机制砂混凝土在冻融循环下的强度和耐久性研究.pdf
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1、2 0 1 1 年 第 7 期 (总 第 2 6 1期 1 Nu mb e r 7 i n2 0 1 l ( T o ml No 2 6 1 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 原材料及辅助物料 M ATERJ AL AND ADM I NI CL E 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 7 0 2 6 机制砂混凝土在冻融循环下的强度和耐久性研究 陈正发 ,刘桂凤 ,马建 ( 1 山东理工大学 建筑工程学院,山东 淄博 2 5 5 0 4 9 ;2 淄博泰山建设项目管理有限公司,山东 淄博 2 5 5 0 3 5
2、) 摘要: 目前, 对机制砂混凝土在恶劣环境下的强度和耐久性的研究较少。 在对原材料性能测试和混凝土配合比试验的基础上, 对 C 3 0 机制砂混凝土开展了冻融循环试验研究。 对比 研究了冻融循环、 冻融循环后酸腐蚀和冻融循环后碱腐蚀三种情况下机制砂混凝土的质量、 强 度和相对动弹模量的变化规律。 试验结果表明机制砂混凝土在冻融循环后质量、 抗压强度和相对动弹模量都显著降低, 并随冻融次数的 增加降低的越多; 机制砂混凝土在冻融循环后, 耐酸、 碱性侵蚀等的耐久性能明显减弱, 且经受的冻融次数越多其耐酸、 碱性侵蚀的能力 越低 , 以耐酸侵蚀的能力最低。 关键词: 机制砂混凝土;冻融循环;强度
3、;耐久性 中图分 类号 : T U5 2 8 O l 文献标 志码 : A 文章编号 : 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 1 ) 0 7 0 0 7 9 0 3 St u dy on t he s t r en Igt h an d du r abi l i t y o f c on c r e t e wi t h man uf a c t ur e d-s a nd unde r c ondi t i on of f r e e z e- t ha w c yc l e CHEN Z he n g - f a , L1 U Gu i f e n g , M A J a n
4、( 1 S c h o o l o f A r c h i t e c t u r e E n g i n e e ri n g , S h a n d o n g Un i v e r s i t yo f T e c h n o l o g y , Z i b o 2 5 5 0 4 9 , C h i n a 2 Z ib oT a i s h a nC o n s tr u c t i o nP r o j e c t Ma n a g e me n t C o , L t d , Z i b o2 5 5 0 3 5 , C h i n a ) Ab s t r act:No wa
5、d a y s , f e w i n v e s t i g a t e d i n t h e s e n g t h a nd d u r a b i l i t y o f c o n c r e t e wi t h ma n u f a c t ur e d s an d i n s e v e r e e n v i r o n me n t Ex p e rime n t s tud i e s o n C3 0 c o nc r e t e wi t h ma n nf a c t u r e d - s an d we r e c a r r i e d o u t u n
6、 d e r c o n d i t i o n o ffre e z e t h a w c y c l e , wh i c h b a s e d o n t h e t e s t i n g o f r a w ma t e r i a l pe r f o r ma n c e an d c o n c r e t e mi x r a t i o n A c o mp a r a t i v e s tud y o n t he c h an g i n g l a ws o ft h e ma s s , s t r e n g t h an d t h e r e l a t
7、 i v e d y n a mi c e l a s t i c mo d u l u s of c o n c r e t e wa s ma d e i n t h r e e c a s e s wh i c h we r e fre e z e t h a w c y c l e f r e e z e t ha w c y c l e an d a c i d c o r r os i o n a n d e e z e t h a w c y c l e an d a l ka l i c o rro s i o n Th e r e s u l t s o f t e s t
8、s i n d i c a t e d t h a t t h e ma s s s t r e n g f h an d t h e r e l a t i v e d y n a mi c e l a s t i c mo d u l us o f c o n c r e t e wi t h ma nu f a c t u r e d s and d e c r e a s e d ma r k e dl y wi t h t h e i n c r e a s i n g o f t i me s o f fre e z e t h a w c y c l e Th e d ur a
9、b i l i t y o f a c i d and a l k a l i r e s i s t a n t o f c o n c r e t e wi t h man u f a c t u r e d s a nd wa s a l s o r e m ark a b l y we a k e ne d d u e t o the a c t i o n o f fre e z e tha w c y c l e Th e c a p a b i l i t y o f a c i d an d a l k a l i r e s i s t an t o f t h e c o
10、n c r e t e wa s we a k e r an d we a k e r wi t h t h e i n c r e asi n g o f t i me s o f fr e e z e t h a w c y c l e , e s p e c i a l l y the ant i - a c i d c a p a b i l i ty Key wor ds : c o n c r e t e wi t h man u f a c t u r e d s an d; fre e z e -t ha w c y c l e ; s t r e n g t h; d u r
11、 a bi l i t y 0 引言 随着我国经济建设的迅猛发展, 各类建设项目与 13俱增 , 混凝土的需求量不断加大, 用砂量也逐年增加。 据统计 , 我国 仅建筑用砂石年均需求量约为 5 0 亿 t 。 长期以来, 对天然砂的 过度开采导致了天然砂资源枯竭, 以致出现了天然砂质量差、 价格高的局面。 开采天然砂不仅消耗了大量的资源 , 而且严重 地破坏了生态环境。 为了解决天然砂供应不足的矛盾 , 利用人 工砂替代天然砂已越来越受到重视, 成为社会发展的必然趋势, 并已在生产实践中得到了广泛的使用 。 尽管机制砂在混凝土 中的应用 已很普遍 , 但是关于机制砂混凝土在复杂环境下的 各种物
12、理力学性能的研究却并不多见 , 尤其是在恶劣条件下 的物理力学性能的研究。 在实践工程中, 机制砂混凝土所处的 工作环境绝大多数都比较复杂, 而由于缺少这方面的研究, 在 工程设计时, 大部分条件下都参照使用了天然砂混凝土的相 关设计要求和标准。 但由于天然砂和机制砂在物理( 如级配 、 粒形 、 质地 、 石粉含量等) 和力学性能上都有一定的差异, 这就 在一定程度上导致了设计的不合理性 , 理论依据不足, 无法确 保工程质量, 甚至引发工程质量事故, 给国家和社会造成严重 的经济损失。 冻融循环产生的破坏作用, 对混凝土结构的耐久性有很大 影响, 在我国的东北 、 华北、 西北地区的水工大
13、坝 , 尤其是东北 严寒地区的混凝土结构物, 几乎 1 0 0 的工程局部或大面积地遭 受不同程度冻融破坏。 调查发现, 混凝土冻融破坏不仅在“ 三北” 地区存在, 而且在长江以北黄河以南的中部地区, 混凝土结构 物的冻融破坏现象也广泛存在。 由此可见, 冻融循环已经成为影 响混凝土耐久性的最重要的因素之一 1 。 近几十年, 很多研究人 员围绕混凝土的冻融破坏机理、 混凝土的材料结构及外加剂等 方面2 - 7 进行研究 , 但对混凝土经受冻融循环后的强度研究却不 够系统, 且上述研究对象都是天然砂混凝土。 本研究通过对 C 3 0机制砂混凝土在冻融循环环境下的强 度和耐久性能的研究, 分析冻
14、融循环对机制砂混凝土的强度和 耐久性能的影响及作用机理, 给冻融循环条件下混凝土的强度 和耐久性设计提供参考。 收稿 日期 :2 0 1 1 _ 0 1 - 2 4 基金项目:山东省 自 然科学基金项目( Z R 2 0 0 9 F M0 2 0 ) ; 国家自然科学基金项 目( 5 0 7 0 9 0 3 1 ) 7 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1试 验 方 法 1 1 原材料及配合比试验 为了更能体现工程的实际情况, 本研究所用机制砂取 自工 程现场正在使用的机制砂。 本试验根据国家标准 G B T 1 4 6 8 4 2 0 0 1 建筑用砂 对机
15、制砂的颗粒级配、 表观密度、 堆积密度、 泥 块含量及含水率等进行了测试。 经测试 , 该砂的细度模数为 3 2 , 砂的级配筛余量部分在 1区, 部分在 2区, 可以界定为中粗砂 , 砂的表观密度 、 堆积密度、 含水率等指标都符合建筑用砂标准。 碎石也是取自工程现场 , 按照 G B T 1 4 6 8 5 -2 0 0 1 ( 建筑用卵石 、 碎石 的规定对碎石的级配、 表观密度 、 堆积密度 、 泥块含量和 含水率等进行测试, 均符合要求。 水泥采用 P O 3 2 5级水泥, 根 据检测, 各出厂指标均达标。 对 C 3 0机制砂混凝土进行配合比试验, 坍落度要求为 8 O 9 0
16、fi l m。 先参照 J GJ 5 5 2 o 0 0 普通混凝土配合 比设计规程 , 按 天然砂的配合比设计方法计算出配合比并进行试配, 然后根据 天然砂与机制砂的性能差异及试配结果, 对计算出的配合比进行 了适当调整。 C 3 0机制砂混凝土的最终配合比为: 水泥:砂: 石: 水 = l : 1 06 : 2 1 6 : 0 47 。 1 2冻融循 环及 性 能指标 试验 目前 , 我国的 S D 1 0 5 8 2 水工混凝土试验规程 与 G B J 8 2 8 5 普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法 中, 关于 混凝土抗冻性能的试验方法有“ 快冻法” 和“ 慢冻法” 两种。 而 J
17、 T J 2 7 O 一9 8 水运工程混凝土试验规程 和 J T J 0 5 3 9 4 公 路工程水泥混凝土试验规程 1 1 以及新规范 D L T 5 1 5 0 2 0 0 1 水工混凝土试验规程 【 l 2 1 中只有“ 快冻法” 。 由于“ 慢冻法” 以? 昆 凝土试件冻融循环后的抗压强度损失率或失重率为评定指标, 存在试验周期长、 结果准确性差及试验工作量大等不足。 因此 , 本研究参照 DL T 5 1 5 O 一2 o 0 l 水工混凝土试验规程 “ 混凝土抗 冻性试验” 方法对机制砂混凝土进行快速冻融试验。 冻融试件共 分三组 , 每组 3个试件, 分别编号, 各组的冻融循
18、环次数分别为 5 、 1 0 、 1 5次 ; 另有一组试件不进行冻融, 直接测量各种参数 , 和 冻融试件作为对比。 为模拟实践工程中混凝土同时受多因素复合作用环境, 在 进行冻融循环时附加酸、 碱腐蚀作用, 以揭示机制砂混凝土在 双因素作用下的破坏规律, 并与单因素作用下的破坏作用进行 对比分析。 冻融循环+酸试验。 试件分三组, 将经过 5 、 1 0 、 1 5次冻融循 环的各组机制砂混凝土试件取出, 分别放人盛有浓度为 5 的冰 醋酸溶液的容器中浸泡。 同时将一组未经冻融循环的试件放入 盛有浓度为 5 的水杨酸溶液的容器中浸泡,浸泡时液面高出 试件顶面 2 0 I n m。 冻融循环
19、 +碱试验。 试件分 3 组 , 将经过 5 、 1 0 、 1 5次冻融循 环的各组机制砂混凝土试件取出, 分别放入盛有浓度为 1 0 的 Na 2 C O 溶液的容器中浸泡。 同时将一组未经冻融循环的试件放 人盛有浓度为 1 0 的 N a : C O 溶液的容器中浸泡, 浸泡时液面高 出试件顶面 2 0mm。 每种试验中的各组试件浸泡达到设定时间后取出, 用湿布 擦除表面水分 , 测量其长度及宽度尺寸并称重, 然后测试其动 弹性模量。 按 G B T 5 0 0 8 1 -2 0 0 2 ( 普通混凝土力学性能试验方法 标准 用液压压力试验机测定各组试件的抗压强度。 2 试验 结果及 分
20、析 试验结果如表 1 - 3所示。 表 1 冻融循环试验 试验中试件的质量损失率按式( 1 ) 计算。 I t - Go - G 1 0 0 G0 式中: n次冻融循环后试件的质量损失率 ; G 。 冻融前的试件质量; G n次冻融循环后试件的质量。 8 0 试验中的相对动弹性模量按式( 2 ) 计算。 o 0 式中: P n n次冻融循环后试件的相对动弹性模量; 试件冻融循环前的自振频率 , Hz ; 试件冻融 n次循环后的自振频率, Hz 。 ( 2 ) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 由表 1 - 3可看出, 混凝土在冻融 5次后的质量损失为负值 , 而冻
21、融 5次后再经酸、 碱液侵蚀的质量损失也没有在单独酸、 碱 侵蚀的条件下质量损失大。 究其原因可能是冻融循环次数较少 时混凝土的剥蚀微弱, 但试件内部依然产生了部分微小裂缝致 使其吸水率增加, 吸水的质量大于混凝土剥蚀所损失的质量, 从 而导致混凝土试件的质量增大。 但随着冻融循环次数的增加, 混凝土的剥蚀越来越严重, 其因剥蚀而损失的质量要比吸水所 增加的质量要大的多 , 并最终导致混凝土质量的减小。 图 1给 出了不同环境下试件的质量损失率与冻融循环次数的关系。 由 图 1 可以看出, 同样的冻融循环次数下, 经酸、 碱腐蚀的试件的 质量损失要大于单纯冻融循环试件的质量损失, 其中以酸侵蚀
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