浸泡与干湿循环对混凝土损伤的影响.pdf

2 0 低温建筑技术 2 0 1 4年第 3期 ( 总第 1 8 9期) 浸泡与干湿循环对混凝土损伤的影响 张风泉 ， 李文强 ， 张立明 ( 1 ． 延边公路工程质量监督站． 吉林延边1 3 3 0 0 1 ； 2 ．安图县公路工程建设管理中心。 吉林延边1 3 3 6 0 0 ； 3 ．吉林交通职业技术学院 。 长 春1 3 0 0 1 2 ) 【 摘要】 研究了 C 3 0 、 C 5 0和 C 8 0 在盐湖卤 水长期浸泡和干湿循环环境下的损伤变化规律之间的关系， 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， 建立混凝土的腐蚀时间与相对动弹模量及浸泡 与干湿循环的混凝土损伤的换算方程。试验结果表明： 混凝土在干湿循环试验比长期浸泡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。混凝土强度等级与损伤加速度 A ， 和损伤速度 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 预测干湿循环的混凝土的相对动弹模量。 【 关键词】 混凝土； 长期浸泡； 干湿循环； 相对动弹模量； 关系 【 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 3 — 0 0 2 0 — 0 3 在腐蚀环境下 ， 腐蚀离子、 干湿循环和冻融循环 引起混凝土结构耐久性不足 的主要原 因 ’ 。国内外 学者广泛的研究了混凝土试件的耐久性试验， 选用的 腐蚀溶液大多是单一腐蚀溶液， 对混合溶液研究还不 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。而实际工 程采用 的多是钢筋混凝土结构， 研究混凝土构件的耐久性尤 为重要。文中以青海盐湖卤水为腐蚀溶液， 分别进行 长期浸泡和于湿循环环境 ， 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 长期浸泡试验环境与干湿循环环境的换算系数， 可用 浸泡环境数据预测干湿循环环境下强度损伤规律。 1 实验 ( 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 I n ／ 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 m r n 。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 0 ％以上。 表 1 胶凝材料的化学成分 ( 2 ) 配合 比。试件尺寸 5 0 0 n l l n 1 0 0 r I l r fl 7 5 m 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 。 从青海察尔汗盐湖运回卤水， 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 。 ( 3 ) 试验方法。文中使用的干湿循环制度： 恒 温6 0 ℃烘箱烘 8 h ， 室温下冷却 2 h ， 浸泡 5 0 h ； 作为一次 干湿循环。于湿循环与长期浸泡试验同时开始。 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 = =熹 ㈩ 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 t 时刻的动弹模量 和超声波波 速。参 照 国标 G B ／ T 5 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 [ 基金项 目] 浙江省 n然科 学基金项 口( L YI 2 E 0 8 0 0 3 ) ； 浙江省科技汁划项 臼( 2 0 1 3 C 3 1 0 1 1 ) 张风泉等： 浸泡与干湿循环对混凝土损伤的影响 2 1 方法参考文献[ 6 ] 。 表 2 混凝土配合比及抗压强度 总含量 化学成分／ m g I 一 一 N a K M g 2 C a 2 C l 一 一 H c o ； c 0 ； 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 o 1 2 7 ． 4 1 7 1 ． 6 棱柱体试件为 5 0 0 ra m 1 0 0 m 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 在长期浸泡环境和干湿循环环境下。分别在 9 0 、 1 8 0 、 2 7 0 、 3 3 0 、 3 6 0 、 4 8 0 、 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 ( 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 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。如图 1 ( a ) 所示： 在长期浸泡环境 下 ， C 3 0混凝土构件 E ： 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 ； 如图 l ( b ) 所示 ： 在于湿循环环境下， C 3 0和 C 5 0分别在 2 7 0 d 和3 9 0 d混凝土构件 达到峰值， C 5 0到达 峰值的 时间是 C 3 0的 1 ． 4 4倍 ； C 8 0经过 5 4 0 d的腐蚀还没有 达到峰值。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 下降到 1 1 5 ． 5 ％， 为最大值的0 ． 9 4倍。 13 0[" --~--C30 熬 --*--C30 。 。 ——— 9 0 0 2 0 0 4 1 ) 0 0} _ _ 2 0 0 一 枷 6 0 0 4 n 0 蓦 声 80 100 1 0 1 ) 腐蚀时， d ( a ) C 3 0 腐蚀时， d ( b ) C 5 0 图2 C 3 0 、C 5 0 和C 8 0 在不同试验环境下E 变化规律 3室 内加速试验与现场暴露试验 的相关 系数 ( 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 变化方程如下式( 1 ) ： E A I t + A o t +1 0 0 ( 1 ) 式中， A 。 表示混凝土构件的初始 E ： 损伤速度 ； A 表示混凝土构件的初始 E ： 的损伤加速度。表 4为混 凝土构件在腐蚀环境下的E ： 变化方程的系数 。 腐蚀时， d ( c ) C 8 0 表4 混凝土构件在盐湖腐蚀环境中的 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 A 。和损伤加速 2 2 低温建筑技术 2 0 1 4 年第 3 期( 总第 1 8 9 期) 度 A 与混凝土强度等级的关系式： A 。 ：a 0 f 。 ( 2 ) A l =a l e ( 3 ) 式中， 。 表示混凝土构件的初始 E ： 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， M P a 。 表 5 不同试验环境下损伤参数的试验常数 ( 2 ) 长期 浸泡 与干湿 循环试 验 的相关 性研 究。 以长期浸泡环境为标准环境 ， 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 和 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 K 和 的表达式见式( 4 ) 和( 5 ) 。 4结 语 通过对各混凝土构件在长期浸泡和干湿循环试 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 E ： 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 ． 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 了建立干湿 循环环境与标准环境损伤加速度和损伤速度 的换算 系数 和砖 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 砖 呈指数 函数关系， 可通过换算系数和浸泡试验数据来预测干 湿循环的相对动弹模量。 = 筹 = 筹 DW (b~ -b)fc DW ㈩ ： A 7 = o w b T f ~ D w ( b 7- b ) f c D W． 1 c ( 5 )⋯ 式中， n D W 和6 D W 和n D W 和6 D W 是损伤 加速 度和 损伤 [ ] 速度的换算常数， 见表 6 。 表 6 换算常数的值 将式( 4 ) 和式( 5 ) 代人( 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 A 与干湿循环的的强度损伤 的方程式 ( 6 ) 。 E I ． 6 6 7 e A f t + 1 ． 2 5 e A + 1 0 0 ( 6 ) [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] 参 考文献 N e v i l l e A ．T h e c o n f u s e dw o d d o f s u l f a t e a t t a c k o n c o n c r e t c『 J ] ． C e me n t C o n c r e t e R e s e a rc h， 2 0 0 4 ， 3 4 ( 8 ) ： 1 2 7 5— 9 6 ． He k a l E E ，Ki s h a r E， Mo s t a f a H． Ma g n e s i u m s u lfa t e a t t a c k o n h a r d e n e d b l e n d e d c e me n t p a s t e s u n d e r d i ffe r e n t c i r c ums t a n c es [ J ] ． C e m e n t C o n c r e te R e s e a r c h ， 2 0 0 2 ， 3 2 ( 9 ) ： 1 4 2 1 — 7 ． 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 ． 金祖权 ， 孙伟 ， 赵铁 军 ， 等． 混凝土在硫酸盐 一氯盐环境 下的损 伤失效研究[ J ] ． 东南大学学报(自然科 学版 ) ， 2 0 0 6， 3 6(Ⅱ) ： 2 0 0—2 0 4． 余红发盐湖地 区高性 能混 凝土 的耐久 性 、 机理 与使用 寿命预 测方法[ D ] ． 南京： 东南大学材料科学与工程学院， 2 0 0 4 ． 余 红发 ， 孙伟 ， 李美 丹． 荷载对混凝 土在腐 蚀冻融作 用下强度 的影响 [ J ] ． 哈尔滨工业大学学报 ， 2 0 1 0 ， 4 2 ( 2 ) ： 2 9 7—3 0 1 ． [ 收稿 曰期 ] 2 0 1 3—1 2— 0 3 [ 作者简介 ] 张凤泉( 1 9 7 5一) ， 男 ， 吉林安 图人 ， 工程师 ，研究 方 向： 公路桥梁 质量检 查和评估。 ( 上接 第 6页) [ 3 3 ] 周长东． G F R P 筋增强混凝土结构抗火性能研究[ D ] ． 海： [ 3 6 ] 同济大学 ， 2 0 0 5 ． [ 3 4 ] L i t h e r l a n d K I ， O a k l e y D R ， P r o c t o r 1 3 A ． T h e u s e o f a c c e l e r ． a t e d a g e i n g p r o c e d u r e s t o p r e d i c t t h e l o n g t e r m s t r e n g t h o f GRC c o m t ) o s i t e s [ 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 ， 1 9 8 1 ， 1 1 ( 3 ) ： 4 5 5—46 6． [ 3 5 ] V i j a y P ，G a n g a l ( a o H ．A c c e l e r a t e d a n d n a t u r a l w e a t h e 6 n g o f g l a s s fi h e l’ r e i n f o r c e d p l a s t i c b a r s [ J ] ．A C I S p e c i a l P u b l i e a t in n ， 1 9 9 9： l 8 8 ． U o m o t o T，e t a 1 ．( 2 0 0 2 ) ．U s e o f fi b e r r e i n f o r c e d p o l y me r c o n — p n s i t e s a s r e i n f o r c i n g m a t e r i a l f o r c n n c r e t e [ J ] ． J o u rna l o f m a t e r l — a 1 s i n c i v i l e n g i n e e f n g ， 2 0 0 2 ， 1 4( 3 ) ：1 9 1— 2 0 9 ． [ 收稿 日期 ] 2 0 1 3一l l 一2 9 [ 作者简介] 沈超( 1 9 8 8 一) ， 男， 江苏扬州人， 硕士研究生 从事纤维筋在建筑工程 中的应用研究 。