混合腐蚀环境下改性混凝土的力学性能.pdf
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1、弟 l 5巷 弟 Z列 2 0 1 3年 4月 建筑材料学报 J OURNAL OF BUI L DI NG M ATERI ALS Vo 1 1 6 , No 2 Ap r , 2 0 13 文 章 编 号 : 1 0 0 7 - 9 6 2 9 ( 2 0 1 3 ) 0 2 0 3 3 0 0 5 混合腐蚀环境下 改性混凝 土的力学性能 郭进 军 , 韩 菊红 , 卢 燕 ( 郑州大学 水利与环境学院,河南 郑州 4 5 0 0 0 0 ) 摘 要 :分 别配 制 包含 S O i 一, C r , NH 和 Mg 抖 , C 1 一, NH 的 两组 高浓度 混合 腐蚀 溶液 , 对普
2、 通 混 凝土 、 掺粉 煤灰 混凝 土 、 掺 聚 丙烯 纤 维混 凝 土 和 双掺 ( 聚 丙烯 纤维 和 粉 煤灰 ) 混凝 土试 件 进行 快速 腐蚀 试 验 , 得 到 了 3 0 , 6 0 , 9 O , 1 5 0 d下各 类混凝 土的抗 压 强度 、 劈 拉 强度 与 弹性模 量 的 变化规 律 结 果表明: 硫酸根混合溶液中腐蚀 离子之间呈现相互削弱的关系, 延缓 了混凝 土的损伤过程; 而铗 离 子混合溶液中腐蚀介质则表现 出相互叠加 的效应 , 加速 了混凝土的侵蚀进程 在 混凝 土中掺 入粉 煤 灰 和 聚 丙烯 纤 维进 行 改 性 能 够 显 著 提 高 混 凝
3、土 的 抗 腐 蚀 性 能 , 其 腐 蚀 后 劈 拉 强 度 可 以提 高 2 5 5 7 改性 混凝土 成功应 用 于城 市污水 处理厂 改造 工程 中, 防腐性 能优 良, 经 济效益 显著 关键 词 :混 凝 土 ;混合腐蚀 溶 液 ;抗 压 强度 ;劈拉 强度 ;弹性模 量 中图分 类号 : TU5 2 8 0 1 文献标 志 码 : A d o i : 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 7 9 6 2 9 2 0 1 3 0 2 0 2 7 M e c h a n i c a l Pr o pe r t i e s o f M o d i f i e d Co
4、 nc r e t e Ex p o s e d t o Co mp o s i t e Co r r o s i v e En v i r o n me n t GUO J i n - j U n, ( S c h o o l o f Wa t e r Co n s e r v a n c y& En v i r o n me n t HAN J u h o n g LU Y a n E n g i n e e r i n g,Z h e n g z h o u Un i v e r s i t y,Z h e n g z h o u 4 5 0 0 0 0,Ch i n a ) Ab s
5、t r a c t :Ac c e l e r a t e d c o r r o d i n g e x p e r i me n t s o f o r d i n a r y c o n c r e t e a n d mo d i f i e d c o n c r e t e ( f l y a s h c o n c r e t e , p o l y p r o p y l e n e f i b r e c o n c r e t e a n d c o n c r e t e mi x e d wi t h f l y a s h a n d p o l y p r o p
6、y l e n e f i b r e )i mme r s e d i n t wo g r o up of h i gh c on c e nt r a t e d mi xe d c o r r os i v e s ol u t i o ns we r e c a r r i e d o ut The t wo mi xe d c o r r os i v e s ol ut i o ns c on s i s t o f So 一, C1 一 , NH a n d M g 。 , C1 一 , NH r e s pe c t i v e l y Cha n ge t e n de n
7、c y o f c o m p r e s s i v e s t r e ng t h, s p l i t t i ng t e ns i l e s t r e n gt h a nd e l a s t i c mod ul us o f mo di f i e d c on c r e t e v a r y i n g wi t h c o r r os i v e a ge( 3 0,6 0,9 0 a n d 1 5 O d ) we r e o b t a i n e d Th e r e s u l t s s h o w t h a t c o r r o s i v e
8、 e f f e c t s o f i o n s we a k e n e a c h o t h e r i n s u l f a t e mi x e d s o l u t i o n a n d a l l e v i a t e t h e d a ma g e p r o c e s s o f c o n c r e t e On t h e c o n t r a r y ,t h e y wi l l a g g r a v a t e i n ma g ne s i um m i xe d s ol u t i o n a nd a c c e l e r a t e
9、 t h e e r o s i o n pr o c e s s Re s i s t i ng c o r r os i o n p r o pe r t y o f c o nc r e t e i s i m p r o v e d ma r k e d l y b y me a n s o f mi x e d i n f l y a s h a n d p o l y p r o p y l e n e f i b r e ,wh i c h r e s u l t s i n 2 5 一5 7 i n c r e a s e o f c or r o d e d s pl i t
10、 t i n g t e ns i l e s t r e n gt h c o mpa r e d t o o r d i na r y c onc r e t e Th e mod i f i e d c o nc r e t e wa s S UC c e s s f u l l y a p p l i e d i n r e n o v a t i o n p r o j e c t o f mu n i c i p a l s e wa g e p l a n t wi t h e x c e l l e n t a n t i c o r r o s i o n p e r f o
11、 r ma n c e a nd s i gn i f i c a n t e c o no mi c be ne f i t Ke y wo r d s:c o nc r e t e;c o mpo s i t e c or r o s i ve s ol u t i o n;c o mpr e s s i ve s t r e ngt h;s pl i t t i ng t e n s i l e s t r e ng t h;e l a s t i c mo dut u S 混凝土结构 由于各种腐蚀介质所导致的损伤劣 化已成为结构耐久性 问题中非常重要的课题 腐蚀 环境主要分布在市政工程
12、、 海岸结构工程、 水利港 口 工程、 交通工程及广阔的盐碱地带等 如青海盐湖平 均硫 酸根离 子 ( S oi 一 ) 质 量浓 度为 2 2 3 g L, 氯 离 子 ( C 1 一 ) 质量浓 度 为 2 0 4 g L, 镁 离 子 ( Mg ) 质 量 浓 收稿 日期 : 2 0 1 2 0 3 2 3 ;修 订 日期 : 2 0 1 2 0 6 0 6 基金项 目: 河南省科技攻关项 目( 0 9 2 1 0 1 2 1 0 2 0 5 ) 第一作者 : 郭进军( 1 9 7 2 一) , 男 , 河南郑州人 , 郑州大学教授 , 博士 E - ma i l : g u o j i
13、 n j u n z z u e d u c n 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 期 郭 进军 , 等 : 混合腐蚀 环境 下改性混凝土的力学性能 3 3 1 度为 3 3 7 g L _ 1 多种腐蚀介质严重影 响 了钢筋混 凝土结构的使用寿命 , 导致在较短服役时间内出现 混凝 土 剥 落 、 开裂 , 直至 钢 筋锈 胀 , 影 响结 构 的安 全 使用 目前 , 混凝土腐蚀研究主要针对普通混凝土受 到单一 离 子 的 腐 蚀 , 常 见 的 有 S 0 一, C I 一等对 混 凝 土的侵 蚀作 用 , 但 对 混合腐 蚀溶 液 环境 下 混凝
14、土 力 学性 能 的变化 规 律 研 究 较 少 _ 7 当前 , 城 市 工业 废水 及 生活 污水 量 逐 年增 长 , 国家对 环 境 治 理 的 投 资力度加大 , 各类污水处理设施的建设正在加紧展 开 , 在沿 海及西 北盐 碱地 带 的化工 废水 、 城市 地 下排 污管 道 的污水 中 , 含有 大量 的硫酸 盐 、 氯盐 以及 铵根 离子 等腐 蚀介 质 , 对 以混凝 土 为材 质 的水 处 理设 施 造成 了严 重损 伤 处于恶劣腐蚀环境下的混凝土结构物 , 研究其 抗腐蚀性能旨在为混凝 土结构的耐久性设计提供科 学参考 , 以增强混凝土的抗腐蚀能力 然 而, 在材料 本
15、身 不进行 革 新 的前 提 下 , 混 凝 土 抗腐 蚀 能力 的提 高是微 乎其微 的 因此 , 研究 开发 工程 上 可行 的耐腐 蚀 改性 混凝 土新 材 料 , 利 用 改 性 材 料 良好 的耐 腐 蚀 性 和混 凝土 经济 可 靠 的 特 点 , 研 究改 性 混 凝 土 材料 题 具有 重要 的工 程意 义 本文选取硫酸根离子、 氯离子 、 镁离子和氨离子 进行混合, 对改性混凝土力学性能进行快速腐蚀试 验研 究 , 以期 为 腐蚀 环 境 下 混凝 土耐 久 性 能设 计 与 工程 应用 提供 参考 1 试验概况 1 1材 料与 配合 比 采用 3 2 5级普 通硅 酸盐水
16、泥 、 细度模 数 2 6的 中砂 、 粒径 5 2 O mm 的粗骨料, 混凝土设计强度等 级为 C2 5 为提 高混凝 土 的抗 腐蚀 性 能 , 选 择 粉 煤 灰 和 聚 丙 烯纤 维作 为掺 和料 对 混 凝 土进 行 改 性 , 粉 煤 灰 为 工级粉 煤灰 , 聚丙 烯纤 维 为杜 邦 短纤 维 设 计 浇 注 4 种混凝土试件 : 普通混凝 土( P ) 、 掺聚丙烯纤维混凝 土( J ) 、 掺粉煤灰混凝土( F ) 和双掺( 聚丙烯纤维和粉 煤灰) 混凝土( J F ) 其中 1 0 0 mm1 0 0 mm1 0 0 mm 的立 方 体 试 件 用 于 抗 压 强 度 和
17、 劈 拉 强 度 试 验 , 1 5 0 mm1 5 0 mm3 0 0 mm 棱 柱体 试 件用 于 弹性 模 量试 验 混 凝 土类别 及相 应 配合 比见 表 1 所有 试 件 在腐蚀环境下的耐腐蚀性能, 对解决这一耐久性难 拆模后均覆盖草席 , 浇水 自然养护 表 1 不同类型混凝土的配合比 Ta b l e 1 Mi x p r o p o r t i o n o f c o n c r e t e 1 2腐蚀 溶液 的配 制 根 据水 中侵 蚀 离 子 的 腐 蚀 分级 标 准_ g , 考 虑 到 高质量浓度时镁离子与硫酸根离子不易共存 , 试验 配置高质量 浓度 混合腐 蚀溶
18、液情 况如 下 :( 1 ) 由 Mg 抖 , C 1 一, NH 配 制 的高 质量 浓度 混 合腐 蚀 溶 液 ( 简 记为 MC N腐 蚀 溶 液 ) ; ( 2 ) 由 S o: 一, c 1 一, NH 配 制 的高质 量浓度 混合 腐蚀 溶液 ( 简记 为 S C N 腐蚀 溶 液) 同时设计 清水 作 为 参 照 , 两 组 腐 蚀 溶 液 中离 子 质量 浓度 见表 2 配制两种腐蚀溶液时 , 根据各 离子 的设计质量 浓度 以及 容器 内放入 试 件 后 水 的 质 量 , 计算 需 要 添 加 的 Na C 1 , Na 2 S O , NH NO。 , Mg ( NO 3
19、 ) 的质 量 同时每周定期取样 , 采用烘干方法 , 得到溶质质量 , 从而保持腐蚀溶液质量浓度的恒定 表 2混合腐蚀 溶液配制表 Ta b l e 2 I n g r e d i e n t c o n c e nt r a t io n s o f c o mp o s i t e c o r r o s i o n s o l u t i o ns Co nc e nt r a t j o n ( mg L一 ) SCN M CN 1 3改性 混 凝土腐 蚀试 验 各 种 改性混 凝 土 试 件 在 自然 条 件 下 养 护 2 8 d 后 , 分别 完 全浸 泡 于 清水 中和 两
20、种 盐 混合 腐 蚀 溶液 中 为 保证 试件 腐 蚀 均 匀 , 试 件之 间用 小 木条 隔 开 , 为 了防止水 分蒸 发 以及 杂 物 落入 腐 蚀 溶 液 , 容 器 采 取 塑料 布 密 封 措 施 浸 泡 腐 蚀 时 间 设 计 为 3 O , 6 O , 9 0 , 1 5 0 d 达 到 腐 蚀 龄 期 后 , 分 批 取 出进 行 抗 压 强 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 3 2 建筑材料学报 第 1 6卷 度 、 劈裂强度试验和弹性模量试验 试 验过程 中 , 为 保 证混 合 腐 蚀 液 中离 子 质 量 浓 度维持 不变 , 定期
21、 检测 离子 质量浓 度变 化 , 当箱 内腐 ,蚀溶液颜色发生改变 , 变浊或者溶液中含有其他杂 质过多时 , 重新配制腐蚀溶液更换原溶液 , 当发现腐 蚀池底部堆积的腐蚀生成物过厚时, 则对腐蚀箱底 部清淤 2试 验 结 果分 析 采用相 对抗 压 强 度 系数 R。 和 相 对 劈拉 强 度 系 数 R 。 来 表征 受腐 蚀混 凝 土试 件 的抗 压 强 度 和 劈拉 强 度变化 : R 。一 u ( 1 ) I mme r s e d t i me d ( a ) R e l a t i v e c o mp r e s s i v e s t r e n h c o e ffic
22、i e n t R 一 ( 2 ) 式 中: 和 分别 为 不 同腐蚀 龄 期 下 改 性 混 凝 土 抗 压强 度和劈 拉 强度 试 验 值 , MP a ; 和 分 别 为 相应清 水浸 泡 同龄期下 改性 混凝 土 的抗压 强 度 和劈 拉强度试验值 , MP a 2 1 S C N 腐蚀溶 液下 改性 混凝 土的 力学性 能 普通混凝土 、 掺聚丙烯纤维混凝土、 掺粉煤灰混 凝 土和 双掺混 凝 土 经 S C N 腐 蚀溶 液 腐 蚀 后 的 相 对 抗 压强度 系数 和相对 劈拉 强度 系数 随腐蚀 龄期 的变 化 趋势 见 图 1 由图 1可见 , 在 1 5 0 d腐 蚀 龄期
23、 内 , 混 凝 土强 度 的变化基本可以分为初期增长段 和后 期急剧下 降 段 s Oi 一 易与混凝土 中的铝相结合 , 在表层形成钙 I mme r s e d t ime d ( b ) Re l a t i v e s p l i t ti n g t e n s i l e s t r e n g t h c o e ffic i e n t 图 1 S C N腐蚀溶液下改性混凝土力学性能 Fi g1 M e c ha ni c s p r o pe r t i e s o f mod i f i e d c o nc r e t e e xp o s e d t o SCN c
24、or r o s i v e s o b a t i o n 矾石 , 从而填充了混凝土 的孑 L 洞 和骨料一 浆体界面 区 腐蚀初期, 钙矾石的确密实 了混凝土结构 , 引起 强度 的增 长 , 但 随 着 腐 蚀 龄 期 的 增 长 , S O i 一 继 续 向 内部 扩散 , 反应 物体 积膨胀 并形 成大 量裂 纹 , 而这些 裂纹又将形成新的通道 , 致使腐蚀介质S 0 j 一, c 1 一和 NH 进 入混 凝 土 内部 , NH+的 溶 解 性 腐 蚀 减 弱 了 水泥 凝 胶体 的黏 结 力 , 导致 普通 混 凝 土 强 度迅 速 下 降 ; 而对于改性混凝土材料 , 由
25、于内部改性材料使得 其 密实 度 以及 纵 横 向联 结力 提 高 , 因而 强 度 下 降 幅 度 较为 缓慢 试 验数 据表 明 双 掺 混 凝土 和粉 煤 灰 混 凝 土腐 蚀 后 的抗压 强 度较 普 通 混 凝 土有 较 大 幅 度 提 高 , 其 1 5 0 d抗 压强度 分别 为普 通混凝 土 的 l - 2 5 , l - 1 8倍 , 而聚丙 烯 纤维 混凝 土 的抗 压 强度 在 1 5 0 d后 和普 通 混凝 土基 本相 近 随着 腐蚀龄 期 的增 加 , 劈 拉 强度 由高 到低 的顺 序依 次 为双掺 混凝 土 、 粉 煤灰 混凝 土 、 聚丙烯 纤 维混 凝土和普
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