紫外线辐射对水工混凝土耐久性影响研究与展望.pdf
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1、水 力 发 电 第 3 9 卷第5 期 2 0 1 3年5月 紫 外 线 辐 射 对 水 工 混 凝 土 耐 久 性 晌 研 究 与 展 望 王 志刚,李 鑫 ,刘数 华 ( 武汉大学水资源与水 电工程科 学国家重 点试验 室,湖北武汉 4 3 0 0 7 2 ) 摘 要:强紫外线辐射会加速材料老化,对水工混凝土的耐久性具有不利影响。目 前的混凝土耐久性研究多集中于 沥青和复合材料的性能方 面 ,对混凝土性能 的影响研究较少 ,且缺乏紫外线辐射的复合侵 蚀研 究。建议模拟强紫外 线辐射对混凝土材料 的影响 ,建立与冻融循环 、硫 酸盐侵蚀等条件相结合 的混凝土服役 寿命预测模型。 关键词 :水
2、工混凝土 ;紫外线 辐射 ;耐久性 ;服役 寿命预测 S t a t e o f Re s e a r c h o n Ef r e c t s o f Ul t r a v i o l e t Ra d i a t i o n o n t h e Du r a b i l i t y o f Co n c r e t e W ANG Z h i g a n g L I Xi n L I U S h u h u a ( S t a t e Ke yL a b o r a t o r y o f Wa t e r Re s o u r c e s a n dHy d r o p o we r E
3、 n g i n e e r i n gS c i e n c e , Wu h a nUn i v e r s i t y , Wu h a n4 3 0 0 7 2 , Hu b e i , C h i n a ) Ab s t r a c t : Ul t r a v i o l e t r a d i a t i o n c a n a c c e l e r a t e t h e a g i n g o f ma t e r i a l a n d b ri n g a n e g a t i v e i mp a c t o n t h e d u r a b i l i t y
4、 o f h y d r a u l i c c o n c r e t e T h e c u r r e n t r e s e a r c h e s o n d u r a b i l i t y o f c o n c r e t e mo s t l y f o C U S o n i t s a d v e r s e e f f e c t o n p i t c h a n d c o mp o s i t e ma t e r i a l b u t h a r d l y o n c o n c r e t e , a n d l a c k o f t h e s t
5、u d y o f c o n c r e t e u n d e r c o mp l e x a t t a c k c o n d i t i o n s w i t h u l t r a v i o l e t r a d i a t i o n T h e i mp a c t o f s t r o n g u h r a v i o l e t r a d i a t i o n o n c o n c r e t e ma t e r i a l i S r e c o mme n d e d t o s i mu l a t e , a n d t h e s e r v
6、i c e l i f e p r e d i c t i o n mo d e l o f c o n c r e t e u n d e r c e r t a i n a t t a c k c o n d i t i o n s c o mb i n e d w i t h f r e e z e _ t h a w c y c l e a n d s u l f a t e a t t a c k i S a l s o p r o p o s e d t o e s t a b l i s h Ke y W O r d s : h y d r a u l i c c o n c r
7、 e t e ; u l t r a v i o l e t r a d i a t i o n ; d u r a b i l i t y ; s e r v i c e l i f e p r e d i c t i o n 中圈分 类号 : T V 6 9 8 文献标 识码 : A 文章编 号 : 0 5 5 9 - 9 3 4 2 ( 2 0 1 3 ) 0 5 0 0 4 6 0 2 0 引言 随 着 国家 西 部 大开 发 战 略 的实施 。混 凝 土作 为 应 用最 广 泛 的建 筑 材 料将 会 被 大量 使用 。水 电工 程 开 发 作 为 战 略 实 施 的 重 要 组 成
8、 部 分 ,对 混 凝 土 的 消 耗 量 是 巨大 的 。西 部 地 区特 有 的强 紫 外线 辐 射 、高 寒 的气 候条 件及存 在大 量盐 湖地 区 的 自然地 理 条件 , 对 水工 混凝 土 的耐久性 会产 生很 大影 响 1 】 。强紫 外线 辐 射对 材 料具 有 老 化 作用 使 有机 材料 发 生 光 氧化 反应 2 1 ,水工 混凝 土长 期暴 露在这 样 的环境 下 ,其裂 化 机 制 虽 与 有 机 材 料不 同 。但 仍 可 能 会 遭 到破 坏 。 从 而给 大坝 的安全 性能带 来 隐患 。 服 役 寿命 预测 是 建 立在 了解 各种 侵 蚀条 件 下 混 凝
9、 土 劣 化 机 理 基 础 上 的 预 测 混 凝 土 耐 久 性 能 的 主 要 方 法 ,包 括单 一 侵 蚀条 件 和 复合 侵 蚀条 件 下 的 寿命 预测 , 已采用 过 的 预测 建 筑结 构 材 料 的服 役 寿命 方 法包 括 基 于经 验 的估 计 法 、从 相 似 的材 料 性 能进 行 嘲W a r e r P o e r V o f 3 9 N o 5 推 测 的方 法 、加 速试 验 法 、基 于 化学 或 物 理 的预 期 劣 化过 程 的数 学模 型法 以及 应 用 可靠 度 与 随机 概 念 的方 法【 3 _ 。西 部地 区 的水 工混 凝土 会受 到强紫
10、外线辐 射 、冻融 循环及 硫 酸盐侵 蚀等 复合侵 蚀条 件 的作用 , 这 大大增 加 了对其 耐久性 能预测 的难度 。 1 紫外线辐射 青 藏高原是 世 界 的屋 脊( 平 均海 拔 4 0 0 0 5 0 0 0 m),空 气 稀 薄( 只 相 当 于 海 平 面 的 6 5 ) 、 干 燥 ( 水 汽 含量 是 海平 面 的 1 0 左 右 ) ,污染 少 ,大 气 层 吸收和 反 射 日光 辐 射很 少 , 日光 辐射 强 度 较 高 。统 计 资料 表 明 ,青 藏 高原 的 日光 辐 射 强度 高 出平 原 地 区 1 2 9 4 5 3 ,且增高 幅度随海拔 的升高 而增
11、大 。 收稿 日期 :2 0 1 2 1 2 1 9 作者 简介 :王志 刚( 1 9 9 O 一 ) ,男 ,安 徽怀 宁人 ,硕 士研 究生 主要从 事混凝土耐久性及服役 寿命 预测研究 工, U, 哥:糸 7 r筑 : 圈 习 , J 上, E 匕 L I I U q 、 I - t , 9U l 研7 _J臆生 紫 外线 是 太 阳光 中波 长 较 短 的一 种 光 波 ,波 长 在 2 0 0 4 0 0 n m 之 间 , 可 分 为 长 波( 3 1 0 4 0 0 n m) 、 中 波( 2 8 0 3 1 0 n m) 和 短 波( 2 0 0 2 8 0 n m) 。 不
12、同 波 长 的紫 外线 光 波 辐射 能量 不 同 ,辐 射 能 随 着 波 长 的 减 小 而 增 大 ,辐 射 能 是 造 成 材 料 老 化 的 主 要 原 因 。紫 外 线老 化 是 指材 料 在 紫 外 线辐 射 条 件 下 分子 键 受 到 破 坏 而 产 生 的 诸 如 表 面 变 色 、龟 裂 、 丧 失 光 泽及 拉伸 、弯 曲 、冲击 强 度 下 降等 影 响 正 常使 用 的 现 象 紫外 线 辐 射 对 材料 的影 响 多采 用 紫 外 线 老化 箱 加 速 老 化 的试 验 方法 进 行 研 究 。研 究 表 明 ,经紫 外 线 辐 射 后 的沥 青 材料 针 人 度
13、 减 小 ,软 化 点 和 黏度 增 加 同 。对 复合 材料 ,紫 外线 辐射 会 引发光 化 学反应 造 成 大分 子链 断 裂 ,致 使 材料 力学 性 能 的恶 化l 7 l 。 目前 ,紫 外线 辐 射 对 混凝 土材 料 影 响 的研 究 对 象 主要 为 纤 维 复 合 材 料( F RP)加 固 的混 凝 土 抗 紫 外 线 老化 性 能试 验 研 究 表 明 ,不 同强 度 等级 混 凝 土 在 经 过紫 外 线 照射 后 强 度 均呈 现 提 高 趋势 在 扫 描 式 电子显 微 镜( S E M) 和 X 射 线衍 射( XRD)分 析 中亦 可 以看 出混 凝 土 的水
14、 化 反应 程 度 有 所加 深 I5 1 。 另 有 研究 表 明 ,紫 外 线 辐 射对 混 凝 土 立方 体 抗 压 强 度 影 响较 小 ,却 使 得 加 固 的钢 筋 混凝 土梁 的受 弯 承 载 力下 降很 多8 1 。 关 于 紫外 线 辐 射对 混 凝 土 的劣化 机 理 还 未有 深 入 研究 ,仅通 过 老 化试 验 得 到 混凝 土 的力 学 性 能 和 一 些 微 观结 构 的变化 。 由于劣 化机 制 尚未彻 底弄 清 , 目前 还 没有 学者建 立 相关 的耐 久性 预测 模 型 。 2 复合侵蚀 有关 紫外 线辐 射对 混凝 土性 能 的影 响研究 较 少 , 且
15、 缺 乏 与冻 融 循 环 、硫 酸 盐 侵蚀 等 条 件 相 结合 的复 合 侵 蚀 研究 。为 了更 好 地 理 解今 后 包 括 紫 外线 辐 射 在 内 的复合 侵 蚀 条件 下 混 凝 土材 料 的劣 化 机理 ,有 必 要 弄 清冻 融 与硫 酸 盐 侵 蚀 相结 合 条 件 下 的材 料 劣 化 机 制 。 有 学 者 通 过 试 验 发 现 混 凝 土 在 硫 酸 钠 溶 液 中冻 融 时 的质 量损 失 比在 水 中小 可 能 因 为硫 酸 钠 溶 液结 冰 以后 的物理 力 学性 能与 水结 冰有 很大 不 同 , 水 结 冰后 抗 压 时 的脆 性 远 大 于硫 酸 钠
16、溶 液冻 结 而 成 的冰 ,后 者 抗压 时表 现 出极 大 的塑 性 。可压 缩 性 很 大 。强度 等 级不 同 的混凝 土在 硫 酸 钠溶 液 中抗 冻 性 表 现 也 有 所 不 同 低 强 度 混 凝 土 由 于 其 自身 抗 冻 性 较 差 ,硫 酸 盐 侵 蚀 的 作 用 尚 未 发 挥 便 因 为 冻 融 而 破 坏 ,此 时 硫 酸钠 溶 液 降低 冰点 的作 用使 其 动 弹 模 下 降 比水 中慢 :而 高 强 度 混凝 土 抗 冻 性 较好 ,冻 融 破 坏 要经 过 较 长 时 间 这 时硫 酸 盐 对 混凝 土 的侵 蚀 使 得 混凝 土 产 生较 大 的裂缝 。
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