海洋环境下高性能混凝土耐久性试验研究.pdf

2 0 1 1年 第 3 期 (总 第2 5 7 期) Nu mb e r 3 i n 2 0 l 1 ( To t a 1 No 25 7) 混 凝 土 Co nc r e t e 理论研究 THE ORETI CAL RESE ARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 1 0 3 0 1 4 海洋环境下高性能混凝土耐久性试验研究 赵畅。王清湘 ( 大连理工大学 海岸和近海工程国家重点实验室 ，辽宁 大连 l 1 6 0 2 4 ) 摘要 ： 研 究了 C 3 0和 C 6 0级不同掺合料 的高性能混凝土在海洋环境下的耐久性 ， 研究成果可供跨海大桥浪溅 区及潮汐 区混凝土配合 比设计参考。 试验结果表明： 掺入硅灰 ， 可以改善高性能混凝土抗冻融 、 抗毛细吸水 和抗氯离子渗透的性能 ； 掺人 聚丙烯纤维可以改善抗冻 融性能 ， 但对高性能混凝土的抗毛细吸水和抗氯离子渗透性能没有明显 改善。 关键词 ： 海洋环境 ；高性能混凝 土；冻融循环 ；毛细吸水 ；氯离子渗透 中图分类号： T U5 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 1 ) 0 3 0 0 4 6 -02 E xp er i m en t al s t ud y on t he dur a bi l it y of hi gh p er f or m an ce c onc r e t e i n m a r i ne en v i r on m e n t Z HAOC h a n g， WA NGQ i n g - x i a n g ( S t a t e Ke yL a b o mt o r y o f C o a s t a l a n dO ff s h o r eE n g in e e r i n g ， Da l i a nU n i v e r s i ty o f T e c h n o l o g y ， Da l i a n 1 1 6 0 2 4 ， C h i n a ) Ab s t r ac t ： T he d u r a b i l i t y of C3 0 a n d C6 0 h i g h pe r f o r ma n c e c o n c r e t e ( HPC)wi t h d i ffe r e n t a d mi x t u r e s i n ma rin e e n v i r o n me n t wa s r e s e a r c h e d， a n d t h e r e s e a r c h fi n d i n g s a r e r c f e r e n c e s f o r c o n c r e t e mi x d e s i g n o fHa r b o r Br i d g e i n s p l a s h z o ne a n d t i d a l z o ne Th e t e s t r e s u l t s s h o w t h a t the i n c o r p o r a t i o n o f s i l i c a f ume c a n i mp r o v e t h e p e r f o r ma n c e o f f r e e z i ng - t h a wi n g d u r a b i l i ty a n t i c a p i l l a r y wa t e r a b s o r pt i o n a nd 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 HP CTh e i n c o rp o r a t i o n o f p o t y p r o p y l e n e fib e r s c a n i mp r o v e t h e fro s t r e s i s t a n c e o f HP C ， b u t h a d n o o b v i o u s i mp r o v e me n t o n a n t i c a p i l l a ry wa t e r a b s o rpt i o n a n d c h l o r i d e pe rm e a bi l i t y r e s i s t a n c e K e y wo r d s ： ma r i n e e n v i r o n me n t ； h i g h p e r f o r ma n c e c o n c r e t e ； fr e e z e t h a w c y c l e s ； c a p i l l a ry w a t e r a b s o rpt i o n ； c h l o ri d e i o n p e n e t r a t i o n 0 引言 桥梁结构在海洋环境条件下， 易产生腐蚀现象。 海洋环境通 常可按其对结构的作用区域不同划分为大气区、 浪溅区、 潮汐区和 水下区1 ， 这些区域的腐蚀条件、 腐蚀特征和腐蚀速率各不相同。 其 中， 浪溅区和潮汐区构筑物腐蚀最为严重， 是控制跨海大桥服役寿 命的关键区域。 本研究通过海洋环境下浪溅区和潮汐区桥梁混凝 土的耐久性研究， 对不同配合比高性能混凝土进行冻融循环 、 毛细 吸水和氯离子渗透的试验 ， 分析水胶比、 硅灰和纤维对混凝土耐久 性的影响， 为改善桥梁混凝土的耐久性能提供参考依据。 1 试验材料及配合 比设 计 1 1 试验原 材料 水泥 ： P O 4 2 5 R级水泥和 P I I 5 2 5 R级水泥 。 粗集料 ： 最大粒径 为 2 5 mi l l 的连续级配碎石 。 细集料 ： 优质河砂 ， 中砂。 粉煤灰 ： 大连热电厂产 I I 级粉煤灰。 硅灰 ： 大连千年矿业公 司生产 ， 平均粒径 O 1 o _ 3 tx m， 比表 面积 2 6 5 0 0 m k g 。 纤维 ： 聚丙烯纤维 ， 密度 0 9 1 g c m , 直径 0 8 ml n ， 长度 4 5 mm。 外加剂 ： 大连 S i k a公司生产 的 Vi s c o C r e t e 3 3 0 1 E聚羧酸类 高效减水剂， 格雷斯中国( 上海 ) 有限公司生产的 A E A引气剂。 1 2 高性 能混凝 土配合 比 本试验设计了 C 3 0和 C 6 0两种强度的基准引气粉煤灰混 凝土 ， 以及分 别掺人硅灰 、 聚丙烯纤 维及两者双掺 的各组 混凝 土 。 其 中 C 3 0强度等级混凝土水泥为 P O 4 2 5 R级水泥 ， C 6 0强 度等级水泥为 P I I 5 2 5 R级水泥。 具体配合比见表 l 。 1 3 试 件成 型与 制备 试件采用 1 0 0 mmx l O 0 minx 0 0 mm 和 1 0 0 mmx 1 O 0 ml n x 4 0 0 mm两种尺寸。将纤维、 砂、 石子和胶凝材料先干拌均匀， 再 表 1 高性能混凝土配合比 收稿 E t 期 ：2 0 1 0 1 0 - 0 2 4 6 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 加水湿拌， 掺纤维的混凝土搅拌时间比未掺纤维可延长 5 0 6 0 S 。 养护至2 8 d 龄期后进行相应的性能试验。 混凝土基本物理力学 特性见表 2 。 表 2 混凝土基本物理 力学特性 2 试验 内容及 方法 2 1 抗 冻性 。 在 高纬度海域 ， 冬季气温常低于 0。 由于潮汐作用 ， 使得 浪溅区与潮汐区的跨海大桥混凝土易发生冻融循环破坏。 混凝土的冻害， 是由于混凝土细孑 L 中的水分冻结 ， 伴随着 这种相变， 产生膨胀压力； 剩余的水分流到附近的孑 L 隙和毛细 管中， 在水运动的过程中， 产生液体压力； 膨胀压力和液体压力 使混凝土破坏口 。 混凝土冻融循环产生 的破坏作用主要有表面剥 蚀 和冻胀开裂两个方 面。 盐冻破坏是混凝土冻融破坏 的一种特 殊形式 ， N a C 1 溶 液对 混凝 土抗 冻有正 、 负两种效 应 ： Na C I 溶液 冰点的降低有利于混凝土抗冻能力， 但结冰后体积膨胀率和渗 透性增大 ， 则不利于混凝土的抗冻性能。 模拟海水混凝土冻融 ， 试件尺寸为 1 0 0 m mx l 0 0 mmx 4 0 0 mm， 冻融介质为 3 5 Na C I 溶液， 与海水中可溶盐的浓度一致。 试件 养护至 2 4 d浸泡在 1 5 2 0的 Na C 1 溶液 中， 直至 2 8 d龄期开 始冻融。 冻融时中心温度控制在( 一 1 7 + 2 ) 和( 8 2 ) ， 每次冻 融循环在2 4 h内完成。 以质量损失率和相对动弹性模量下降率 来评价抗冻耐久性 。 2 2毛 细吸水试验 海洋环境中混凝土的破坏常常是由化学侵蚀、 电化学腐蚀 或化学、 物理和机械荷载的共同作用引起， 其中氯离子引起的 钢筋锈蚀导致混凝土结构破坏最为常见。 氯离子的侵入机理主要有扩散、 毛细吸收和渗透。 在浪溅区 和潮汐区干湿循环的条件下， 氯离子侵入主要依靠混凝土的毛 细管吸收作用， 因此混凝土的毛细吸水能力被视为评价钢筋混 凝土结构耐久性的重要参数之一。 成型试件为 1 0 0 mm x l 0 0 mm x l 0 0 m m 的立方体， 养护 2 8 d 后 ， 沿试件成型时上表面中线切成等两半( 1 0 0 mm 1 0 0 mmx 5 0 1T II I ) ， 将其放人电热鼓风干燥箱， 在( 5 0 + 1 ) 的温度下烘干 2 4 h并 将试块放置冷却后， 用环氧树脂将试块的4个侧面密封， 仅留 下两个 相对 面( 1 0 0 mmx 1 O 0 mm) 以确保混凝土 的毛 细吸收过 程为一维吸收 。 将试件放人平底容器中， 在容器底部放置 1 0 mn l 钢筋， 并慢 慢向容器中注入 自来水 ， 直到液面高出混凝土底面( 5 + 1 ) r l l l T l 。 分别在 0 、 0 5 、 1 、 2 、 4 、 8 、 2 4 h时取出试件， 用湿抹布擦干其表面， 称量后立即放回原处 ， 直到完成所有测试。 2 3自然浸 泡试验 通过自然浸泡试验来研究桥梁混凝土中氯离子的扩散情况。 为了缩短试验周期， 仅采用水胶比为 0 4 2的 A1 、 A 2 、 A3配合 比试件， 尺寸为 1 0 0 ram 1 0 0mmx 4 0 0 i n l l 3 。 试件养护 2 8 d后， 先 将每个试件的 2 个正方形截面和 3个长方形截面的表面浮浆 磨去， 然后用酒精清洗 ， 最后用环氧树脂涂刷 ， 只留出其中一 个 长方形截面作为渗透面 。 将试件放入 3 5 Na C l 溶液 中浸泡 1 2 0 d ， 然后从暴露面中间 1 0 0 m m 区段位置分层钻取粉末试样 ， 研磨面与暴露面平行， 分层深度为： 0 3 mm、 3 6 mm、 6 9 m m、 9 1 2 l y l m、 1 2 1 5 mm、 1 5 2 0mm。 之后用化学方法测定混凝土粉 末试样中的自由氯离子含量 3 。 3 试验结果与分析 3 1 抗 盐冻性 能 试件进行 3 0 0次冻融循环试验， 检测混凝土质量和相对动 弹性模量变化。 试验结果 见图 1 。 薹 蚓 器 需 离 0 1 O2 1 00 98 88 86 冻融 循环次 数 ( a ) 质 量变化 下转第 6 6页 47 3 2 2 l I O 静 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 量为3 0 k g m3 时强度提高比例出现不同程度的降低 ， 但这种影 响是有限的。 从总体上说 ， 剑麻纤维阻止裂缝发展 的功能是明显 的， 可以有效提高混凝土的强度。 ( 4 ) 剑麻纤维是一种价格低廉、 有效的混凝土添加剂， 不仅 可以再生， 而且对环境没有污染， 从试验可以看出， 剑麻纤维总 体上对混凝土强度的提高是明显的， 因此， 可以作为一种新型 的混凝土添加剂来使用 。 参考文献： I 杨淑蕙植物纤维化学 M E 京： 中国轻工业出版， 2 0 0 1 ： 1 6 3 - 2 1 4 2 】 徐欣， 程光旭， 刘飞清 剑麻纤维的改性及其在摩擦材料中的应用【 J 上接第 4 7页 用， 可以细化孔缝， 强化界面， 提高混凝土的密实度与抗渗性 ， 从而有助 于改善混凝土 的抗盐冻性能 。 3 2 毛 细吸水试验 混凝土吸水量的变化如图2所示。 用式( 1 ) 对曲线进行拟合 可得混凝土的毛细吸收系数 ， 见表 3 。 A W- A、 ( 1 ) 式中： 吸水量 ； A混凝土毛细吸收系数； 吸水时问。 吕 血l * 吸水时 间 ， h ” 图 2 混凝土吸水量的变化 表 3 混凝土的毛细 吸收 系数 g ( m h ) 由表 3可知 ， 水胶比低 的 B系列混凝土毛细吸收系数低 于 水胶比高的 A系列混凝土， 硅灰可以大幅度降低混凝土的毛细 吸收性能， 而聚丙烯纤维的掺入并没有改善混凝土抗毛细吸水 的能力 ， 这可能是 由于纤维的加入增加了混凝土中的界面 ， 从而 导致混凝土孔隙率提高的缘故。 3 3 氯 离子 浓度 在 3 5 的 N a C 1 溶液 中浸泡 1 2 0 d 后 ， 测定 A系列混凝土试 件氯离子含量的分布 ， 如图 3 。 从图 3 可以看出， 随深度的增加， 氯离子浓度降低。水胶比 不变时， 掺入硅灰能提高混凝土密实度， 有效降低相同渗透深 度的氯离子含量。 聚丙烯纤维的掺入对氯离子渗透并无明显影 响， 这是聚丙烯纤维阻裂作用和孔隙率提高共同作用的结果。 4结 论 ( 1 ) 水胶 比是影响 高性 能混凝土耐久性 的一个重 要因素 ， 在浪溅区和潮汐区高性能混凝土配合比设计中必须严格控制 6 6 复合材料学报 ， 2 0 0 6 ( 2 ) ： 1 2 9 1 3 4 【 3 J 吴芳 ， 等， 新编土木工程材料教程 M 】 北京： 中国建材工业出版社， 2 0 0 7： 9 0 1 0 4 【 4 】 郭成举混凝土的物理和化学 M 北京： 中国铁道出版社， 2 0 04： 2 0 5 2 3 2 5 章毅鹏 ， 廖建和， 桂红星剑麻纤维及其复合材料的研究进展【 J 】 热带 农业科学， 2 0 0 7 ( 1 0 ) ： 5 3 5 6 作者简介： 包惠明( 1 9 6 3 一 ) ， 男， 教授， 博士。 联系地址： 桂林理工大学土木与建筑工程学院( 5 4 1 0 0 4 ) 联系电话 ： 1 3 5 5 7 5 3 5 4 3 4 芝 卿 趣 犍 骣 掺 透 深 度 mm 图 3 氯离子含量随渗透深度的变化 水胶比和外加剂， 以提高混凝土的致密性和抗裂性， 保证良好 的耐久性。 ( 2 ) 高性能混凝土中掺人硅灰， 孔结构有很大改善， 密实度 得以提高。掺人 5 的硅灰， 可以提高混凝土抗盐冻性能、 抗毛细 吸水性能和抗氯离子渗透性能。 ( 3 ) 高性能混凝土中掺入聚丙烯纤维， 由于其阻裂作用 ， 抗 盐冻性能得以提高。 但是纤维能增加混凝土中的界面， 孔隙率增 加， 因此对高性能混凝土抗毛细吸水和抗氯离子渗透性能没有 明显改善 。 参考文献 ： 【 I 】田砾， 刘丽娟 ， 赵铁军， 等 沿海混凝土结构耐久性问题研究现状与 对策【 J J _海岸工程， 2 0 0 5 ， 2 4 ( 3 ) ： 5 8 6 6 2 冯乃谦 ， 邢锋 高性能混凝土技术 M】 E 京 ： 原子能出皈社 ， 2 0 0 0 3 删 2 7 O 一8 9 ， 水运工程混凝土试验规程【 s 】 4 路新瀛 ， 武建伟 钢筋混凝土桥梁的耐久性与高性能混凝土 公路 ， 2 0 0 2 ( 4 ) ： 8 9 9 3 5 】陈迅捷 ， 欧阳幼玲 海洋环境中混凝土抗冻融循环试验研究I J 1 水利 水运工程学报， 2 0 0 9 ( 2 ) ： 6 8 7 1 【 6 贡金鑫 ， 郭育霞 聚丙烯纤维高性能混凝土抗渗性能的试验研究明 新型建筑材料 ， 2 0 0 6 ( 1 1 ) ： 5 O 5 2 7 刘 竞 ， 邓德华 ， 黄波 ， 等 聚丙烯纤维高性能混凝土用于海 洋浪溅区 的研究与应用f J 1 施工技术， 2 0 0 8 ， 3 7 ( 4 ) ： 9 3 9 9 ( 8 】 黄蓓， 钱春香掺合料混凝土的毛细吸水现象 J 】 _混凝土与水泥制品， 2 0 0 8 ( 4 ) ： 1 4 1 6 9 何世钦， 贡金鑫， 赵国藩 冻融循环下混凝土中氯离子的扩散性I J J _ 水 利水运工程学报， 2 0 04( 4 ) ： 3 2 3 6 作者简介 联 系地址 联系电话 赵畅( 1 9 8 7 一 ) ， 女， 硕士研究生。 辽宁省大连市 大连理工大学校本部 3号实验楼 3 3 1 室 ( 1 1 6 0 2 4 ) 1 3 4 7 8 4 9 8 7 7 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m