硫酸铵腐蚀混凝土性能劣化时变规律及预测.pdf
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1、第 j j巷 弟 7期 2 0 1 6年 7月 长江科学院 院报 J o u r n a l o f Ya n g t z e R i v e r S c i e n t i fi c Re s e a r c h I n s t i t u t e Vo 1 33 No 7 J u 1 2 0 1 6 do i : 1 0 1 1 9 88 c ky y b 2 01 5 0 35 4 硫酸铵腐蚀混凝土性能劣化时变规律及预测 邓通发h , 彭剑h - 岫, 欧阳斌 , 朱沛东h , 林煌h ( 1 江西理工大学 a 建筑与测绘工程学 院; b 江西省环境岩土 与工程灾 害控 制重点实验室 ,
2、 江西 赣 州3 4 1 0 0 0 ; 2 江西五方建筑设计有限公司, 江西 赣州3 4 1 0 0 0 ) 摘要: 通过在 5 浓度硫酸铵溶液中长期浸泡, 对不同水灰比、 不同浆骨比、 不同粉煤灰掺量的混凝土试件进行腐 蚀试验研究 , 得到 0 1 2 0 d腐蚀龄期下试件抗压强度的劣化规律。采用灰色关联分析方法研究 了不同因素对混凝 土抗压强度影响的显著程度, 通过构建G M( 1 , 1 ) 预测模型对受硫酸铵腐蚀的混凝土强度劣化规律及服役寿命进行 预测。结果表明: 水灰t L o 4 、 浆骨比O 2 8 和粉煤灰掺量 1 0 的受腐蚀混凝土抗腐蚀性能较强, 随水灰 比、 浆骨比和
3、粉煤灰掺量比例增大, 抗压强度降幅明显。构建的 G M( 1 , 1 ) 预测模型具有较高的精度 , 运用该模型在预测受腐蚀 混凝土的寿命中, 粉煤灰掺量 1 0 、 水灰比0 4 及浆骨比0 2 8 的受腐蚀混凝土分别比其它影响因素相同下的受腐蚀 混凝 土增 加 2 4 7 , 1 2 5 , 7 4 。 关键词: 硫酸铵; 混凝土; 水灰比; 浆骨比; 粉煤灰掺量; G M( 1 , 1 ) 预测模型 中图分类号 : T V 4 3 文献标志码 : A 文章编号 : 1 0 0 1 - 5 4 8 5 ( 2 0 1 6 1 0 7 0 1 2 6 - 0 6 1 研 究背景 混凝土是 当
4、今社会最主要 的建筑材料 , 在服役 过程 中容易遭受环境腐蚀介质的侵蚀 。由于混凝土 在服役期间受到各种腐蚀环境介质的侵蚀 , 内外部 出现劣化 , 导致混凝土构筑物过早退 出服役期。当 前 , 国内外学者对混凝土受硫酸盐侵蚀进行了广 泛 研究 。研究表 明, 影 响混凝 土硫酸盐腐蚀效果 的因素可分为外因和内因: 外 因指外界环境和一些 物理 因素的影响 , 如干湿循环、 冻融循环 、 温度变化 等 ; 内因指水泥组分 、 掺合料类型 、 混凝土配合 比的 影响, 如水灰 比、 浆骨 比、 矿物掺合料等。通过内因 的内部优化 , 可以缓和混凝土劣化的速率 , 提高混凝 土的抗腐蚀性 。 硫
5、酸铵腐蚀环境如赣南离子型稀土开采矿 区, 采用硫酸铵浸取液对矿石浸溶以获得稀土元素离子 交换液 , 这种浸溶采矿工艺除了容易造成严重的水 土流失外 , 残 留的硫酸铵溶液既会造成土壤酸化 , 也 对矿区内的混凝土建筑造成腐蚀 。此外在生产硫酸 铵晶体的厂房 、 运输硫酸铵母液 的泵送基础等混凝 土构筑物 _ 3 中, 也 出现类似 的腐 蚀劣化 。然而 , 混 凝土受硫酸盐腐蚀 的研究 中以硫酸钠 、 硫酸镁 为研 究对象的文献较多 , 相对应 的 防腐蚀方法 比较 全面。混凝土在硫酸铵溶液侵蚀环境下的腐蚀劣化 规律及抗腐 蚀措施 的研究 较少 。从 腐蚀机理 来 看 , 硫酸铵溶液中 s o
6、 4 一 与混凝土发生化学反应而结 晶膨胀 , N H 4 也与混 凝土发生化学反应而起到分解 作用及溶出作用, 两者都会对混凝土强度产生较显 著的影响。良l生的配合 比与许多因素有关 , 包括 粗 骨料的物理性 质 、 活性 掺合料 的物 理化学性质 等。 从不同因素对混凝 土性质影 响来看 , 有浆骨 比的影 响 、 水灰 比的影响、 施工质量的影响等。通过合理调 整混凝土配合比、 外加掺合料等方式提高混凝土抗 硫酸铵腐蚀的性能 , 是本文研究 的主要内容。 本文研究在 5 浓度硫酸铵溶液腐蚀条件下不同 水灰 比、 浆骨比和粉煤灰掺量的混凝土抗压强度时变 规律。通过对内外因共 同作用下混凝
7、土的损伤劣化 规律研究, 运用灰色理论 中 G M( 1 , 1 ) 预测模 型对受 腐蚀混凝土寿命进行预测。试验结果对研究在原地 浸矿后稀土矿区残 留的硫酸铵及相关侵蚀环境地 区 的混凝土寿命的应用具有一定的工程参考价值。 2 试验概况 2 1 混凝土原材料与配合比 试验用的水泥采用江西万年青水泥股份有限公 收稿 日期 : 2 0 1 5 0 4 2 6 ;修回 日期 : 2 0 1 5 0 5 1 9 基金项 目: 江西省 自然科学基金项 目( 2 0 1 5 B A B 2 0 6 0 5 4 ) ; 江西省交通厅科技 ( 2 0 1 4 C 0 0 0 7 ) 作者简介 : 邓通发 (
8、 1 9 8 0 一 ) , 男 , 江西赣州人 , 副教授 , 硕士 , 主要从事桥梁 与隧道工程研究方面的工作 , ( 电话) 1 3 9 7 0 7 8 3 2 0 8 ( 电子信箱) d b d t f 1 6 3 c o rn。 第 7期 邓通发 等硫酸铵腐蚀混凝土性能劣化时变规律及预测 1 2 7 司生产 的万年青牌4 2 5 级普通硅酸盐水泥 ; 细骨料 采用细度模数 为3 3 的赣州 章 江河沙 ; 粗骨料 采用 2 5 9 5 mm级 配 的石 灰岩碎石 , 其 中粒径 为2 5 5 m m的碎 石 占 1 5 , 粒径 为 59 5 m m的碎石 占 8 5 ; 减水剂采用
9、 S X C 1 8缓凝 型聚羧酸 高性 能减 水剂。硫酸铵由国药集 团化学试 剂有限公 司生产 , A R级分析纯 。 2 2 试验方法 按照 普通混凝土配合比设计规程 ( J G J 5 5 2 0 1 1 ) 规范进行混凝土配合 比及混凝土成形 , 试验 采用 4 0 m r n x d O m mx 1 6 0 I T l m的标准试模。试件在室 内静停 2 4 h后拆模 , 成型后标准养护 2 8 d , 然后放置 于硫酸铵溶液 中进行长期浸泡侵蚀。硫酸铵溶液浓 度为 5 , 为保持硫酸铵溶液的相对稳定 , 本次试验采 用带盖容器箱, 并每隔 3 0 d更换溶液。依据 普通混 凝土长
10、期性 能和耐久性能试验方法标 准 G B T 5 0 0 8 2 -2 0 0 9 与 水 泥硫酸盐侵蚀试验方法 G B T 7 4 9 -2 0 0 8 中混凝土基本性 能试验方法进行抗压 强度试验 , 在侵蚀龄期为 0 , 3 0 , 6 0 , 9 0 , 1 2 0 d进行强度 测试 , 试件分组及配合比见表 l 。 表 1 混凝土配合 比 T a b l e 1 M i x p r o p o r t i o n s o f c o n c r e t e s 受腐蚀混凝土强度变化采用相对抗压强度抗蚀 系数 R 表征 , 即 。 : e 。 ( 1 ) , c u 式中: 尺 为抗压
11、强度 系数 ; 厂: 为不同龄期下受腐蚀 混凝土抗压强度试验值 ( M P a ) i 厂 W 为标养 2 8 d龄期 下混凝土抗压强度试验值( MP a ) 。 2 3试验 结果 与 分析 不同水灰 比、 浆骨 比和粉煤灰掺量的混凝 土受 5 硫酸铵侵蚀, 其相对抗压强度抗蚀系数随腐蚀龄 期 的变化规律如图 1 所示。 从 图 1 ( a ) 可知 , 在 1 2 0 d腐蚀龄期 内, S l ( 水灰 IZ 0 4 ) 、 s 2 ( 水灰比O 5 ) 的混凝土抗蚀系数总体随腐 蚀龄期下降趋势 , 但 s 2的降幅比 s 1的降幅大 , 且随 水灰 比的增大, 降幅越大。分析其原 因, 水
12、灰 比较小 0 9 黜 0 6 0 3 腐蚀龄期 d ( a ) 水灰比 1 1 日 0 。 0 0 垂 。 : 0 2 0 4 0 6 O 8 0 1 0O 1 2O 腐蚀龄期 d C o ) 浆骨 比 腐蚀龄期 d ( c ) 粉煤灰掺量 图 1 不 同影 响因素下受腐蚀混凝土 随腐蚀龄期 的 抗蚀 系数变化 F i g 1 Va r i a t i o n o f c o r r o s i o n r e s i s t a n c e c o e ffi c i e n t o f c o nc r e t e o f di ffe r e nt mat e r i a l c o
13、m p o s i t i o ns wi t h c o r r o s i o n a g e 时( 0 4 ) , 会降低水泥浆体 与骨料之间的 比重 ( 浆骨 比0 3 ) , 对加强混凝土 内部骨架效应有益 。水 灰 比 0 4的混 凝土 ( S 1 ) 内部 的水泥石 水化 固结后更 密 实 , 生成的毛细孔率较小 , 同时使外部 s 0 一 和 N H 4 侵人内部造成劣化越 困难 , 因而低水灰 比强度损 失 量较小 , 水灰比0 5 的混凝土( S 2 ) 水化完成后 内部密 实度不如水灰 比O 4 的混凝 土, 且生成的毛细孔率较 多 , 对外部 s 0 一 和 N H 4
14、 侵入更为有 利, 因而抗蚀 系 数相对 s 1降幅更大 ; 水灰 比为0 6 时, 致使水泥浆体 与骨料之 比增 大 ( 浆 骨 I: 1 o 6 ) , 密 实性变差 , 且 s 3 的抗蚀系数在腐蚀初期( 0 3 0 d ) 有所增长 , 但在后 期( 6 0 9 0 d ) 急剧下降, 原因在于水灰比为0 6 的混 凝土( S 3 ) 水化速度较快 , 内部生成较高的孔 隙率及 大孔径孔洞比例较多, 这对外部s 0 一 和 N H ; 大量侵 入混 凝 土 内部 有 利 。S O 一 和 N H 与 水 泥 石 的 C a ( O H) : 生成膨胀性 的物质如钙矾石、 石膏等充实 内
15、部大孔径需要一定龄期 , 当外部 s o 4 一 继续 向内部 扩散 , 反应物堆积膨胀 , 超过混凝土 内部 的拉应力而 产生裂缝 , 再加上 N H 4的溶蚀 作用 , 致使受腐 蚀混 凝土后期强度迅速下降。 图 1 ( b ) 中同为0 5 的水灰 比条件下 , 不 同浆骨 比的混凝土抗蚀系数随腐蚀龄期不断降低 , 在 1 2 0 d 腐蚀龄期内 , Hl 的降幅相对 H 2 、 H3更小 , 具有浆骨 比越高, 抗压抗蚀系数降幅越快的趋势。这是 由于 浆骨 比0 2 8 的混凝土 ( HI ) 中骨料对混凝土起 骨架 作用 , 且砂石 比例越大 , 内部充裕的水泥浆体包裹骨 料表面越充
16、分 , 致使混凝土内部水泥水化率越高 , 内 部粘结力越强 , 因而混凝土内部越密实 , 混凝土密实 长江科 学 院院报 2 0 1 6正 也就降低了混凝土的外部渗透性和 s O 一 和 N H ; 的 扩散范围。 图 1 ( C ) 给出了同一水灰 比条件下, 不 同粉煤灰 掺量 的混凝 土抗蚀 系数变化 趋势 图, 对 比 H 2 ( 未 掺) , C l , C 2混凝土在各个龄期的抗蚀系数高于 H 2 , C 3混凝土在 3 0 6 0 d龄期抗压强度抗蚀系数远大 于 H 2 , 在 9 01 2 0 d龄期 内低 于 H 2 , 但差别不大。 不同粉煤灰掺量混凝土随腐蚀龄期的时变规律
17、又有 不同特点。C 1 , C 2随腐蚀龄期抗蚀系数不断降低, c 2的降幅相对 c 1 更为显著; C 3随腐蚀龄期抗蚀系 数先缓慢增 加 , 后期迅 速下降 , 同时粉煤灰掺 量越 高, 抗压强度抗蚀系数降幅越大。分析其原因, 在于 粉煤灰本身具有活性效应和微集料效应 , 在0 5 水灰 比下 , 以 1 0 等量替换水泥加入混凝土 中, 可 以降 低混凝土中 C a ( O H) 的含量 , 密实混凝土 内部 , 提 高混凝土的防腐蚀能力 ; 而粉煤灰本身对混凝土强 度的生成没有帮助 , 但过量的掺入粉煤灰会导致混 凝土强度降低、 强度生成较慢, 粉煤灰容易和 s o 4 一 生成钙矾石
18、 , 对混凝土内部造成膨胀劣化的影响, 因 此 C 3后期抗蚀系数迅速下降就 由此造成的。 3 抗压 强度灰 色预测 灰色系统理论是一种研究 少数据 、 贫信息不确 定性问题 的数学方法J 。主要通过对 “ 部分” 已知 信息的生成、 开发, 提取有价值的信息, 实现对系统 运行行为、 演化规律 的正确描述和有效监控 。灰色 系统理论依据信息覆盖, 通过对信息 的整理归类来 寻求其变化规律。 3 1 灰色相关分析 灰色关联分 析是灰 色系列理论 的重要 内容 之 一 ,运用灰色关联分析法可以得知参考 因素与主因 素在相对变化中的关联度 , 判断参考 因素对主因素 的影 响程 度 , 并 由此
19、选 择 预 测 模 型 中的 显 著 变 量 。 上文通过试验可知水灰比、 浆骨 比、 及粉煤灰掺 量对混凝土强度有着不 同程度 的影响 , 本文将同龄 期下未侵蚀混凝土的抗压强度作为主序列, 用 表 示; 不同水灰比( s 1 , s 2 , s 3 ) 影响下的受腐蚀混凝土 抗压强度 分别 以 , : , , 表示 ; 不 同浆骨 比( Hl , H2 , H 3 ) 影 响下 的受腐蚀 混凝 土抗 压强度 分别 以 , , ; 不同粉煤灰掺量( C 1 , C 2 , C 3 ) 影 响下 的受 腐蚀混凝 土抗压强度 分别 以 , , 。通过邓 聚 龙 _ 1 的灰色关联分析方法 , 经
20、计算得到受腐蚀混凝 土灰色关联度如表 3所示 。 表 2 Ta b l e 2 不同因素影响下的受腐蚀混凝土灰 色关联 度 Gr e y c o r r e l a t i o n d e g r e e o f c o rr o d e d c o n c r e t e s o f d i ffe r e nt m a t e r i a l c o m p os i tio ns 对水灰比、 浆骨比、 粉煤灰影响下受腐蚀混凝土 的灰色关联度进行加权平均 , 得到水灰 比影响下受 腐蚀混凝土与未腐蚀混凝土强度的关联度为0 6 3 3 , 浆骨 比影响下的关联度为0 6 8 6 , 粉煤灰影
21、响下关联 度为0 6 3 0 。3种影响因素下 的关联度由大到小依次 为浆骨 比、 水灰 比、 粉煤灰 , 换言之 , 浆骨 比是在 0 1 2 0 d 龄期内影响混凝土抗硫酸铵腐蚀最为敏感的 因素 , 水灰 比次之, 粉煤灰在 0 1 2 0 d龄期 内的影响 最小。 从表 2中可得 r ( 0 , 1 ) , r ( 0 , 4 ), r ( x 0 , 7 ) 大 于0 7 , 意味着 s 1组 ( 水 灰 I Zo 4 ) 、 H1组 ( 浆骨 比 0 2 8 ) 、 C 1 组 ( 粉煤灰掺量 1 0 ) 在 5 硫 酸铵溶 液 浓度下 , 1 2 0 d腐蚀龄期 内抗腐蚀能力最强
22、, 因此对 受腐蚀混凝土强度预测的原始数据选择 S 1 , H1 , C 1 组的抗压强度。 3 2 G M( 1 , 1 ) 模型 G M( 1 , 1 ) 模型也是灰色 系列基本 理论的重要 内容之一 , 主要运用于一个变量对主变量影 响下 的 预测模型。G M( 1 , 1 ) 主要通过灰色生成或序列算 子的作用弱化随机性 , 挖掘潜在的规律 , 经过差分方 程与微分方程之间的互换 , 实现利用离散的数据序 列建立连续的动态微分方程 , 通过微分方 程与等差 时间系列的关 系达 到预测的 目标。G M( 1 , 1 ) 模 型 是对 1 个变量用一阶微分方程 d X d t + a Z
23、】 _ 建 立模型 , 且是等时距 的。 用 X【 0 ( ) 表示原始数据序列: 其相应 的 卜A G O ( a c c u mu l a t i n g g e n e r a t i o n o p e r a t o r , 一 次累加) 序列 为 ( i ) l ( 0 ) , ( 1 ) , X ( 2 ) , , l ( m) , 其中 ( k ) = 。 ( i ) , 后 :1 , 2 , , r t 。Z 为 的 紧邻均值 生成序列为 Z =( z ( 2 ) , ( 3 ) , , z ( n ) ) , 其中 ( k ) = ( k ) + ( 一 1 ) 。 若 盆
24、 =【 口 , “ 】 为参数列且 y = ( 2 ) ( 3 ) ( n ) 】 , 叫 ” 3 ” T1 1 1 应 用 【 J 一 最小二乘法参数列满足 会=( 曰 ) 一 B Y 。 ( 2 ) 微分方程的时间相应函数为 ( ( +1 )= ( 。 ( 1 )一 e - a t + 。 ( 3 ) 0 r 上 第 7期 邓通发 等硫酸铵腐蚀 混凝 土性能劣化 时变规律及预测 式 中: ( 0 ( 1 ) 为原始数据首项 ; 0 , 为模 型系数 , 由 最小二乘法回归求得 。然后利用 累减公式还原 , 即 得预测值公式为 。 ( t+1 )=X ( t+1 )一 ( t )。 ( 4
25、) 其中 ( t+1 )为第 t +1 项预测值。 3 3 抗压强度劣化时变规律及 G M( 1 , 1 ) 模型建立 3 3 1水灰 比影 响 通过灰色关联分析可知 , 不 同的水灰比 S 1 ( 水灰 比0 4 ) 、 s 2 ( 水灰 比0 5 ) 、 s 3 ( 水灰 1o 6 ) 影响下 , 受腐 蚀混凝土抗压强度变化特点各有差异 , 且有不 同的关 联度。将 S 1 , S 2 , S 3三组 的抗压强度代人 G M( 1 , 1 ) , 得到相应的时间函数 , 如表 3 所示。 表 3 水 灰比影响下受腐蚀 混凝 土抗 压强度时变方程 Ta b l e 3 Ti m e - d
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