应力作用下硫酸根离子在混凝土中的传输规律.pdf
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1、第 3 2卷第 8期 2 0 1 0年 8月 人民 YELL0W 黄河 RI VER Vo 1 3 2 NO 8 Au g , 2 01 0 【 水利水 电工程 】 应力作用下硫酸根离子在混凝土中的传输规律 李晓克 , 于 阳 , 高润 东 , 赵顺波 ( 1 华北水利水电学院 土 木与交通 学院, 河南 郑州 4 5 0 0 1 1 ; 2 清华大学 水 沙科学与水利水 电工程国家重点实验 室, 北京 1 0 0 0 8 4 ) 摘要: 对强度等级为C 4 0的混凝土试件施加3种弯拉应力后, 浸泡于浓度为5 0 0 0 0 m g L的硫酸钠溶液中, 当侵蚀龄期 达到9 0 、 1 8 0
2、、 3 6 0 、 5 4 0 d时, 采用钻芯、 分层切片、 研磨方式提取水泥石粉末样本进行化学分析, 测定不同深度处混凝土的 硫 酸根 离子含 量。结果表 明: 混凝土 中硫酸根 离子含量均随深度的增加 而减 小, 受侵 蚀范围 内同一深度 处混凝土 的硫 酸 根 离子含 量随龄 期的增长而增加 ; 压应力对硫酸根 离子 由外部侵蚀溶液 向混凝 土 内的传输具有 一定的却制作 用, 拉应 力 则对其传 输具有加 速效果且 传输速率随拉 应力的增大而提 高。 关键词:混凝 土;硫 酸盐侵 蚀 ;浸泡 ;拉应 力 ;压应 力 中图分类号 :T V 4 3 l 文献标识码 : A d o i :
3、 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 0 1 3 7 9 2 0 1 0 0 8 0 4 3 硫酸盐对混凝土的侵蚀是一个复杂的物理化学过程, 可以 导致 混凝土膨胀 、 裂缝 、 甚 至溃散 , 危 害性 很大 , 是影 响混 凝土 耐久性 的一个重要原 因 。根据相关 调查 。 , 我 国西北 地 区的环境 水中常 含有大量 的硫酸盐 , 导致很多水 工建筑 物发生 硫酸盐侵蚀, 如刘家峡、 八盘峡水电站等都 出现了不同程度的 硫酸盐侵蚀; 由于海水中也含有一定量的硫酸根离子, 因此沿 海地区的一些跨海大 桥 、 海 底 隧道 、 海上 采油平 台 、 海港 、 近 海
4、工程等也不同程度地遭受了硫酸盐的侵蚀破坏。为此 , 我国制 订了相应设计与施工指南, 对混凝土抗硫酸盐侵蚀起到了指导 作用 。但是 , 在实际工程 中, 对于 混凝土 负荷 状态下 耐硫 酸 盐侵蚀性能的研究非常匮乏” , 因此笔者对应力和 长期浸泡共 同作用下的混凝土中硫酸根离子传输方式进行了试验研究。 1 试验概况 试验水泥采用 4 2 5 R普通硅酸盐水泥, 其化学组成 中 S i O 2 、 C a O、 A 1 2 0 3 、 F e 2 O 3 、 S O 3 、 Mg O、 f C a O、 N a 2 0、 K 2 O含量分 别为 3 1 4 3 、 4 1 2 8 、 1 2
5、 4 3 、 3 3 4 、 3 2 2 、 4 2 5 、 0 7 6 、 0 4 3 、 0 8 0 , 烧 失 量、 碱 含 量 分别 为 1 3 2 、 0 9 7 。 骨料采用 细度模数 为 2 7 1的天然 河砂 和最 大粒 径 为 2 O m m的连续级配碎石。混凝土设计强度等级为 C 4 0 , 配合比 为水 : 水泥 : 砂 : 碎石 =2 0 1: 4 5 7: 5 9 1:1 2 0 1 , 水灰比为 0 4 4, 砂率为 3 3 , 拌和水为自来水。实测标准养护 2 8 d的混 凝 土立方体抗压强度为 5 5 8 MP a 。 试验采用 1 0 0 mm1 0 0 m
6、m 4 0 0 m m标准棱柱体试件, 浇 筑成型后标准养护 2 8 d 。根据实测试件的抗折极限荷载 P 计 算出不同应力等级的荷载。施加的荷载水平 P I P 分别取0 2、 0 4、 0 6 ( 用 2 0 、 4 0 、 6 0 弯拉强度来表示) , 模拟混凝土在 弹性阶段、 比例极限阶段和裂缝稳定扩展阶段的耐硫酸盐侵蚀 情况 。3个试块制成一个应力架 , 采用三分点加载 , 通过 弹簧的 变形对混凝土试件施加荷 载 。将试 件和 应力架 一起放 人硫 酸钠溶液中长期浸泡进行侵蚀试验。硫酸钠溶液浓度为5 0 0 0 0 m g L , 对应于混凝土所处硫酸盐环境非常严重作用等级 j 。
7、 浸泡过程中为保持溶液浓度不变, 用塑料薄膜对溶液进行密封 以防止挥发 , 并且定期更换溶液 , 侵蚀在室 内进 行 , 温度保 持在 2 0左右, 相对湿度保持在 7 0 左右。 为准确反 映硫 酸 根的 一维 侵蚀 规 律, 减 少 多 向侵蚀 的 干 扰, 采用双面( 试件的受拉面和受压面) 侵蚀 , 其余4个面( 包括 成型面) 用石蜡密封 。测试龄期 为浸泡 9 0 、 1 8 0 、 3 6 0、 5 4 0 d 。用 钻机钻取芯样, 用切片机依次从拉压面切取厚度为 1 5 、 2 0、 5 m m的样本 , 第 3层以后样本厚 度均 为 5 m m, 依 次对应 测试侵 蚀深 度
8、为 0 7 5 、 2 5 、 6 、 1 1 、 1 6 、 2 1 、 2 6、 3 1 I r l m 的混凝 土硫酸根离 子含量。采用改进的水泥化学分析方法进行混凝土硫酸根离 子含量测定 。 2 试验结果及分析 由于水泥中含有一定量的石膏和 S O , 使得混凝土在遭受 外部硫酸盐侵蚀之前 , 其内部已含有 一定量 的硫 酸根 , 经 测量 , 内部初始硫酸根含量为 0 7 8 ( 硫酸根含量 以 s 0 计) 。因 此 , 当某层测试的硫酸根含量 超过 0 7 8 时 , 判 定该层受 到 了 外部硫酸盐侵蚀。 2 1 拉应力区传输规律 拉应力区混凝土 中硫酸根离子含量试 验结 果见
9、 图 l 。可以 看出 , 各侵蚀龄期下 , 混凝 土 中硫 酸根 离子含 量均 随深度 的增 加而减小 , 表 明侵蚀过程是 由表及里渐次产生 的。 收稿 日期 : 2 0 0 9 一l 卜1 7 基金项 目: 河南省杰 出青年科学基金资助项 目( 0 4 1 2 0 0 0 2 3 0 0 ) ; 国家 自 然科 学基 金委员会和雅砻江水电开发联合研 究基金 资助项 目( 5 0 5 7 9 0 9 6 ) ; 华 北水利 水电 学院高层次人才科研启动项目( 0 0 0 9 1 9 ) 。 作者简介: 李晓克( 1 9 7 5 一) , 男 河南许昌人, 副教授, 博士, 主要从事水工混凝
10、 土结构基 本理论研 究工作 。 E- ma i l : l l x k l i t 2 ,J 1 e d u cn 97 人 民 黄 河2 0 1 0年第8期 托 槎 删 如 裔 堰 枣 面 札 镶 鹾 缸 葺 侵蚀深 m m ( b ) 1 8 0 d 龄期 侵蚀深 mm f c l 3 6 0 d 龄期 侵蚀深 m m 【 d 4 0 d 龄期 图 1 拉应 力区混凝土中硫酸根离子含量的变化 硫酸根离子主要通过表面的孑 L 隙进入混凝土, 在其进入的 过程中, 部分硫酸根离子将与水泥水化产物发生反应而生成具 有体积膨胀性质的腐蚀产物。通过同步热分析仪对侵蚀产物 的热重分析和热差分析证实腐
11、蚀产物为钙矾石和石膏 。这 些腐蚀产物会堵塞混凝土孔隙, 从而阻碍硫酸根离子继续向混 凝土内部传输, 减缓混凝土内部受到侵蚀, 也会降低内部硫酸 根离子 的含量。在相 同的应力水平下 , 受侵蚀范 围内同一深度 处混凝土硫酸根离子含量随龄期的增长而增加, 表明硫酸盐对 7 昆 凝土的侵蚀具有时间累积效应。这一效应在受侵蚀严重的 浅层, 即在深度为0 7 5 m m和2 5 m m处体现得十分明显。随 着侵蚀龄期的增长, 混凝土受侵蚀深度也加大。 总体上看 , 较高水平的拉应力起到了加速硫酸盐侵蚀混凝 土的作用。在硫酸根离子向混凝土内部的传输方面表现出两 种效应: 一是拉应力促使混凝土原有非贯通
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