氯盐侵蚀与冻融循环耦合作用下C50高性能混凝土的耐久性研究.pdf
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1、第 3 5 卷 , 第 3 期 2 0 1 4年 5月 中 国 铁 道 科 学 CHI NA RAI LW AY S CI ENCE Vo 1 3 5 No 3 M a y, 2 01 4 文章编号:1 0 0 1 - 4 6 3 2( 2 0 1 4 )0 3 0 0 4 1 0 6 氯盐侵蚀与冻融循环耦合作用下 C 5 0高性能混凝土的耐久性研究 王 月,安明拮,余 自若,李志光,王 华 ( 北京交通大学 土木建筑工程学院,北京1 0 0 0 4 4 ) 摘要:通过混凝土抗冻性快动法试验,对 C 5 0 高性能混凝土进行氯盐侵蚀与冻融循环耦合作用下的耐久 性研究,结果表明:试件尺寸对氯盐侵
2、蚀与冻融循环耦合作用下混凝土的质量损失率影响很大,尺寸为 1 0 0 m _ mX1 0 0 mmX1 0 0 mr fl的试件经 2 2 5 次冻融循环质量损失率已大于 5 ,而尺寸为 1 0 0 mmX1 0 0 mm4 0 0 ln n 2 的试件经 5 0 0次冻融循环质量损失率仍小于 5 ;随着冻融循环次数的增加 ,试件的相对抗压强度与相对动弹性 模量呈线性关系,而且相对抗压强度的下降速率是相对动弹性模量下降速率的 3 7 4 倍 ;试件在氯盐侵蚀与冻融 循环耦合作用失效时的氯离子渗透深度为 8 2 1T i lT i ;表层 O 5 I n r n 深度内的氯离子浓度大于 5 mg
3、 g ,明显高 于自然扩散;在氯盐侵蚀与冻融循环耦合作用下,C 5 0混凝土中氯离子的扩散规律满足菲克第二定律,扩散系 数为 1 2 1 1 0 。 m2 S 1;按保守估计,当C 5 0混凝土的保护层厚度分别为 3 O和 4 0 rai n时,因氯盐侵蚀而导 致其破坏的时间分别为 3 9和 8 8 a 。 关键词:高性能混凝土; 氯盐侵蚀;冻融循环;耦合作用 ; 耐久性;寿命预测 中图分类号:TU5 2 8 3 3 文献标识码:A d o i :1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 1 4 6 3 2 2 0 1 4 0 3 0 7 混凝土材料由于价格低廉、使用寿命长等优点
4、 在各国铁路桥梁和公路桥梁 中得到了广泛 的应 用 1 。在沿海地带、西部盐碱地带、极寒地带 ,混 凝土结构往往 同时遭受氯盐侵蚀、冻融循环 、干湿 循环等因素的耦合作用。氯盐腐蚀、冻融破坏是这 些地带钢筋混凝土的常见病害。 目 前,关于冻融循环或氯盐侵蚀单因素对混凝 土性能的影响的研究较多 2 。但对于氯盐侵蚀与 冻融循环耦合作用的试验研究很少,尤其是对于掺 入矿物细掺料 的 C 5 0高性能混凝 土。本文进 行氯 盐侵蚀与冻融循环耦合作用下 C 5 0 高性能混凝土 的力学性能及耐久性研究。 1 试验概况 本试验用的 C5 0混凝土配合比为 4 2 5 普通硅 酸盐水泥 : 粗碎石 : 细
5、碎石 : 砂 : 粉煤灰 : 矿粉 : 水 : 减 水 剂 一3 0 8:5 6 5:5 6 5:6 9 3:8 8:4 4: 1 3 2:5 3 。试 件 尺 寸有 2种 : 1 0 0 mm 1 0 0 mmX 1 0 0 mm,用于测定冻融循环后抗压强度、质 量损失率 、氯离子渗透深度 、氯离子扩散系数; 1 0 0 mmX 1 0 0 mm4 0 0 mm,用于测定冻 融循 环 后相对动弹性模量、质量损失率。 抗冻性试验按照 普通混凝土长期性能和耐久 性能试验方法标准中的快动法进行,浸泡液为质 量分数 5 O 的 N a C 1 溶液,试件的中心温度分别 控制在 ( 一1 7 2 )
6、( 5 2 ),冻融周期为 2 4 h 。混凝土试件在冻融试验过程 中均处于全浸泡 状态。每经过 2 5 次冻融循环后测定 1 次试验数据, 并更换 N a C 1 溶液,以确保混凝土试件在冻融过程 中处于基本相 同的离子浓度中。 2 试验结果与分析 2 1 宏观损伤现象 图 1 为不同冻融循环次数后 C 5 0 高性能混凝 土的表面形态。从图 1 可以看出,随着冻融循环次 数的增加,混凝土表层逐渐脱落;冻融循环 1 0 0 次 收稿 日期 :2 0 1 3 - 0 9 3 O ;修 订 日期 :2 0 1 4 0 1 - 0 9 基金项 目:国家 自 然科学基金资助项 目 ( 5 1 2 7
7、 8 0 3 9 ,5 1 1 0 8 0 1 9 ) ;中央高校基本科研业务费资助项 目 ( 2 0 1 4 Y J S 0 8 6 ) 作者简单:王月 ( 1 9 8 8 一) ,女,辽宁鞍山人,博士研究生。 中国铁道科学 第 3 5 卷 圆形。Ag NO3 显色法一般用于测定 氯离子侵蚀后 混凝土中的氯离子渗透深度 ,是一种简单而快捷的 方法 。因此 ,本文采用 Ag NO 。 显色法并参照 普 通混凝土长期性能和耐久性能试验方法的测定氯 离子深度法测定冻融循环后 C 5 0高性能混凝土 的 氯离子渗透深度。具体为取出冻融循环后的试件, 将其表面冲洗干净后,在压力试验机上将其劈开, 并在
8、劈开的试件断面上立即喷涂浓度为 0 1 mo l L 的 Ag NO。 溶液显色指示剂 ,1 5 mi n后用 防水 笔描出渗透轮廓线。每组 3 个试件,每个试件至少 测试 5 个测点,以平均值为最终渗透深度。测得氯 盐侵蚀与冻融循环耦合作用 3 5 0 次后氯离子渗透深 度为 8 2 mm。 2 5 2 氯 离子扩散 系数 为了测定 C 5 0 混凝土在氯盐侵蚀与冻融循环 耦合作用失效时的氯离子扩散系数 ,本文采取分层 取样法测定不同深度处氯离子含量。分别在冻融循 环 3 5 0次后试块的 O 1 O ,1 0 2 0 ,2 0 3 0和3 0 4 0 mm深度处 取样 ,根据 显色法试验结
9、 果,氯离 子浓度在 0 1 0 mm内较大 ,因此在 O 1 0 mm范 围内再取 2份样品,分别为 O 5和 5 1 0 mi t t 位 置处 ,用 C L C _ AL型氯离子浓度快速 测定仪测定 每层内氯离子平均浓度。图5给出了冻融循环 3 5 0 次后不同深度处氯离子含量曲线。使用式 ( 4 )的 菲克第二定律 8 9 对该曲线进行拟合,得到拟合式 ( 5 ) ,相关性系数 R 一0 9 9 9 。 f ( z, )一 c 。 1 一f - x ( 2 ) ) ( 4 ) 式中:C 为不同深度处氯离子浓度;c 为表面氯离 子浓度;f为高斯误差函数;z为深度,m;D为 氯离子 扩散
10、系数 ,m S 一;t为 氯离 子 扩散 时 间 ,a 。 渗透深度 mm 图 5 不同深度处氯离子含量 c ( x , ) = 1 4 2 6 1 一f - 1 0 一x ( 2 2 ,E ) ) ( 5 ) 可见,氯盐侵蚀与冻融循环耦合作用下 C 5 0 混凝土氯离子渗透规律仍可以采用菲克第二定律拟 合,得到扩散系数 D一1 2 1 1 0 m S _ 。 ,表 面氯离子浓度 C 一1 4 2 6 mg g _ 。 。但此情况下氯 离子的扩散并不是简单的自 然扩散,混凝土的冻融 破坏一般是从表及里的,因此表层氯离子浓度显然 高于 自然扩散 。当渗透深度为 0 5 mm 时,氯离 子平均浓度
11、大于 5 mg g ,实测值为5 8 2 7 mg g _ 。 。随着深度的不断增加,氯离子浓度迅速降低, 深度大于 1 0 mm时其含量低于 0 1 mg g 一。 3 寿命预测 由菲克第二定律可知,只要知道了混凝土材料 的扩散系数 D和表面氯离子浓度 C ,便可以求出 混凝土在任意时刻 、任意深度处 的氯离子浓度_ 1 。 本文分别取保护层厚度为 3 O 和 4 0 m m,假设混凝 土中钢筋表面氯离子质量含量 大于 0 0 5 时钢筋 开始锈蚀 1 ,同时认为钢筋开始锈蚀时结构寿命 终止,显然这是保守的。研究表明 】 ,冻融循 环作用下氯离子扩散系数随着冻融循环次数的增加 近似呈线性增大
12、, 但对于不同组成、不同配合比的 混凝土材料无法给出 1 个通用的表达式。因此 ,考 虑冻融循环对氯离子扩散系数的影响,使得寿命预 测变得十分复杂 ,很难应用到实际中。本文采用冻 融破坏时 ( 3 5 0 次冻融循环)氯离子扩散系数进行 寿命预测 ,以此考虑冻融循环的影响。由图 3实测 数据可以看出,0 1 O mm 内氯离子浓度与深处氯 离子浓度相差接近 2个数量级 ,采用表层氯离子浓 度进行寿命预测显然是过于保守的,因此本文近似 取 1 0 m m处浓度为 0 0 7 mg g 进行寿命预测。 本文使用的简化的冻融循环下氯离子渗透寿命预测 模型为 一 一 厂 ( ) 式 中: 为临界浓度
13、;C l 。 为 1 0 mm处 的浓度 ;z 为保护层厚度 , m;D 为冻融破坏时氯离子扩散系 数,取为 1 2 1 1 0 。 m 2 s ;t f 为寿命 ,3 。 寿命预测结果如图 6所示 。从图可以看出,保 护层厚度为 3 0 m m时的寿命为 3 9 a ,保护层厚度 为 4 0 mm时的寿命为 8 8 a ,即保护层厚度增加 1 O mm,其寿命可增大 1 倍多。因此,在氯盐侵蚀与 冻融循环耦合作用、保护层的厚度分别为 3 O和 4 0 mm时的 C 5 0高性能混凝土因氯盐侵蚀而导致破坏 的时间保守估计分别为 3 9和 9 8 a 。粉煤灰和矿粉 的掺人使 C 5 o混凝土内
14、部结构更致密,孔隙率降 低,提高了混凝土的抗氯盐侵蚀性以及抗冻融能 第 3期 氯盐侵蚀与冻融循环耦合作用下 C 5 0高性能混凝土的耐久性研究 4 5 力,进而使得其使用寿命得到了延长 “ 。另外, 本文 中 Na C 1 的质量分数为 5 0 ,即氯离子浓度 约为 3 0 3 mg g _ 。 。 氯离t ( mg g - 图 6 不同保护层厚度的高性能混凝土寿命预测 4 结论 ( 1 )试件尺寸对氯盐侵蚀与冻融循环耦合作用 下 C 5 0混凝 土 的质 量损 失率 有很 大 的影 响,1 0 0 minx1 0 0 mmX1 0 0 mm试件经冻融循 环 2 2 5次的 质量损失率 已大于
15、 5 ,经冻融循环 4 2 5次的质量 损失率大于 l O ;而 1 0 0 mmX1 0 0 mmX4 0 0 r n l n 试件经冻融循环 5 0 0 次的质量损失率仍小于 5 。 ( 2 )在氯盐侵蚀与冻融循环耦合作用下,随着 冻融循环次数的增加,相对抗压强度的下降速率与 相对动弹性模量的下降速率呈线性关系,但相对抗 压强度的下降速率 比相对动弹性模量下降速率快 , 是其 3 7 4 倍。氯盐侵蚀条件下冻融循环 3 0 0次试 件的抗压强度降至 6 9 7 6 ,冻融循环 4 2 5 次抗压 强度降低至 2 9 8 1 ,而冻融循环 5 0 0次时相对 动 弹性模量才降至 6 2 4
16、6 。 ( 3 )试件在氯盐侵蚀与冻融循环耦合作用失效 时采用显色法测定 的氯离子渗透深度为 8 2 mm; 氯盐侵蚀与冻融循环耦合作用下 C 5 0混凝土中氯 离子的扩散规律满足菲克第二定律,用分层取样法 测得的氯离子扩散系数为 1 2 1 1 0 - 1 m 2 s , 氯盐侵蚀与冻融循环耦合作用下表层氯离子浓度明 显高于 自然扩散 。 ( 4 )基于结合菲克第二定律进行 的简化寿命预 测结果表明,在氯盐侵蚀与冻融循环耦合作用、保 护层厚度分别为 3 0和 4 0 mm 时的 C 5 0 高性能混凝 土因氯盐侵蚀 而导致破坏 的时 间保 守估计 分别为 3 9和 8 8 a 。 参 考 文
17、 献 祝和权, 李海燕, 杜存山既有铁路钢筋混凝土桥梁病害原因分析及材料劣化的评估和防治 r j 中国铁道科学, 2 0 0 4,2 5 ( 6 ):5 9 6 4 ( Z HU He q u a n,LI Ha i y a n,DU Cu n s h a r Di s e a s e An a l y s i s o f Re i n f o r c e d C o n c r e t e Br i d g e s o n t h e Ex i s t i n g Ra i l wa y Li n e s a n d t h e E v a l u a t i o n a n d P r e
18、 v e n t io n o f Ma t e r i al D e g e n e r a t i o n E J C h i n a R a i l wa y S c i e n c e , 2 0 0 4 , 2 5( 6 ) : 5 9 6 4 i n C h i n e s e ) 韩冰,曹健 , 董敬勋持续荷载作用对粉煤灰混凝土冻融性能的影响 E J 3 中国铁道科学,2 0 1 2 ,3 3( 2 ) : 3 3 3 6 ( HAN B i n g,CAO J i a n,DONG J i n g x u n I n f l u e n c e o f S u s t a i
19、n a b l e Lo a d i n g o n Fr e e z i n g a n d Th a wi n g P e r f o r ma n c e o f F l y As h C o n c r e t e E J C h i n a Ra i l w a y S c i e n c e ,2 0 1 2 , 3 3( 2 ) :3 3 3 6 i n C h i n e s e ) P O WE R S T C A Wo r k i n g Hy p o t h e s i s f o r F u r t h e r S t u d i e s o f F r o s t R
20、e s i s t a n c e o f Con c r e t e E J A C I J o u r n a l P r o c e e d i n g s ,1 9 4 5 ,4 1 ( 1 ) :2 4 5 2 7 2 Z UB ER B,MARCHAND J M o d e l i n g t h e De t e r i o r a t i o n o f Hy d r a t e d Ce me n t S y s t e ms Ex p o s e d t O Fr o s t Ac t i o n:Pa r t 1 : D e s c r i p t i o n o f t
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- 侵蚀 循环 耦合 作用 C50 性能 混凝土 耐久性 研究
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