硫酸盐环境下混凝土裂缝矿物自愈合性能研究.pdf
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1、 1 0 8 材料导报B : 研究篇 2 0 1 6 年 1 月( 下) 第 3 O 卷第1 期 硫酸盐环境下混凝土裂缝矿物 自愈合性能研究 刘斯凤, 朱东明, 郭泗军 ( 同济大学先进土木工程材料教育部重点实验室 , 上海 2 0 1 8 0 4 ) 摘要 研究了3 O 粉煤灰混凝土在 4种预加载损伤程度下, 于清水和 5 0 硫酸盐环境中的裂缝矿物 自愈合 性能, 并对其 自愈合产物进行了微观测试。采用相对动弹模量和抗压强度的相对变化来表征裂缝 自愈合程度, 探讨 了5 O 硫酸盐溶液、 3 O 粉煤灰、 4种预加载程度和 4个自愈合养护龄期对混凝土裂缝矿物 自愈合的影响。试验结 果表明,
2、 5 O 硫酸盐在设计的自愈合养护龄期 内可以促进预加载损伤混凝土相对动弹模量和抗压强度的恢复; 无论 清水还是硫酸盐养护溶液, 只有预加载程度较大时, 3 O 粉煤灰对混凝土相对动弹模量和相对抗压强度的恢复才有 显著的促进作用; 5 0 硫酸盐溶液养护环境中, 混凝土 自 愈合后的相对动弹模量和相对抗压强度的恢复能力都随着 预加载程度的增大而逐渐降低, 在 2 8 d自愈合养护龄期结束后, 其混凝土相对动弹模量趋于稳定; 微观测试分析结 果表明, 5 O 硫酸盐环境中的混凝土裂缝矿物 自愈合产物成分主要是碳酸钙和少量钙矾石。 关键词 混凝土预加载损伤度矿物自愈合硫酸盐溶液 中图分类号 : T
3、U5 2 8 1 文献标识码 : A D OI : 1 O 1 1 8 9 6 j i s s n 1 0 0 5 0 2 3 X 2 0 1 6 0 2 0 2 5 Re s e a r c h o n S e l f - h e a l i n g o f Co n c r e t e Cr a c k i n S u l f a t e Env i r o n me n t L I U S i f e n g ,Z HU D o n g mi n g , GUO S ij u n ( Ke y L a b o r a t o r y o f Ad v a n c e d C i v i
4、l E n g i n e e r i n g Ma t e r i a l s o f Mi n i s t r y o f E d u c a t i o n , T o n g j i Un i v e r s i t y , S h a n g h a i 2 0 1 8 0 4 ) Ab s t r a c t Th e d a ma g e t e s t o f c o n c r e t e mi x e d wi t h 3 0 f l y a s h wa s c a r r i e d o u t u n d e r f o u r g r a d e s o f p r
5、 e l o a - d i n g Th e n t h e p e r f o r - ma n c e o f mi n e r a l s e l f - h e a l i n g o f t h e c o n c r e t e i n s u l f a t e e n v i r o n me n t wa s r e s e a r c h e d a n d t h e s e l f - h e a l i n g p r o d u c t s we r e a n a l y z e d b y mi c r o - t e s t Th e d e g r e e
6、 o f s e l f - h e a l i n g wa s r e p r e s e n t e d wi t h r e l a t i v e d y n a mi c mo d u l u s a n d c o mp r e s s i v e s t r e n g t h Th e e f f e c t o f 5 s o d i u m s u l f a t e s o l u t i o n,3 0 f l y a s h ,f o u r k i n d s o f p r e l o a d i n g d e g r e e a n d s e l f -
7、h e a l i n g c u r i n g a g e o n t h e p e r f o r ma n c e o f mi n e r a l s e l f - h e a l i n g o f c o n c r e t e wa s d i s c u s s e d Th e r e s u l t s s h o we d t h a t 5 s u l f a t e c o u l d a c c e l e r a t e t h e r e c o v e r y o f r e l a t i v e d y n a mi c mo d u l u s a
8、 n d c o mp r e s s i v e s t r e n g t h o f c o n c r e t e d u r i n g t h e d e s i g n e d c u r i n g a g e B o t h i n wa t e r a n d s u l f a t e s o l u t i o n,o n l y wh e n t h e p r e l o a d d a ma g e d e g r e e wa s r e l a t i v e l y h i g h , c o u l d 3 0 f l y a s h i mp r o v
9、 e t h e r e c o v e r y r a n g e o f r e l a t i v e d y n a m i c mo d u l u s a n d r e l a t i v e c o m p r e s s i v e s t r e n g t h W i t h t h e i n c r e a s e o f p r e l o a d d a ma g e d e g r e e ,i n 5 s u l f a t e s o l u t i o n e n v i r o n me n t ,t h e r e c o v e r y c a p
10、a b i l i t y o f r e l a t i v e d y n a mi c mo d u l u s a n d r e l a t i v e c o mp r e s s i v e s t r e n g t h wo u l d d e c r e a s e a f t e r t h e mi n e r a l s e l f - h e a l i n g Af t e r s e l f - h e a l i n g c u r i n g a g e o f 2 8 d a y s ,t h e r e l a t i v e d y n a mi c
11、mo d u l u s wo u l d s t a b i l i z e Th e s e l f - h e a l i n g p r o d u c t s o f c o n c r e t e i n 5 s u l f a t e e n v i r o n me n t wa s ma i n l y c a l c i u m c a r b o n a t e a n d s o me e t t r i n g i t e Ke y wo r d s c o n c r e t e ,p r e l o a d d a ma g e d e g r e e ,mi n
12、 e r a l s e l f - h e a l i n g,s u l f a t e s o l u t i o n 0 引言 混凝土结构的完整性是保证混凝 土建筑物正常服役 的 基础 , 裂缝的产生及发展将直接导致强度下降、 抗渗性降低 , 严重影响其耐久性 , 有效修复结构混凝土裂缝是提高结构耐 久性的重要手段。 混凝土裂缝矿物 自愈合性能早 已被人们发现 , 并逐渐成 为研究热点 。混凝 土裂缝矿物 自愈合 的内因已被清晰地揭 示 1 , 但是 , 影响混凝土裂缝矿物 自愈合的外界 因素复杂, 温湿度、 所处环境等都会影响其 自愈合效果。杨英 姿口 “ 通 过试验研究指 出, 混
13、凝土裂缝矿物无论经历哪种 自愈合方 式 , 都必须以水分存在为前提, 即潮湿环境或水 中养护是混 凝土裂缝矿物 自愈合发生的先决条件 ; E S c h l a n g e n等【 5 研 究养护条件和试件预裂时间对混凝土 自愈合性能的影响时 指出, 与单纯的 C O : 氛围或水氛 围相 比, 干湿循 环条件更有 助于混凝土抗弯刚度的恢复 , 有利于混凝土裂缝矿物 自愈合 的进行; Y u Z h u等_ 6 通过试验研究表明, 适当提高环境温度 可以促进胶凝材料的水化 , 增强界面粘结性, 提高混凝土裂 缝矿物 自愈合能力 ; S t e f a n J a c o b s e n等口 探
14、讨 了水 冻融循 环损伤、 水养护 自愈合条件与气冻水融循环损伤、 饱和 C a 一 ( OH) 溶液养护 自愈合条件下的混凝土裂缝矿物 自愈合能 力 , 试验表明, 后者混凝土试件的抗氯离子渗透性能明显优 _*国家重点基础研究发展计划( 2 0 1 1 C B 0 1 3 8 0 0 ) 刘斯凤: 女, 1 9 7 0年生, 博士, 副教授, 主要研究方向为水泥基材料E - ma i l : l s f t o n g j i e d u c n 硫酸盐环境下混凝土裂缝矿物 自愈合性能研 究 刘斯凤等 1 0 9 于前者混凝土试件 , 说明后者混凝土试件 的裂缝矿物 自愈合 性能更好 。 如
15、前所述 , 关于混凝 土裂缝 矿物 自愈合性能研究 中, 大 多数研究者采取清水 和饱和 C a ( 0H) : 溶液养护 , 但是混凝 土应用环境复杂, 处 于海洋环境 中的已开裂混凝土 , 其愈合 程度受各种盐溶液的影 响。而对这种环境下混凝土裂缝矿 物 自愈合能力的探讨极少, 有必要通过进 一步研究加 以完 善。因此 , 本试验探讨了人工模拟 5 O 硫酸钠环境下 , 粉煤 灰、 预加载程度、 短期 自愈合养护龄期对混凝 土裂缝 矿物 自 愈合的影响; 通过相对动弹模量和抗压强度变化, 研究混凝 土裂缝矿物 自愈合能力; 通过微观测试 , 分析 5 O 硫酸盐环 境 中混凝土裂缝矿物 自
16、愈合产物成分。 1 实验 1 1 原材料 P I 4 2 5 基准水泥和粉煤 灰技术指标分别见表 1 和表 2 , 粉煤灰的需 水 比 9 4 8 ; 聚羧酸高效减水剂的 固含量为 2 O , 减水率 为 2 3 ; 细砂 的细度模数为 1 9 ; 碎 石粒径为 5 2 5 ra m; 自配 5 O N a 。 S 0 4 溶液 ; 拌合水为 t l 来水。 表 1 P I 4 2 5 基准水泥化学成分分析( ) T a b l e 1 C h e mi c a l c o mp o s i t i o n a n a l y s i s o f P I 4 2 5 ( ) 表 2 粉煤灰化学
17、成分分析 T a b l e 2 C h e mi c a l c o mp o s i t i o n a n a l y s i s o f f l y a s h 1 2 试验方案 实验设计了两种混凝土 , 一种是胶凝材料全部用基准水 泥的空白混凝土 ( 表 3中的试样 C ) , 一种是内掺 3 O 粉煤灰 的粉煤灰混凝土 ( 表 3 中的试样 C F ) 。混凝土配合 比设计见 表 3 , 水胶 比0 4 , 粉煤灰掺量 3 O , 砂率 4 O , 混凝土设计强 度 C 5 o 。为探讨粉煤灰掺量 对混凝 土裂缝矿物 自愈合 的影 响, 采用 P I 4 2 5基准水泥制备对 比试
18、样 ( 空 白混凝 土) ; 采 用单轴预加载, 加载程度为分别加载至混凝土试样 2 8 d 抗压 强度的 0 、 6 0 、 8 0 、 1 0 0 , 持荷 6 0 s 后卸载 , 再进行 自愈 合养护 。 考虑 两 种 自愈 合 养 护 环 境清 水 养 护 和 5 O Na S O 4 溶 液养护 。测试计算混凝 土试样预加载前 、 预加载 后 , 以及养护过程中的相对动弹模量的变化 , 养护过程中, 每 隔 7 d 测试一次 , 自愈合养 护 2 8 d 后结束测试 ; 为表征混凝 土 自愈合前后力学性能变化 , 在预加载损伤前和 自愈合养护 过程结束后 , 对抗压强度进行测试 ;
19、对掺 3 O 粉煤灰水泥净 浆试件进行预加载至出现裂纹, 自愈合养护 2 8 d 后进行微观 测试( X R D、 S E M、 E D S ) , 分析 5 0 硫酸盐环境 中混凝 土裂 缝矿物 自愈合产物的成分。 表 3 混凝土配合 t ( k g ma ) Ta b l e 3 C o n c r e t e r e c i p e ( k g m3 ) 2 结果及讨 论 2 1 混凝土矿物 自愈合的规律 2 1 1 预加载程度对混凝土矿物 自愈合过程的影响 不同预加载程度下, 混凝土裂缝矿物 自愈合过程用相对 动弹性模量表示 。自愈合前后相对动弹模量随养护龄期 的 变化趋势如图 1 所
20、示。 由图 1可知 , 随预加载程度 的增加, 混凝土试件养护 2 8 d 时的相对动弹模量恢复值渐小, 而恢复幅度逐渐增大, 预加 载 6 0 和 8 O 时, 相对动弹模量都能恢复至 9 5 以上 , 部分 加载 6 O 的混凝土试件 , 其相对动弹模量甚至略高于无预加 载的混凝土试件 ; 预加载 1 0 0 时 , 比较 自愈合养护前的相对 动弹模量 , 空白混凝土试件的相对动弹性模量在清水中提高 幅度较小 , 仅提高约 4 5 , 5 O Na 。 S O 溶液中 3 O 粉煤灰 混凝土试件提高幅度较大, 提高约 6 O 。 预加载程度较小时 , 产生的裂纹尺寸小 、 数量少 , 经过
21、矿 物 自愈合过程 , 微裂纹可以完全愈合 ; 随着加载损伤程度的 增大 , 产生更多裂缝或增大了裂缝面积; 虽然增加 了未水化 胶凝材料的暴露面积 , 且混凝土材料内外联通的通道也随损 伤程度的增大而增多, 也便 于外 部养护溶液进入混凝 土 内 部, 为裂缝 自愈合提供有利条件, 但是 , 混凝 土矿物 自愈合裂 缝尺寸有上限 , 矿物 自愈合对大裂纹作用微弱 , 尽管相对动 弹模量恢复幅度较大 , 相对动弹模量值却难以完全恢复 1 。 2 1 2 自愈合环境对混凝土矿物 自愈合过程的影响 比较图 1 ( a ) 、 ( c ) 可知, 在相 同预 加载损 伤程度下 , 在 5 O Na
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- 硫酸盐 环境 混凝土 裂缝 矿物 自愈 性能 研究
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