在硫酸鹽環(huán)境下凍融-干濕循環(huán)對(duì)混凝土的影響

1、2012年第6期(總第272期)Number6in2Ol2(TotalNo272)混凝土Concrete理論研究THE0RETICALRESEARCHdoi：103969／jissn1002—3550201206016在硫酸鹽環(huán)境下凍融一干濕循環(huán)對(duì)混凝土的影響金海軍’，于繼壽，李立輝12吳志娟z。周紅志，(1北京建工集團(tuán)新型建材有限責(zé)任公司，北京101104；2哈爾濱工業(yè)大學(xué)交通科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001)j、’摘要：采用

2、單一凍融、單一干濕和凍融一千濕循環(huán)交替作用的方法，研究了混凝土在不同濃度的硫酸鹽溶液中的耐久性能試驗(yàn)采用100mmxlO0mmx400mill試件直立完全浸泡進(jìn)行干濕循環(huán)。研究表明，硫酸鹽凍融一千濕循環(huán)作用下，溶液濃度對(duì)凍融破壞的影響存在臨界值C=47％。當(dāng)c≤47％時(shí)，凍融一干濕破壞隨著溶液濃度的提高相對(duì)動(dòng)彈性模量損失增大，而質(zhì)量損失減??；當(dāng)C47％時(shí)，溶液濃度對(duì)凍融破壞或凍融一干濕復(fù)合破壞影響不大。凍融一干濕破壞力最強(qiáng)、凍融破壞次之

3、，干濕破壞最為緩慢；且干濕循環(huán)使凍融循環(huán)破壞加劇。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)15％FA取代水泥，混凝土抗硫酸鹽腐蝕最佳。關(guān)鍵詞：凍融一干濕循環(huán)；硫酸鈉；相對(duì)動(dòng)彈性模量；質(zhì)量損失中圖分類(lèi)號(hào)：TU5280l文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1002—3550(2012)06—0046—05StudyonsulphateenvironmentunderfreezethawanddrywetcyclingofconcreteJINHaljan，YUJishou2LILih

4、ui，WUZhijuan2ZHOUHongzhi’(1BeijingConstructionEngineeringGroupNewBuildingMaterialsCo，Ltd，Beijing101104，China；2HarbinInstituteofTechnologyTransportationScienceandEngineering，Harbin150001，China)Abstract：Singlefreeze—thawcy

5、cles，singlewetdrycycles，andfreezethawandwet—drycyclesstudiedbymeansofconcreteinsulfatesolutionsofdiferentconcentrationsofdurabilityExperimentwith100mmxl00mmx400milluprightspecimencompletelyimmersedforwetanddrycycleStudie

6、shaveshownthatsulfatefreeze—thawandwet—drycycles，theconcentmtionontheimpactoffreezethawcyclesdamagethereiscriticalvalueC=47％，whenC≤47％，thefreezethawandwet—drycyclesdestructionincreasedastherelativeconcentrationthegreater

7、thelossofdynamicelasticmodulus，whilethesmallermassloss，whenC47％，theconcentrationofthefreeze—thaworfreeze—thawandwet—drycyclesdamagehaslittleefect；thefreeze—thawandwet—drycyclesdes~oyfreeze—thawcyclesdamagedestructionofwe

8、tdrycycles，wetanddrycyclestopro—moteincreasedfreezethawdamage；studyfound15％FAreplacementofcement，concreteresistancetosulfatecorrosionofthebestKeywords：freezethawandwetdrycycles；sulfate；relativedynamicelasticmodule；qualit

9、yloss0引言隨著科技的進(jìn)步、材料科學(xué)日異月新，各種特種、新型材料在不同領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，甚至完全取代傳統(tǒng)材料。但是，從建筑行業(yè)來(lái)看混凝土仍具發(fā)展?jié)摿?，目前為止，還未出現(xiàn)被取代或替換局面。不管是在混凝土應(yīng)用還是土木工程領(lǐng)域，混凝土都深受喜愛(ài)，它具有材料便宜、施工技術(shù)簡(jiǎn)易、材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，仍然是地下、橋梁路面、房屋建筑等工程的主要結(jié)構(gòu)材料。雖然，目前混凝土也存在著一些缺陷和不足，例如一些重大的國(guó)家或國(guó)際工程未到服役期，工程就出現(xiàn)倒

10、坍損毀現(xiàn)象。但這并不是因?yàn)榛炷猎O(shè)計(jì)的強(qiáng)度不夠，原材料性能不好，問(wèn)題往往出現(xiàn)在混凝土的耐久性和施工技術(shù)等方面。隨著時(shí)代科技的進(jìn)步和研究學(xué)者對(duì)諸類(lèi)問(wèn)題的深入研究，耐久性成為混凝土配合比設(shè)計(jì)首要考慮的問(wèn)題，提高了混凝土使用壽命，同時(shí)降低經(jīng)濟(jì)成本節(jié)約能源【”。因此，研究水泥混凝土的耐久性具有重要的科學(xué)價(jià)值和社會(huì)價(jià)值。在我國(guó)北方，鹽堿、鹽湖地域廣闊，環(huán)境惡劣，混凝土往往遭受多因素共同破壞，混凝土耐久性問(wèn)題尤為嚴(yán)重。然而，目前研究多因素共同作用下

11、混凝土耐久性的文章較少，尤其是鹽環(huán)收稿日期：201112—1646境下凍融一干濕循環(huán)對(duì)混凝土作用的研究更少㈣。因此，深入研究鹽堿環(huán)境下凍融一干濕循環(huán)對(duì)混凝土的影響，為北方鹽堿地區(qū)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性提供了理論支撐，具有深遠(yuǎn)意義。1試驗(yàn)部分11原材料冀東盾石牌P0425級(jí)水泥；細(xì)度模數(shù)285、表觀密度為2651kg／m3的H中砂；最大至為25rmn、表觀密度為2710kg／m的連續(xù)級(jí)配北京碎石；需水量為94％的l級(jí)粉煤灰，細(xì)度106％、燒失量

12、24％；北京建工新型建材有限公司生產(chǎn)的聚羧酸高效減水劑，其減水率為27％；分析純無(wú)水硫酸鈉和分析純氯化鈉，均為天津巴斯頓產(chǎn)品。12主要儀器北京康科瑞公司生產(chǎn)的NM4B型非金屬超聲檢測(cè)分析儀；精度為1g的電子稱(chēng)；混凝土含氣量筒；混凝土凍融循環(huán)一體機(jī)以及鼓風(fēng)烘箱。13配合比、鹽溶液以及試驗(yàn)方法試驗(yàn)配合比、混凝土的物理、力學(xué)性能以及鹽溶液分別詳見(jiàn)表1、2；本試驗(yàn)采用硫酸鈉鹽溶液，濃度見(jiàn)表3。121O蠢s鑫204812162O長(zhǎng)度／cm圖6為6

13、62％Na2SO溶液在凍融循環(huán)作用下垂直方向濃度分布從圖5可以看出，在313K時(shí)溶解度最高為523g，對(duì)應(yīng)質(zhì)量濃度為324％；然而在273K時(shí)溶解度為51g，對(duì)應(yīng)質(zhì)量濃度為47％，硫酸鈉溶解度隨溫度變化很大，低溫時(shí)溶解度特別低。因此，溶解度影響硫酸鈉溶液中的混凝土凍融破壞程度。結(jié)合圖6發(fā)現(xiàn)，溶液在凍融情況下會(huì)出現(xiàn)濃度不均現(xiàn)象，大約在容器的3／5處為一個(gè)梯度點(diǎn)，上部溶液逼近溶液在此溫度下的溶解度值，下部溶液出現(xiàn)過(guò)飽和現(xiàn)象，溶質(zhì)大量析晶，這

14、與圖3現(xiàn)象一致。由此，可以分析硫酸鹽凍融試驗(yàn)：①當(dāng)溶液的濃度C47％的時(shí)候，體系的濃度隨溫度變化，溫度趨近于0℃濃度趨近于47％；②當(dāng)溶液濃度C≤47％的時(shí)候，體系濃度不會(huì)出現(xiàn)濃度分層現(xiàn)象。因此，在低溫的時(shí)候硫酸鈉的溶解度低，出現(xiàn)大量析晶現(xiàn)象。s3溶液濃度接近47％，s4溶液的濃度c47％，在低溫凍融時(shí)兩者都達(dá)到飽和濃度，因此破壞程度相近。綜上，混凝土在硫酸鈉溶液中單一凍融循環(huán)時(shí)，凍融初期出現(xiàn)試件質(zhì)量增加，但隨著破壞加劇，質(zhì)量劇減口；低

15、濃度硫酸鹽溶液質(zhì)量損失較相對(duì)動(dòng)彈性模量損失先達(dá)到失效值，反之，高濃度硫酸鈉溶液相對(duì)動(dòng)彈性模量損失較質(zhì)量損失先達(dá)到失效值；硫酸鹽濃度對(duì)混凝土破壞存在臨界濃度C=47％。22硫酸鈉溶液中干濕循環(huán)對(duì)混凝土的影響圖7、8研究W／B=035，25％FA，含氣量為27％的混凝土分別浸泡在s1、s2、s3、s4溶液和水中進(jìn)行干濕循環(huán)作用，每5個(gè)循環(huán)測(cè)量試件的質(zhì)量和通過(guò)試件兩端的聲時(shí)。干濕循環(huán)次數(shù)圖7硫酸鈉溶液中混凝土干濕次數(shù)與質(zhì)量損失的關(guān)系l20芝1

16、1o皿吲0o惹90807Oolo20304050607o干濕循環(huán)次數(shù)圖8硫酸鈉溶液中混凝土干濕次數(shù)與相對(duì)動(dòng)彈模的關(guān)系從圖7發(fā)現(xiàn)干濕循環(huán)作用下混凝土質(zhì)量損失變化不明顯，48經(jīng)過(guò)70次干濕循環(huán)質(zhì)量損失均低于1％，由于干濕循環(huán)實(shí)質(zhì)是膨脹性鹽結(jié)晶破壞的過(guò)程，它是一個(gè)緩慢的腐蝕過(guò)程。試驗(yàn)中帶結(jié)晶水的硫酸鹽結(jié)晶膨脹小，產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力小，破壞不明顯，過(guò)程緩慢。對(duì)比觀察圖8，干濕循環(huán)前20次動(dòng)彈性模量增加，這是因?yàn)辂}溶液浸入混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)晶，填充孔隙使得

17、試件致密。之后混凝土動(dòng)彈性模量開(kāi)始損失，但損失較小，即使干濕循環(huán)達(dá)到70次其損失率也僅為792％，說(shuō)明干濕循環(huán)是緩慢的腐蝕過(guò)程。由于時(shí)間有限，本試驗(yàn)只做到7O次干濕循環(huán)。東南大學(xué)金祖全對(duì)干濕研究比較全面，他研究結(jié)果表明OPC一般要在干濕循環(huán)300以上才出現(xiàn)較為明顯的質(zhì)量損失和動(dòng)彈性模量損失現(xiàn)象，其質(zhì)量損失約為2％，動(dòng)彈性模量損失約為20％。23硫酸鈉溶液凍融一千濕循環(huán)對(duì)混凝土的影響由圖9可以看出，隨著硫酸鈉溶液濃度的增加試件質(zhì)量損失率下

18、降，s1溶液中試件在5次凍融一干濕循環(huán)作用下質(zhì)量損失約為3％，s4溶液中試件質(zhì)量損失僅為05％，比sl中減小6倍。首先，硫酸鹽濃度的提高降低了溶液的冰點(diǎn)，提高混凝土抗凍性，其次，雖然硫酸鈉溶液結(jié)冰相變產(chǎn)生一定膨脹內(nèi)應(yīng)力，但是，硫酸鈉結(jié)冰體與冰相比受擠壓的時(shí)表現(xiàn)出一定的塑性，起到緩沖作用從而減小內(nèi)應(yīng)力。因此，隨著硫酸鈉濃度的提高試件的質(zhì)量損失減小。凍融一千濕循環(huán)次數(shù)圖9硫酸鈉溶液中混凝土凍融一千濕次數(shù)與質(zhì)量損失的關(guān)系對(duì)比圖9與圖1，明顯看

19、出凍融一干濕循環(huán)破壞比單一凍融循環(huán)破壞程度強(qiáng)。s1、S2和S3經(jīng)100次凍融循環(huán)質(zhì)量損失約為5％，但在凍融一干濕循環(huán)作用下僅僅7次循環(huán)質(zhì)量損失均達(dá)到5％。圖10為S1、S2、S3和S4溶液中4O次不同循環(huán)作用下質(zhì)量損失與相對(duì)動(dòng)彈性模量對(duì)比，隨著溶液濃度的提高其腐蝕破壞先加劇后減緩，s3條件下對(duì)混凝土的破壞最嚴(yán)重；與凍融循環(huán)和凍融一千濕循環(huán)相比單一干濕循環(huán)對(duì)混凝土的作用較為緩慢的過(guò)程；凍融一干濕循環(huán)比單一凍融循環(huán)對(duì)混凝土劣化作用更為劇烈，