不同腐蚀条件下活性粉末混凝土的抗弯性能.pdf

2 0 1 6年第 2期 2月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 C HI N A C ONCR E T E AND C EME NT P R0DUC T S 2 0 1 6 No 2 F e b r u a r y 不同腐蚀条件下活性粉末混凝土的抗弯性能 贺 奎 ， 王万金 ， 贾方方 ， 路振宝 ， 刘俊元 ， 孔德成 ( 1 北京市功能性高分子建筑材料工程技术研究 中心 ， 北京市建筑工程研究 院有限责任公司 ， 1 0 0 0 3 9 ； 2 北京交通职业技术学院 ， 1 0 2 2 0 0 ) 摘要 ： 采用四点弯 曲试验研 究 了不 同腐蚀条件 下钢 纤维活性粉末 混凝 土的抗弯性能。结果显 示。 氯盐一 冻 融 循环耦 合作用对试 件的抗 弯强度腐蚀作 用大 于冻融循 环单 因素的腐蚀 氯盐一冻融耦合循环 1 5 0 0次后 ， 试件的抗 弯强度仅为标准养护的4 5 0 2 。由于活性粉末混凝土基体致密， 腐蚀作用下， 试件表面钢纤维锈蚀， 但 内部钢纤维 仍 能起到很好 的限裂作 用。 基体开裂后仍能保持较好的持荷能 力 抗弯试件 的相 对剩余强度都 能达到 8 0 以上。 关键 词 ： 活性粉末 混凝 土； 抗弯性能 ； 盐侵蚀 ； 冻融循 环 ； 耦合 Ab s t r a c t ： Be n d i n g p r o p e r t i e s o f s t e e l fi b e r r e a c t i v e p o wd e r c o n c r e t e u n d e r d i ffe r e n t c o rro s i o n c o n d i t i o n s we r e s t u d i e d b y f o u r p o i n t b e n d i n g t e s t E x p e ri me n t a l r e s u l t s s h o w t h a t the c o r r o s i o n of c h l o r i d e s a l t c o u p l i n g f r e e z e - tha w c y c l e s i s g r e a t e r tha n the f r e e z e - tha w c y c l e s Af t e r 1 5 0 0 t i me s c h l o ri d e s a l t c o u p l i n g f r e e z e -t h a w c y c l e s ，b e n d i n g s t r e n g t h of t h e s p e c i me n s w a s o n l y a b o u t 4 5 0 2 o f t h e s t a n d a r d c u rin g B e c a u s e of t h e c o mp a c t n e s s o f r e a c t i v e p o w d e r c o n c r e t e ， e x t e r - n a l s t e e l fi b e r c o rr o s i o n b u t t h e i n t e r n a l s t e e l fi b e r C an s t i l l r e s t r i c t the d e v e l o p me n t o f c r a c k s T h e r e f o r e ，t h e r e l a t i v e r e s i d u a l s t r e n gth o f t h e b e n d i n g s p e c i me n c a n k e e p o v e r 8 0 ， wh i c h s h o ws t h a t i t h a s g o o d l o a d c a p a c i t y a f t e r the ma t r i x c r a c k i n g Ke y wo r d s ：Re a c t i v e p o w d e r c o n c r e t e ； B e n d i n g p r o p e r t y ； S alt c o r r o s i o n ； F r e e z e - tha w c y c l e s ； C o u p l i n g 中图分类号 ： T U 5 2 8 0 1 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 O 0 0 4 6 3 7 ( 2 0 1 6 ) 0 2 1 5 0 3 0前 言 活性粉末混凝土具有超高 的耐久性能 ， 国内外 学者对其耐久性能包括抗冻性 、抗氯离子渗透性 能、 抗化学侵蚀性能等都进行 了大量研究1 1 。由于其 优 异的性 能 ， 目前 ， 活性粉末混凝土 已在工程 中应 用。混凝土结构在服役期间 ， 经常要受多因素耦合 作 用下 的腐蚀 ， 如北方地 区冬季 喷洒 除冰盐 ， 混凝 土要经受氯盐和冻融循环耦合的腐蚀作用。盐冻破 坏是 目前混凝土耐久性劣化 的一个重要问题。 韩荣霞圆 对活性粉末混凝土在氯盐和冻融循环 耦 合作用下的抗 压强度及抗氯离子渗透系数进行 了研究 。 分析了腐蚀机理。研究表明 ， 在氯盐和冻融 循 环耦合作用 下活性 粉末 混凝 土仍 能保 持优异 的 耐久性能。对于机场和道路工程 ， 混凝土的弯 曲强 度是结构设计 的重要指标。同时 ， 混凝土的韧性对 于结构变形 和抗震性能十分重要 。活性粉末混凝土 内掺有大量钢纤维 ， 在腐蚀作用下能否继续保持优 异 的韧性和抗弯性能?为解答此 问题 ， 本文对不 同 腐蚀作用后活性粉末混凝土 的抗 弯性能进行 了研 基金项 目： 北京市百 千万人才资 助项 目： 北京市 博士后 基金 资助项 目( 2 0 1 4 Z Z 一 4 1 ) 。 究 为活性粉末混凝土的工程设计提供技术参考。 1 试 验 1 1 试验原材料及配 比 本试验 中制备活性粉末混 凝土 的主要原材料 有 P O 4 2 5级普通硅酸盐水泥 ； S i O 2 含量大于 9 0 的超 细微硅粉： 粒径为 0 1 6 1 2 5 m m的级配石英砂； 直径 0 2 2 m m 长度为 1 3 1 5 ra m的镀铜钢纤维； 新型 高效减水剂 和水 。试验 中选用钢纤维体积掺量为 2 0 ， 即每 m 。 掺量为 1 6 0 k g o具体配比见表 1 。 表 1 活性粉末混凝 土配合 比 k g m 1 2 试 验 方法 采用 1 0 0 mmx 1 0 0 m m 4 0 0 mm的棱柱体试件 。 振 动成型。试件成型后 2 4 h拆模 ， 随后放入高温养护 箱 中 4 5 蒸汽养护 2 h 。随后升温至 6 0 蒸汽养护 2 h 最后将温度升至 7 5 养护 6 8 h后 自然冷却至室 温。将养护完成 的试件放入清水 中浸泡 l d ， 随后进 行耐久性试验 ，耐久性试验结束后进行弯曲试验 。 本次试验共 4组 ， 每组 3个试件 ， 每组试件试验 条 件不 同， 具体见表 2 。 研究结果表 明3 - 5 ， 盐浓度为 3 一 1 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 6年第 2期 混凝土与水泥制品 总第 2 3 8 期 表 2 试件 编号及养护方式 试件 编号 养护方式 A 蒸 汽养 护完成后标准 养护 2 8 d进行抗弯试验 。 蒸 汽养 护完成后将试件放 人抗 冻机 ， 采用快冻 B 法， 在水溶液中冻融 1 5 0 0 次循环后进行抗弯 试验 。 蒸汽养护完成后将试件放人抗冻机 ， 在试件盒 C 中注入质量分数 为 3 5 的氯化钠溶液 ， 快冻法 冻融 5 0 0次循 环后进行抗弯试验 。 蒸汽养护完成后将试件放入抗冻机， 在试件盒 D 中注入质量分数为 3 5 的氯化钠溶 液 ， 快冻法 冻融 1 5 0 0次循环后进行抗弯试验 。 左右时， 对混凝土的腐蚀破坏最为严重 。为此 ， 对于 氯盐一 冻融循环耦合的腐蚀作用 ，本文选用浓度为 3 5 的 N a C 1 溶液作为腐蚀溶液。 各组试件按表 2的方式养护完成后 进行 四点 弯曲试验 。四点弯曲试验在 3 0 0 k N的万能试验机上 进行 ， 支座间距为 3 0 0 mm， 加载点间距离为 1 0 0 m m。 试验时 ， 在试件和试验机之间设置荷载传感器量测 试验荷载 ， 试件两侧跨中位置各设置一个位移传感 器量测跨 中挠度。荷载传感器和位移传感器通过采 集系统连接电脑直接采集数据 。试验过程 中， 采用 荷载控制 ， 加载速率为 0 1 k N s ， 量测到跨 中挠度值 达到 5 mm时停止试验 。试验装置如 图 1 所示 。 图 1 试 验装 置 2结果 与分 析 2 1 分析 方法 参考 C E C S 1 4 ： 8 9 钢纤维混凝土试验方法 ， 用 公式( 1 ) 计算抗弯试件的抗弯强度 。 = ( b h ) ( 1 ) 其 中： 尸 眦为试件极 限荷载 ， k N 为对应 的抗 弯强度 ， MP a ； L、 b 、 h为支座间距 、 试件截面宽度、 高 度 ， m m。 剩余强度可真实反映纤维混凝 土开 裂后 的特 一 1 6一 性 ， 较弯曲韧性指数其力学意义更加明显。因此 ， 本 文采用剩余强度分析腐蚀作用后钢纤维活性粉末 混凝土的抗弯韧性 。剩余强度 Is A R 及相对剩余强度 s m按公式 ( 2 ) 和公式 ( 3 ) 计算 ： S A R 9 0 5 + Po7 5 + P1 o + P12 5 JAR 2 1 ( 2 )A l _ 6 Js I R = x 1 0 0 ( 3 ) f c m 式 中： 、 e o 、 P 。 。 、 P 。 分别为跨 中挠度值 为 0 5 mm、 0 7 5 m m、 1 0 m m、 1 2 5 m时对应的荷载。 为 明确腐蚀对钢纤维活性粉末混凝 土抗 弯性 能的影响 ， 引入抗弯强度 比。抗弯强度 比指腐蚀后 试件的抗弯强度与标准养护抗弯强度的比值 。 2 2 荷载一 挠度全 曲线 图 2是根据荷载传感器 和位移传感器 量测到 的不 同时期 的荷载及对应的跨 中挠度绘制的不 同 腐蚀情况下 ，活性粉末混凝土抗弯试件的荷载一 挠 度全曲线 。 2 3 4 5 挠度 m m 荷载一 挠度全曲线 从图 2可以看出 。 由于钢纤维的存在能够起到 限裂抗裂的作用 ， 不同腐蚀条件下的抗弯试件的荷 载一 挠度全 曲线都有完整的下降段 。说明腐蚀后的 活性粉末混凝土试件仍具有 良好的韧性 。 图 3是氯盐+ 冻融循环耦合循 环 1 5 0 0次后试 件受弯破坏后 的断面图。从 图 3可 以看出 ， 腐蚀后 试 件表面处 的钢纤维发 生了严 重锈蚀 。试验 过程 中。 试件在弯拉作用下开裂 ， 横贯在裂缝处的纤维 逐渐被拔出 部分表面处 的钢纤维 由于锈蚀严重被 拉断。但 由于活性粉末混凝土基体致密 ， 试件 内部 的钢纤维依然能够起到很好 的抗裂作用 ，相应地 ， 抗弯试件的荷载一 挠度全曲线均能够得到稳定 的下 降段 。 如 加 O z 铺挺 2 图 O 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 贺奎 ， 王万金 ， 贾方方 ， 等 不 同腐蚀条件下活性粉末混凝土的抗弯性能 图 3 试件破坏断 面图 2 3 腐蚀后抗弯指标变化 表 3是不同腐蚀情况下试件 的抗弯试验结果。 从表 3可以看出 单独冻融循环 1 5 0 0次后 。 试件 的 抗 弯强 度值 为普 通标 准养 护 的 6 2 9 2 。降低 了 3 7 0 8 ：氯盐和冻融循环耦合作用 5 0 0次循环后 试件的抗弯强度降低了 2 6 1 8 ：耦合循环 1 5 0 0次 后 ，抗 弯强 度仅 为标 准养 护 的 4 5 0 2 ，降低 了 5 5 9 8 。由此可见 ， 相对单独冻融循环而言 ， 氯盐和 冻融循环耦合作用对钢纤维活性粉末混凝土 的腐 蚀程度更严重。研究表 明6 1 ， 盐冻循环 8 0 0次后 ， 活 性粉末混凝土的抗压强度损失约 1 7 7 左右，质量 损失率小于 0 4 。而盐冻循环 5 0 0次后 ， 活性粉末 混凝土的抗弯强度损失 了 1 7 7 8 ， 由此可见 ， 相对 抗压强度而言 ， 腐蚀作用对活性粉末混凝土的抗弯 性能影响较大。 表 3 抗 弯试验结果 从表 3中还可以看出 。在不 同腐蚀情况下 ， 钢 纤维活性粉末混凝土抗弯试件 的相对剩余强度都 能达到 8 0 以上 。 说明试件在开裂后都能保持 良好 的持荷能力。这 主要是 因为 ， 本试验 中所有试件均 掺有 2 0 的钢纤维 ， 虽在腐蚀作用下 ， 表面钢纤维 发生了腐蚀 ，但 由于活性粉末混凝土基体致密 ， 试 件 内部钢纤维锈蚀程度较小 ， 仍能与基体保持 良好 的黏结性能 起到限制裂缝发展的作用。 盐冻对混凝土产生严重腐蚀主要是 因为 ： 氯盐 存在会对混凝土发生盐冻破坏产生 4个 负效应 ， 其 中盐的吸湿性和引起混凝土内部饱水度 的提高 增 大混凝 土的渗透压和结冰压力是引起盐冻破坏严 重的一个重要原因 7 】 。氯盐一 冻融循环耦合作用下 。 钢纤维活性粉末混凝土试件 的破坏 由表及里逐步 发展 ， 因为混凝土在氯盐溶液 中受冻时 ， 混凝土表 层的饱水度要明显高于内部 ， 因而本试验 中试件表 面发生了严重的剥落现象 ， 钢纤维明显锈蚀。同时 ， 由于钢纤维活性粉末混凝土基体致密 ， 虽表面剥落 但腐蚀并未渗透至试件内部 。 因而表面离子不能迅 速迁移到试件 内部 ， 因此 ， 内部钢纤维仍能起到很 好 的阻裂作用。 3结论 ( 1 ) 腐蚀对钢纤维活性粉末混凝土的抗 弯性能 有较大影 响 ，腐蚀后抗弯试件的抗 弯强度 比低于 7 5 ， 其中氯盐一 冻融循环耦合的腐蚀作用大于冻融 循环单 因素作用 。 ( 2 ) 腐蚀后活性粉末混凝土表面钢纤维发生锈 蚀 ，但是 内部钢纤维仍能起到很好 的阻裂限裂作 用 ，使抗弯试件 的荷载一 挠度全 曲线得到完整 的下 降段 。 ( 3 ) 腐蚀后 的活性粉末混凝土抗弯试件在开裂 后仍能保持 良好 的持荷能力 ，相对 剩余 强度达到 8 0 以上 。 参考文献 ： 1 】 王月， 安明酷， 余 自若， 等 活性粉末混凝 土耐久性研究现状 综述 J 混凝土， 2 0 1 3 ( 8 ) ： 1 2 - 2 0 【 2 】 韩荣霞 活性粉末混凝土在氯盐和冻融循环耦合作用下的 耐久性研究 D 北京： 北京交通大学， 2 0 1 3 3 】 杨全兵 混凝土盐 冻破坏 机理 (I) ： 毛 细管饱水度 和结冰 压 J 】 建筑材料学报， 2 0 0 7 ， 1 0 ( 5 ) ： 5 2 2 5 2 7 4 1 S E L L E VO L D E J ， F A S T E D T F r o s t s a l t t e s t i n g o f c o n c r e t e ： e f f e c t o f t e s t p a r a m e t e r s a n d c o n c r e t e m o i s t u r e h i s t o r y J 1 N o Mi c C o n c r e t e Re s e a r c h ，1 9 9 1 ， 1 0 ： 1 21 1 3 8 5 】 L I N D M AR K S Me c h a n i s m o f s al t f r o s t s c a l i n g of P o r t l a n d c e me - b o u n d ma t e r i a l s ： s t u d i e s a n d h y p o t h e s i s D 1 L u n d S w e d e n ： L u n d I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y ， L u n d Un i v e rsi t y ， 1 9 9 8 6 王月， 安 明酷 ， 余 自若 ， 等 活性 粉末混 凝土耐 久性及 其评 价指标【 A 1 第九届全 国高强 与高性 能混凝 土学术交流会会议 论文集 C 1 2 0 1 4 7 】 杨全兵 氯化 钠对混凝 土 内部饱 水度 的影响 J 硅 酸盐学 报， 2 0 0 5 3 3 ( 1 1 ) ： 1 4 2 2 1 4 2 5 收稿 日期 ： 2 0 1 5 1 1 一 O 2 作者简介 ： 贺奎 ( 1 9 7 0 一 ) ， 男 ， 教授级 高级工程师 。 通讯作者 ： 贾方方 ( 1 9 8 4 一 ) ， 女 ， 工程 师。 通讯地址 ： 北京市海淀 区复兴路 3 4号 联系电话 ： 1 3 8 1 1 6 1 8 4 4 0 ( 贾方方 ) E - ma i l ：j i a f a n g f a n g 0 6 1 6 3 c o m 一 】 7一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m