轴拉荷载作用对粉煤灰混凝土抗氯离子侵蚀性的影响.pdf

2 0 1 3 年 第 8期 (总 第 2 8 6 期 ) Nu mb e r 8 i n 2 0 1 3 ( T o t a l No ．2 8 6 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 理论研究 T HEORETI CAL RES E ARCH d o i ： 1 0 ． 3 9 6 9 ／j ． i s s n ． 1 0 0 2 - 3 5 5 0 ．2 0 1 3 ． 0 8 ． 0 0 3 轴拉荷载作用对粉煤灰混凝土抗氯离子侵蚀性的影响 周凤华 ’ ，姜福香 ，孟令波 。 ( 1 ． 青岛市市政工程管理处 综合科 ，山东 青岛 2 6 6 0 0 0 ；2 ． 青岛理工大学 土木工程学院，山东 青岛 2 6 6 0 3 3 ； 3 ． 滨州市公路工程检测中心，山东 滨州 2 5 6 6 0 0 ) 摘要 ： 通过氯离子侵蚀试验 ， 对轴拉荷载作用下粉煤灰混凝土抗氯离子侵蚀性能进行 了研究 。 结果表明 ： 采用适量的粉煤灰 等量取代水泥可以改善混凝土的孑 L 结构 ， 增加混凝土的密实性 ， 提高混凝土抵抗氯离子侵蚀的能力； 但过高的粉煤灰掺量 ， 反而 对提高混凝土的抗渗性有不利影响。 短期轴拉荷载作用后 ， 由于混凝土内部微裂缝的扩展和形成， 混凝土抗氯离子侵蚀的能力下 降。 拉应力水平越高 ， 氯离子含量和侵蚀深度增加越明显。 但同级荷载水平作用下 ， 粉煤灰掺量对混凝土抵抗氯离子侵蚀能力的 影响仍遵循前述规律， 可见 ， 材料组成是影响混凝土抗腐蚀能力的最主要因素。 关键词 ： 轴拉荷载；粉煤灰混凝土；氯离子 ；微裂缝 中图分类号： T U 5 2 8 ．O 1 文献标志码 ： A 文章编号： 1 0 0 2 — 3 5 5 0 ( 2 0 1 3 ) 0 8 — 0 0 0 8 — 0 4 I n flu e n c e o f a n a p p l i e d u n i a x i a l t e n s i l e s t r e s s o n c h l o r i d e p e n e t r a t i o n r e s i s t a n c e o f f ly a s h c o n c r e t e ZHOUFe n g hu a1 ， J I ANG Fu xi a n g2 , MENGLi n gb o ( 1 ． Qi n g d a o Mu n i c i p a l E n g i n e e ri n g Ma n a g e me n t ， Qi n g d a o 2 6 6 0 0 0， C h i n a ； 2 ． S c h o o l o f Ci v i l E n g i n e e ri n g ， Qi n g d a o T e c h n o l o g i c a l Un i v e r s i t y ， Qi n g d a o2 6 6 0 3 3 ， C h i n a ； 3 ． Bi n z h o uHi g h wa yE n g i n e e r i n g t e s t Ce n t e r ， Bi n z h o u2 5 6 6 0 0 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： T h e r e s i s t a n c e t o c h l o r i d e p e n e tr a t i o n o f fl y a s h c o n c r e t e u n d e r u n i a x i a l t e n s i l e l o a d wa s s t u d i e d t h r o u g h c h l o r i d e p e n e t r a t i o n e x p e rime n t ． Th e r e s ul t s h o we d t h a t us i n g the r i g h t a mo u n t of n y a s h a s a n e q ua l r e p l a c me n t t o c e me n t c o u l d i mp r o v e the po r e s t r u c t ur e o f t h e c o n c r e t e a n d i n c r e a s e the c o mp a c t n e s s o f t h e c o n c r e t e ． T h e n i mp r o v e t h e a b i l i t y o f c o n c r e t e r e s i s t an c e t o c h l o r i d e p e n e tra t i o n ．Ho we v e r ， mu c h h i gh fl y a s h c o n t e n t w o u l d h a v e a n a d v e r s e e ff e c t t o i mp r o v e t h e p e r me a b i l i ty r e s i s t a n c e o f c o n c r e t e ．Af t e r uni a x i a l t e n s i o n unl o a d e d ， the c h l o r i d e p e n e t r a t i o n r e s i s t a n c e of fly a s h c o nc r e t e wo ul d be d e c r e a s e d d u e t o t he d e v e l o p me nt a nd f o rm a t i o n o f i nt e r na l mi c r o c r a c k s ． Th e h i g h e r t he t e n s i l e s tre s s l e v e l wa s ， the h i g he r t he c h l o rid e c o n c e n t wa s a n d t h e d e e pe r the p e n e tra t i o n d e p th wa s ． Und e r t h e s a me g r a d e o f t e n s i l e 1 o a d． the i n flue n c e r u l e o f f l y ash r e pl a c e me n t o n t h e c h l o rid e pe n e tra t i o n r e s i s t a n c e o f c o nc r e t e wa s s i mi l a r t o t h a t me n t i o n e d a b o v e ．Th u s i t C an b e s e e n t h a t ma t e r i a l c o mp o s i t i o n i S t h e mo s t i mp o r t ant f a c t o r e ff e c t i n g t h e c o r r o s i o n r e s i s t a n t a b i l i ty o f c o n c r e t e ． Key wor ds ： un i a x i a 1 t e ns i l e l O a d： fly ash c o nc r e t e： c h l o r i d e i o n； mi c r o c r a c k 0 引 言 实际的混凝 土结构 ， 除经受荷载作用外 ， 还 同时经 受 环境 、 气候等多因素的协同作用。 研究表明 ， 荷载和环境因 素协同作用往往会加剧混凝土结构的劣化进程， 缩短结构 物的服役寿命。 近年来 ， 不少学者开展了这方面的研究 - 6 ] 。 为此 ， 国际材料与结构试验联合会( L E M) 成立 了专门的 技术委员会 ， 旨在 围绕多因素复合作用下混凝土的耐久性 能开展相关研究， 并将提出相应的R I L E M 国际技术推荐规 范试验方法同 。 姜福香[4 1 通过试验研究， 发现经受动静轴拉 荷载作用后， 混凝土的孔隙率有明显的增大 ， A． K o n i n 等L 8 ] 对经受轴拉荷载的钢筋混凝土试件进行了 1 2个月的盐雾 腐蚀试验， 测定了氯离子的分布情况。 结果显示， 荷载水平 对氯离子渗透有非常显著的影响。 氯离子表观扩散系数和 收稿 日期 ：2 0 1 3 - 0 2 — 2 1 基金项目：国家重点基础研究发展计~ 1J ( 9 7 3 计划) ( 2 0 0 9 C B 6 2 3 2 0 3 ) 8 荷载水平之间存在指数关 系。 D o n g H u n Ki m等唧 的研究也 表明， 拉应力对混凝土抗氯离子侵蚀性能影响显著 。 本研究采用氯离子侵蚀试验 ， 对轴拉荷载作用下粉煤 灰混凝土 的抗氯离子侵蚀性能进行研究 ， 揭示了轴拉荷载 对混凝 土的微 观损伤 、 抗氯 离子侵蚀性 的影 响规律 。 可为 氯盐环境下粉煤灰混凝土的合理使用提供参考。 1 试 验 方 案 1 ． 1 原材料及配合比 本试 验所用原 材料均来 自青 岛本 地 ， 水 泥为青 岛产 P 04 2 ． 5 级水泥， I I 级粉煤灰， 具体的化学组分见表 1 。 粗骨 料选用 粒径 为 5 - 2 5 m m 连续级配 的碎石 。 细骨料为青 岛 当地的河砂 ， 最大粒径为 5 mm的中砂 ， 细度模数 2 ． 6 。 外加 剂为一种聚羧酸型高效减水剂 ， 拌和水为普通 自来水 。 混凝 表 1 水泥及矿物掺合料的化学成分及矿物组成 ％ 土配合 比详见表 2 。 四个配合 比的 2 8 d 立方体抗压强度分 别为 4 0 ． 6 、 3 8 ． 4 、 2 9 ． 4 、 2 2 ． 7 MP a 。 表 2混凝土配合比 1 ． 2 试件制备及加 栽 本研究采用 R C M法对未经荷载损伤的粉煤灰混凝土 的基本抗氯离子侵蚀性能进行了测试。 试件采用 , 1, 1 o o m r f l x 2 0 0 mm试模成型 ， 水养护 ， 试验前 7 d ， 从每个试件 中部切 取 3 个高度为( 5 0 + 2 ) n u n的试件。 经受轴拉荷载作用 的试件采用文献[ 1 0 】 所设计 的哑铃 型试 件 ， 具体尺寸如图 1 所示。 试件成型后 ， 经过 2 4 h 室温 下养护后拆模， 移人标准养护室( ( 2 0 + 3 ) ℃， R H > 9 5 ％) ， 养 护至 2 8 d ， 再置于室 内 自然放置 2 8 d 。 厂 I ． ． ． 1 ]。 l i一 ， 厂 — ／ 甘 ① ② 0 厂 l I I ③ ④ I I ／ r ． I l 2 日 1 一 0 目 【 ’ I —I I ! z l I I -I I I． ! 一 口 图 1 轴拉试件详图( 单位 ： mm) 首先 ， 每个配合 比至 少选取 3 个试 件拉至破坏 ， 通过 取其破坏荷载的平均值确定试件的极限承载力 ， 试验得到 配合 比 B1 ． B 4的极 限抗拉承载力分别 为 2 9 ． 9 2 、 2 5 ． 6 、 2 5 ．2 4 、 1 7 ． 0 8 k N。 其他试件施加 的短期轴拉 荷载水平选定为 O F , 、 2 5 ％ 、 3 5 ％ 、 5 0 ％ 、 6 5 ％ 、 7 5 ％F t 。 短 期轴拉荷 载在 日本 津岛仪器制造所生产的 S E S ． 1 0 0 0型电子拉伸试验机上施 加。 采用 2 k N ／ m i n的速度加载至预定的应力水平后， 保持恒 定持载 1 5 m i n ， 再缓慢卸载。 1 ． 3 氯 离子侵蚀试验 用水锯将加载后的试件两端切除 ， 并将中间 2 0 0 mm的 一 段切割成两个 1 0 0 m mx l 0 0 mm的小试件， 用清水洗净。 为 确保混凝土的氯盐侵蚀过程为一维扩散 ， 将试块用环氧树脂 进行密封处理， 仅留下与模具接触的两个相对侧面作为试验 面。 氯离子侵蚀过程， 通过将一个试验面与3 ％N a C 1 溶液持 续接触 2 8 d 完成( 液面始终保持高出试块底面( 5 1 ) mm) ， 如图 2 所示 。 待达到试验龄期 ， 取 出试块晾干后 ， 用磨粉机 沿氯离子一维扩散方 向分层磨粉 ， 并采用硝酸银滴定法进 行水溶性 自由氯离子含量的测定⋯。 图 2氯盐侵 蚀试 验 2 试验结果及分析 2 ． 1 粉煤灰混凝土基本抗氯 离子侵蚀性 能分析 ( = 0 ) 用 R C M法测得了B 1 ～ B 4配合 比混凝土在不同养护 龄期的氯离子扩散系数 ， 结果如图 3 所示。 由图 3 可见 ， 采 用粉煤灰作为掺合料等量取代水泥之后， 混凝土的抗氯离 子侵蚀性受到较大的影响。 当粉煤灰掺量为 3 0 ％以下时， 混凝土氯离子扩散系数随着粉煤灰掺量的增加有所降低 ； 而 当掺量达到 5 0 ％时 ， 氯离子扩散 系数则迅速增大 ， 特别 在早龄期 ， 远远高于未掺加粉煤灰的空 白混凝土 。 随着养护 龄期延长 ， 各 配合 比混凝土 的氯离子扩散系数均有明显下 降， 粉煤灰掺量越大， 下降的幅度越大。 1 6 一 l 4 L 。 0 ‘ 垛0 ．6 薹 o ． 0． 2 O I 口Bl I l 圜B 2 l l ●B 3 I I —B 4 I i l h 5 6 8 4 养 护龄期 ／ d 图 3 各龄期粉煤灰混凝土扩散系数( D R CM) 图 4所示为未加 载的粉 煤灰混凝土 与 3 ％N a C 1 溶液 接触 2 8 d 后， 测得混凝土中的氯离子含量( 氯离子占胶凝 材料的质量百分比) 及分布情况。 由此可以得到与 R C M结 果类似的规律， 即粉煤灰掺量在 3 0 ％以下时， 氯离子含量 和扩散深度均随粉煤灰掺量的增加而降低， 反映出混凝土 抗氯离子侵蚀能力提高； 而当粉煤灰掺量达到 5 0 ％时， 氯离 子含量和扩散深度有大幅度增加， 甚至高于未掺加粉煤灰 的空白混凝土， 其抗氯离子侵蚀能力降低。 混凝土中氯离子的渗透 由两个基本 因素决定 ： 一是混 0 渗透深 度 ／ ram 图4 粉煤灰混凝土氯离子含量及分布( R = 0 ， 2 8 d) 凝土对氯离子扩散的阻碍能力 ； 二是混凝土对氯离子的固 化能力。 在混凝土中掺入适量的粉煤灰时， 随着养护龄期的 延长 ， 粉煤灰的火 山灰效应减 少了 C a ( O H) 的数量及其在 水泥石一 集料界面过渡 区的富集与定向排列 ， 从而优化了界 面结构 ； 同时粉煤灰的微集料填充效应使水泥石和界 面过 渡区结构更加致密， 从而提高 了对氯离子渗透的扩散阻力 ； 另外 ， 水 泥石孔结构 的细化使其对氯 离子的物理 吸附能 力增强， 粉煤灰中含量较高的无定型 A 1 0 能与氯离子和 c a ( O H) 反应生成 F r i e d e l 盐。 这些均有利于降低氯离子在 混凝 土中的渗透速 度 ， 提高混凝土 的抗氯离子渗透能力 。 随着养护龄期延长 ， 粉煤灰混凝土随着水泥水化和粉煤灰 的二次 水化【 1 2 】 作 用的逐 步完成 ， 以及粉煤 灰的微集 料效 应 ， 界面过渡 区结构得到进 一步改善 ， 其 氯离子扩散 系数 也大幅度降低。 而当粉煤灰等量取代水泥达到 5 0 ％时 ， 早龄期时氯 离 子扩散系数明显提高。 分析原因， 主要是 当粉煤灰掺量过高 ( 、 3 0 ％) 时 ， 相应的水泥掺 量会大大减少 ( < 7 0 ％) 。 在早 龄 期 ， 由于水泥水化生成的 C a ( O H) 。 较少 ， 且粉煤 灰活性 较 低 ， 其活性成分 的二次水化不完全 ， 混凝土的结构依然疏 松 ， 从而对混凝土抗氯离子侵蚀能力造成负面影响。 随着养 护时间的延长 ， 二次水化剩余 的粉煤灰逐渐填充到混凝土 结构中的毛细管及孑 L 隙裂缝之中， 改善了孔结构， 从而提 高 了混凝土的抗渗性 。 本试验到 1 4 0 d时 ， B 4的氯离子扩 散系数已经低于其他三个配合 比。 2 ． 2 拉应力水平对氯 离子侵蚀 性的影响 图 5为四种配合 比的混凝土分 别经受 不同水平的轴 拉荷载后 ， 与 3 ％ N a C 1 溶液接触 2 8 d后测得 的氯离子含量 及分布情况 。 由图 5 可见 ， 随着深度 的增加 ， 各 配合 比、 各荷 载水平 下的氯离子含量变化规律类似 ， 均呈现从混凝土表面开始 逐渐上升至最高值 ( 对流区) ， 然后逐渐下降并趋于缓和的 趋势 ， 直至最后达到一个稳 定的氯离子浓度值 ( 初始氯离 子浓度) 。 同时也不难发现， 轴拉荷载历史对混凝土的抗氯 离子侵蚀性有明显的影响。 不同粉煤灰掺量的混凝土所受 的影响规律大致相同， 即随轴拉荷载水平的提高， 各系列 混凝土的氯离子含量和侵入深度均呈规律性增长 。 荷载水 平从 3 5 ％增加至 7 5 ％比荷载水平从 0 增加 至 3 5 ％的荷载 范同下 ， 对氯离子侵蚀的影响更为明显。 分析原因， 在轴拉 荷载作用下， 由于混凝土中原有微裂缝的扩展和新的微裂 1 0 渗透 深度 ／ mm ( d ) B4 系列 图 5 不同轴拉荷载水平作用下氯离子含量及分布( 2 8 d ) 缝形成， 使混凝土的孔结构遭受损伤， } 昆 凝土的渗透性增 大， 抵抗氯离子侵蚀的能力降低。 应力水平越高， 内部损伤 越严重 ， 混凝 土的 自由孔隙越多 ， 氯离子 的渗透深度越大。 在较小拉应力作用下( R t= 0 ～ 3 5 ％) ， 混凝土处于弹性范 围， 砂浆和界面裂缝还没有 明显的扩展 ， 在释放应力后混凝土内 部微裂缝多数得 以恢复； 但随着应力 的继续增大 ( R t= 3 5 ％ ～ 7 5 ％) ， 混凝土进 入弹塑性 阶段 ， 混凝土 内部微裂缝发生损 伤贯通 ， 砂浆和界面裂缝逐渐形成 部分损伤卸载后难 以 恢复， 且应力越大损伤越严重。 微裂缝贯通数量的增加使得 氯离子在混凝土内部 的扩散和渗透速度增加 ， 氯离 子渗透 深度增大。 2 ． 3 轴拉 荷载作 用 下粉 煤灰掺 量 对氯 离子侵 蚀性 的影响 图 6 所示为 B 1 ～ B 4四个配合 比的混凝土试件 ， 分别在 经受 2 5 ％、 5 0 ％、 7 5 ％的轴拉荷载作用后与 3 ％N a C 1 溶液接 触 2 8 d ， 所得氯离子含量及分布情况。 3 5 ％、 6 5 ％荷载作用下 有类似规律 ， 此处未再列 出。 渗 透 深 厦 ／ ram ( c ) = 7 5 图 6 不同配合比混凝土轴拉荷载作用下氯离子含量及分布( 2 8 d ) 综合 比较 图 6与 图 6所示试验结果 ， 可 以发现 ， 尽管 轴拉荷载 作用 使得 各配合 比混凝土 中 自由氯离 子含量明 显增加 ， 但对 于施 加相 同应力水平 的混凝 土 ， 随粉煤灰掺 量的不同 ， 混凝土的氯离子侵蚀规律依然符合 2 ． 1 中得 出的 结论 ： 在相 同荷载水平下 ， 粉煤灰掺量低 于 3 0 ％时， 混凝土 中氯离子含量和扩散深度 随粉煤灰掺量的增加而降 低， 而 掺量为 5 0 ％时混凝土中氯离子含量和扩散深度明显高于 普通混凝土 。 但对于不同粉煤灰掺量 的混凝土 ， 在各级轴拉荷载作 用下损伤发展规律 的差异 ， 还需作进一步的分析 。 3结 论 本研究对轴拉荷载作用下粉煤灰混凝土抗氯离子侵 蚀性能进行了试验 ， 得到如下结论 ： ( 1 ) 采用适量 的粉煤 灰( 5 0 ％) ， 反 而对提高混凝土 的抗渗性有不利影响。 ( 2 ) 经受轴 拉荷载作用后 ， 由于混凝土微裂缝 的扩展 和形成 ， 导致混凝土孔 隙率增大 ， 抗氯离子侵蚀能力下 降； 应力水平 越高 ， 损伤越 严重 ， 侵 入混凝 土的氯离子 含量及 侵蚀深度越大 。 ( 3 ) 在各级 荷载水 平下 ， 不 同粉煤 灰掺量的混凝土抵 抗 氯离子侵蚀 的能力 与粉煤灰掺量 的关系与未加载时类 似 。 可见， 材料组成是影响混凝土抗腐蚀能力的最主要因素。 参考文献 ： [ 1 ]XI N G F e n g ， L E NG F a g u a n g ， F E NG N a i q i a n ． C h l o r i d e d i f f u s i v i t y o f p l a i n c o n c r e t e s u b j e c t e d t o s u s t a i n e d fl e x n r a l l o a d i n g [ C r o c e c d i n g s o f a n i n t e r na t i o n a l wo r k s h o p o n d u r a b i l i t y o f r e i n f o r c e d c o n c r e t e u n — d e r c o mbi n e d me c h a n i c a l a n d c l i ma t i c l o a d s ．Ae d i fic a t i o Pu b l i s h e r s ， 2 0 0 5： 1 3 3 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l n t ． J o u r [ J ] ． R e s t o r a t i o n o f B u i l d i n g s a n d M o n u m e n t s ， 2 0 1 2 ( 1 8 ) ： 1 0 5 一 l 1 2 ． 【 6 1 Z HAO T， WI T T MA NN F H， UE D A T， e t a 1 ． D u r a b i l i t y o f r e i n f o r e e d c o n c r e t e u n d e r c o mb i n e d me c h a n i c a l a n d c l i ma t i c l o a d s [ M] ． Ae d i — fic a t i o Pu b l i s h e r s， 2 0 0 5． 『 7 1 R I U￡ M T C T D C， T e s t me t h o d s t o d e t e r mi n e d u r a b i l i t y o f c o n c r e t e u n d e r c o mb i ne d e n v i r o nme n t a l a c t i o ns a n d me c h a ni c a l】 o a d． 『 8 ]K0 NI N A， F RA NC 0 I S R， e t a 1 ． P e n e t r a t i o n o f c h l o r i d e s i n r e l a t i o n t o t h e mi c r o—c r a c ki n g s t a t e i n t o r e i n f o r c e d o r d i n a r y a n d hi g h s t r e n g t h c o n c r e t e [ J ] ．Ma t e r i a l s a n d S t r u c t u r e s ， 1 9 9 8 ， 3 1 ( 6 ) ： 3 1 0 — 3 1 6 ． 【 9 】Do n g H u n K i m， K a z u n o r i S h i mu r a ， T a k a s h i Ho r i g u c h i ． E f f e c t o f t e n - s i l e l o a d i n g o n c h l o r i d e pe n e t r a t i o n o f c o nc r e t e mi x e d wi t h g r a n u- l a t e d b l a s t f u ma c e s l a g [ J ] ．J o u r n a l o f Ad v a n c e d C o h c r e t e T e c h n o l o — g Y ， 2 0 1 0 ， 8 ( 1 ) ： 2 7 — 3 4 ． [ 】 O ] 姜福香． 基于机械荷载损伤的混凝土结构耐久性研究[ I ) 】 ． 西安： 西安建筑科技大学， 2 0 1 1 ． 【 1 1 ] J T J 2 7 O 一1 9 9 8 ， 水运工程混凝土试验规程f s ] _ ] E 京： 人民交通出 版 社 ， 1 9 9 8 ． [ 1 2 1 D ~ - 建雄， 王； 中 ． 矿物掺合料对混凝土氯离子渗透扩散性研究[ J 】 _ 重庆建筑大学学报， 2 0 0 5 ， 2 7 ( 3 ) ： 9 1 — 9 3 ． 作者简介： 联系地址 ： 联系电话 ： 周凤华( 1 9 7 0 一 ) ， 女， 高级工程师， 主要研究方向： 桥梁 养护与管理。 青岛市市政工程管理处( 2 6 6 0 0 0 ) 1 8 6 61 67 7 5 6 7