浸泡与暴露混凝土损伤规律的关系.pdf

6 低温建筑技术 2 0 1 4年第4 期( 总第 1 9 0期) 浸泡与暴露混凝土损伤规律的关 系 李长成 ， 张立明， 沈艳东 ( 吉林交通职业技术学院 。 长春1 3 0 0 1 2) 【 摘要l 研究了C 3 0 、 C 5 0 和 C 8 0在盐湖卤水长期浸泡和现场暴露环境下的损伤变化规律， 分析了试验环 境与混凝土强度和腐蚀时间对相对动弹模量的影响， 建立混凝土构件的腐蚀时间与相对动弹模量及浸泡与暴露 的混凝土损伤的换算方程。试验结果表明： 混凝土在长期浸泡试验比现场暴露环境强度损伤的更快。混凝土构 件 E ： 强化的时间与混凝土构件强度等级为负相关关系。} 昆 凝土强度等级与损伤加速度 A 和损伤速度A o 分别呈 正指数和负指数函数关系， 混凝土强度等级与损伤加速度的换算系数 K 和损伤速度的换算系数 K 呈指数函数 关系， 可通过换算系数和浸泡损伤加速度 A 和损伤速度 预测实体工程的相对动弹模量。 【 关键词】 混凝土构件； 浸泡试验； 现场试验 ； 相对动弹模量； 相关性研究 【 中图分类号】 T U 5 2 8 ． 0 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 — 6 8 6 4 ( 2 0 1 4 ) 0 4 — 0 0 0 6 — 0 3 在腐蚀环境下， 硫酸盐腐蚀、 干湿循环、 氯离子锈 蚀钢筋是引起混凝土耐久性不足的主要原因⋯。国 内外学者广泛 的研究了小尺寸的砂浆试件和混凝 土 试件的耐久性试验， 选用的腐蚀溶液大多是单一氯盐 或硫酸盐溶液， 对氯盐和硫酸盐混合溶液研究还不 多。金祖权 描述了混凝 土试件在的硫酸盐和氯盐 复合溶液环境下混凝土试件的氯离子扩散规律和结 构损伤过程 ， 同时也研究了弯曲荷载 一腐蚀溶液作用 下混凝土试件的氯离子扩散规律和结构损伤过程。 余红发 研究了六种典型混凝土试件在高浓度盐湖 卤水环境下 ， 进行冻融、 干湿单一情况和加载耦合条 件下 了混凝 土试 件的应力腐蚀 和氯 离子扩散 规律 ， 并 建立的相应的模型。张云清 探讨了混凝土试件在 硫酸盐和氯盐环境下， 进行快速冻融、 自然冻融和长 期浸泡， 混凝土构件的表面剥落和应力腐蚀的规律。 张立明 摸索了混凝土构件在室内浸泡、 浸烘循环和 盐湖暴露环境下 的三种混凝土的氯离子扩散能力。 而实际工程采用的 多是 钢混环境下 ， 深入 讨论 强度 等 级和试验环境对混凝土构件的强度损伤规律的影响， 并建立了室内试验环境与现场暴露环境的换算系数， 可用室内数据预测试题工程强度损伤规律 ， 为混凝土 耐久性设计提供计算方法和试验和数据支撑。 1 实验 1 ． 1 原材料 湖北黄石水泥厂生产的华新牌 P ．I 5 2 ． 5硅酸盐 水泥， 镇江谏壁电厂华源 I 级粉煤灰。江苏江南粉磨 公司生产的$ 9 5级磨细矿渣， 比表面积4 6 1 m 2 ／ k g 。胶 凝材料化学成分见表 1 。兰州 产河砂 ， Ⅱ区级 配 ， 中砂 细度模数为2 ． 5 。甘肃省临洮河 口产石灰岩碎石， 5～ 2 0 m m连续级配， 最大粒径 2 0 ra m。饮用水 ， 江苏省苏 博特 P C A~ ( I ) 聚羧酸类高性 能减水剂 ， 减水 率达 2 O ％ 以 匕。 表 1 胶凝材料的化学成分 1 ． 2 配合 比 试件尺寸 5 0 0 ra m X 1 0 0 m m X 7 5 ra m棱柱体。矿物 掺合料分别为： 硅灰掺 1 0 ％， 粉煤灰掺量 3 0 ％， 矿粉掺 量 5 0 ％ 。水灰 比为 0 ． 5 3 、 0 ． 3 5和 0 ． 2 3 。其配 比及 2 8 d 抗压强度见表 2 。 表2 混凝土配合比及抗压强度 [ 基金项目] 浙江行n然科学聚金项H( 1 ．Y 1 2 E 0 8 0 0 3 ) ； 浙江省利技汁划项( 2 0 1 3 C 3 1 0 1 1 ) ； 住房和城乡建设部科技项 L i ( 2 0 1 2 一K 2一 李 长成等 ： 浸泡 与暴露} 昆 凝土损伤规律 的关 系 7 青海盐湖运回卤水 ， 到中科院青海盐湖研究所进 行等离子光谱测定化学成分件见表 3 。 表 3 青海察尔汗盐湖卤水化学成分 总含量 化学成分 ／ m g 1 g ／ l ’ N a K M g C a C l ’ s o i — H C O f c o l 一 3 2 l 6 8 3 6 0 5 9 7 7 ． 8 3 5 1 3 0 4 2 4 1 2 o 4 2 0 9 2 2 2 9 0 1 2 7 ． 4 1 7 1 ． 6 1 ． 3 试验方 法 相对动弹模量用北京康科瑞公司生产的 N M一 4 B 非金属超声波检测仪测定如图2所示。混凝土的相对 动弹模量可用下式计算 ： E 访 式中， E 为相对动弹模量； 和 分别为混凝土 实验前的初始动弹模量和超声波波速； E 和 分别为 混凝土在 f 时刻的动弹模量和超声波波速。参照国标 G B ／ T S 0 0 8 2— 2 0 0 9 ( 普通混凝土长期性能和耐久性能 试验方法标准》 当E ， 降低到 6 0 ％ ； 质量损失率达到 5 ％以上可认为混凝土已经发生应力破坏 ， 详细测定 方法参考文献[ 6 ] 。 棱柱体试件为 5 0 0 ra m1 0 0 ra m 7 5 m m， 混凝土构 件标准养护 2 8 d 。测定好初始超声波值后 ， 依次放置 在长期浸泡环境和现场暴露环境下。分别在 9 0 d 、 1 8 0 d 、 2 7 0 d 、 3 3 0 d 、 3 6 0 d 4 8 0 d 、 5 4 0 d测定各棱柱体的相 对动弹模量及质量损失。 2试验结果 2 ． 1 混 凝 土强度 等 级对 混凝 土构 件 的损 伤规 律 的 影响 各混凝土构件在两种试验环境下， 其相对动弹模 量 E 变化规律如图 1 所示， 不同混凝土构件在相同的 试验环境下， 其相对动弹模量 E ： 变化规律是一致的。 可划分为两个阶段： ( 1 ) 相对 动弹模 量强 化 阶段 ： 没 有反应 的水 泥 继续水化， 混凝土构件孔隙、 缺陷处生成腐蚀产生，密 实了混凝土结构。随着混凝土强度的增大， 混凝土构 件 E ： 增加速率明显降低， 其达到最大值的时间明显缩 短。在长期浸泡环境下， C 3 0在 3 9 0 d达到最大值， 增 加了2 3 ． 5 ％， C 5 0和 C 8 0经过 5 4 0 d的腐蚀 ， 还没达 到最大值， 其中 C 5 0在 5 4 0 d的 是 C 8 0的 1 ． 0 2倍； 在现场暴露环境下， 各构件的相对动弹模量还没有达 到最大值， 经过 5 4 0 d的腐蚀 ， C 3 0和 C 8 0的 分别为 C 8 0 E ： 的 1 ． 0 4倍和 1 ． 0 2 倍。 ( 2 ) 相对动弹模量下降阶段 ： 混凝土水化减缓， 腐蚀产物填满孑 L 隙后 ， 产生裂纹导致混凝土孔壁破 坏， 裂纹引发、 扩展， 并最终导致混凝 土构件破坏 ， 例 如在长期浸泡环境下 ， C 3 0在 5 4 0 d相对 动弹模量 E ： 下降到 1 1 5 ． 5 ％， 为最大值的0 ． 9 4倍。 堡 2 0 卤 1 1 0 l 0 0 0 2 0 0 4 O O 6 00 腐蚀时， d ( 且 ) 长期浸泡环境 0 2 0 0 4 0 0 6 0 O 腐蚀时， d ( b现场暴露环境 图l 不 同试验环境下各混凝土构件的E ： 变化 2 ． 2 试验 环境 对混凝土构件的损伤规 律影响 蔷 妻 蔷 i妻 0 2 0 o 4 0 0 6 o o 腐蚀时， d ( a ) C 3 0 图 2 0 2 O 0 4 0 0 6 O O 腐蚀时， d ( b ) C 5 0 C 3 0 、C 5 0 和C 8 0 在不同试验环境下E 变化规律 0 2 0 0 4 00 6 0 O 腐蚀时， d ( c 】 C 8 0 不同试验环境下， C 3 0 、 C 5 0和 C 8 0构件相对动弹 模量 E ： 变化规律如图2所示： 在相对动弹模量强化阶 啪 鍪 低温建筑技术 2 0 1 4年笫 4 期( 总第 1 9 0 期) 段 ： 相同腐蚀时间下 ， 长期浸泡的相对动弹模量大于 现场暴露的相对动弹模量。 3 室内加速试验与现场暴露试验的相关系数 3 ． 1 混凝土构件相对动弹模量演化方程 根据混凝土构件在不同试验环境下相对动弹模 量的变化规律， 利用数据分析软件， 建立了混凝土构 件相对动弹模量 E ： 变化方程如下式( 1 ) ： E ：=A l t +A o t +1 0 0 ( 2 ) 式中， A 。 表示混凝土构件的初始 损伤速度 ； A ， 表示混凝土构件的初始 的损伤加速度。 表4为混凝 土构件在腐蚀环境下的 变化方程的系数。 表4 混凝土构件盐湖腐蚀环境中损伤演化方程系数 以表4的数据依据 ， 利用电子表格进行回归分析， 回归系数在0 ． 9 0以上 ， 建立损伤速度 和损伤加速度 A 。 见表 5 。 与混凝土强度等级的关系式： A 。：0 ( 3 ) A l=口 l e ( 4 ) 式中： A 。 表示混凝土构件的初始 损伤速度 ； A 。 表示混凝土构件的初始 的损伤加速度 是混凝土 的抗压强度 ， MP a 。 表5 不同试验环境下损伤参数的试验常数 3 ． 2 室 内加速与现场暴露试验的相关性研究 以现场暴露环境为标准环境， 损伤加速度 A ， 损 伤速度 ， 在长期浸泡环境下混凝土构件的损伤加速 度和速度为A ： 和A 。 令砖 和磷 分别为 其它环境与标 准环境的损伤加速度和速度的换算系数， 则混凝土强 度与 和 的表达式见式( 4 ) 和( 5 ) 。 = 鲁： ： a ．ie 叫 ： 。 ，ie ( 5 ) ^ A T ^． 一⋯ 0 ^ ， ’“ L ) ： 等 ： ： 。 ⋯V,IC ( 6 ) ^ ” ⋯ ““ 【 o 式中： n ： ．， 和畋， 和n ： ． 和b v ． 是 损伤加速度和损伤 速度的换算常数， 如表6所示。 表6 换算常数n ^ l 1F和 和o ； ． 。 和6 ． 。 的值 将式( 4 )和式( 5 ) 代入( 2 ) ， 可建立混凝土抗压强 度、 腐蚀时间、 浸泡环境下损伤速度和损伤加速度A ： 和 与现场暴露的的强度损伤的方程式( 6 ) 。 E ：：3 ． 3 6 4 e o 5 A ： t +4 ． 2 1 8 e ~ 。 A f +1 0 0 ( 7 ) 3 结语 通过对各混凝土构件在长期暴露和现场暴露试 验 的损伤规律进行研究 ， 文 中得 到以下 结论 ： ( 1 ) 不同混凝土构和试验环境下， 其相对动弹 模量 变化规律是一致的。 可划分为两个阶段： ① 相 对动弹模量强化阶段； ② 相对动弹模量下降阶段。 长 期浸泡试验的强度损伤速度现场暴露环境。 随着混凝 土强度增大， 混凝土 强化时间越短。 ( 2 ) A 。 表示混凝土构件的初始 损伤速度； A ， 表示混凝土构件的初始 的损伤加速度 ， 混凝土强度 等级与损伤加速度A 。 呈正指数 函数关系， 混凝土强度 等级与损伤加速度A ． 呈负指数函数关系。 ( 3 ) 以长期浸泡为标准环境 ， 分别了建立现场 暴露环境与标准环境损伤加速度和损伤速度的换算 系数 和 的表达式， 混凝土强度等级与损伤加速 度的换算系数 和损伤速度的换算系数 呈指数函 数关系， 可通过换算系数和浸泡试验数据预测实体工 程的相对动弹模量。 参考文献 [ 1 ] 金祖权， 孙伟 ， 张云升．混凝土在硫酸盐、 氯盐溶液中的损伤 过程 [ J 】 ． 硅酸盐学报 ， 2 0 0 6 ， 3 4 ( 5 )： 6 3 0 — 6 3 5 ． [ 2 ] 余红发， 孙伟， 屈武， 等 ． 盐湖地区的环境条件与混凝士和钢 筋混凝土结构的耐久性[ J ] ． 工业建筑， 2 0 0 3 ， 3 3 ( 3 ) ： l 一4 ． [ 3 ] 张云清， 余红发， 孙伟， 张建业 ． M g s o 腐蚀环境作用下混凝 土的抗冻性[ J ] ． 建筑材料学报。 2 0 1 1 ， (5 ) ： 6 9 8 —7 0 2 ． [ 4 ] 张立明， 余红发。 何忠茂 ．盐湖地区混凝土的氯离子扩散性 [ J ] ． 中南大学学报 (自然科学 版 ) ， 2 0 1 I ， 4 2 ( 6 ) ：1 7 5 2 ， 一 l 7 5 5 [ 收稿 日期】 2 0 t 3一l 2—1 9 [ 作者简介】 李 长成 ( 1 9 7 3一) ， 男 ， 吉林辉南人 ， 副教授 ， 硕 士 研究方 向： 桥梁结构及耐久性