结构混凝土耐久性影响因素的研究进展与探讨.pdf
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1、结构混凝土耐久性影响因素的研 究进展与探讨 徐 国良等 1 1 1 结构混凝土耐久性影响因素 的研 究进展与探讨 徐 国良 , 王彩辉 ( 1 保山学院资源环境学院, 保山 6 7 8 0 0 0 ; 2 东南大学材料科学与工程学院, 南京 2 1 1 1 8 9 ) 摘要 综述 了不 同因素对 结构 混凝 土耐久性的影响 。主要讨论 了服役环境 对结构混凝土耐久性 的影响 , 包括 荷载、 氯离子、 冻融、 硫酸盐及碳化 ; 还分析 了如粉煤灰、 细晶粒钢筋等材料对氯离子临界值浓度的影响; 对今后研究 结构 混凝 土耐久性 问题提 出了一 些建议 。 关键词 耐久性荷载冻融硫酸盐 中图分类
2、号 : T U5 2 8 文献标 识码 : A Re s e a r c h Pr o g r e s s a nd Di s c u s s i o n o n t he Fa c t o r s I nf l u e n c i n g t h e Du r a bi l i t y o f S t r u c t u r a l Co nc r e t e XU Gu o l i a n g ,W ANG Ca i h u i ( 1 Re s o u r c e s a n d En v i r o n me n t a l S c i e n c e s o f B a o s h
3、a n Co l l e g e ,Ba o s h a n 6 7 8 0 0 0 ;2 S c h o o l o f Ma t e r i a l s S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g , S o u t h e a s t Un i v e r s i t y , Na n j i n g 2 1 1 1 8 9 ) Ab s t r a c t Th e i n f l u e n c e o f d u r a b i l i t y o f s t r u c t u r a l c o n c r e t e i s r e p
4、 r e s e n t e d S e r v i c e c o n d i t i o n s i n c l u d i n g l o a d i n g , c h l o r i d e i o n,f r e e z e - t h a wi n g ,s u l p h a t e a n d c a r b o n a t i o n a r e d i s c u s s e d ,r e s p e c t i v e l y Ef f e c t s o f r a w ma t e r i a l s i n c l u d i n g f l y a s h,f
5、i n e g r a i n s t e e l b a r s ,e t c ,o n t h e d u r a b i l i t y o f s t r u c t u r a l c o n c r e t e a r e a l s o a n a l y z e d At l a s t ,s o me s u g g e s t i o n s o n t h e f u t u r e s t u d i e s o f s t r u d c t u r a l c o n c r e t e a r e p r o p o s e d Ke y wo r d s d u
6、 r a b i l i t y,l o a d i n g ,fre e z i n g - me l t i n g,s u l p h a t e 结构混凝土的耐久性是指结构混凝土在服役过程 中的 结构稳定性 _ 1 , 其直接影 响结构混凝土 的服役寿命。 目前 , 可将结构混凝土耐久性的影响因素分为两类 : 第一类 为 自身 因素即构成结构混凝土的材料 , 包括骨料 、 水泥、 掺合料 ( 多 为硅灰 、 粉煤灰和矿渣) 、 水、 外加剂等 ; 第二类为外界影响因 素或称为服役环境 , 包括荷载、 混凝土 的碳化 、 氯盐侵蚀、 冻 融等。 第一类影响因素中, 骨料和水泥 的研究较为
7、成熟 , 对混 凝土性能的影响规律性也较强, 如在其他材料不变化时 , 骨 料 的最大粒径越小 , 骨料的表面积就越大 , 在获得相同和易 性的情况下 , 水灰 比就越大 , 且最大粒径越小时 , 混凝土 中的 界面体积就越大 , 界面越多 , 对混凝土的传输影响就越显著, 对其耐久性影响就越 明显 ; 水泥亦有类似现象 , 如水泥 ( 这里 指纯水泥 , 不考虑掺合料的影 响) 的细度增加时 , 要获得相同 的和易性 , 则应提高水灰 比; 掺合料对耐久性的影响规律有 所不同, 在文中会有相应的说 明。 第二类影响因素较 为复杂 , 在实际工况 中, 多为两种或 两种以上的因素耦合 , 如结
8、构混凝土通常是在承载工况下服 役 , 不可避免地受碳化、 冻融等因素 的共 同作用 , 本文正是基 于目前的研究进展综合分析了第二类影响因素对混凝土耐 久性的影响规律及机理 , 为进一步研究耐久性提 出了相应 的 建议 。 1 氯盐对混凝土耐久性 的影响 氯盐 以氯离子的形式通过不 同的方式 ( 扩散 、 电迁移及 虹吸等) 向混凝土内部传输 , 在传输过程中与胶凝材料的水 化产物生成 F r i d e l 盐 , 减少 自由氯离子 向混凝土内部扩散 , 在一定条件下( 多为 p H值 的变化引起) , 形成 的 F r i d e l 盐会 再次分解 , 然后在适当的条件下继续 向混凝土
9、内部传输。氯 离子到达钢筋表面时, 首先会不断累积, 当达到一定量时, 钢 筋表面在碱性条件下形成的钝化膜会遭到破坏, 钢筋开始腐 蚀 , 钢筋的有效截 面积变小 , 承载力开始下降。由此可见钢 筋表面的氯离子临界值浓度相当关键 。 为了分析氯盐作用下结构混凝土的耐久性 , 将钢筋表面 氯离子浓度达到钢筋表 面钝化膜开始破坏时的值称为临界 值浓度, 并 以此来定义结构混凝土的寿命 。首先分析 O P C ( 普通混凝土) , 氯离子的临界值浓度取 0 4 l_ 2 , 氯离子扩散 系数为 3 0 9 l 0 1。m。s , 为氯离子时变性扩散 系数 中的 参数 3 , 取 0 3 4 , 海上
10、盐雾浓度取 1 4 。 图 l为保护层厚度与混凝土耐久性 的关系 图。从 图 1 中可以发现 , 无论是否考虑氯离子扩散的时变性 因素 , 若要 保证结构混凝 土 1 0 0年 的服役寿命, 其 保护层的厚度均较 *东南大学优秀博士论文基金( Y B J J 1 1 2 9 ) 徐国良: 男, 1 9 6 9年生, 副教授 , 研究方向为无机化学及无机非金属材料 E - ma i l : b s x y x g l 1 2 6 c o rn 王彩辉: 男, 1 9 8 1年生, 博 士生, 研究方向为无机非金属材料Dma i l : wa n g e a i h u i 7 7 7 7 7 7
11、 1 6 3 c o m l 1 2 材料导报 A: 综述篇 2 0 1 3年 6月( 上) 第 2 7卷第 6期 大, 从经济角度来考虑 , 这样的做法过于浪费 。 Co v e r d e p t h mm 图 1 保护层厚度与混凝土寿命 的关 系 Fi g 1 Re l a t i o n s h i p b e t we e n c o v e r d e p t h a n d s e r v i c e l i f e o f c o n c r e t e 日 口 0 0 0 二 = 2 图 2 采用掺合料和细晶粒钢筋下保护层厚度对 混凝土寿命的影响 Fi g 2 Ef f e
12、c t o f c o v e rd e p t h o nser v i c el i f e o f c o n c ret ewi t h a d mi x t u r e an d HRBF 从原材料角度考虑 , 可采用粉煤灰等量取代水泥 的方法 来提高结构混凝土的抗渗性能 , 尤其是降低氯离子的传输性 能。在此分析结构混凝 土中采用细晶粒钢筋 5 对混凝土耐 久性 的影响。通过文献 5 可知, 此工况下 , 氯离子临界值浓 度为 0 5 , 扩散 系数 D 为 1 5 6 1 0 m 2 s , 取 0 6 6 ( 图 1 一图 4 均采用菲克第二定律为基本模型来计算) 。 图 2
13、为掺合料和细晶粒钢筋对结构混凝土服役 寿命 的 影响。从图 2中可 以发现, 当掺入一定掺合料时, 离子传输 系数降低, 且 由于 细晶粒 钢筋 的氯离 子临界 值浓 度变 为 0 5 , 在不考虑氯离子传输系数随时间的变化时, 要保证结 构混凝土 1 0 0 年的寿命 , 其保护层厚度依 旧很大; 但图 2 ( b ) 显示 , 考虑氯离子传输的时变性时, 其保护层厚度明显下降。 在上述研究中, 均没有考虑荷载因素对氯离子传输性能 的影响。通过文献 6 调查 , 发现混凝土在抗弯条件下 , 氯离 子的扩散速率会加快 , 且荷载 比为 0 3和 0 6 时 , 扩散系数 分别为无荷载时的 1
14、0 1 和 1 8 8 倍 。由以上分析可知 , 出于 安全和经济考虑 , 需采用掺加粉煤灰和细晶粒钢筋的方案来 保证其较长的寿命 , 且应考虑时变性 因素 。 Co v e r d e p t h ram 图 3 采用掺合料和静荷载下保护层厚度对 混凝土寿命的影响 Fi g 3 Ef f b c t o f c o v e rd e p t h o n servi c e l i f e o f c o n c ret e wi t h a d mi x t u r e an d HRB F 图 4 疲劳荷载对混凝土寿命的影响 F i g 4 Ef f ect o ff a t i g u
15、el o a d i n g o nser v i c el i f e o f c o n c ret e 图 3 和图 4 分别 为静荷载和疲劳荷载对结构混凝土服 役寿命的影响。从图 3中可以看 出, 随着静荷载的增加其加 速系数显著增加 , 在结构混凝土 的寿命都 为 1 0 0年的情况 芝 苟鲁 0 0 芎 皇 0 _ 艺 力 B , 鲁 口 0 u J 0 a J I l 0 一 E0 d 昌口 0 0 0 J 0 力 B , 昌 目 0 0 J U I I 0 l A 结构混凝土耐久性影响因素的研 究进展与探讨 徐 国良等 1 1 3 下 , 静荷载大的其保护层厚度要求越大, 与图
16、 4中疲劳荷载 相比, 即使疲劳荷载 的荷载值较静荷载低 , 但其加速系数却 相对较大 , 这就意味着需要更厚 的保护层来保障其耐久性 。 就 目前疲劳荷载对氯离子存在下结构混凝土耐久性 的影响 研究来看 , 均是交替式进行, 即先将试件进行疲 劳加载再进 行氯离子传输 , 这与实际情 况存在一定的差别, 因此两者之 间的协同作用行为可作为进一步研究的目标 。 2 冻融循环对混凝土 耐久性 的影响 混凝土受冻融破坏后一般表现 出表面疏松、 剥落、 骨料 外露 , 甚至露筋等现象 。冻 融破坏是我 国东北、 西北 和华北 地区水工混凝土建筑在运行过程 中产生的主要病害, 对于水 闸、 渡槽等中小
17、型水工混凝土建筑物,冻融破坏的地 区范围 更为广泛, 除三北地区外 , 华东、 华中的长江 以北地 区以及西 南高山寒冷地区, 均存在此类病 害。较为典型的工程如东北 的云峰水 电站, 大坝建成运行不到 1 0年 , 溢流坝表面混凝土 冻融破坏面积就 高达 1 0 0 0 0 m。 , 占整个溢流坝面的 5 O 左 右 , 混凝土平均冻融剥蚀深度达 1 0 c m以上 7 。 关于混凝土冻融破坏的机理 , 国内外学者做了大量的理 论和试验研究 , 提出众多学说, 包括静水压力理论 、 渗透压理 论 、 冰棱镜理论 、 基于过冷液体的静水压力修正理论、 饱水度 理论等 , 其 中以 P o w
18、e r s T C 的静水压力理论和渗透压理论 最为经典 。 。 静水压力假说认为 , 在冰冻过程 中, 由于混凝土孔 隙中 的部分孔溶液结冰时体积膨胀约 9 0 , 迫使未结冰的孔溶 液从结冰区向外迁移 , 孔溶液在可渗透的水泥浆体结构中移 动必须克服粘滞阻力 , 因而产生静水压力 , 形成破坏应力 。 渗透压假说认为 , 由于水泥浆体孔溶液呈碱性 , 冰晶体 的形成使这些孔隙中未结冰孔溶液浓度上升 , 与其他较 J , L 隙中未结冰孔溶液之 间形成浓度差 , 在 这种浓度差 的作用 下 , 较小孔隙中未结冰孔溶液向已出现冰晶体的较大孔隙中 迁移 , 产生渗透压力。孔溶液的迁移使结冰孔隙中
19、冰和溶液 的体积不断增大 , 渗透压也相应增长。渗透压作用于水泥浆 体 , 导致水泥浆体 内部开裂 。 混凝土冻融循环 的影响因素主要有孔结构、 饱水度 、 含 气量及降温速率和最低冻结 温度等 。断献 良等口 ” 的研究 发现 , 连通的毛细孔对混凝土的抗冻性影响最大。吴中伟教 授曾提出孔结构理论 , 认为混凝土的冻融破坏与混凝土内部 微孔结构有关 , 分为 4 个等级 , 即: ( 1 ) r 2 0 t z m 的为无害 孔 ; ( 2 ) r 一2 0 5 0 m的为少害孔 ; ( 3 ) r 一5 O 2 0 0 F m 的为 有害孔; ( 4 ) r 2 0 0 F m 的为多害孔
20、 , 对混凝土冻融影响较大 的为 r 1 0 0 F m 的孔_ 1 引 。通常孔 隙率越大 , 相对含水量越 多, 冻融过程 中体积变化就越大 , 即水灰 比越大其抗冻性越 差。3种形式的水 即化学结合水 、 物理 吸附水和 自由水在混 凝土中位置及形式不同, 对其抗冻性有不 同程度 的影响 , 其 中温升对化学吸附水影响不大; 而物理吸附水存在于水泥水 化产物表面, 通常在一7 8以下结冰 , 对混凝土的抗冻性影 响也不大; 但 自由水存在于不同的毛细孔和大孔中, 其含量 直接影响混凝土 的抗冻性 。通常认为混凝土含水量小 于孔 隙总体积的 9 1 7 就不会产生冻结膨胀压力 , 该数值称
21、为临 界饱水度, 目前对于临界饱水度 的定义还存在争议; 混凝土 的含气量也是直接影响混凝土抗冻性的主要因素。这些引 入的微细孔在混凝 土受冻初期能使毛细孔 中的静水压力减 小 , 起到减压作用 。在冻融循环过程中, 降温速率越大 , 混凝 土破坏的速度和程度也就越大。 目前主要通过改善混凝土孔结构( 如加入引气剂、 掺加 掺合料等) 和外部环境条件( 做好混凝土设施的防渗、 排水及 施工过程中的保暖等措施) 来提高混凝土抗冻性 。其 中掺人 矿物掺合料有着一举多得的效果 , 即废物利用、 减少污染、 优 化混凝土结构 、 提高混凝土性能。有研究发现当粉煤灰的用 量在 3 O 时, 能达到最佳
22、的抗冻效果。东南大学的孙伟等将 硅灰和超细粉煤灰进行了双掺 , 使混凝土的抗冻性得到了较 好 的改善。还有研究 1 。 发现, 当混凝土冻融方式不同时其冻 融破坏机理也不 同, C 3 0 、 C 5 0粉煤灰混凝土冻融破坏机理对 于快冻法主要是饱和状态下的结冰压力破坏, 对于慢冻法则 主要为结冰压力和干湿温差应力综合破坏, 并且采用 I 级粉 煤灰和低引气型高效减水剂双掺技术所制备的 C 5 0粉煤灰 混凝土具有 良好 的抗冻性 , 能经受 3 0 0次( 慢冻法)冻融循 环 。 L u c B o i s v e r t 通过冻融循环 的方式将混凝 土破坏 , 使其 产生一定的裂纹 , 然
23、后通过饱和水的方式再养护使其裂纹愈 合 , 研究其愈合前后氯离子 的扩散性能。研究表 明, 冻融循 环产生微裂纹, 使混凝土的氯离子扩散速率增加 2 5 8 倍 , 强度下降 4 O 8 O , 这证明微裂纹的存在确实加速了氯离 子 的扩散, 经养护愈合后 , 其强度恢复值 为破坏 时的 O 1 O , 氯离子扩散系数恢复值为 2 8 3 5 ; 加 引气剂的同 样配 比的混凝 土, 其经 3 0 0次冻融循环后没有 出现层 间裂 纹。 2 0 1 1 年 , 朱方之等 1 4 , 1 s 采用压汞实验和中子成像相结合 的技术 , 分析 了冻融后表层混凝土的孔结构劣化与损伤特 性 , 结果表明
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