钙溶蚀对混凝土耐久性影响研究概述.pdf
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1、蒋慷 等 : 钙溶蚀对混凝 土耐久性影 响研究概述 1 5 D OI : 1 0 1 3 9 0 5 j c n k i d w j z 2 0 1 5 1 1 0 0 6 钙溶蚀对混凝 土耐久性 影响研 究概述 蒋慷 , 唐洪刚 , 张正洋 , 邱林峰 ( 南京理 工大学理 学院, 南京2 1 0 0 9 4) 【 摘要】 混凝土是 目 前使用最多的建筑材料, 随着使用的增多混凝土结构出现的问题也随之暴露出来。 钙溶蚀就是其中一种问题 , 它对混凝土结构耐久性的影响比较大。文中简要介绍 目前国内外钙溶蚀的研究现状 以及钙溶蚀对混凝土结构损伤机理和提高混凝土耐久性的措施。 【 关键词】 混凝土
2、; 耐久性; 钙溶蚀 ; 损伤机理 【 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 5 ) 1 1 0 0 1 5 0 3 O 引言 目前 , 混凝土结构是我国基础建设应用最为广泛 的结构之一, 但受其 自身材料特性和周围环境因素的 影响 , 很容易受到耐久性问题的困扰。自混凝土问世 以来 , 由于各种原 因导致 大量 的混凝 土结 构先 于设计 使用年限失效 , 其中有一部分是结构形式设计不当力 学损伤累积造成 , 而较大一部分是源于混凝土结构耐 久性方 面的不 足 。造 成 混凝 土耐 久 性不 足 的原 因有
3、 很多 , 钙溶蚀就是其中最主要的原因之一。国内外许 多混凝 土结 构或多或少都 在遭受 钙溶蚀 的影 响 , 每年 光修复钙溶蚀造成的结构问题就花费巨大的人力物 力。因此 , 对于钙溶蚀造成混凝土结构耐久性的退化 问题是当今研究的重要课题之一。 1 钙溶蚀研究现状 钙溶蚀是指侵蚀溶液渗透进入水泥基材料孑 L 隙 之后 , 材料固体骨架中的可溶钙溶解到孔隙液中, 继 而孔隙液中钙离子在外界侵蚀环境溶液与孔隙液中 的钙离子产生的浓度梯度的作用下扩散进入外部环 境溶 液中的过程 。 国内外学者针对钙溶蚀问题主要就水泥基材料 的渗 透性 , 材 料 中固相钙 ( C H和 C S H) 与孔 隙 液
4、 中钙 离子在溶蚀过程中的变化机理及变化特征 , 水泥基材 料溶蚀过程中引起 的化学力学损伤问题以及钙溶蚀 模 型的建立进行 了研究 。 水泥基材料的渗透性是与其溶蚀过程密切相关 的材料特性。渗透性是影响材料耐久性最主要 的因 素 之一 , 它是 表征混 凝 土抵抗 各 种介 质侵 入 的能 力 , 可 反映软水环境下 水泥 基材料 钙溶 蚀 的速率 。B M 莫斯克文 较早开展了混凝土的渗透性研究, 他详细 地研究 了混凝 土材 料 的渗 透性 , 并对 与渗透 性直接 相 关的渗透系数的影响 因素进行了分析。C a t i n a u d和 B e a u d o i n 等 研究了不同矿
5、物组成的水泥石的渗透性 能, 以及水泥石溶蚀之后的矿物组成变化规律。国内 的方坤河、 李新宇等 利用软水作为溶蚀介质, 通过 实 验和理论研究 , 获得 了影 响混凝 土渗透性 能 的主要 因素是渗透系数 , 并研究了不同掺合料对溶蚀进程的 影 响。李 淑进 、 吴科 如等 研 究 了混凝土 微观结 构与 其渗透性能的关系, 结果表明, 混凝土 内部孑 L 结构特 征与其 渗透性能有直接 的关系 , 而 与混凝 土 内部 孔结 构 关系最密切的是其水 胶 比。 水泥基材料溶蚀过程 中固相 钙 ( C H和 C S H) 与孔 隙液 中钙离子 的变 化机 理 和变 化特 征是 广 大学 者较 为
6、关心的问题。B e me r 通过实验获得了骨架 中可溶解 固体钙浓度和孔溶液中液相钙离子浓度的大量数据 , 在对此测试数据 分析 拟合和 总结 的基础 上 , G e r a r d给 出 了水泥基材 料 中 固体钙 和孔 溶 液 中液相 钙离 子 之 参考文献 1 G B 5 0 1 7 81 9 9 3 , 建筑气候 区划分标准 s _ 2 G B T 5 0 4 7 6 2 0 0 8 , 混凝土结构耐久性设计规范 s 3 中国气象局 历史数据查询 D B O L 中国气象局 , 1 9 9 7 4 殷英政 混凝土结构耐久性设计方法 D 天津: 天津大 学 , 2 0 1 0 5 Mp
7、 s e y B J , He d a c h e W A, P a t e l A J ,C l i ma t i c ma t e r i a l s s t r u c t u r - a l p a v e m e n t a n a l y s i s p r o g r a m R Wa s h i n g t o n D C: T r a n s p o r t a t i o n Re s e a r c h B o a r d, 1 9 8 6 6 李晔 , 等 铺面水泥混凝土冻融环境量化研究 同济大学学报 ( 自然科学版) J 2 0 0 4, 3 2 ( 1 0) : 3
8、 33 6 7 h t t p : w w w c n r c n 2 0 0 4 n e w s i n t e rna l 2 0 0 8 1 1 t 2 0 0 8 1 1 2 1 5 0 5 1 5 6 7 0 1 h t m1 8 张宝胜 , 等 杭州湾跨海大桥混凝士结构耐久性解 决方 案 J 土木工程学报 , 2 0 0 6, ( 6 ) : 7 2 7 7 收稿 日期 2 0 1 5 0 7 3 0 作者简介 殷英政 ( 1 9 8 5一) , 男 , 山西长治人 , 硕士 , 研究 方 向: 建筑结构设计 。 1 6 低温建筑技术 2 0 1 5年第 1 1 期 ( 总第 2
9、0 9期 ) 间的平衡关 系模 型 , 即 固液平 衡 曲线 。万 克树 等在硝 酸铵加速腐蚀实验与软水常规腐蚀实验的基础上, 确 定了硝酸铵加速腐蚀情况下的固液平衡 曲线, 并对水 泥基材料的钙溶蚀过程进行了数值模拟分析。J i t e n d r a 与 N a r a y a n a n 将水泥基材料 中参 与溶蚀的氢氧化 钙 ( C H) 以及 C S H凝胶 加 以区分 , 对 两者 的溶蚀 机理 进行 了深入研究 , 他 们通过微 观测试获 得 了溶 蚀过程 中 C H以及 C S H凝胶 引起 的水泥基材料孔 结构变化 的 物理 化学过 程。A g o s t i n i 与 L
10、 a f h a j 等 。 。 运用硝 酸铵溶 液作为侵蚀介质 , 研 究 了空 心 圆柱 管试 件在 C H 以及 C S H凝胶 两个不 同的溶 蚀阶段 , 孔 隙率变化 与试件质 量损失之 间的关系。L e e m a n n 将不 同 C a O含量 的水 泥基材料试件置于酸性溶蚀环境 中, 确定 了材料中 C a O含量与材料抗溶蚀能力之间的关系。H a g e等 通过制备不 同孔 隙率 的水 泥基材 料 样 品置于 软水 腐 蚀 环境 中 , 确定 了钙 溶蚀 速率 与孔 隙率之 间的关 系 , 并通过 M I P法测试样品孔隙率的变化, X R D法测试样 品中 C H含量 的
11、变化 。 钙溶蚀过 程 中水泥 基材 料 固相钙 的溶 解 与流 失 将导致其 内部孔隙率增大, 造成材料的化学力学损 伤 。对 于水泥基材料 的化学力学 损伤 问题 , 国内外学 者开展了一 系列 的实验研 究 。B r u n o G e r a r d 针对 埋 在含有地 下水 的土中水泥基材 料试件 , 研 究 了溶 蚀进 程与其化学力学损伤程度的相应关系。蒋林华等 u 一 对于不同水灰 比的水 泥净 浆样 品运 用 氯化铵 溶 液作 为侵蚀介质进行加速侵蚀 , 研究 了溶蚀深度与试件的 力学强度的关系。K u h l 与 B a n g e 等通过对钙溶蚀机 理 的研 究 , 在实验
12、 测试 数据 的基础 上 , 利用 多孔 介质 传输和微孔力学理论, 建立了水泥基材料钙溶蚀过程 中钙离子传输与孔隙应力之间的时变规律。N g u y e n 与 N e d j a r 等将制作的不同骨料组成混凝土试块置 于 6 m o l L的硝酸铵溶液中, 通过酚酞滴定测试其溶蚀 深度 , 轴压实验测试其溶蚀之后的应力应变, 研究了 溶蚀深度与抗压强度 的关 系 , 并建立 了混凝 土溶蚀过 程 中的化学力学损伤本 构模 型。 研究表明 , 孑 L 隙溶液与外界侵蚀环境溶液中的 钙离子浓度差 是控 制水 泥基 材料 孔 隙液 中钙离 子 的 传输过程的主要 因素。然而 , 钙溶蚀进程缓慢
13、, 受到 诸多因素影响, 仅用实验测试数据来描述这一复杂的 溶蚀过 程 , 还 缺 乏对 钙 溶 蚀 机理 上 的充 分认 识 。因 此, 相关学者从不同的理论基础出发, 提出了软水环 境下水泥基材料 中几种不同的钙离子传输模型 。 ( 1 ) G e r a r d 传输模型。该传输模型以热动力学 为基础, 将水泥基材料孔隙溶液中的钙离子浓度作为 传输控制参量, 并通过以下基本假定: 固相钙的溶 蚀时间远小于钙离子的扩散传输时间; 孔隙液中的 钙离子与其它成分不发生化学反应; 水泥基材料孔 隙中充满水 , 并始终处于水饱和状态, 建立 的钙离子 传输模型为: + 0 Ca s o l i d
14、 : d i v D 舯 d ( C a z + ) t d t 一 式 中, 0 为水泥基材料 的孔 隙率 ; D是钙 离子在水 泥基材料孔溶液中的扩散 系数 , m s ; C a 是孔 隙液 中 的钙离子浓度 ; C a i 是材料 中固相钙浓度 。 Ma i n g u y 在 G e r a r d模型 的基 础 上 , 根 据水 泥 基 材 料在传输过程 中的固相钙与孔隙液相钙之间的化学 平衡关系, 将各传输参量用与固相钙浓度相关 的函数 表示 , 其传输模型表达为: 0 咖 ( S )。 C ( S ) 一 D i v D( S G r a d C ( S ) f , 式中 ,
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