c u l a t i o n a n d the s u l f a t e a t t a c k， the e r o s i o n e f f e c t o f t h e s u l f a t e a t t a c k i s mo r e n o t a b l e than t h e mi x e d s alt s o l u ti o n； an d the mi x o f fly a s h h a s a p os i ti v e e f f e c t f o r e n hanc i n g the r e s i s t a n c e o f the s a l t c r y s t a l l i z a tio n e r o s i o n o f the c o n c r e t e K e y wo r d s： c o n c r e t e d u r a b i l i ty； d r ywe t c i r c u l a t i o n ； e r o s i o n e f f e c t ； r e l a ti v e d y n a mi c mo d u l u s 0 引 言 硫酸盐的侵蚀是 引起 混凝土材料损 伤破坏 的重要 因 素之一 ， 由于硫 酸根离 子和水 泥 的水 化产 物发 生化 学反 应 ， 膨胀产物使混凝 土损伤开裂 ， 导致 因强度丧失 而发生 结构破坏是其主要 的破坏形式 。 我 国环境 调查表 明， 海 岸线地区的一些海港 、 近海工程 、 海底 隧道 、 跨海大桥等不 同程度遭受 了有害离子 的侵蚀损坏 。 沿黄建设的如盐锅 峡工程 、 八盘峡水电站、 刘家峡水 电站 、 青海朝 阳水 电站 以 及甘肃省景泰川 电力提灌工程 和西 坌 电力提灌工 程等一 大批水利水 电工程 都出现 了混凝 土结构硫酸盐侵 蚀破坏 问题 ， 而且在新疆、 青海、 西藏、 甘肃、 宁夏以及内蒙古等 盐渍土大面积分 布的西 部地 区 ， 部分混 凝 土建筑 物如 桥 梁 、 道路 、 地下管道及 电线杆塔等也遭受着硫酸盐侵蚀 ， 投 入使用仅几年就濒临损坏 ， 不得不用高额 的修复费来维持 工程的正常运行 。 混凝土在干湿交 替作用下 的性能是研 究混凝土 耐久 性不可忽视的一个重要方面 ， 处于干湿循环环境 中的混凝 土若受到盐 的腐蚀 ， 破 坏会更加 严重 。 S a h m a r a n和 E r _ d e m 等人 对硫酸盐 侵蚀及干湿循环硫 酸盐下混凝 土长 期性能展开 了试验研究 ， 结果表 明： 在单一硫 酸盐环境 和 干湿循环硫酸盐环境下 ， 混凝土的力学性能在劣化之前均 存在一个短暂的力学性能增长阶段 ； 相对于硫酸盐单因素 环境 ， 干湿循环与硫酸盐侵蚀共同作用下混凝土 的力学性 能损伤速率显著增大 。 孙迎召 ， 牛荻涛 对干湿循环 条件 下混凝土硫酸盐侵蚀损伤进行分析， 研究结果显示： 随着 干湿循环次数的增加 ， 混凝土损伤不 断加 重 ， 表现为损伤 层厚度加大， 混凝土损伤层中的超声波传播速度降低， 且 收稿 日期： 2 0 1 4 0 8 1 2 基 金项 目： 国家 自然科学基金资助项 目( 5 1 2 7 9 0 6 4， 3 1 3 6 0 2 0 4 )； 河南省教育厅科技创新 人才支持计 划( 1 4 H A S T I T 0 4 7 ) ； 河南 省高校科技创 新团队支 持计划 ( 1 4 I R T S T HN 0 2 8 )； 华北水 利水电大学 2 0 1 4年大学生创新计划项 目( H S C X 2 0 0 4 0 6 3， H S C X 2 0 0 4 0 6 4 ) 。 1 降低的速度逐渐加快 、 浓度越高 ， 混凝土的损伤越严重 。 上 述研究成果可为本领域 的相关研 究提供重要 的理论分 析 和试验研究 的依据 ， 但是 ， 在 国内外研究文献 中， 考虑干湿 循环 中复合盐 即在硫酸盐中添加氯盐 ， 并用粉煤灰等量替 代水泥 的研究还没有形成成熟 的理论体系。 因此开展受侵 蚀混凝土耐久性衰减影 响因素的试验研究对混凝 土结构 耐久性能研究有着重要 的意义 J 。 1 试 验 方 法 配合 比遵循 J G J 5 5 -2 0 0 0 ( 普通混凝土配合 比设计规 程 ， 并根据一般工程 实际和设计要求 ， 同时考 虑粉煤灰 的 掺加对混凝土抗硫酸盐侵蚀能力 的影响 ， 设计三种混凝土 配合 比。 混凝土 中掺用粉煤灰采用等量取代法 。 混凝 土 配合 比如表 1 所示 。 表 1 混凝土配合 比设计 混凝土结构的动弹性模 量能够准确评价混凝土性能 的劣化和失效状态 ， 故选取混凝土试块 的相对 动弹性模量 作为混凝土耐久性衰减评价指标 。 混凝土相对弹性模量： 每 。 ( 1 ) 式 中： 干湿循环与侵蚀试验进行 n次时试块的动弹 性模量 ； E 干湿循环与侵蚀试验前试块的动弹性模量。 当相对弹性模量下降至 6 0 时， 视为混凝土试块发生 破坏。 试件尺寸为 1 0 0 mm 1 0 0 n l m 4 0 0 n l l n 。 试件成 型 后 ， 为防止水分蒸发 ， 表 面遮覆盖物 ， 并在 ( 2 0 5 ) 室温 下静置 2 4 h 左 右 ， 拆模后立 即放入养护 室进行标准 养护 ( 温 度 为 ( 2 0 2 ) ， 湿 度 为 9 5 以 上 ) 试 件 间 隔 约 为 2 0 m m， 养护 2 8 d 。 对设计的三种配合 比( A、 B、 C) 的混凝土试块在三种 不同介质 ( 1 0 N a S O 4 、 1 0 N a S O 4 + 5 N a C 1 、 H 2 O) 下进行 长期侵蚀及干湿循环试验 ， 在不 同时间阶段测定混凝 土试 块的相对动弹性模量 ， 研究不同侵蚀方式 、 侵蚀介质 、 水灰 比、 粉煤灰掺加对混凝土耐久性能 的影响。 干湿循环制度 ： 试件在侵蚀溶液 中浸泡 1 4 h ， 取 出 晾干 l h ， 放入 8 O烘箱 中烘干 8 h ， 冷却 1 h为一个循环 ， 共计 2 4 h ； 并每隔 1 个月更换溶液 。 在侵蚀过程 中每 1 0 d 进行动弹性模 量的测量并计算其相对动 弹性模量 ， 本试验 共 1 2 0 次干湿循环 ， 即 1 2 0 d 。 2 试验 结果与分析 2 1 侵蚀方式对混凝土 E 的影响 以水灰比为0 4的B组试件为试验对象， 以 1 0 硫酸 钠溶液为侵蚀介质， 研究长期浸泡和干湿循环两种不同侵 蚀方法对混凝土 衰减的影响规律 ， 见图 1 。 由图 1知 ， 在 1 0 硫酸钠溶液中长期浸泡混凝土的动 弹性模量缓慢小 幅上升 ， 总体 比较平稳 ， 1 2 0 d结束 时 增加了 6 9 。 有研 究表 明 ， 混凝 土在 1 0 N a S O 中浸泡 4 8 0 d ， 其 呈先上升， 2 0 0 d 左右达到稳定， 然后呈缓慢下 降 趋势 。 对于长期浸泡的试件 ， 一方面混凝土 内部渐渐 2 删 蛆 敲 需 樱 时 J 日 J d 图 1 不 同侵 蚀方 式下 混凝 土 E 变化 进行 的水化反应生 成的水化产物使得其 内部 的结构更 紧 凑 ； 另一方面随着侵蚀 离子的侵入 ， 硫酸根侵 蚀作用逐渐 凸显出来 ， 在试件 中与水泥水化产物化学作 用 ， 生成一定 量的侵蚀产物( 石膏 、 钙矾石等 ) ， 从而起到一定程度 的填 充作用。 上面两个 因素产 生的合力使得混凝 土的 E 有 所 上升 ， 整个过程 比较漫长。 根据试验结果表 明， 在 长期浸泡 1 2 0 d内， 数据反 映的正 是混凝土在 自然浸泡条 件下早期 的 变化规律， 所以E 上升的极其缓慢， 1 2 0 d结束时 为 1 0 7 。 与长期浸泡形成 鲜明的不同 ， 干湿循环 作用与硫 酸盐共同作用下的混凝 土试件 的 起伏变化非常 明显 。 干湿循环作用下混凝土试件 的 初期呈先上升后迅速下 降的趋势 ， 1 2 0 d 之后 ， 混凝土试件 的 E 降低到 0 7 9 。 对 于 干湿循环作用 的试 件 ， 在 烘干过程 中， 由于外界 环境相对 比较干燥 ， 混凝土 内部水分运动方 向逆转 ， 向外部蒸发 ， 这 样则使混凝土外表层孔 隙液中硫酸盐含量上升 ， 这样在混 凝土内部与表层之间形成 了硫酸根离子含量梯度 。 根据 自 由离子扩散机理 ， 驱使 了混凝 土多孔 隙液 中的盐分 以溶 液 的形式反过来 向混凝土内部进行扩散。 随着烘干时间的持 续， 混凝土中表层大部分的孔隙水被蒸发， 多余 的盐分则 结晶析 出。 如此 ， 烘干时硫酸根离子迅速 向内部富集 ， 水分 则 向外迁移 。 在下一步浸泡时 ， 将又有更 多的盐 分进入混 凝土的表层毛细管孔隙 中， 混凝土表层的盐溶液不停进行 “ 烘干 一蒸发 一浓 缩 一结 晶 一烘干 ” 的循环 往 复过 程 ， S O 一 在使得混凝土 内的硫酸根离子快速达到 “ 阈值” 后 ， 侵蚀反应的膨胀产物如钙矾石等提前产 生。 另外 ， 在烘干 时 ， 钙矾石可遇热分解 ， 形成单硫型水化硫铝酸钙 ( A F m) 和 C a S O ， 下次浸泡则会形成更大的破坏。 2 2 侵蚀介质 对混凝 土的影响 干湿循环条件下不 同侵蚀 介质浸泡 的三种配合 比试 块组( A、 B、 c) 的相对动弹性模量衰减过程分别见图 2 4 。 删 簸 需 靛 时 间 d 图 2 硫酸钠溶液中混凝土 Ea 随时间变化 融 幅 靛 时间 ， d 图 3 复合盐溶液中混凝土 E lrd 随时间变化 咖 篱 需 按 时 l司 d 图4 清水 中混凝土 E rd 随时间变化 由图2 - 4知 ， 干湿循环条件下硫酸盐 和复合盐 中的混 凝土动弹性模量早期略有上升 ， 随着循环次数 的增加动弹 性模量均呈下降趋势 ， 而 1 0 浓度 N a 2 S O 溶液 中试 块的 动弹性模量下降最快， 1 2 0 d结束时 下降至 O 7 1 ， 复合 盐相 比于硫酸盐早期 动弹模量达到最 大值 时 间上较 晚一 些 ， 达到最大值后下降速度也较缓慢 ， 循环结束时 下降 到 0 8 4 ， 这 说 明氯 盐 的掺 入 稍微 抑 制 干湿 循 环 损 伤进 程 ； 而清水 中试块 的动弹模量整体平稳 ， 几乎没 有造成 损伤。 干湿作用下清水 中混凝 土 先缓慢小 幅上升 ， 至试 验后期则略为下降 ， 依旧大于 1 。 究其原 因， 前期可 能是 因 为混凝土 内部不断进行的水化反应使其 内部结构致 密； 后 期下降则是 因为在浸泡水中的混凝土试件 ， 也同时受到溶 蚀作用 ， 内部由于水化反应生成的氢氧化钙而不断溶出， 当烘 干后的混凝士表面浸泡至水中时 ， 通过 毛细管作用吸 收水分 ， 直至吸收到饱 和的程度 ， 频繁的“ 烘干 一 浸泡 一 烘 干 一 浸泡” 循 环作用加快 了氢 氧化钙 的溶 出速率 ， 使得混 凝土 内部结 构产生缺陷。 由上述可见 ， 干湿循环试验 中硫酸钠溶液对混凝土动 弹模量 的影响较大。 由硫 酸根离 子侵蚀 机理可知 ， 硫酸根 离子通过毛细孔 、 裂缝渗透或扩散进入混凝 土多孔连续结 构， 其渗透或扩散速率则受到孔隙率、 孔隙结构、 环境温 度 、 介质种类等多个 因素的影响。 2 3 水灰 比对混凝 土变化 的影响 本次试验设定两种不同水灰 比( W C= 0 5 、 0 4 ) 的试 件 ， 试块尺寸为 1 0 0 m m 1 0 0 m l n 4 0 0 i n n l ， 在相应 的侵 蚀介质中各有 3 块 ， 每 1 0 d测一次动弹性模量 ， 取其平 均 值进行计算分析。 如图 5 、 6为两种水灰 比下混凝土相对 动 弹性模量 ( ) 随干湿循环次数变化 的趋势 图。 咖I 教 帽 靛 戳 需 靛 时间 d 图 5 A组试块 随时间变化 时 I司 d 图6 B组试块 E a 随时间变化 从 图 5 、 6对 比看来 ， 水灰 比大 的 W C= 0 5混凝 土试 块损伤变 化较快 ， 在 1 0 浓度硫 酸钠侵蚀 环境下 ， 1 2 0次 循环后水灰比为 0 5 0的试件 下降到 O 7 1 ， 而水灰比 为 0 4 0 的试件 下 降到 0 7 9 ， 试件有 一些损伤 。 对于其 他两种介质 ， 试件 的变化也有相类似的规律 ， 水灰 比大 的试件 损 伤 变化 较快 ， 在 硫酸 盐 中这 种差 距 最 为显 著。 不论何种水灰 比的试件 ， 其 变化趋势均是先上升后 下降。 综上可知 ， 水灰 比对混凝土 的干湿循环与侵蚀作用有 着 明显的影响 ， 水灰 比小的试件 ， 混凝 土内凝胶量较多 ， 混 凝 土相对 比较密实 ， 抗渗透 能力强 ， 其抵抗干湿循环 破坏 的能力也强， 水灰 比大的则 相反。 硫酸盐侵蚀 和干湿循环 叠加作用 ， 干湿循环不仅加速了硫酸根离子扩散或渗透的 速度 ， 而且还为侵蚀产 物的生长提供一定的生长空 间。 可 以说 ， 干湿循环是研究加速混凝 土硫酸盐侵蚀 的一种有效 手段。 2 4 掺加 粉煤灰对混凝 土的影响 针对 B、 c组试块， 在干湿循环与 1 0 硫酸盐侵蚀作 用下 ， 其相对动弹性模量变化过程见图 7 。 哦 融 需 靛 0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 1 2 0 时间 ， d 图 7 B组 、 C组 混凝 土 E 的变 化 试验中考虑的是水灰 比 W C=0 4条件下未掺加 任何掺合料 ( B组 ) 和只掺 加 2 0 粉煤 灰 ( C组 ) 的两种 情况。 由图 7知 ， 试验过程 中各组试块 的 均有一个先 上 升后下降的阶段 。 c组混凝土试 块相对弹性模量下降缓慢 些且下降时间转折点延迟 ， 至试验 结束 ， 其 相对弹性模 量 下 降到 0 8 8 ， 而 B组试块相对弹性模量最终下降到 0 7 1 。 相比而言， C组混凝土试块 早期达到最大值较慢， 并且 上升幅度小。 总的说来 ， 掺加粉煤灰后混凝 土的抗硫酸盐 侵蚀性能有 明显地提 升。 由钙矾石 型硫酸盐 侵蚀 机理可 知 ， 钙矾石生成 的基本前提是未水化的铝酸三钙 ( C A) 及 其水化产物， 而通过粉煤灰等量替代水泥， 则有效地降低 了水泥中的 C ， A含量 ， 进 而减 轻钙矾 石型硫 酸盐侵 蚀 ， 增 强 了混凝土的抗硫酸盐侵蚀能力 。 另一方面来说 ， 在二 次水化反应 中粉煤灰的火 山灰活性 凸显 出来 ， 更多数量凝 胶体的生成使混凝土得到了密实。 伴随粉煤灰二次水化反 应的渐渐进行， 混凝土的渗透性降低 ， 硫酸盐的侵人量相 应 降低。 所 以， 掺入适量粉煤灰对于增强混凝 土抗盐结 晶 侵蚀性能有一定的积极效用。 3结论与展 望 ( 1 ) 盐渍地 区混凝土 建筑物 的化学侵 蚀破坏 过程受 多种因素 的影 响。 干湿循 环与硫 酸盐侵蚀 作用发 生 了叠 加 ， 干湿循环能够加速 混凝土建筑物 的硫 酸盐侵蚀破 坏 ； 干湿循环与硫酸盐侵蚀条件下 ， 硫 酸盐 的侵蚀作用较复合 盐 的侵蚀作用明显 ， 主要 因为复合盐 中氯盐的存在提高了 钙矾石与石膏的溶解度 ， 能够在一定程度上延迟混凝土的 损伤 。 ( 2 ) 从每组混凝土试块相对动 弹模 量变化 曲线来看 ， 混凝土的损伤劣化过程可分为以下三个时期 ： 性能初始劣 化阶段 ； 性能改善阶段 ； 快速劣化阶段 。 分析可知 ： 水灰 比 越大， 受硫酸盐侵蚀的后果越严重， 而粉煤灰的掺加有助 于提高混凝土抗硫酸盐侵蚀的能力 。 ( 3 ) 针对混凝土耐久性衰减影响因素 的研究 ， 仅考 虑 了侵蚀方式 、 侵蚀介质 、 水灰 比及粉煤灰 的掺加 四个因素 ， 而在沿海及西北 干旱盐渍 区， 冻融 、 动静力 荷载等作用 的 影响也不可忽略 ， 对混凝土耐久性 的全面研究有待进一步 深入 。 d 参考文献 ： 1 徐存东， 侯慧敏 ， 张鹏 灌区水工混凝土建筑物受硫酸盐侵蚀 破坏机理研究 J 中国农村水利水电， 2 0 0 9 ( 2 ) ： 5 3 5 4 2 冯乃谦， 邢锋 混凝土与混凝土结构耐久性 M 北京 ： 机械 工 业出版社 ， 2 0 0 9 3 冯小忠， 刘胜松 ， 唐修生， 等 水工混凝土抗硫酸盐侵蚀性能改 善研究I- J - I 混凝土， 2 0 1 4 ( 5 ) ： 4 1 4 3+ 4 8 4 3王铠 ， 庞锦娟 论水 、 土中硫酸盐对混凝土结晶腐蚀的气候与 评价 J 勘察科学技术， 2 0 0 7 ( 1 ) ： 3 4 3 8 5 王海龙， 董宜森 ， 孙晓燕 ， 等 干湿交替环境下混凝土受硫酸盐 侵蚀劣化机理 J 浙江大学学报： 工学版， 2 0 1 2 ( 7 ) ： 1 2 5 5 1 2 6 1 6 S A H MA R A N M， E R D E M T K， Y A MA N I S u l f a t e r e s i s t a n c e o f p l a i n a n d bl e n de d c e me n t s e x p os e d t o we t ti ng d i y i n g a n d h e a t - i n g c o o l i n g e n v i r o n me n t s - J C o n s t r u c ti o n a n d B u i l d i n g Ma t e d a l s ， 2 0 0 7 ， 2 1 ( 8 ) ： 1 7 7 1 1 7 7 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： 2 9 3 1 1 5 吴长发 水泥混凝土抗硫酸盐侵蚀试验方法研究 D 重庆： 西 南交通大学 ， 2 0 0 7 作者简介 ： 徐存东( 1 9 7 2一) 男 ， 博士， 教授， 主要从事水工结构优 化设计和耐久性研究。 联 系地址 ： 联系电话 ： 河南省郑州市北环路 3 6号 华北水利水电大学( 花园 校区) ( 4 5 0 0 4 5 ) 1 3 2 9 81 6 02 O 6 2 1 O 9 8 7 1 l l 0 O O