冻融与碳化交替作用下的混凝土性能试验.pdf

第 3 2卷第 4 期 V0 1 3 2 No 4 水 利 水 电 科 技 进 展 A d v a n c e s i n S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y o f Wa t e r R e s o u r c e s 2 0 1 2年 8 月 Au g20 1 2 D OI ： 1 0 3 8 8 o j i s s n 1 0 0 6 7 6 4 7 2 0 1 2 0 4 0 0 8 冻融与碳化交替作用下的混凝土性能试验 蒋林华， 那彬彬， 周晓明， 王 涛 ， 胡 杰， 熊传胜 ( 河海大学力学 与材料学 院 ， 江苏 南京2 1 0 0 9 8 ) 摘要 ： 为了研 究冻融与碳化 同时作用下混凝土的耐久性 ， 采用冻融和碳化交替作用的方法对不同水 胶 比、 不同粉煤灰掺量的混凝土进行抗冻性能和抗碳化性能试验。试验结果表明： 冻融与碳化 交替 作用下混凝土碳化深度不再服从 时间的二次方根 的发展趋势， 而是随着交替次数 的增加发展得更 快 ； 冻融作 用所 占比例 越 大 ， 混 凝土损 伤越 快 ， 碳 化也越 严 重 。 关键 词 ： 混凝 土 ； 冻 融 ； 碳化 ； 耐 久性 中图分类号： T V 4 3 1 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 6 7 6 4 7 ( 2 0 1 2 ) 0 4 0 0 3 3 04 T e s t s f o r p r o p e r t i e s o f c o n c r e t e u n d e r a l t e r n a t e f r e e z e - t h a w a n d c a r b o n a t i o n a c t i o n s J I A NG L i n - h u a ，N A B i n - b i n ，Z HOU X i a o m i n g ，WA N G T a 0 ， H U J i e ， X I O N G C h u a n - s h e n g( C o Z l e g o f Me c h a n ic s a n dM a t e r i a ls ， H o h a i U n i v e r s i t y ， 2 1 0 0 9 8 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ：I n o r d e r t o i n v e s t i g a t e t h e c o n c r e t e d ura b i l i t y u n d e r c o m b i n e d f r e e z e tha w a n d c a r b o n a t i o n a c t i o n s ，c o n c r e t e t e s t s wi th d i ff e r e m w a t e r - c e me n t r a t i o s and n v a s h c o n t e n t s w e r e p e r f o r me d u n d e r the a h e ma t e f r e e z e t h a w a n d c arbo n a t i o n a c t i o n s T h e r e s u l t s s h o w t h a t t 1 e c a r b o fi a t i 0 n d e p t 1 u n d e r the a l t e ma t e a c t i o n s d o e s n o t f o l l o w a s q u are - r o o t - o f - t i me t r e n d 。b u t i n e r e a s e s f a s t e r w i t h a l t e r n a t e t i me s Wi t h the i n c r e a s e o f t h e f r e e tha w p e r c e n t a g e the c o n c r e t e i s d a m a g e d f ast e r a n d i t s c arb o na t i o n i s mo r e s i g n i fic an t Ke y wo r d s ：c o n c r e t e ；f r e e z e t h a w；c arbo n a t i o n ；d u r a b i l i t y 冻融和碳化是引起钢筋混凝土耐久性不 良的主 要因素 1 - 3 。 目前 ， 学术界对冻融 、 碳化单一因素作 用下混凝土的耐久性研究 已经较为成熟 ， 对混凝 土 在冻融和碳化 同时作用下 的耐久性研究较少 ， 而 北方的一些混凝土工程通常处在冻融交替的气候中 并且直接暴露于大气 中， 因此经受冻融和碳化的同 时作用。本文采用冻融和碳化交替作用 的方法来研 究冻融和碳化同时作用下混凝土的耐久性。 1 原材料与试验方法 1 1 原材 料 a 水泥。南京浦 口海螺水泥厂生产 的 4 2 5级 普通硅酸盐水泥 ， 性能指标如下： 8 0 t a n 筛筛余 1 6 ； 初凝 时 间 1 5 0 m i n ， 终凝 时 间 2 4 0 m i n ； 3 d抗 压 强度 2 5 1 M P a ， 3 d抗折强度 5 5 M P a ， 2 8 d 抗压强度 4 3 8 MP a ， 2 8 d抗折强度 8 4 M P a ； 安定性合格。所检项 目符合 G B 1 7 5 2 0 0 7 通用硅酸盐水泥 标准要求。 b 粗骨料 。粗骨料为 52 5 m l n连续级 配 类 碎石 ， 最大 粒径 2 5 ra i n ， 含 泥 量 ( 质 量 分数 ， 下 同) 0 6 ， 泥块含量 0 4 ， 针片状 颗粒含量 4 7 ， 压 碎指标 8 8 ， 所检项 目符合 G B T 1 4 6 8 5 -2 0 0 1 建 筑用卵石 、 碎石 标准要求 。 c 细骨料。细骨料为 区 类河砂 ， 细度模数 2 8 ， 含 泥量 1 3 ， 泥块 含 量 0 8 ， 氯 离子 含 量 0 0 0 6 ， 所检 项 目符合 G B T 1 4 6 8 5 -2 0 0 1 建 筑用 卵石 、 碎石 标准要求。 d 掺和料 。粉煤灰掺和料采用南 京热电厂生 产的 F类 级粉煤灰 ， 4 5 m方孔筛筛余 1 5 5 ， 蓄 水量 比 1 04 ， 强度比 6 1 ， 烧失量 1 1 ， 所检项 目 符合 D L T 5 0 5 5 -2 0 0 7 ( 水工混凝土掺用粉煤灰技术 规范 标准的要求。 e 外加剂 、 水。南京瑞迪高新技术公 司生产的 H L C N A F高效减水剂。南京市自来水总公司供应的饮 用水， 满足 J G J 6 3 - - - 2 0 0 6 ( 混凝土用水标准 标准要求。 1 2 配合比 参考南水北调中线工程 中在建渡槽的配合 比， 基金项 目： “ 十一五” 国家科技支撑计划 ( 2 0 0 6 B A B 0 4 A 0 5 ) ； 国家 自然科学基金 ( 5 0 9 7 8 o 8 5 ， 5 0 8 0 8 0 6 6 ) 作者简介 ： 蒋林华( 1 9 6 3 一 ) ， 男 ， 江苏苏州人 ， 教 授， 博士 ， 主要从事新材料及材料 耐久性研究 。l h j i a n g h h u e d u a n 水利水电科技进展 ， 2 0 1 2 ， 3 2 ( 4 )ir e ： 0 2 5 8 3 7 8 6 3 3 5 E - m a i l ： j z h h u e d u c a h t tp： k k b h h u e d u c n 33 水胶 比采用 0 4 ， 0 5和 0 6 。粉煤灰对混凝 土耐久 性影响较为显著 ， 粉煤灰掺量 ( 质量分数 ， 下同) 超过 3 0 ， 其强度和耐久性将急剧下降。故本试验 采用 1 0 ， 2 0 和 3 0 共 3 组不同粉煤灰掺量 。具 体配合 比见表 1 。 表 1 混凝土配合 比 1 3 试 验 方法 1 3 1 冻融与碳化交替作用的组合方案 试验采用冻融和碳化交替作用的方法。将不同 的冻融循环次数和碳化条件进行组合应尽量与实际 环境相似。一般而言， 无污染大气 中二氧化碳质量 分数为 0 0 3 ， 另外 根据统计 资料_ 8 J ， 我国不 同区 域可能 出现 的年 平均冻 融循 环次数 为： 东 北地 区 1 2 0次， 华北 8 4次， 西北 1 1 8次， 华中 l 8次 ， 华东介 于华北和华中之 间， 华南基本为无冻 区。以年平均 冻融循环次数 6 0 、 无大气污染 的地区为例。1 a内混 凝土遭受冻融循环次数为 6 0 次 ， 相当于实验室快速 冻融循环 5次， 而 1 a的碳化作用等效于在质量分数 为 1 0 的 C O ， 下快速碳化 1 d 。综合考虑各种因素， 试验主要采用快速冻融 1 5 次和碳化 3 d交替作用。 为研究在不 同的冻融循环次数和碳化条件组合 下混凝 土的耐久性 ， 设计 了 5种冻融与碳化组合方 案 ， 见表 2 。 表 2 冻融与碳化 组合方案 编号 冻融循环次数 c o 2 质量分数 碳化时间 d l 5 l 5 1 5 1 0 2 5 1 0 5 2 0 1 0 1 0 碳化箱中温度均为 2 0 c IC 4 - 2 C， 相对湿度均设为 7 5 。除进行冻融碳化交替作用试验外 ， 还分别进行 了冻融、 碳化单一因素作用下混凝土耐久性试验。试 验参照 s L 3 5 2 -2 o o 6 水工混凝土试验规程 进行。 1 3 2 损伤的测量和表征 采用超声波无损检测方法来测定混凝土 的损 伤 9 - 1 t 。混凝土的动弹性模量 E d 和损伤度 0 3 , 可表 示 为 E 。 ( 1 ) IH 3 4 水利水电科技进展 ， 2 0 1 2 。 3 2 ( 4 )T e f ： 0 2 5 8 3 7 8 6 3 3 5 = 1一 Ed =1一 篆 ( 2 ) 式中： P为混 凝土密度 ， k g m 3 ； 为泊松 比； 口为 冻 融后混凝土实测超声波声速 ， m s ； 为未冻融混凝 土的超声波声速 ， m s 。 表征混凝 土损伤的另一个参数是质量损失率 A ： ： ( 3 ) 式中： G o 为混凝土试件未冻融时质量 ， k g ； G为冻融 后混凝土试件的质量 ， k g 。 1 3 3试件 尺寸 本试验采用边长为 1 0 0 n q l Y l 的立方体试件。 1 3 4 试 验 流程 混凝土的冻融和碳化交替作用试验流程见图 1 。 图 1 试 验 流 程 2 试验结果与分析 2 1 冻融单一作用下的性能 在冻融循环单一作用下 ， 不 同水胶 比的混凝土 的冻融质量损失率和损伤度见图 2 ， 水胶比为 0 4的 不同粉煤灰掺量混凝土的冻融损伤度见图 3 。 7 k 胶比 0 4 _ e _ 7 K 胶 比0 5 +水胶 比0 6 胖 士 l 皿 岛 l 冻融循环次数 ( a ) 质 6 失率 冻融们环 次数 ( b ) 损伤度 图 2 不同水胶 比的混凝 土冻融质 量损失率和损伤度 由图 2 可以看出： 损伤度 的发展趋 势与质量损 失率相似 ， 冻融初始阶段损伤增长速度比较慢 ， 但随 着冻融循环次数增加 ， 损伤度增长逐渐加快 ， 整体趋 E - m a il ： j z h h u e d u 0 2 h t t p ： k k b h h u e x t u c n 图 3 不 同粉煤灰掺量 的混凝土冻融损伤度 势呈指数增长； 水胶比对混凝土抗冻性影响很大 ， 水 胶 比越低 ， 抵抗冻融损伤 的能力越强。另外 由于冻 融作用后混凝土孔 隙率增大 ， 导致混凝 土孔 隙中的 水分增多 ， 并且随着水化的继续进行 ， 混凝土凝胶结 构进一步水化 、 坚 固， 而冻融破坏则是一个按指数增 长的过程 ， 因此在初始 阶段冻融作用对混凝 土的破 坏还不显著， 所以在初始阶段质量损失率和损伤度 会出现负值 。 由图 3 可 以看 出： 掺粉煤灰会降低混凝土 的抗 冻性能， 特别是 当掺量达到 3 0 时， 抗冻性有很大 下降； 而掺量小于 1 0 时 ， 对抗冻性能的影响很小 。 2 2 碳化单一作用下的性能 不同水胶 比和不同粉煤灰掺量的混凝土的碳化 深度见图 4和图 5 。 g g 2 3 冻融与碳化交替作用下的性能 2 3 1 水胶 比对交替作用下性能的影响 不 同水胶 比( 粉煤灰掺量 为 3 0 ) 混凝 土在组 合 1 情况下的损伤度发展曲线见图 6 。 图 6 交替作用下不 l司水胶 比的混凝土损伤度 由图 6 可以看出： 水胶比对冻融与碳化交替作用 下的混凝土抗冻性影响很大， 水胶 比越大， 混凝土损 伤度越大 ； 与冻融单一作用时相 比， 由于碳化作用混 凝土变得更加致密， 使得混凝土构件中毛细孔数量减 少 ， 而毛细孔则是混凝土冻融破坏的主要渠道， 因此 冻融与碳化交替作用下混凝土的抗冻性能有所改善。 2 3 2 粉煤灰掺量对交替作用下性能的影响 不同粉煤灰掺量( 水胶比为 0 4 ) 混凝土在组合 1 情况下的损伤度发展曲线和碳化深度发展曲线见图 7 和图 8 图 4 不同水胶比的混凝土碳化深度 图 7 交替作用下不同粉煤灰 掺量的混凝土损伤 度 图 5 不同粉煤灰掺量的混凝土碳化深度 由图 4和图 5可以看出： 水胶 比越小 ， 混凝土抗 碳化能力越强 ； 粉煤灰掺量越大 ， 混凝土抗碳化能力 越低 ； 粉煤灰 掺量低 于 1 0 时对碳 化性 能影 响不 大 ， 高于 1 0 后影响开始变显著。 g 姜 图 8 不同粉煤灰掺 量的混凝 土碳化深 度 由图 7可以看出： 与冻融单一作用时相 比， 冻融 与碳化交替作用时混凝土的损伤度有很大 降低 ， 抗 冻性能有所改善； 粉煤灰掺量越大 ， 抗冻性能越弱 ， 水利水 电科技进展 ， 2 o 1 2 ， 3 2 ( 4 )T e l ： 0 2 5 8 3 7 8 6 3 3 5 E - m a i l ： j z h h u e d u m h t tp： k k b h h u e d u m 3 5 4 2 O 8 6 4 2 0 掺量较少时对抗冻性影响不大。另外在试验初始阶 段损伤度会出现负值 ， 这是 由于水化反应 的继续发 展且碳化作用使得混凝土更加致 密， 而初始阶段冻 融破坏作用并不显著。 由图 8 可以看 出： 冻融与碳 化交替作用下混凝 土碳化深度不再服从 时间的二次方根 的发展趋势， 随着交替次数的增加， 碳化深度增加更快； 掺入粉煤 灰能降低混凝土的抗碳化性能。粉煤灰掺量越大， 抗碳化性能越弱。粉煤灰掺量超过 3 0 后 ， 混凝土 的强度、 抗冻性能和抗碳化性能将急剧降低； 而掺量 小于 1 0 时， 影响不明显。 2 3 3 冻 融与碳化 组合 方式 对性 能的影 响 混凝土( 水胶 比 0 4 、 粉煤灰掺量 3 0 ) 在不同 组合作用下 的损伤度发展曲线和碳化深度发展曲线 分别见 图 9和图 1 0 。 图 9 不同组合 作用下的混凝 土损伤度 吕 昌 嫩 替 图 1 0 不同组合作用下的混凝 土碳化深 度 由图 9和图 l 0可以看 出： 冻融作用 占的比例越 大 ， 混凝土的损伤发展越快 ， 碳化深度发展也越快 ， 因为冻融损伤会造成混凝土内部裂纹扩展 ， 从而使 碳化加剧； 冻融作用比例不变时， c 0 2 的质量分数越 高 ， 冻融损伤发展越慢 ， 因为碳化作用使混凝土变得 密实 ， 减少混凝土中的毛细孑 L ， 故能延缓冻融破坏。 3 结论 a 掺入 粉煤灰会降低混凝土抗冻性能和抗碳 化性 能。水 胶 比相 同的情况 下 ， 粉 煤灰 掺量超 过 3 0 后 ， 混凝土强度、 抗冻性能和抗碳化性能将急剧 降低 ； 而掺量小于 1 0 时 ， 影响不明显 。 b 水胶 比对混凝土耐久性影 响显著。在试验 所设计 的水胶 比范围内， 水胶 比越低 ， 混凝土抗冻性 能和抗碳化性能越强 。 c 冻融与碳化交替作用下混凝土耐久性与单一 冻融、 单一碳化时有很大不同： 碳化使混凝土变得密 实 ， 减少混凝土中的毛细孔 ， 故能延缓冻融破坏； 冻融 损伤造成混凝土内部裂纹扩展 ， 从而使碳化加剧。 d 冻融与碳化交替作用下混凝 土碳 化深度不 再服从时间的二次方根的发展趋势 ， 而是随着交替 次数的增加 ， 发展得更快。 g 冻融与碳化交替作用下 ， 冻融作用所 占比例 越大， 混凝土损伤越快， 碳化也越严重 ； 冻融作用 比 例不变时， C 0 2 的质量分数越高 ， 损伤发展越慢 。 参考文献 ： 1 陈伟， 陈晓宝 论影响混凝土碳化的主要因素 J 建筑 施工 ， 2 0 0 6 ， 2 8 ( 3 ) ： 2 3 8 2 3 9 2 冀晓东 ， 宋玉普 钢筋与混凝土黏结性能冻融破坏的力 学分析 J 水利学报， 2 0 0 9 ， 4 0 ( 1 2 ) ： 1 4 9 5 1 4 9 9 3于孝民， 任青文 冻融循环作用下普通混凝土的断裂能 试验 J 河海 大学学报 ： 自然 科学版 ， 2 0 1 0 ， 3 8( 1 ) ： 8O 一 8 2 4J I A N G L i n h u a A m o d e l f o r p r e d i c t i n g c a r b o n a ti o n o f h i g h V O | U lT Ie n y a s h c o n c r e t e l J C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 2 0 0 0 ， 3 0 ( 5 ) ： 6 9 9 7 0 0 5蒋林华 混凝土材料学 M 南京： 河海大学 出版社， 2 0 0 6： 1 1 4 1 23 6 贾伟霞， 裴树林 粉煤灰对混凝土耐久性影响的分析与 试验研究 J 山西建筑， 2 0 0 6 ， 3 2 ( 1 3 ) ： 1 4 5 1 4 6 7袁承斌， 陈兴 ， 陈小鹏 粉煤灰掺量对真空脱水混凝 土 碳化速度的影响 J 水利水电科技进展， 2 0 0 9 ， 2 9 ( 3 ) ： 1 7 1 9 8 李金 玉 混凝 土抗冻性 的定量 化设 计 c 王媛 俐 ， 姚 燕 重点工程混凝土耐久性的研究与工程应用 北京： 中国建材工业 出版社 ， 2 0 0 1 ： 2 6 2 7 9 姚博 ， 刘志强 超声波测量 冻土动弹性模 量 的试 验研究 J 中国建材科技， 2 0 0 9 ( 3 ) ： 8 5 8 8 1 O 李志 强 ， 周宗 辉 基 于超 声 波技 术 的混 凝 土无 损 检 测 J 水泥工程 ， 2 0 1 0 ( 3 ) ： 7 2 - 7 5 1 1 唐修生 超声探测混凝土损伤和内部缺陷研究 D 南 京： 南京水利科学研究院， 2 0 0 4 ( 收稿 日期 ： 2 0 1 1 1 0 1 0 编辑 ： 周红梅 ) 3 6 水币 1 水电科技 进展 ， 2 0 1 2 ， 3 2 ( 4 ) T e l ： 0 2 5 8 3 7 8 6 3 3 5 E - m a i l ： jz h h u e d u m h t tp： k k b h h u e d u - C IZ 加 掩 M m 8 6 4 O