膨胀混凝土延迟膨胀损伤模型的试验验证.pdf

第 3 2 卷第 3 期 Vo 1 3 2 No 3 水 利 水 电 科 技 进 展 Ad v a n c e s i n S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y o f Wa t e r Re s o u r c e s 2 0 1 2年 6 月 J u n 2 0 l 2 D O I ： 1 0 3 8 8 0 j i s s n 1 0 0 6 - 7 6 4 7 2 0 1 2 0 3 0 0 6 膨胀混凝土延迟膨胀损伤模型的试验验证 蒋林华， 胡 杰， 杜 宇， 张 研 ， 那彬彬， 王 涛， 熊传胜 ( 河海大学力学与材料学院 ， 江苏 南京2 1 0 0 9 8 ) 摘要 ： 为 了验证膨胀混凝土延迟膨胀损伤模型的适用性， 采用硫酸钠溶液和浸烘循环法来模拟膨胀 混凝土延迟膨胀损伤过程 ， 并用表观形态观察 、 质量 变化与超 声波相结合 的方法来评 定混凝土损 伤。试验结果表明， 膨胀混凝土的损伤过程与模型相吻合 ， 膨胀混凝土延迟膨胀损伤模型有较好的 适 用 性 。 关键词： 膨胀混凝土； 延迟钙矾石； 损伤模型； 试验验证 中图分类号： T U 5 2 8 5 5 文献标志码 ： A 文章编号： 1 0 0 6 7 6 4 7 ( 2 0 1 2 ) 0 3 0 0 2 4 0 4 Ex p e r i me n t a l v e r i fi c a ti o n o f d a ma g e mo d e l f o r d e l a y e d e x p a n s i o n o f e x p a n s i v e c o n c r e t e J I AN G L i n h u a ，HU J i e ，DU Y u， Z H A N G Y a n ，N A B i n - b i n ， WA N G T a o ， X I O N G C h u a n s h e n g ( C o l l e g e o fMe c h a n ic s a n d Ma t e r i a l s ，H o hai U n i v e r s i t y ，N a n j b , 2 1 0 0 9 8 ，C h i n a ) Ab s t r a c t ：T o v e ri f y t h e a p p l i c a b i l i t y o f a d a ma g e mo d e l f o r d e l a y e d e x p a n s i o n o f e x p a n s i o n c o n c r e t e ，t h e s o a k a n d b a k e c y c l e me t ho d wa s u s e d t o s i mu l a t e t h e d a ma g e p r o c e s s o f d e l a y e d e x p a n s i o n d a mage，wi t h s o di u m s u l f a t e as t he t e s t s o l u t i o nBy me a n s o f t h e o b s e r v a t i o n o f a p p a r e n t mo r p h o l o gy ，me asu r e me n t o f w e i g h t c h a n g e an d u l t r aso n i c d e t e c t i o n ，t h e d e l a y e d e x p a n s i o n d a mage o f e x p a n s i v e c o n c r e t e c a n b e e v a l u a t e d ，T e s t r e s ult s s h o w t h a t t h e d am ag e p r o c e s s c o r r e s p o n d s w i th t h e s i mu l a t i o n r e s u l t s o f t h e d a ma g e mo d e l i n t h i s p a p e r H e n c e ，t h e d am age mo d e l f o r d e l a y e d e x p a n s i o n o f e x p a n s i o n c o n c r e t e h as b e e n p r o v e n t o h a v e a p p l i c a b i l i t y Ke y wo r d s ：e x p a n s i v e c o n c r e t e ；d e l a y e d e t t r i n g i t e f o r m a t i o n ；d am age m,Me l ；e x p e ri me n t a l v e ri fi c a t i o n 膨胀混凝土因为其含有膨胀物质或加入了膨胀 剂从而使混凝土的 自由变形变成膨胀变形 。多向约 束条件下 的这种 限制膨胀 能够 提高混凝土 的密实 度 、 强度及耐久性 ， 同时补偿 混凝土收缩 ， 解决混凝 土的早期裂纹问题 。 以钙矾石为膨胀源的膨胀混凝土中的延迟钙矾 石( d e l a y e d e t t r i n g i t e f o r m a t i o n ， D E F ) 将很 大程度上影 响混凝土耐久性 ， 特别是在硫酸盐环境下， 膨胀混凝 土将会得到充足水分和硫酸盐 ， 致使延迟钙矾石生 成 ， 导致混凝土损伤。 我国使用的膨胀混凝土大多采用钙矾石为膨胀 源 ， 这类混凝土最大 的缺 陷就是延迟钙矾石 问题。 H o b b s E “ 提供了英 国许多由于延迟钙矾石而导致混 凝土结构破坏的实例， 这些结构 的水泥用量基本大 于 4 5 0 k g IT I ， 且使用都已超过 3 0年。我 国虽未发现 因延迟钙矾石而导致破坏 的实例 ， 但并不表示将来 不会 出现延迟钙矾石问题 ， 因为我 国大部分 的大体 积补偿收缩混凝土结构只有 1 0 余年的历史 ， 不足以 产生剧烈的延迟钙矾石破坏。 目前对膨胀混凝土延迟钙矾石问题的研究大多 停 留在机理及微观层 面上 ， 如钙矾石的物相结构及 显微形貌 、 形成机理 、 膨胀机理 、 热稳定性 _ 2 J ， 以及水 泥、 骨料、 养护条件对生成延迟钙矾石的影响都有研 究I 3 J ， 但延迟钙矾石对? 昆 凝土的损伤过程鲜有报道。 因此 ， 对延迟钙矾石的进 程和变化控制的研究成为 一 个重要的课题。文献 4 提 出了膨胀混凝土延迟 膨胀损伤模型 ， 现结合试验对其进行验证。 1 膨胀 混凝土延迟t i 1 t( 损伤模型 文献 4 以损伤力学理论和 F i c k扩散定律 为基 础 ， 结合宋存义等 提 出的钙矾石碳化模型， 将混凝 土在硫酸盐溶液中的腐蚀过程分为 3个 阶段 ， 即孑 L 隙密实阶段 、 微裂纹扩展阶段和急剧劣化阶段 ， 建立 两个时间标志 t ， t 2 。时间标志 t 之前只有 内部密 基金项 目： 国家 自然科学基金 ( 5 0 9 7 8 0 8 5 ， 5 0 8 0 8 0 6 6 ) ； 江苏省六大人才高峰 2 0 0 9年 A类项 目( 苏人社( R) 通 2 0 0 9 1 8 2号) 作者简介 ： 蒋林华( 1 9 6 3 一 ) ， 男 ， 江苏苏州人 ， 教授 ， 博 ， 主要从事新材料及材料耐久性研究 。E - m a il ： l h j i a n g h h u e d u C 1 2 4 水利水电科技进展 ， 2 0 1 2 ， 3 2 ( 3 )T e l ： 0 2 5 8 3 7 8 6 3 3 5 E - n u t il ： h h u e d u C 1 $ h t tp： k k b h h u e d u C n 实过程 ， S t a r k等 在老 的路 面混凝土的气孔 中发现 了二次钙矾石 ， 在直径小于 9 0 m的气孔 中( 引气剂 产生) 已充满了钙矾石 ， 在大于 1 1 0 p t m的圆气孔中， 钙矾石沿孑 L 壁生长， 形成钙矾石中空球 ， 此时即到达 了时间标志 t ； 时间标志 t 1 至 t 2 之间是 内部密实和 微裂纹扩展 的叠加 ； 时间标志 t 2 之后是 内部密实 、 微裂纹扩展及急剧劣化的叠加。从而建立了嘭胀混 凝土在充分水分和硫酸盐环境下的延迟钙矾石损伤 模型： ( u=一 + ( c 一 一1 )+D 2 q ( 一 z ) 一1 ( 1 ) 式中： 损伤 是关于时间 t 的函数 ； A， B， C， D及 q 均是与混凝土试件形状 、 尺寸 、 内部微观结构及外部 环境等有关的常数 ； 当 t t 1 0时 ， 取 t t 1 =0 ， 当 t t 2 0时 ， 取 t t 2 =0 。t 1 ， t 2 表达式为 r V 2r V I +- fJ o + 0 ( 2 ) 2=l o g , +( +1 ) A ( k+1 ) ( 3 ) 其 中 ： Dc Co ， I7 a o 一 K i l一 。 一2a a y 一 式中： r 为第一孔隙到混凝土表面之问的距离 ； 为 只与材料和溶液性质有关的常数 ； D 为硫酸根离子 在 已腐蚀混凝土基体中的扩散系数 ； C 。 为硫酸根离 子在腐蚀层 中的浓度 ； V为孔隙容积 ， 同时假定在单 位时间 t 。时 ， 进入的硫酸盐 能够产生单位体积 的钙矾石填充孔隙； r为混凝土最大拉应力 ； B为钙 矾石弹性模量； 为孔到试件边缘 的距离 ； a为原始 半裂纹长度 ； i 为起裂韧度 ； 为 Y方 向的无穷远 处所受常拉应力 ； 为裂纹尖端 的抗拉应力 ； A， k 为与混凝土有关的常数 。 2 试验原理及方法 2 1 试验 原理 膨胀混凝土 由于外界侵蚀 ， 使外界的水分进入 到混凝土内部， 被 c s H凝胶束缚 的硫酸根离子和 铝相将再度活跃 ， 继续生成钙矾石 ， 造成类似第 3类 腐蚀的情形口 J 。 已有研究表明， 在硫酸盐环境下 ， 混凝土破坏呈 现 出 钙 矾 石 破 坏 、 石 膏 破 坏 以及 盐 结 晶破 坏。 S a n t h a n a m等_ 8 J 认 为混凝 土试 件表面的软化是石膏 的影响， 而膨胀开裂则被认为是受到钙矾石的影响 ， 张丽l 9 j 指出石膏膨胀破坏的特点是遍体溃散但没有 粗大裂纹。蒋敏强等l 】 0 _ 研究 的结论是试件的破坏 形式主要是开裂和棱角的脱落 ， 表面基本没有剥落 ， 并未出现遍体溃散现象， 应 当属于钙矾石破坏。因 此 ， 硫酸盐环境下 ， 钙矾石破坏是主要破坏l J 。 硫酸盐环境下混凝土的反应过程如下 ： a 硫酸根离子与水泥水化产物氢氧化钙反应 生成石膏 。 b 由于钙矾石反应活化能低 ， 石膏将 与水化铝 相或未水化 C A反应 ， 生成二次钙矾石 。此外 ， 硫 酸根离子还能与混凝土中原有 的单硫型硫铝酸钙反 应直接生成钙矾石 。 c 当混凝土中的铝相完全 消耗后 ， 继续扩散的 硫酸根离子与混凝土 中的氢氧化钙生成石膏， 产生 高浓度的硫酸盐腐蚀。 由于膨胀混凝土中含有大量 的铝相 ， 可有效地 抑制第 3步反应的发生。可用硫酸盐腐蚀的方法模 拟硫酸根离子充足时发生的延迟钙矾石破坏， 故采 用 5 的 N a 2 S O 溶液模拟环境作用。 为 了在加速腐蚀 的同时给钙矾石 提供 生长空 间， 采用浸烘循环法 。浸烘循环法不仅能够在混凝 土内部提供析出钙矾石 的空间 ， 而且能够加速表层 破坏 ， 方便水分和硫酸根离子进入 ， 为二次钙矾石的 生成提供条件。由于在 8 0 C以上时， 三硫型水化硫 铝酸钙( A F t ) 将会脱水或转化为单硫 型水化硫铝酸 钙( A F m) ， 冷却 之后 ， 硫酸盐脱离 C S H凝胶束缚 ， 与 A F m反应 生成 A F t ， 同时， A F t 在脱 水或 转化 为 A F ro时 ， 将会 留出水分 和硫酸根离子进入 的空 间 ， 以便于钙矾石继续集 中在 已成 的裂纹 中， 故将烘烤 温度设定为 8 0 。 2 2 原材料与配合比 试验使用的原材料包括： 水泥 ， 海螺水泥厂生 产的 4 2 5级普通硅酸盐水泥； 石子 ， 52 5 1T l l n连 续级配 类碎石 ， 最大粒径为 2 6 5 m m； 砂 ， 区 类河砂 ， 细度模数为 2 3 ； 粉煤灰 ， 天津大沽化工 股份有限公司生产的 F类 级灰； 矿粉 ， 唐山新泰 环保建材有限公司生产 的 $ 9 5粒化高炉矿渣微粉 ； 外加剂 ， 天盛华科技发展有 限公司生产 的 H 一 3混 凝土泵送剂、 天津砼久外加剂厂生产的松香热聚物 引气剂 、 天 津市斯 泰迪实业 发展 有 限公 司生 产 的 S R A- 1型 混凝 土 防腐 剂及 岩 帅高 铝酸 钙膨胀 剂 ； 拌和水 ， 自来水。以上试验原材料各项性 能符合 有关标准 。 为了研究膨胀混凝土由于铝相含量不同以及不 同时期钙矾石生成对延迟钙矾石损伤的影 响， 对不 同掺量的膨胀剂分别进行了试验研究 ， 以验证公式 与实际情况的相关性 ， 确定公式中的系数 ， 预测膨胀 混凝土延迟钙矾石损伤情况 ， 具体的试验配合 比如 表 1 所示 水利水电科技进展 ， 2 o 1 2 ， 3 2 ( 3 ) T e l ： 0 2 5 8 3 7 8 6 3 3 5 E - m a i l ： j z h h u e d u m h t t p ： k k b h h u e d u c n 25 表 1 膨胀混凝土配合 比 k g r n 3 胶凝材料 编 _= 水 砂 石 _- 水泥粉煤版 矿粉 膨胀剂 外加剂 减水利 引气7 flJ ( 液) i 1 8 8 1 1 8 8 1 3 2 0 l 5 4 0 1 4 9 6 1 4 9 6 注： F I P 0 8 ， F 1 P l 0 ， F l J 】 1 2的 防 腐 剂 掺 量 为 1 ( 4 4k g n l 3 ) ， 而 F 0 P 0 8 ， F O P 1 0 ， I 】 1 2未掺防腐刺 、 2 3 损伤评价方法 采用表观形态观察 、 质量变化 与超声波法测试 来评定混凝土损伤。表观形态观测能够对损伤进行 定性描述 。试验中， 采用表观形态观测与质量变化 监控来推定在硫酸盐环境下损伤 的进程 ， 可以得到 混凝土由孔隙密实 阶段进入到微裂纹损伤 阶段 ， 由 微裂纹损伤阶段进入到迅速劣化 阶段的时间点 ； 利 用超声波采集每个阶段混凝土试件的动弹性模量的 变化 ， 来推演混凝土的损伤变化。 3 试验结果 3 1 时间标志 膨胀混凝土质量随浸烘循环次数变化 的情况如 图 1 所示 ， 时 间标志 t 之前为密实阶段 ， 故 质量损 失应为负值 ， 随着混凝土逐渐密实 ， 质量损失趋近于 零 ； t 之后 ， 由于微 裂纹拓展 ， 质量开 始损 失 ； 进入 t ， 意味着微裂纹扩展到混凝土表 面， 混凝土表面开 始剥蚀疏松，失去强度 ， 由于外界有害物质迅速进 入混凝土内部， 质量会有短时间的增加 ， 之后混凝土 将快速劣化 。通过观察质量变化 ， 推定 t ， t 的时 间见表 2 3 2 垂 莲： 一 3 2 0 3 O 4 0 5 O 衡环次数 图 1 浸烘循环下膨胀混凝土质量变化 表 2 膨胀混凝土的 时间标志d 编号 l t 2 编号t l t 2 F1 P O 8 8 3 0 F DP O 8 7 3 2 F1 Pl O 8 3 O F 0 P I O 6 3 O F1 P 1 2 8 3l F 0 P 1 2 7 3 1 3 2 相对动弹性模量 混凝 土 试 件 的相 对 动 弹性 模 量 按 式 ( 4) 计 2 6 水利水 电科技进展 ， 2 0 1 2 ， 3 2 ( 3 ) T e l ： 0 2 5 8 3 7 8 6 3 3 5 算l ： ， 2 E ： 1 0 0 ( 4 ) r O 式中： E 为 n次 冻 融循 环后 试 件相 对 动弹 性模 量 ， ； 为 n次冻融循环后超声波纵向波速度， m s ； Y r 0 为初始超声波纵 向波速度 ， m s 。 膨胀混凝土经 5 O次浸烘循环后的相对动弹性 模量结果见图 2 。 日 _= 融 磊 晕 图 2 浸烘循环下膨胀混凝土相对 动弹性模量变化 图2反映出各组膨胀混凝土试件具有相似 的变 化规律： 开始腐蚀时， 各组的相对 动弹性模量出现增 长， 达到峰值后出现拐点， 而后下降。峰值出现的时 间、 峰值大小以及出现峰值后的下降速率均有所不同。 4 模型验证 模型中参数 A， B， C， D及 q均是与混凝土试件 形状 、 尺寸 、 内部微观结构及外 部环境等有关 的常 数， 因此运用试验数据对方程进行拟合 ， 以验证模型 是否与实际情况具有很好 的相关性 ， 而其中的 t ， t 2 则是通过观测混凝土试件的表观形态和质量的变化 来确定 。 已知混凝土的动弹性模量可表示为 B j E ： 毕 ( 5 ) 式 中： E d 为试件的动弹性模量 ； 为材料的泊松 比； p为介质密度 ； 为超声波纵波波速。 将损伤度定义为 ( u： 1一 ( 6 ) d O 式 中： E Er扪 分别为混凝土的剩余动弹性模量和初 始动弹性模量。 由于在腐蚀的过程中， 材料的泊松 比变化不大， 故假设材料的泊松比不变 ， 则损伤度 又可表示 为 ： 1一 ( 7 ) 6 式中： ， V 分别为混凝土的实测超声波波速和初始 超声波波速 。 试验测得 的损伤结果见表 3 。 E - ma i l ： h h u e d u C l l h t t p： k k b h h u 1 u C rl 勰 跎 拍 6 6 6 7 7 7 训 研 4 4 4 4 4 4 船 船 矾 储 嘲m 麟 n m m m 表 3 浸烘循环 下高性 能混凝 土延迟钙矾石损伤结果 从表 3可以看 出， nP 0 8 ， F 1 P 1 0 ， F 1 P 1 2这 3组由 于添加了防腐剂 ， 损伤要小 于未添加防腐剂 的另 3 组。主要原因是防腐剂中的化学成分在混凝土硬化 前与硫酸根离子预先反应生成体积稳定的沉淀相 ， 从而降低混凝土中硫酸根 离子浓度 ， 同时这种沉淀 物附着在混凝土内部基本颗粒表面形成致密的保护 膜 ， 阻止硫酸根离子等其他离子的腐蚀 ， 有效地保护 了混凝土结构_ l 。但添加防腐剂对损伤的发展规律 基本没有影响。拟合得到的各组损伤方程见表 4 。 表 4 浸烘循环下膨 胀混凝 土的损伤 方程 标准残差范围均在 0 0 0 1 2 0 0 0 5 0之 问， 可见 模型与实际试验的相关性非常好 ， 膨胀混凝土延迟 膨胀损伤模型的适用性得到验证。 F D P 0 8 ( 未加防腐剂 ， 8 膨胀剂 ) 的膨胀混凝 土 延迟钙矾石损伤 曲线如图 3 示 。 图3 浸烘循环下膨胀混凝土延迟钙矾石损伤曲线 浸烘循环下其他配合 比的膨胀混凝土延迟钙矾 石损伤曲线基本与图 3 相近， 均先出现f 于钙矾石填 充混凝土孔 隙所造成的负损伤。随着循环次数 的增 大 ， 负损伤开始减小 ， 这是由于混凝土内部受到钙矾 石的结晶压 ， 开始出现细微裂纹并逐渐开展。随着裂 纹开展至混凝土表面， 损伤开始加剧 ， 速率急剧增加。 5 结语 采用硫酸钠溶液和浸烘循环法来模拟膨胀混凝 土延迟膨胀损伤过程 ， 并用表观形态观察 、 质量变化 与超声波相结合的方法来评定混凝士损伤 ， 拟合得 到的损伤方程与实 际试验的相关性非常好 。因此， 文献 4 提 出的膨胀混凝土延迟膨胀损伤模型的适 用性得到验证。 参考文献 ： 1 H O B B S D W C o n c r e t e d e t e r i o r a t i o n ： c a u s e s ， d i a g n o s i s ， a n d m in im i z i n g ri s k J J I n t e m a t i (re a l M a t e r i a l s R e v i e w s ， 2 0 0 1 ， 4 6 ( 3 ) ： 1 1 7 一 l 4 4 2蒋敏强 海水侵蚀下混凝土材料的微结构演化及宏观 力学性能的研究 D 扬州， 扬州大学 ， 2 0 0 5 ： 5 - 1 0 3莫样银， 卢都友， 梅来宝， 等 国外延迟性钙矾石反应研 究进展及评述 J 混凝土， 2 0 o o ( 7 ) ： 6 1 0 4杜宇 膨胀混凝土延迟膨胀损伤模型 J 水利水电科技 进展 ， 2 0 1 0 ， 3 0 ( 4 ) ： 4 7 5宋存义， 程相利 ， 汪增乐 钙矾石材料硬化体风化机理 J 北京科技大学学报， 1 9 9 9 ， 2 1 ( 5 ) ： 4 5 9 4 6 1 6 S T A R K J ， B O L L MA N K E t t r i n g i t e f o r m a t i o n ： a d u r a b i l i t y p r o b l e m o f c o n c r e t e p a v e m e n t s l C J H A R A L D J P r o c 1 O t h I n t Co n g r Ch e m Ge mGo t e b o r g，S we d e n：Ama r k a i AB a n d Co n g r e x， 1 9 97： 6 2 7范颖芳， 胡志强， 张英姿 受腐蚀钢筋混凝土材料力学性 能研究现状 J 四川 I 建筑科学研究 ， 2 0 0 7 ， 3 3 ( 2 ) ： 5 9 6 4 1 8 J S A N T H A N A M M， C O H E N M D， 0 u K J E f f e c t s o f g y p s u m f o l n a t i o n o n t h e p e rf o r m a n c e o f c e m e n t m o r t a r s l J j C e m e n t A n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 2 0 0 3 ( 3 3 ) ： 3 2 5 3 3 2 9张丽 混凝土硫酸盐侵蚀机理及影响因素 J 东北公 路 ， 1 9 9 8( 4 ) ： 4 0 4 1 1 0 蒋敏强， 陈建康 ， 杨鼎宜 硫酸盐侵蚀水泥砂浆动弹性 模量 的超声检测 J 硅酸盐学报 ， 2 0 0 5 ， 3 3 ( 1 ) ： 1 2 6 1 4 2 1 1 席跃中 近年来水泥化学的新进展 ： 记第九届国际水泥 化学会议 J 硅酸盐学报， 1 9 9 3 ， 2 1 ( 6 ) ： 5 7 7 5 8 8 1 2 梁咏宁， 袁迎曙 硫酸盐侵蚀环境因素对混凝土性能的 影响 J 混凝土， 2 o o 5 ( 3 ) ： 2 7 3 0 1 3 罗骐先 用纵波超声换能器测量混凝土表面波速和动 弹性模量 J 水利水运科学研究 ， 1 9 9 6 ( 3 ) ： 2 64 2 7 0 1 4 张锋 ， 范明， 田大萍 抑制硫酸盐等侵蚀的混凝土 J 混 凝土 ， 2 0 0 6 ( 6 ) ： 46 4 8 ( 收稿 口期 ： 2 0 1 卜o 9 2 6 编辑 ： 周红梅 ) 水利水电科技进展 ， 2 0 1 2 ， 3 2 ( 3 ) T e l ： 0 2 5 8 3 7 8 6 3 3 5 E - m a i l ： j z h h u e d u c n h t t p ： k k b h h u e d u c n 。 2 7