荷载作用下锂渣粉对混凝土氯离子渗透性的影响.pdf

2 0 1 4 年 第 1 O 期 (总 第 3 0 0 期 ) Nu mb e r 1 0 i n 2 0 1 4 ( T o t a l No 3 0 0 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 理论研究 THEORETI CAL RES EARCH 荷载作用下锂渣粉对混凝土氯离子渗透性的影响 董海蛟 ，温勇。张广泰 。唐巍 ，李梅 ( 新疆大学 建筑工程学院，新疆 乌鲁木齐 8 3 0 0 4 7 ) 摘要 ： 研究了一次加载和循环加载下锂渣粉对混凝土氯离子渗透性的影响， 并提出了相应的数学模型。 试验结果表明 ： 一次加 载和循环加载对混凝土氯离子渗透性均产生较为显著的影响， 电通量与应力比之间都近似满足指数函数关系。 当应力 比为 3 0 时， 循环加载后的电通量较一次加载增加较多。 锂渣粉的加入可以明显降低混凝土的氯离子渗透性 ， 电通量与锂渣掺量之间近似满足二 次函数关系。 同时发现， 电通量与初始电流具有较好的线性相关陛， 与相关研究结果比较一致 。 关键词： 混凝土；锂渣粉 ；一次加载；循环加载；电通量 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 4 ) 1 0 0 0 1 2 0 4 I n f l u e n c e o f l i t h i um s l a g p o w d e r s on t h e c h l o r i d e p e n e t r a t i on o f c o nc r e t e u n d e r l o a d DO NGHa ij i a o ， WE NY o n g ， Z H A N GG u a n g t a i ， T A N G We i ， L I Me i ( C i v i l C o n s t r u c t i o n C o l l e g e o f X i n j i a n g U n i v e r s i t y ， Ur u m q i 8 3 0 0 4 7 ， C h i n a ) Abs t r a c t ： E f f e c t o f l i t h i u m s l a g p o wd e r s u p o n t h e c h l o r i d e p e n e t r a t i o n o f c o n c r e u n d e r o n c e l o a d i n g a n d c y c l i c l o a d i n g we r e s t u d i e d ， a n d the c o r r e s p o n di n g ma t he ma t i c a l mo d e l we r e p r o po s e d Th e t e s t r e s u l t s s h o w t h a t b o th on c e l o a d i ng a n d c y c l i c l o a d i n g h a v e a s i g n i fi c a n t i mpa c t o n t h e c hl o r i d e p e n e t r a t i o n of c o nc r e t e an d t he r e l a t i o n s h i p b e t we e n e l e c t r i c fl ux a n d s tre s s r a t i o a p p r o xi ma t e l y a g r e e s wi t h e x po n e n t i a l f u n c t i o n r e l a t i o nW h e n the s tre s s r a t i o i s 3 0 ， e l e c t r i c flu x a f t e r c y c l i c l o a di n g i nc r e a s e s mo r e than tha t a f t e r o nc e l o a din gAd di t i o n o f l i t h i u m s l a g p owd e r i n t o c o n c r e t e C an s i g n i fic a n t l y r e d u c e i t s c h l o r i d e pe ne t r ati o n an d the r e l a t i o ns h i p be tw e e n e l e c tri c fl ux an d l i t h i u m s l a g po wd e r c o n t e n t i s n e a r l y s ui t a b l e t o q u a d r a t i c f un c tio n r e l a t i o n Th e t e s t a l s o find s t h a t e l e c tri c f l ux an d i n i t i a l c u r r e n t ha s a g o o d l i n e ar c o r r e l a t i o n， c omp a r e d wi th the r e l a t e d r e s e arc h r e s u l t s Ke y w or ds： c o n c r e t e； l i t hi u m s l a g p o wd e r s ； o nc e l oa d i n g； c y c l i c l o a d i n g； e l e c t r i c fl ux 0 引言 长期 以来 ， 钢筋混凝土因其较好 的力学性能和相对低 廉的成本被普遍应 用于工程建设 各领域 。 然而 ， 在 实际结 构设计 中， 由于设计者对混凝土的耐久 性问题 重视不 足 ， 导致很多结构在未达到规定的设 计使用 年限就需重新 加 固或提前拆除， 从而造成了巨大的资源浪费和经济损失。 影响混凝土耐久性 的因素很多 ， 钢筋锈蚀被认为是最重要 的f 1 。 一般认 为 ， 由氯离子渗透引起 的钢筋锈蚀最为普遍 、 直接和严重回 。 通常， 矿物掺合料的使用可以增强氯离子结合能力3 1 ， 降低氯离子渗透性 。 锂渣粉是锂辉石提炼锂盐过程 中的 副产品， 后经磨细制成的具有一定火山灰活性的矿物掺合 料圄。 新疆地区是国内生产锂盐的重要基地之一 ， 锂渣粉产 量较高并主要应用于混凝 土 中。 然而 ， 由于国内外对锂 渣 粉对混凝土耐久性 的影响研究较少 ， 尤其是对混凝土氯离 子渗透性的影响研究甚少， 这在一定程度上限制了锂渣的 废物利用及其在工程建设中的推广。 收稿 日期：2 0 1 4 - 0 4 1 9 基金项 目：国家 自 然科学基金( 5 1 2 6 8 0 5 5 ) 1 2 另外 ， 实际环境中服役的混凝土结构都会承受不 同类 型的荷载作用 ， 荷载会引起混凝土中孑 L 结构和微裂缝发生 变化 ， 从 而影 响到氯 离子渗 透性昀 。 近年来 ， 人们陆续开展 了荷载作用对混凝 土氯离子渗透性 的影响研究 。 由于加载 装置和试块形状的不 同， 众多研究者的试验结果存在着不 一 致性。 因此 ， 笔者探讨 了一次加载和循环加载作用下锂渣粉 对混凝土氯离子渗透性 的影响 ， 同时研究了电通量与初始 电流的相关性 。 1试 验 1 1原材料 水泥： 新疆红雁池水泥厂生产的 P O4 2 5 级水泥。 细集 料 ： 乌拉泊水库上游乌鲁木齐河的水洗砂 ， 细度模数2 8 6 ， 含 泥量 1 _3 ， 表观密度 2 6 4 0 k g m3 o 粗集料 ： 卵石 ， 5 1 6 i k r n连 续级配 ， 压碎指数 3 2 0 0 ， 含泥量 0 7 ， 表观密度 2 6 8 0 k g m3 。 锂渣粉 ： 新疆乌鲁木齐锂业有限公司生产 ， 8 0 Ix m方孔筛筛 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 余为 4 0 ， 比表面积为 4 1 7 m 2 k g ， 密度为 2 4 8 g c m o 减水 剂 ： 聚羧酸减水剂。 水 ： 乌鲁木齐市自来水。 1 2混 凝 土 配 合 比 混凝土配合 比按 C 4 0强度等级进 行设计 ， 锂 渣粉等 量取代水泥， 设计配合比见表 1 ， 配制混凝土的抗压强度见 表 2 。 表 1 混凝土的设计配合比 1 3试 验 方 法 1 3 1 加载试验 本试 验制作 1 0 0 m mx 5 0 mm 圆柱体试 块用 于加载 试验 ， 通 过微机控制全 自动压力试验机进行加载 。 加载水 平 以应力 比衡量 ， 即施加应力与破环应力之 比。 破坏应力 ， 即圆柱体抗压强度， 参照 G B 5 0 0 8 1 -2 0 0 2 普通混凝土力 学性能试验方法标准 中立方体抗压强度的试验方法测定。 试验中选取 1 ( P o 、 2 0 、 3 0 三个应力比， 分一次加载和五次 循环加载 。 加载 方案 ： 加载至 目标荷 载一持载 6 0 s 一卸载 至 2 5 k N 一持载 3 0 s ， 分别循环 1 次和 5 次。 加载过程通过 对压力试验机 编程来 完成 ， 加 载速率 为 4 7 1 k N s ， 卸载速 率为 l 4 1 3 k N s 。 1 3 2 混凝土氯离子渗透试验 本试验采用电通 量法对加 载之后 的试块进行 氯离子 渗透试验 ， 所用仪器为 D T L A氯离子 电通量测试仪 。 2 试验 结果及 分析 2 1 荷载作用对混凝土氯离子渗透性的影响 2 1 1 一次加载对混凝土电通量的影响 图 1 为一次加载后混凝土 电通量 随应力 比的变化情 况。 从图中可以看出， 不同配合比下的混凝土， 随应力比的 增加， 电通量均呈增加趋势。 当应力比低于 1 0 时， 变化较 为平缓 ， 当应力 比超过 1 0 时 ， 变化幅度开始增加 ， 对于掺 加锂渣 的混凝 土 ， 基本上呈线性 变化 。 根据 AS T M C 1 2 0 2 标准中对混凝土渗透f生 的分类标准来评价， 随应力比的增加 ， 混凝土氯离子渗透j生 经历了三个阶段， 对于不掺锂渣的混凝 土 ， 从 0 1 0 的“ 低 ” ， 到 2 0 的“ 中” ， 再到 3 0 的 “ 高” ， 对 于锂 渣掺量为 1 0 ,- - 2 0 的混凝土 ， 从 0 1 0 的“ 非常 低” ， 到 2 0 的“ 低” ， 再到 3 0 的“ 中” ， 对于锂渣掺量为 3 0 的混凝土 ， 从 0 1 0 的“ 非常低 ” ， 到 2 0 的“ 低 ” 的下 限 ， 再到3 0 的“ 低” 的上限 ， 渗透性变化较为明显。 5 00 0 4 0 0 0 3 0 0 0 删 誊2 0 0 0 1 0 0 0 U lU 2 U 3 U 应力 比 图 1 一次加载后混凝土电通量随应力比的变化情况 分析上述结果产生的原因， 笔者认为 ， 当应力比低于 1 0 时 ， 混凝土主要处于弹性 阶段 ， 卸载后 ， 变形基本上完 全恢复 ， 故 电通量变化不大 ； 当应 力 比超 过 1 0 时 ， 混凝 土塑性变形开始 出现 ， 内部原生裂缝开始扩展 ， 新生裂缝 有所形成 ， 并逐渐 出现一些宏观裂缝 ， 但裂缝基本上处于 稳定发展阶段 ， 因此电通量表现出线性增加趋势。 本研究采用混凝土 电通量关于应力 比的指数函数来 拟合试验数据 ， 即 ： y = a 1 e ( 1 ) 式 中： a ， 待拟合 系数。 拟合曲线如图 1 所示， 拟合结果见表 3 。 表 3 式( 1 ) 的拟合结果 2 1 2 循环加载对混凝土电通量的影响 图 2为循环加载后混凝 土电通量 随应力 比的变 化情 况 。 从图中可 以发现 ， 与一次加载相似 ， 不同配合 比下的混 凝土 ， 随应力 比的增加 ， 电通量同样呈增加趋势 。 当应力 比 低 于 1 0 时 ， 变化亦较为平缓 ， 当应力 比超过 1 0 时 ， 变 化 幅度开始有所增加 ， 当应力 比超过 2 0 时 ， 变化 幅度更 为显著。 根据孙继成7 1 对 阈值应力 比的定义 ， 2 0 为本次试 验 的阈值应力 比。 随应力 比的增加 ， 混凝 土氯离子渗透性 同样经历 了三个 阶段 ， 对 于不掺锂渣 的混凝土 ， 从 0 1 0 的“ 低 ” ， 到 2 0 的“ 中” ， 再 到 3 0 的“ 高” ， 对 于锂渣掺量 为 1 0 3 0 的混凝 土 ， 从 0 1 0 的 “ 非常低” ， 到 2 0 的 “ 低” ， 再到 3 0 的“ 中” ， 渗透性变化也较为显著。 5 000 4 0 0 0 3 0 0 0 删 衄 毒2 0 0 0 1 0 0 0 应力 比 图 2 循环加载后混凝土电通量随应力比的变化情况 1 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 对以上结 果进行分析 ， 笔者发现 ， 循环加载和一次加 载后混凝土电通量随应力比的变化情况比较类似， 产生机 理也有相似之处 。 针对 当应力 比超过 1 0 时 ， 两者变化趋 势的不同 ， 笔者认为可能是 由于循环加载引起 的混凝土裂 缝不稳定发展造成 的。 本研究 同样采用混凝土电通量 关于应 力 比的指数函 数来拟合试验数据 ， 即： y = b 1e ( 2 ) 式中： b ， b 2 待拟合系数。 拟合曲线如图 2 所示 ， 拟合结果见表 4 。 表 4 式( 2) 的拟合结果 2 1 - 3 加载方式对混凝土 电通量 的影响 图 3 - 6分别 为不掺锂渣 ， 锂渣掺量为 1 0 、 2 0 、 3 0 下加载方式对混凝土电通量的影响。 由图可知 ， 当应力比 为 1 0 、 2 0 时， 不同配合比下一次加载和循环加载后混凝 土电通量较 为接 近 ， 当应力 比为 3 0 时 ， 循环加载后 混凝 土电通量较一次加载增加较多。 5 0 0 0 4 0 0 0 3 0 0 0 咖l 2 0 0 0 l 0 0 0 4 853 陌 9 9 I - 循环加载 l 0 1 0 2 0 3 O 应 力 比， 图 3 不掺锂渣下加载方式对混凝土电通量的影响 5 0 0 0 40 0 0 3 0 0 0 删 删 2 0 0 0 1 0 0 0 l 循 环加 载l 2 8 8 5 2 3 8 1 ； 0 1 0 2 0 3 0 应力 比， 图4 锂渣掺量为 1 O 下加载方式对混凝土电通量的影响 5 0 0 0 4 0 0 0 3 0 0 0 皿 嘲 脚 2 0 0 0 1 0 0 0 I - 循 环加 载I O 1 0 2 O 3 0 应力 比 ， 图 5 锂渣掺量为 2 0 下加载方式对混凝土电通量的影响 1 4 5 0 0 0 4 0 0 0 3 0 0 0 删 删 I 砌 2 0 0 0 1 000 I _ 循 环加 载l 0 l 0 2 0 3 0 应力 比 ， 图 6 锂渣掺量为 3 0 下加载方式对混凝土电通量的影响 由分析可知， 当应力比较小时， 荷载对混凝土内部的 损伤相对较小， 荷载的损伤累积效应也不太明显， 而当应 力比较大时， 每一次加载都会对混凝土内部造成较大损伤， 荷载的损伤累积效应较为显著 ， 因此造成了上述现象的 出现 。 2 2 锂渣粉对混凝土氯离子渗透性的影响 2 2 1 结果分析 图 7 为混凝土电通量随锂渣掺量 的变化情况 ， 图中系 列名 2 0 1 、 2 0 5 分别表示一次加载下应力比为 2 0 、 循环加 载下 应力 比为 2 0 ， 其他类推 ， 0 - 0表示不加载 。 从 图中可 以发现 ， 不同应力 比及不同加载方式下 ， 随锂渣掺量 的增 加， 电通量均呈降低趋势； 当锂渣掺量低于 1 0 时， 降低幅 度显著， 当高于 1 0 后， 降低幅度有所减小。 与基准配合比 混凝土相 比， 当锂渣掺量为 3 0 时， 不加载时、 一次加载下 应力 比为 1 0 3 0 时、 循环加载下应力 比为 1 0 3 0 时 的电通量分别降低了 7 9 5 、 7 1 6 、 5 6 4 、 5 5 3 、 6 1 1 、 4 32 、 4 0 3 5 0 0 0 4 0 0 0 3 0 0 0 咖 2 0 0 0 1 0 0 0 0 +L i 一 0 0 +Li 一 2 O 一 5 - -L i l 0 1 十Li 一 3 0 一l +Li 一1 05 。 一 Li -3 0-5 +L i 一 2 0 1 - - 拟合曲线 锂 渣 掺 量 图 7 混凝土电通量随锂渣掺量的变化情况 经分析 ， 笔者认为 ， 锂渣 粉作 为活性矿 物掺合 料发挥 其火 山灰质效应 ， 与水泥水化反应生成的 C a ( O H) 发生二 次反应 ， 生成更多 的水化产物 ， 提高 了混凝土固化氯离子的 能力； 同时， 由于 C a ( O H) 数量的减少， 减弱了其在浆骨界 面的定 向排列和富集程度 ， 界面结构得 以优化 ， 再加上更 多的低碱度水化硅酸钙凝胶使得水泥石结构更为密实， 从 而提高了混凝土阻碍氯离子渗透的能力。 因此， 随着锂渣 粉的掺人， 混凝土的电通量会有所降低。 另外， 当锂渣掺量 低于 1 0 时， 锂渣粉可与水泥水化生成的 C a ( O H) 发生充 分反应， 混凝土的孔结构得以明显改善， 而当高于 1 0 时， 由于水泥被替代量增多 ， C a ( O H) ： 生成量有所减少 ， 不能有 效激发锂渣粉发生二次反应 ， 同时 ， 生成的水化硅酸钙凝胶 也会减少 ， 一定程度上降低了混凝 土的密实度 ， 从而 出现 了随锂渣掺量的增加， 电通量降低幅度先大后小的现象。 一 8 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 2 2 数学模型 本研究采用混凝土电通量关于锂渣掺量的二次函数 来拟合试验数据， 即： c + c 3 ( 3 ) 式中 ， C ， c 待拟合系数。 拟合曲线如图7 所示， 拟合结果见表 5 。 表 5 式( 3 ) 的拟合结果 2 3混凝 土电通 量与初 始电流的关 系 由欧姆 定律 可知 ， 当 电压一定 时 ， 电流与 电阻成 反 比 ， 对于完全 饱水 的混凝 土试块 ， 欧姆定律 同样适用 。 在 电通 量试验 中 ， 采用 3 0 v 的恒 定 电压 ， 因而通 过试块 的 电流与其 电阻成反 比。 而饱水试块 的电阻在 一定程 度上 反映了其渗透性 ， 电阻小 的渗透性大 ， 电阻大的渗透性 小。 由此可以得出， 电流大的渗透性大， 电流小的渗透性 小 ， 这与 用 电通 量来衡 量 渗透性 具有 一致 性 。 本研 究对 不同配合比下的混凝土在其加载后进行电通量试验 ， 对 电通 量 与初始 电流 的相 关 性进行 分 析 ，结 果如 图 8 所 示 。 由 图可知 ， 电通 量与初 始 电流具 有较 好 的线性 相关 关 系 ， 这与文 献 8 1 1 的研 究结果 具有 一致性 。 因此 ， 为 了缩短试验 周期 ， 可以考虑采 用初始 电流来 评价 混凝 土 的氯 离子渗透性 。 U 、 皿l 初始 电流 m A 图 8混凝土电通量与初始电流的关系 3结 论 ( 1 ) 荷载作用会对混凝土 的氯离子渗透性产生较大影 响。 对于一次加载， 当应力比低于 1 0 时， 混凝土氯离子渗 透性变化不 大 ， 当高于 1 0 时 ， 对于掺加锂 渣的混凝 土 ， 电通量近似呈线性增加；对于循环加载 ，当应力 比低于 1 0 时， 混凝土氯离子渗透性变化亦不大， 当高于 1 0 时， 电通量 的增加 幅度逐渐加大。 在一次加载和循环加载下 ， 电 通量与应力比均近似满足指数函数关系。 当应力比为 1 0 、 2 0 时 ， 一次加载 和循 环加载后 的电通 量较为接近 ， 当应 力 比为 3 0 时 ， 循环加 载后 的电通量较一次加载增加较为 明显 。 ( 2 ) 锂渣 粉加人到混凝 土 中可 以有效 降低其氯 离子 渗透性。 随锂渣掺量的增加， 电通量逐渐减小 ， 当锂渣掺 量 低 于 1 0 时 ， 降低 幅 度较 为 明显 ， 当高于 1 0 时 ， 降 低幅度有所减小。 电通量与锂渣掺量近似满足二次函数 关 系。 ( 3 ) 电通量与初始 电流具有较好 的线性相关关 系 ， 与 相关研究结果具有一致性 。 参考文献： 1 】E HT A P K， MON T E I RO P J M C o n c r e t e Mi c r o s t r u c t u r e ， P r o p e r t i e s ， a n d M a t e r i a l s ； M 】 3 r d e d N e w Y o r k ： T h e Mc G r a w H i l l C o m p a n i e s ， I n c， 2 0 0 6 2 1 李伟文 ， 冷发光 ， 邢峰 子渗透性研究【 J J 混凝土 ， 2 0 0 3 ( 5 ) ： 2 9 3 0 + 6 2 【 3 】 吴相豪， 周金岩， 李怀垣 环境因素影响粉煤灰混凝土固化氯离 子能力的试验研究 粉煤灰， 2 0 1 1 ( 5 ) ： 2 8 0 2 8 5 4 何松晟， 高玮， 汪磊矿物掺合料对混凝土抗氯离子渗透性影响 研究 J _武汉工业学院学报， 2 0 1 1 ( 4 ) ： 8 0 8 3 5 】5 曾祖亮 锂渣粉的来源和锂渣粉混凝土的增强抗渗机理探讨 J _ 四J l l 有色金属 ， 2 0 0 0 ( 4 ) ： 4 9 5 2 【 6 O S E I N I M， B I N D I G A N A V I L E V， B A N T H I A N T h e e f f e c t o f m e c h a n i e al s t r e s s o n p e r m e - a b i l i t y o f c o n c r e t e ： A r e v i e w J C e m C o n c r C o mp o s ， 2 0 0 9 ， 3 1 ( 4 ) ： 2 1 3 2 2 0 【 7 】孙继成 应力及干湿循环作用下氯离子在混凝土中的渗透性研 究 D 1 北京 ： 中国建筑材料科学研究院总院 ， 2 0 1 3 【 8 】叶其业， 杜乃红， 张珩瑜 混凝土氯离子渗透试验研究 J 】 中国港 湾建设， 2 0 1 1 ( 4 ) ： 3 5 3 7 9 】孟振亚， 刘加平， 刘建忠， 等 矿物掺合料的掺入对混凝土抗氯离 子渗透I性能影响的评价与研究f J 1 混凝土， 2 0 1 0 ( 7 ) ： 2 8 3 0 + 3 3 1 0 F E L DMAN R F， P R UD EN C I O J R L R， C HAN G W Ra p i d c h l o r i d e p e r me a b i l i t y t e s t o n b l e n de d c e me n t a n d o t h e r c o n c r e t e s： c o r r e l a t i o n s b e t w e e n c h a r g e ， i n i t i a l c u r r e n t a n d c o n d u c t i v i t y J C o n s t r u e t i o n a n d Bu i l d i n g Ma t e r i als ， 1 9 9 9， 1 3： 1 49 1 54 【 1 1 Z H A O T J ， Z H O U Z H， Z H U J Q， e t a 1 A n a l t e r n a t i n g t e s t m e t h o d f o r c o n c r e t e p e rm e a b i l i t y J C e me n t a n d C o n c r e t e Re s e a r c h ， 1 9 9 8 ， 2 8 ( 1 ) ： 7 - 1 2 作者简介： 董海蛟( 1 9 8 8 一 ) ， 男 ， 硕士研究生 ， 专业方向： 结构 工程 。 联系地址： 新 疆乌鲁木齐市延安路 1 2 3 0号 新疆大学建筑 工程 学院( 8 3 o o 4 7 ) 联系电话 ： 1 3 9 9 9 1 8 4 3 2 7 1 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m