弯曲荷载-盐湖现场或盐湖卤水-浸烘混凝土构件损伤规律.pdf

2 0 1 3 年 第 1 2期 (总 第 2 9 0 期 ) Nu mbe r 1 2 i n 2O 1 3( To t a l No2 9 0) 混 凝 土 Co nc r e t e 理论研究 THE ORETI CAL R ES EARCH 弯 曲荷载一 盐湖现场或盐湖 卤水一 浸烘混凝土 构件损伤规律 沈艳忱 ，梅 宇靖 ( 南京水利科学研究院，江苏 南京 2 1 0 0 2 9 ) 摘要 ： 研究了 C 3 0 、 C 5 0 和 C 8 0 S F 1 0构件在盐湖卤水一 浸烘循环 、 现场暴露环境 ， 无荷载和 4 0 弯 曲荷载条件下 ， 相对动弹模 量变化规律 ， 及其微观结构演变过程 。 结果表明： 混凝土构件在腐蚀环境下 ， 其损伤过程包括上升阶段和下降阶段。 与现场暴露环 境相比， 盐湖卤水一 浸烘循环加速了混凝土构件的应力腐蚀 ； 混凝土构件在现场暴露环境下的损伤过程极其缓慢 。 施加 4 0 弯曲 荷载混凝土构件相对动弹性模量急剧下降， 趋势显著。 混凝土的强度等级越高混凝土构件损伤过程越长， 利用电镜分析其腐蚀产 物为钙矾石和石膏， 会导致混凝土构件开裂。 盐湖卤水一 浸烘循环一 4 0 弯曲荷载是加速混凝土构件损伤的有效方法。 关键词 ： 弯曲荷载；浸烘循环；盐湖卤水；相对动弹模量 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 3 ) 1 2 0 0 5 4 0 3 n f l uenc e o f c onc r e t e s t r uc t ur e da m age e xpos ed t o dr y-i m m e r si on， s al t l ak e expos ur e and f l exur al l oa di ng S H E NY a n c h e n ， ME I Y u j i n g ( Na n j i n g Hy d r a u l i c R e s e a r c h I n s t i t u t e ， Na n j i n g 2 1 0 0 2 9 ， Ch i n a ) Abs t r ac t ： Th e d a ma g e pr o c e s s o f C3 0， C5 0 a n d C8 0S F 1 0 s t r u c tur e e x p os e d t o s a l t l a ke b r i n e a t t a c k， s a l t l a k e e x p os u r e u n d e r 0， 4 0 fl e x u r a l l o a d i n g a n d wa s s y s t e ma t i c a l l y i n v e s t i g a t e d E n v i r o n me n t a l s c a n n i n g e l e c t r o n mi c r o s c o p y( E S E M ) wa s u s e d t o i n v e s t i g a t e t h e mi c r o s t r uc t u r e o f i n t e r i o r c o n c r e t e The t e s t r e s ul t s s h o we d t h a t ， c o n c r e t e s t r u c tur e s t r e n g t h g r a de wa s l e s s p r o c e s s i n c l u de d t h e i nc r e a s i n g a n d d e c r e a s i n g r e g i o n s Co mpa r e d wi th s a l t l a k e e x p o s u r e， t h e p r o c e s s o f c o nc r e t e s t ruc t ur e wa s a c c e l e r a t e d b y s a l t l a k e b r i ne d r y i mme r s i o n Th e p r o c e s s o f c o nc r e t e s t r u c t u r e d a ma g e wa s v e r y s l o wl y un d e r s a l t l a ke e x po s u r e 40 fle x u r a l l o a d i ng， t h e n wa s o bv i o u s d e c r e a s e d c o n c r e t e s t ruc t ur e s t r e n g t h gra d e Th e d a ma g e p r o c e s s o f c o nc r e t e s t ruc tur e d e c r e a s e d wi th c o n c r e t e s t r e n g t h， c o r r o s i o n p r o d u c t b y e n v i r o n me n t a l s c a nn i ng e l e c t r o n mi c r o s c o p y wa s e t t r i n gi t e a n d g y ps u m ， c a u s e d t h e e x p a n s i o n of c o nc r e t e s t ruc t ur eSa l t l a k e d r y i mme r s i o n一 4 0 fle x u r a l l o a d i ng wa s a n e f f e c t i ve me t h o d t o d a ma g e p r o c e s s o f c o n c r e t e s t r u c t u r e Ke y w or ds： fle x u r a l l o a d i ng； d r yi n g i mme r s i n g c y c l e s ； s a l t l a k e b r i ne ； r e l a t i v e d y n a mi c e l a s t i c mo d ul u s 0 引 言 盐湖地区混凝 土结构要 承受氯离子 、 硫酸根离子 、 荷 载等的多种 因素影 响。 因此盐湖地区混凝土结构耐久性是 个多【大 l 素相互耦合 的作用结果 。 国内外对混凝土耐久性 研究【 s I ， 大多关注了小尺寸的混凝土试件 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。 金祖权等 研究 _ r 氯盐 和硫酸盐混合溶液 ， 荷载一 氯盐或硫酸盐 ， 荷 载一 氯盐和硫酸盐腐蚀溶液和浸烘循环一 荷载一 硫酸盐 6 -9 混 凝 土试验的应力惰蚀规律 和寿命预测模 型。 余 红发等 10 - 1 3 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 、 干湿单一情况混凝土试件的应力腐蚀和氯离子扩 散规律 ， 并建立 了相应的模 型 ， 而实际工程采用 的多是钢 筋混凝土结构 ， 这与实际T程还有一定差距。 对混凝土构件 现场暴露环境下 + 4 0 弯曲荷载条件下的应力腐蚀研究还 未见报道。 本研究选取青海盐湖卤水为腐蚀溶液 ， 在现场暴 露试验 、 盐湖 卤水一 浸烘循环境下 ， 施加 4 0 的弯 曲荷载 ， 深入讨论混凝 土构件 的不同试验环境下 、 4 0 弯曲荷载单 一 及其耦合作用下 ， 混凝土构件腐蚀应力腐蚀规律 ， 并采 用 E S E M 分析了其微结构演变过程。 1试 验 1 1 原材料 湖北黄石水泥 厂生产的华新牌 P I 5 2 5 级水泥 ， 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 e k g 。 胶凝材料化学成分见表 1 。 兰州产河砂 ， I I 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 mm连续级配 ， 最大粒径 2 0 m m。 水 收稿 日期 ：2 0 1 3 一】 6 1 7 基金项目：罔家重点基础研究发展计划 ( “ 9 7 3 ” 计划 ) 项 目( 2 0 0 9 C B 6 2 3 2 0 3 ) ； 国家 自然科学基金项 目( 2 1 2 7 6 2 6 4 ) ； 闰家自然科学基金项 目 ( 5I 1 7 8 2 21) 5 4 星 1 l 0 鞋9 O 幅 蔷 7O 5O 0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 腐 蚀龄期 ， d ( a ) C3 0 芝 向 艇 需 靛 0 1 0 O 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 腐蚀龄期， d ( b ) CS 0 萎 融 需 ： f X l O 90 7 O 5O 0 100 200 300 400 500 600 700 腐蚀 龄期 ， d ( o ) C8 0 S F1 0 图 4 各因素作用下 C 3 0 、 C 5 0和 C 8 0 S F 1 0耐腐蚀能力的影响 与腐蚀龄期成正比。 而盐湖现场环境下， 由于盐湖水不结冰 ， 硫酸盐是通过干湿循环进入混凝土 内部 ， 由于盐湖地 区气 候干燥 ， 引起了混凝土构件表面开裂 ， 内部形成连同孔隙 ， 为盐湖卤水提供 了进入混凝土内部 的通道 ；盐分积累越 多 ， 反应生成钙矾石和石膏和结 晶越多， 结晶应力 、 体积膨 胀越大 ， 混凝土构件损伤越快。 但只有在降雨和融雪的时候 才能产生干湿腐蚀 ， 而盐湖地区降水稀 少 ， 因此在盐湖现 场暴露环境下混凝土构件损伤过程极其缓慢。 2 2 施加 4 ( 何4 4 - 载对混凝土构件损伤劣化过程的影响 图 4 表述了施加 4 0 荷载后 ， 盐湖卤水一 浸烘和盐湖现 场暴露试验环境下 C 3 0 、 C 5 0 和 C 8 0 S F 1 0 混凝土构件相对 动弹性模量随侵蚀龄期的变化规律 。 由图 4 可知 ， 施 H 4 o 的弯曲荷载后 ， C 3 0 、 C 5 0和 C 8 0 S F 1 0 混凝土构件相对动弹 性模量的变化规律没有变化 ， 各混凝土构件的相对动弹性 模量表现出先上升 ， 后缓慢下降的变化规律 。 4 0 弯曲荷载 加速了各混凝土构件的损伤过程 。 如 C 5 0 构件 ， 经过 6 6 0 d 的腐蚀后 ， 盐湖 卤水一 浸烘循环 、 盐湖 卤水一 浸烘循环一 4 0 弯曲荷载 、 盐湖现场暴露 和盐湖现 场暴露 一 4 0 弯 曲荷载 的相对动弹模量分别为 9 9 2 、 8 6 2 、 1 l 1 6和 1 1 3 2 。 其原因 是施加 4 0 弯f H 1 荷载后 ， 在混凝土构件表面和内部产生微 裂缝 ， 增加 了连通孔 隙和裂缝的深度 ， 从 而扩大盐湖 卤水 向混凝土内部扩散的传输通道 ， 加速 了硫酸根离子扩散速 度和毛细管吸附作用和盐结晶应力 。 2 3 混凝土强度等级对混凝土构件损伤劣化过程 的影 响 图 5 为 C 3 0 、 C 5 0和 C 8 0 S F 1 0 混凝 土构件在盐湖卤水 一 浸烘循环 、 盐湖 卤水一 浸烘循环一 4 0 弯 曲荷载 、 盐湖现场 暴露和盐湖现场暴露一 4 0 弯 曲荷载作用下的相对动弹性 模量随侵蚀龄期变化规律。 由图 5 可知， 3 种混凝土构件存 不同试验条件下其相对弹性模量变化趋势一致 ， 先上升， 后 缓慢下降。 如在盐湖卤水一 4 0 弯曲荷载作用下 ， 经过 6 6 0 d 的腐蚀 ， C 3 0混凝土构件相对动弹模量为 1 0 4 4 ， C 5 0 混 凝土构件的为 1 1 0 2 和 C 8 0 S F 1 0 混凝土构件为 1 1 9 2 。 可见在二 三 因素作用下 C 8 0 S F 1 0 损伤程度最小 ， 其次是C 5 0 ， 最后是 C 3 0 。 原因是 C 3 0 混凝土具有较高的水灰 比， 高水灰 比的混凝 土的内部结构不密实及较高的孔隙率 为有害离 子 向混凝土 内部扩散提供了通道 ， 同时混凝土强度低 ， 抵抗 盐结品应力差 ， 一定程度上加速 了混凝土在盐湖 卤水侵蚀 作用下的损伤劣化速率和程度。 6 誊 1 1 o 90 需 7 0 _ c3o I C5O C8o sF1 0 - * _C3 0 + 4 0 荷 载 +C 5 0 + 4 0 荷 载 +C 8 0 S F 1 0 + 4 0 荷 载 0 l O0 2 00 30 0 40 0 50 0 60 0 700 腐蚀 龄期 d ( a ) 盐 湖卤水一 浸烘 循环 +C 3 0 +C 3 0 + 4 0 荷载 +C5 0 +C5 0 + 4 0 荷载 +C8 0 S F1 0+C8 0 S F1 0 + 4 0 荷载 0 l O0 2 O0 3 00 40 0 5 O0 6 00 70 0 腐蚀龄期 d f b 1 盐湖 现场暴露 环境 图 5 混凝土强度等级对混凝土构件相对动弹模量 2 4 4 0 弯曲荷载一 盐湖卤水侵蚀作用下混凝土构 件 的微 结 构 演 变 在盐湖卤水一 浸烘循环I 4 0 弯曲荷载作用 ， 对侵蚀前及 侵蚀 3 3 0 、 6 6 0 d的 C 3 0构件进行 S E M 分析混凝土孑 L 洞 中 微观结构 的变化 ， 如 图 6所示 。 侵 蚀前混凝 土内部孔 隙中 有少量的片状物质和针状晶体 ， 经过 3 3 0 d 侵蚀 ， 混凝土构 件内部孔洞 中存在大量 的针棒状腐蚀产物 ， 它们从孔洞壁 向孔 的中心生长 ； 经过 6 6 0 d的侵蚀 ， 混凝土孔洞 几乎完全 被针状产物充填 ， 并形成裂纹混凝土。 裂缝并在进一步发展 ， 通过对腐蚀产物进行确定 为钙矾石 、 石膏和硫酸盐晶体 这是因为 S O 扩散到混凝土近表面区 ， 在孑 L 隙和界面区生 成钙矾石和石膏 ， 当钙矾石 和石膏结 晶长大 ， 一 邑其膨胀 力超过混凝土 的抗拉强度 ， 就会产生大量裂缝 ， 相对动弹 模量开始劣化 ， 随着试验的继续 ， 裂缝进一步扩展 ， 促进钙 矾石和石膏的生成 ， 相对动弹模量迅速 F降。 3结 论 混凝土构件在不 同试验环境和 4 0 荷载作用下其相 对动弹性模量损伤规律如下 ： 下转第 6 2页 2 2 l 1 O O 薯= 枯幅靛