弯曲荷载与酸雨侵蚀共同作用下钢纤维混凝土的耐久性能.pdf
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1、 1 2 0 材料导报 B: 研 究篇 2 0 1 4年 1 2月( 下) 第 2 8卷第 1 2期 弯 曲荷载与酸雨侵蚀共同作用下钢纤维混凝土的耐久性能 王艳 , 牛荻涛 , 宋占平 ( 1 西安建筑科技大学材料与矿资学院, 西安 7 1 0 0 5 5 ; 2 西安建筑科技大学土木工程学院, 西安 7 1 0 0 5 5 ) 摘 要 利用拉 杆加 载 系统对钢纤维混凝土试件施加 弯曲荷 载, 开展 弯曲荷载作 用下钢 纤维混凝 土的酸 雨干湿 循 环试 验 , 研 究钢 纤维掺量 以及应 力状 态、 应力水平对钢 纤维混凝 土酸 雨侵蚀 作用下 中性化 深度 的影响规律 。结果 显示: 弯
2、曲拉应力加速了混凝土的中性化速度, 一定水平下的弯曲压应力对于混凝土的中性化起到 了抑制作用。钢 纤维混凝土在承受弯曲荷载作用下的中性化弯曲应力影响系数与应力水平之间的关系符合二次 多项式。钢纤维能 够降低弯曲拉应力对基体混凝土酸雨侵蚀速度的影响, 在本实验所选用的几种掺量中, 当钢纤维掺量为 1 _ 5 时, 这 种 降低 效果最明显。但是 钢纤维对 弯曲压应力 引起 的混凝 土酸 雨侵蚀 中性化 深度 变化无显著影响 。 关键词 钢纤维混凝土弯曲荷载酸雨侵蚀中性化弯盐应力影响系数 中图分 类号 : T U5 2 8 5 7 2 文献标识码 : A D OI : 1 0 i 1 8 9 6
3、j i s s n 1 0 0 5 0 2 3 X 2 0 1 4 2 4 0 2 8 Du r a bi l i t y o f St e e l Fi b e r Re i nf o r c e d Co n c r e t e Un de r Co m b i n e d Ef f e c t o f Fl e x u r a l Lo a d i n g a nd Ac i d Ra i n Er o s i o n W ANG Ya n ,NI U Di t a o 。 ,S ONG Zh a n p i n g 。 ( 1 Co l l e g e o f Ma t e r i a
4、 l& Mi n e r a l Re s o u r c e s ,xi a n Un i v e r s i t y o f Ar c h i t e c t u r e a n d Te c h n o l o g y ,Xi a n 7 1 0 0 5 5 ; 2 S c h o o l o f Ci v i l En g i n e e r i n g。Xi a n Un i v e r s i t y o f Ar c h i t e c t u r e a n d Te c h n o l o g y,Xi a n 7 1 0 0 5 5 ) Ab s t r a c t F l
5、 e x u r a l l o a d i n g wa s a p p l i e d 0 n s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e u s i n g t h e t i e B e a m l o a d i n g s y s t e m Th e e r o s i o n s i mu l a t io n t e s t s o f a c i d r a i n o n s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e u n d e r f
6、 l e x u r a l l o a d i n g we r e c a r r i e d O u t Ef f e c t s o f s t e e 1 f i b e r c o n t e n t ,s t r e s s s t a t e ,a n d s t r e s s 1 e v e 1 o n s t e e 1 f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e n e u t r a l i z a t i o n d e p t h we r e s t u d i e d Te s t r e s u l t s i
7、 n d i c a t e d t h a t t h e f l e x u r a l t e n s i l e s t r e s s c o u l d a c c e l e r a t e t h e c o n c r e t e n e u t r a l i z a t i o n s p e e d ,wh i l e a c e r t a i n l e v e l o f f l e x u r a l c o mp r e s s i v e s t r e s s c o u l d r e t a r d t h e c o n c r e t e n e
8、u t r a l i z a t i o n s p e e d Un d e r f l e x u r a 1 1 o a d i n g,t h e r e l a t i o n s h i p b e t we e n i n f l u e n c e c o e f f i c i e n t o f f l e x u r a l l o a d i n g o n n e u t r a l i z a t i o n o f s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e a n d t h e s t r
9、e s s 1 e v e l wa s a c c o r d e d wi t h q u a d r a t i c p o l y n o mi a 1 S t e e l f i b e r c o u l d r e d u c e t h e i n f l u e n c e o f f l e x u r a l t e n s i l e s t r e s s o n ma t r i x c o n c r e t e n e u t r a l i z a t i o n d e p t h Ac c o r d i n g t o t h e v a r i e d
10、 m i x i n g p r o p o r t i o n s i n t h e t e s t ,t h e S F RC wi t h t h e s t e e l f i b e r c o n t e n t o f 1 5 h a s t h e b e s t e f f e c t Bu t s t e e 1 f i b e r h a s n o s i g n i f i c a n t e f f e c t o n i n f l u e n c e o f f l e x u r a l c o mp r e s s i v e l o a d i n g
11、o n ma t r i x c o n c r e t e n e u t r a l i z a t i o n d e p t h Ke y wo r d s s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e ,f l e x u r a l】 o a d i n g,a c i d r a i n e r o s i o n,i n f l u e n c e c o e f f i c i e n t o f f l e x u r a 1 l o a d i n g o n n e u t r a l i z a t i
12、 o n 0 引言 随着工业 化进 程的发展, 我国酸雨污染不断蔓延和加 重口 , 酸雨不仅对森林 、 植被、 湖泊、 土壤等 自然生态系统产 生很大危害, 还会使非金属建筑材料 中的胶凝物质溶解 , 导 致结构劣化。现有的研究结果显示酸雨对非金属建筑材料 的腐蚀是 H 和 S O 一 共 同作用 的结果口 , H 会造成混凝 土碱性降低, 导致结构 中钢筋脱钝, 诱发钢筋锈蚀 , 降低结构 的承载力。现阶段酸雨对混凝土侵蚀研究 主要围绕侵蚀机 理和侵蚀规律而展开, 通常只考虑材料 自身与酸雨成分两大 因素, 而忽视荷载的影 响, 但混凝土作为一种结构材料 , 在实 际服役过程中, 几乎都会承
13、受各种不 同类型 的荷载作用。荷 载作用下t 昆 凝土耐久性相关研究也已开展 。 主要集中在 弯曲 荷载对混凝土抗冻性 的影响 _ , 荷载作 用对混凝土 中氯离 子扩散速度的影响 , 以及弯曲荷载对掺合料混凝土碳化速 度的影响 。近年来随着钢纤维混凝土在工程 中逐渐推广 使用, 它的耐久性能渐渐引起人们 的关注 , 适量掺 入钢纤维 能明显改善混凝土在弯曲荷载 、 化学腐蚀以及冻融循环共同 作用下的耐久性能 。钢纤维如何影响荷载作 用下混凝土 抗酸雨侵蚀性能有待研究。基于此, 本研究开展弯曲荷载作 用下钢纤维混凝土的酸雨干湿循 环实验 , 研究钢纤维掺量、 应力状态、 应力水平对钢纤维混凝土
14、酸雨侵蚀作用下 中性化 *陕西省 自然科学基金青年人才项 目( 2 o 1 3 J Q7 0 3 3 ) ; 陕西省教 育厅 专项科研 计划项 目( 2 0 1 3 J K 0 9 7 2 ) ; 西 安建 筑科 技 大学科技 计 划项 目( D B 0 9 0 7 7 ) 王艳 : 女 , 1 9 8 2年生 , 博 士, 讲 师, 研 究方 向为纤维混凝 土耐久性E - ma i l :w a n g y a n w j x 1 2 6 c o rn 弯曲荷载与酸雨侵蚀共同作用下钢纤维混凝土的耐久性能 王 艳等 1 2 1 深度的影响规律 。 1 实验 1 1 混 凝土 配合 比 所用钢纤
15、维为重庆宜筑公司生产的剪切波浪型钢纤维, 长 3 0 mm, 直 径 0 5 mm, 长 径 比为 6 O , 抗拉强度 大于 3 8 0 MP a 。水泥为秦岭牌 P 0 4 2 5 R普通硅酸盐水泥 , 基本性 能与主要化学成分见表 1 。 霸河中砂, 细度模数 2 7 , 含泥量约 1 1 。泾 阳口镇的 石灰岩质锤破碎石 , 无针片状颗粒 , 粒径 5 2 0 mm, 压碎指 标 6 , 含泥量 0 3 。陕西瑞德建材科技有限责任公 司生 产的高效减水剂 , 掺量为 0 5 5 。采用 5种混凝土配合 比, 水胶比均为 0 4 5 , 钢纤维体积掺量 p 取 0 、 0 5 、 1 、
16、 1 5 、 2 , 如表 2所示 , 其 中编号“ P C” 表示不掺钢纤维的普通混凝 土 , “ S F RC ” 表示掺有钢纤维的混凝土 , “ 一 ” 后面的数字表示钢 纤维体积掺量。 表 1 P O 4 2 5 R普通水泥各项指标 Ta b l e 1 Pr o p e r t y o f P O 4 2 5 R Po r t l a n d c e me n t 表 2 钢纤维混凝土配合比与力学性能 Ta b l e 2 Mi x i n g p r o p o r t i o n a n d me c h a n i c a l p r o p e r t y o f s t e
17、 e l f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e 1 2 加载装置 在进行混凝土快速腐蚀试验时 , 对混凝 土试件施加应力 的装置主要有 3 类: 根据胡克定律利用弹簧加载 、 根据杠杆 原理的加载系统、 拉杆加载系统。本实验在选择加载装置时 主要考虑 了荷载精度 、 试件尺寸和可操作性方 面的要求 , 选 取了拉杆加载系统 。加载装置如图 1所示 。 d = 1 2 ll l m 的预 留孔 道 2 5 圆 钢 J_ : ( ) () 5 0 1 5 0 l 1 5 0 1 1 5 0 5 0 单 位 : f il m 图 1 弯曲加载装置
18、 图 F i g 1 Fl e x u r a l l o a d i n g d e v i c e 该加载装置是利用应力扳手控制荷载的大小 , 加载方式 简单, 体积较小方便搬运 , 但是试件在来 回搬运 的过程 中容 易造成应力松弛 , 因此需在每次搬运试件后用扭矩应力扳手 校正所施加的荷载 。 1 3 实验方法 由于钢纤维混凝土能大大提高基体混凝土的抗裂性能 , 本实验选取 4 种弯曲应力水平( 0 、 0 3 、 0 5 、 0 8 ) 。每种情况 制作 4 个 1 0 0 m m1 0 0 I E l m5 5 0 mi l l 的棱柱体试件 , 制作 过程中用 P V C管预留加
19、载孔洞 。试件养护和烘干后 , 2 个一 组放入加载装置, 加载至设计应力值 。参考硫酸盐腐蚀试验 方法_ 1 , 采用周期浸泡法模拟酸雨对钢纤维混凝土侵蚀的加 速试验 , 具体制度为 : 将试件浸泡于模拟酸雨溶液 中 1 0 d , 取 出晾干 3 d , 为 1次干湿循环 ; 每 2次干湿循环为 1 次大循环 , 每次大循环后测试试件 的中性化深度 。为尽量真实地模拟 实际酸雨情况, 查阅相关文献 1 , 采用 p H=3 0 、 S O 4 一 浓度 为 0 0 1 mo l L的溶液作为模拟酸雨 。为保证模拟酸雨溶液 p H值的稳定, 每隔 1 2 h 滴定一次浸泡溶液的 p H值 ,
20、 每次大 循环之后更换模拟酸雨溶液。 每次大循环后取出试件, 将试件在纯弯段区域内沿横 向 折断, 分别测量横截面拉区和压 区混凝土的中性化深度 , 参 照 普 通混 凝 土 长期 性 能 和耐 久性 能 试验 方 法 ( GB T 5 0 0 8 2 2 0 0 9 ) 第十一章中碳化深度的澳 0 试方法 , 进行中性化深 度测试。最后取 4个试件 的平均值作 为该弯曲应力水平下 钢纤维 昆凝土拉区和压区的中性化深度值 。 2 弯曲荷载对钢纤维混凝土 中性化深度的影 响 图 2 为不同水平的弯曲应力对酸雨侵蚀下 S F R C - 1 0 中 性化深度的影响, 可 以看出, 不同应力状态对酸
21、雨侵蚀下钢 1 2 2 材料导报 B: 研 究篇 2 0 1 4 年 1 2月( 下) 第 2 8卷第 1 2期 纤维混凝土的中性化深度产生了不同的影响: 弯曲拉应力加 快了钢纤维混凝土的中性化速度 ; 一定水平下的弯 曲压应力 使钢纤维混凝土的中性化深度小幅降低 。从 图 2 ( a ) 中可看 出钢纤维混凝土的中性化深度随着拉应力水平增加而增大 , S F R C - 1 0 在酸雨溶液中 5 次大循环 ( 1 0次干湿循环) 后, 相 比无应力状态下 , 拉应力水平为 0 3 的条件下中性化深度增 大了 1 8 , 拉应力水平为 0 5时中性化深度增大了 4 9 , 当 拉应力水平增加至
22、 0 8时中性化深度增大了 5 9 。从 图 2 ( b ) 中可看出当压应力水平从 0增加到 0 5时 , S F RC 1 0中 性化深度持续减小, 弯曲压应力水平为 0 5时 5次大循环后 的中性化深度减小了 2 1 , 但当压应力水平继续增加至 0 8 时, 中性化深度略有上升趋势。 为分析弯曲荷载对钢纤维混凝土酸雨侵蚀 中性化深度 的影响 , 引入弯曲应力影响系数 : K, 一 _T , ( 1 ) 式 中: K 是应力水平为 口时的弯 曲应力影响系数 ; 是应力 水平为 时钢纤维混凝土的中性化深度; z是无应力作用下 钢纤维混凝土的中性化深度 。 S F R C 一 1 0的中性化
23、应力影响系数计算结果见表 3 。从 计算结果可以看 出钢纤 维混凝土 中性化弯曲拉应 力影 响系 数均大于 1 , 并随拉应力水平的增加而增大 , 表明弯曲拉应力 对钢纤维混凝土酸雨侵蚀起到加速作用 , 且随应力水平增加 而加剧 ; 弯曲压应力影响系数均小于 1 , 表明 0 8水平 以下的 弯曲压应力对钢纤维混凝土酸雨侵蚀起到抑制作用 。这是 因为拉应力使得混凝土内部的微裂缝扩展与增多, 使得酸雨 中 H 的渗透速度加快 , 中性化深度也随之增大 ; 当弯曲压应 力在一定范围内时, 混凝土内部 的微裂缝会闭合 或变小 , 中 性化速度降低 , 中性化深度减小。 昌 g 聪 导 图 2 弯曲拉
24、应力( a ) I I 压应力( b ) 对 S F R C - 1 0中性化 深度的影响 F i g 2 I n f l u e n c e s o f fl e x u r a l t e n s i l e s t r e s s( a )a n d c o mp r ess i v e s t r e s s( b )o n S F RC - I 0 n e u t r a l i z a t i o n d e p t h 表 3 S F R C 一 1 0中性化应力影响系数 Ta b l e 3 I n f l u e n c e c o e f f i c i e n t o f
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