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超声波评价早龄期混凝土硫酸盐腐蚀的试验研究 陈露一，王兵 51 超 声 波 评 价 早 龄 期 混 凝 土 硫 酸 盐 腐 蚀 的 试 验 研 究 陈露一1。王 兵2 ( 1中铁大桥局集团桥科院有限公司，湖北武汉430034；292330部队基建营房处，山东青岛266i 02) 摘要：为评价硫酸盐对早龄期混凝土的腐蚀程度，对标准养护及2种浓度硫酸盐溶液腐蚀下的混凝土试件 进行抗压强度和超声波速的测定。结果表明：在早龄期内，随硫酸盐溶液浓度和龄期的增大，剩余强度因子和剩余 波速因子减小，腐蚀程度加深；对剩余强度因子和剩余波速因子进行线性回归分析显示，两者具有良好的线性关 系。通过测定超声波速的变化，利用剩余波速因子可以较好地反映混凝土早期受腐蚀程度的大小。 关键词：混凝土；硫酸盐；腐蚀；超声波；抗压强度；剩余波速因子；剩余强度因子 中图分类号：TU 5281文献标志码：A文章编号：16717767(2010)04-005103 1 前 言 混凝土耐久性劣化的表现形式主要有冻融破 坏、侵蚀性化学物质的腐蚀、碳化、碱集料反应、淡水 溶蚀等，而硫酸盐侵蚀是造成混凝土耐久性破坏较 严重的环境侵蚀之一。由于某些海水以及地下水中 硫酸盐含量较高，混凝土工程受到的硫酸盐侵蚀比 较严重，很多电站、大坝、隧道、海岸以及地铁等工程 混凝土均因受到硫酸盐侵蚀，耐久性大大降低，达不 到设计的使用年限，造成了巨大的经济损失。目前， 国内外许多学者针对硫酸盐对硬化混凝土的腐蚀机 理、损伤过程等做了大量研究口“ 。从工程需要出 发，也有学者开展了超声波检测混凝土损伤的无损 检测试验研究 58 ，研究结果表明超声波可用于损 伤程度的评价，且超声波检测技术具有实用、快速、 方便、廉价等优点。对硬化后混凝土受硫酸盐腐蚀 的研究，无论从理论还是无损检测等方面均取得了 大量研究成果。某些海岸、隧道和地铁工程的混凝 土在早期未充分硬化阶段便已处于硫酸盐腐蚀的环 境中，故在早龄期混凝土强度发展过程中就伴随着 硫酸盐的不断侵蚀，因而评价硫酸盐对早龄期混凝 土的腐蚀程度具有非常重要的意义。 本文采用超声波评价早龄期混凝土在不同质量 分数的硫酸盐溶液中所受的侵蚀程度，以期为后续 的相关研究提供一些参考。 水泥；砂采用湖北巴河中砂；粗集料采用阳新碎石， 最大粒径为20m m ；硫酸盐溶液采用硫酸钠溶液。 试验混凝土配合比见表1。 表1混凝土配合比 22试件制备 根据普通混凝土力学性能试验方法(G BT 500812002) ，按表1混凝土配合比，采用机械搅 拌、机械振捣方式制备150m m 150 m m 300m m 棱柱体试件9块，150m m 150m m 150m m 的 立方体试件27块，试件成型后在标准养护室养护 24h后拆模。 将试件分成A 、B和C三组，A 组试件置于标准 养护室养护至规定龄期( 7d、14d和28d)；B组和 C组试件先置于标准养护室养护至3d，然后取出分 别置于质量分数为10和20硫酸盐溶液中浸泡 至规定龄期(7d、14d和28d)。 23试验方法 按照普通混凝土力学性能试验方法(G BT 500812002)分别测试混凝土7d、14d和28d的 抗压强度。 超声波测试采用N M 一4A 型非金属超声波检测 仪，用凡士林作耦合剂固定发声换能器和接收器，分 别测试棱柱体试件一端和长度方向的2个三等分点 (见图1)7d、14cl和28cl 的超声波速。 2试验方案和试验方法 21原材料和配合比 3试验结果与分析 水泥为亚东水泥股份有限公司生产的PO425对标准养护试件及分别浸泡于不同质量分数硫 收稿日期：2010- 0318 作者简介：陈露一(1983一)，男，2005年毕业于武汉理工大学材料化学专业，工学学士，2008年毕业于武汉理工大学材料学专业，工学硕士( E m ai l ：l uyeee 126cor n)。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 52世界桥梁2010年第4期 图1超声检测位置示意 酸盐溶液中的试件按上述方法测定了7 d、14d和 28d抗压强度和超声波速。为了建立抗压强度 (f c。) 与超声波速(V)的变化关系，定义K 。一fc。i 。A 为剩余强度因子，Vc一yA为剩余波速因子， 其中下标i 代表B、C。 31硫酸盐腐蚀下早龄期混凝土的力学性能 表2给出了不同质量分数的硫酸盐溶液对早龄 期混凝土力学性能的影响结果。从表中可以看出： 同一龄期下，混凝土抗压强度随着硫酸盐溶液质量 分数的增大而不断降低，剩余强度因子也不断减小。 混凝土受硫酸盐侵蚀后，在宏观力学性能上表现为 抗压强度降低，因而可以认为硫酸盐溶液质量分数 越大，混凝土所受的硫酸盐腐蚀程度越深。同一质 量分数的硫酸盐溶液中试件随着龄期的增长，抗压 强度呈增长的趋势，但剩余强度因子却不断减小，说 明随着龄期的延长，受硫酸盐腐蚀的程度越来越深。 这是由于硫酸盐组分在混凝土水化过程中，生成了 膨胀性产物三硫型水化硫铝酸钙( 钙矾石) ，形成巨 大的膨胀应力，造成体积膨胀，整体结构开始疏松 化，进而导致抗压强度降低。而早龄期的混凝土因 不断水化，使结构不断致密，故同质量分数的硫酸盐 溶液中的试件抗压强度未随着龄期延长而下降。 表2硫酸盐腐蚀下混凝土的抗压强度和剩余强度因子 龄期d 在相同龄期下，剩余强度因子随着硫酸盐质量 分数的增大而降低，而且在相同质量分数的硫酸盐 溶液下，随着龄期的增长剩余强度因子也是不断降 低的。剩余强度因子较好地说明了硫酸盐腐蚀程度 的大小与硫酸盐质量分和腐蚀的时间有关。 32硫酸盐腐蚀下早龄期混凝土的超声波速 表3给出了不同质量分硫酸盐溶液对早龄期 混凝土超声波速及剩余波速因子的影响结果。从表 中可以看出：同一龄期下，随着硫酸盐质量分数的增 大，测得超声波速不断降低，剩余波速因子也不断降 低；而对同一质量分数的硫酸盐溶液下的试件，测得 超声波速随龄期的延长而不断增大，但是剩余波速 因子却不断减小。这与抗压强度呈现相同趋势。超 声波在混凝土中传播速度与混凝土内部结构和组成 成分有非常密切的关系 9。试验中所有试件均采用 相同配合比，故超声波速的大小主要取决于混凝土 的内部结构。整个混凝土结构在某种程度上可看成 由固相和气相两部分组成，腐蚀程度越深，结构越疏 松( 本文31节分析表明：受硫酸盐腐蚀的混凝土内 部结构开始疏松化) ，说明结构中气相所占的比例越 大，而超声波在空气中传播速度小于在固体中传播 速度，且超声波遇到界面时会发生反射和折射，扰乱 了超声波的传播路径，从而导致波速的减小。 表3硫酸盐腐蚀下混凝土超声波速和剩余波速因子 龄期d 14 28 33剩余强度因子与剩余波速因子的回归分析 由表2和表3可以看出剩余波速因子和剩余强 度因子存在相同的变化规律，即均随着硫酸盐溶液 质量分数和龄期的增大而降低。图2给出了剩余强 度因子和剩余波速因子线性回归分析图。从图中可 以看出：剩余波速因子与剩余强度因子之间存在良 好的线性关系。7d龄期下，处于质量分数为10 和20的硫酸盐溶液中的试件，剩余强度因子分别 为0915和0849，剩余波速因子分别为0907和 0836。14d和28d龄期也呈现相同的分布规律。 由试验结果可以拟合出回归方程：Y =11055x一 00794，且相关系数高达096。说明利用超声波速 的变化来评价判定混凝土受硫酸盐腐蚀后强度降低 程度的准确率在96以上，利用剩余波速因子可以 评价混凝土受硫酸盐腐蚀程度的大小。 4结论 ( 1) 在早龄期，随着硫酸盐溶液质量分的增 大及龄期的增大，剩余强度因子减小，混凝土受腐蚀 一一一一一一一一一一一一一 薷懑爱燃 一 一5 5 6 5 9 6 3 o o_一K一 叮 船勰 拍2弋。 ：。 。：。 。 。： 。 。、 量 一 L 虬 阻 弛 娼 舛 姓 w龇一y粥”粥 如如粥超 一 一 鹋 加 鸺 M拢 卵 鼹 慌一。o o ， o o ， o o 坠丛跳黜眦 笔 百 象 强一生 余一一埔”加 墨丛啪啪啪杀丽裂攀荔 竺； 。 5 9 0 7 9 9 7 6 O 8 6 8 7 7 8 6 6 6 O 0 0 0 O 0 9 7 3 O 3 6 6 5 7 6 5 6 8 8 8 8 8 8 0 0 O 0 O O 3 6 9 3 8 5 1 O 2 2 1 3 3 3 3 3 3 3 1 1 9 4 5 1 5 4 5 0 O 2 3 3 3 4 4 4 4 8 l 0 5 6 O 9 1 7 7 8 4 3 4 4 4 4 4 8 1 2 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 超声波评价早龄期混凝土硫酸盐腐蚀的试验研究陈露一，王兵53 剩余波速因子 图2 剩余强度因子与剩余波速因子回归图 的程度加深。 ( 2) 在早龄期，随着硫酸盐质量分数的增大及龄 期的延长，剩余波速因子减小，混凝土腐蚀程度加深。 ( 3) 剩余波速因子与剩余强度因子呈现出良好 的线性变化规律，利用超声波速的变化可以评价混 凝土受硫酸盐腐蚀后强度的变化情况，剩余波速因 子能有效地表征混凝土受腐蚀程度的大小。 参考文献： 1金雁南，周双喜混凝土硫酸盐侵蚀的类型及作用机理 J 华东交通大学学报，2006，23(5)：48 2梁咏宁，袁迎曙硫酸盐侵蚀环境因素对混凝土性能退 化的影响J中国矿业大学学报，2005，34(4)：452 457 3金祖权，孙伟，张云升，等混凝土在硫酸盐、氯盐溶液 中的损伤过程 J 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