冻融和碳化共同作用下混凝土损伤分析.pdf

第 1 8卷第 5期 2 0 1 5年 1 O月 建筑材料学报 j oURNAL OF B UI L DI NG MATE RI AL S Vo 1 ． 1 8。 NO ． 5 O c t ． ， 2 0 1 5 文章编号 ： 1 0 0 7 - 9 6 2 9 ( 2 0 1 5 ) 0 5 — 0 7 6 3 — 0 4 冻融和碳化 共 同作 用下混凝土损伤分析 肖前 慧 ， 牛获 涛。 ( 1 ． 西安科技大学 建筑与土木工程学院，陕西 西安 7 1 0 0 5 4 ； 2 ． 西安建筑科技大学 土木工程学院，陕西 西安 7 1 0 0 5 5 ) 摘 要 ： 通 过 室 内模 拟试 验 ， 研 究 了冻 融和碳 化 共 同作 用 下混 凝 土质 量 和 相 对动 弹性 模 量 的 变化 规 律． 结果表 明： 混凝土在冻融和碳化共同作用下的损伤大于其在 冻融单一作 用下的损伤． 建立了混 凝土在 冻融和碳化共 同作用下的损伤模型 ， 该模型拟合精度较 高． 关键 词 ：混 凝土 ；冻融循 环 ； 碳 化 ； 损 伤模 型 中图分类号 ： TU5 2 8 ． 0 1 文献标志码 ： A d o i ： 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 7 — 9 6 2 9 ． 2 0 1 5 ． 0 5 ． 0 0 8 Da ma g e Mo d e l f o r C o n c r e t e S u b j e c t e d t o F r e e z e - T h a w Cy c l e s a nd Ca r b o na t i o n XI AO Qi a n h u i 。 NI L ， Di t a o 。 ( 1 ． I n s t i t u t e o f Ar c h i t e c t u r e a n d 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 S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y ，Xi ’ a n 7 1 0 0 5 4 ，Ch i n a ； 2 ． I n s t i t u t e 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 ，Ch i n a ) A b s t r a c t ： E x p e r i me n t a l s t u d y o f c o n c r e t e s p e c i me n s s u b j e c t e d t o f r e e z e — t h a w c y c l e s a n d c a r b o n a t i o n wa s c a r r i e d o u t ．M a s s l o s s r a t e a n d r e l a t i v e d y n a mi c mo d u l u s o f e l a s t i c i t y o f c o n c r e t e we r e me a s u r e d ．Re s u l t s s h o w t h a t c o n c r e t e d a ma g e r a t e a c c e l e r a t e s u n d e r c o mb i n e d e f f e c t s o f f r e e z e — t h a w c y c l e s a n d c a r b o n a t i o n ． Da ma g e mo d e l i s e s t a b l i s h e d f o r c o n c r e t e s u b j e c t e d t o f r e e z e — t h a w c y c l e s a n d c a r b o n a t i o n ． 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 y c l e ；c a r b o n a t i o n；d a ma g e mo d e l 目前 ， 环境问题 日益严重 ， 混凝土结构所处的环 境条件也越来越复杂 ， 大大影响了混凝 土结构 的耐 久性能． 在寒冷地区， 混凝土结构主要经受冻融循环 和大气 中二氧化碳的碳化作用． 对于冻融循环、 碳化 等单一 因素作用下的混凝 土耐久性 问题 ， 国内外 已 经开展 了大量 的研究工作 ， 其 中的许 多结论 和经验 公式已经在学术界达成共识 ， 并且在工程实际中得 到了广泛应用和验证[ 1 ] ． 然而 ， 有关冻融 和碳化共 同作用 下混 凝 土耐久 性 问题 的研 究 只是初 步 和零 星 的L 6 ] ． 因此 ， 本文开展 了混凝土 的耐久性试验， 研究 了混凝土遭受冻融循环和碳化共 同作用时的内部损 伤演化过程 ， 并建立 了损伤模型． 通硅酸盐水泥 ， 细度为 3 ． 4 ( 8 0 m方孔筛筛余) ； 粉煤灰为渭河电厂 Ⅱ级粉煤灰 ， 细度为 1 8 ( 4 5 m 方孔筛筛余) ； 细骨料为西安灞河 中砂 ； 粗骨料为陕 西泾 阳口镇石灰岩质锤破碎石( 粒径 5 ～2 O mm) ； 引 气剂采用同济大学以天然野生植物皂类为主要原料 研制的 S J 一 3型高效 引气剂 ； 水为 自来水． 混凝土的 配合 比见 表 1 ． 袭 1 混凝土 的配合 比 T a b l e 1 Mi x p r o p o r t i o n o f c o n c r e t e k g ／ m。 1 试 验 1 ． 2 试验方法 1 ． 1 原材料及配合 比 混凝土试件 冻 融循环 和碳化试 验 根据 GB ／ T 水泥选用陕西秦岭水泥总厂的 P O 4 2 ． 5 R普 5 0 0 8 2 --2 0 0 9 << 普通混凝土长期性能和耐久性能试验 收稿 日期 ： 2 0 1 4 — 0 3 - 2 1 I修订 日期 ： 2 0 1 4 — 0 5 — 1 2 基金项 目： 国家 自然科学基金重点项 目( 5 0 5 3 8 0 6 0 ) ； 陕西省教育厅科研计划项 目( 2 0 1 3 J K0 9 6 8 ) 第一作 者 ： 肖前 墓( 1 9 8 1 一 ) ， 女 ， 四川 达州人 ， 西安科技大学讲师 ， 博士． E — ma i l ； x i a o h u i 一 9 9 @1 2 6 ． t o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 建筑材料学报 第 1 8卷 方法标准》 进行 ， 试件尺寸为 1 0 0 mm1 0 0 mmx 4 0 0 mm． 试件成型后带模 养护 2 4 h ， 拆模后移入标 准养护室 ( 温度 2 O 士1 ℃， 相对湿度大于 9 5 ) 养护 3 0 d ， 之后 自然养护到预定龄期 9 0 d ． 由于冻融和碳化作用机理不 同， 发生作用后混 凝土结构的产物也不 同， 一般而言碳化使结构变致 密， 而冻融使结构变疏松． 因此在试验中先进行冻融 还是碳化 ， 都会对 2 个 因素的复合结果带来影 响． 为 了避免这种影响 ， 试验模式分 3 组 ： ( 1 ) 冻融一 碳化( F 5 0 C) ： 先冻融 5 O次 ， 然后碳化 7 d ， 每个循环为 1 5 d ， 共进行 4个大循环． ( 2 ) 碳化一 冻融( C F S 0 ) ： 先碳化 7 d ， 然后冻融 5 0 次 ， 每个循环为 1 5 d ， 共进行 4 个大循环． ( 3 ) 单一冻融 ( F ) ： 每 2 5次冻融循环为 1个大循 环 ， 每个大循环约 4 d ， 共进行 8个大循环． 表 2给 出了试件分组情况． 裒 2 试件分组 T a b l e 2 S p e c i me n g r o u p s 2结果与讨 论 2 ． 1 质量变化规律 混凝土在冻融一 碳化试验模式下 的质量变化规 律如图 1所示． 由图 1可以看 出， 水胶 比越大 ， 混凝 土试件的质量下降速率越大 ， 这 与单一冻融试 验模 式 下混凝 土试 件质 量变 化规 律一致 ． 图 2～ 4分 别 给 出 了水 胶 比 为 0 ． 3 5 ， 0 ． 4 5和 0 ． 5 5的混凝土试件在单一冻融和冻融一 碳化试验模 式下的质量损失率． 由图 2 ～4可 以看 出， 试件在冻 融一 碳化试 验模式下的质量损失率 明显大于在单一 冻融试验模式下 的质量损失率； 同时随着冻融循环 次数的增加 ， 试件在冻融一 碳化试验模式下的质量损 失速率增大． 通过对试验结果 的分析， 得出冻融一 碳化试验模 式下混凝土质量与冻融循环次数的函数关系如下 ： G = 9 ． 4 6 7 k e - 。 _ 。 。 。 ( 1 ) 式中： 为混凝土质量 ； n为冻融循环次数 ； k为与 Numb e r o f c y c l e s ／ t i me s 图 1 混凝土在冻融一 碳化试验模式下 的质量变化 规律 F i g ． 1 Va r i a t i o n o f c o n c r e t e ma s s u n d e r t h e t e s t mo d e o f F 5 0 C 喜 薹 Nu mbe r o f c y c l e s ／ t i me s 图 2 水胶 比 0 ． 3 5 混凝土在不 同试 验模 式下的质量损失率 Fi g ． 2 M a s s l o s s r a t e u n d e r d i f f e r e n t t e s t mo d e s o f c o n c r e t e wi t h wa t e r - b i n d e r r a t i o o f 0 ． 3 5 重 量 Num b e r of c y c l e s ／ t i me s 图 3 水胶 比 0 ． 4 5混凝土在不同试验模式下 的质量损失率 F i g ． 3 M a s s l o s s r a t e u n d e r d i f f e r e n t t e s t mo d e s o f c o n c r e t e wi t h wa t e r — b i n d e r r a t i o o f 0 ． 4 5 混凝土水胶 比m ／ mb 有关 的系数 ， 是 一～0 ． 1 2 5 m ／ 7 9 2 b + 1 ． o 5 4 ( R 一o ． 9 8 6 ) ． 2 ． 2 动弹 性模 量变 化规律 G B ／ T 5 0 0 8 2 -- 2 0 0 9中快 冻 法 对 冻 融后 混凝 土 的实际考察指标是动弹性模量． 动弹性模量的测定 是非破损 的， 能考察 同一试件在冻融过程 中内部结 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5期 肖前慧 ， 等 ： 冻融和碳化共 同作用下混凝土损伤 分析 重 旦 嚣 Nu mb e r o f c y c l e s ／ t i me s 图 4 水胶 比 0 ． 5 5混凝土在不 同试验模式 下的质量损失率 Fi g ． 4 M a s s l o s s r a t e u n d e r d i f f e r e n t t e s t mo d e s o f c o n c r e t e wi t h wa t e r - b i n d e r r a t i o o f 0 ． 5 5 构逐 渐破 坏 的过程 ． 图 5分 别 描 述 了水 胶 比 为 0 ． 3 5 ， 0 ． 4 5及 0 ． 5 5 的混凝土试件在冻融一 碳化试验模式下的动弹性模 量随冻融循环次数 的变化规律． 由图 5可见 ， 水胶 比 对混凝土动弹性模量 的影响较大 ， 水胶 比小的混凝 土在相同冻融循环次数下的动弹性模量明显高于水 胶 比大 的混凝 土 ． Numbe r o f c y c l e s ／ t i me s 图 5 混凝土在冻融一 碳化试 验模式下 的动弹性模量变化规律 F i g ． 5 Va r i a t i o n o f c o n c r e t e d y n a mi c mo d u l u s o f e l a s t i c i t y u n d e r t h e t e s t mo d e o f F5 0 C 图 6 ～8分别 为水 胶 比 0 ． 3 5 ， 0 ． 4 5和 0 ． 5 5的混 凝土试件在单一冻融 和冻融一 碳化试验模式下相对 动弹性模量 E 的变化规律． 由图 6 ～8可见 ， 水胶 比 对混凝土相对动 弹性模量 的影响较大 ， 水胶 比小 的 混凝土在相同冻融循环次数下的相对动弹性模量明 显高于水胶 比大的混凝土． 由图 6 ～8还可以看 出 ， 混凝土在冻融一 碳化试 验模式下 的相对动弹性模量 小于其在单一冻融试验模式下的相对动弹性模 量 ， 即混凝土在冻融一 碳化 复合作用下的抗冻性劣于单 一 冻融作用下的抗冻性． 图 7还描述了水胶 比为 0 ． 4 5的混凝 土试 件在 冻融一 碳化和碳化一 冻融试验模式下相对动弹性模量 图 6 水胶 比 0 ． 3 5 混凝 土在不 同试验模式下 的 相对动弹性模量 F i g ． 6 Re l a t i v e d y n a mi c mo d u l u s o f e l a s t i c i t y u n d e r d i f f e r e n t t e s t mo d e s o f c o n c r e t e wi t h wa t e r - b i n d e r r a t i o o f 0 ． 3 5 Nu mb e r o f cy c l e s ／ t i me s 图 7 水胶 比 0 ． 4 5混凝土在不 同试验模式下 的 相对动 弹性模量 F i g ． 7 Re l a t i v e d y n a mi c mo d u l u s o f e l a s t i c i t y u n d e r d i f f e r e n t t e s t mo d e s o f c o n c r e t e wi t h wa t e r- b i n d e r r a t i o o f 0 ． 4 5 1 ． o 0 0 ． 9 9 O ． 9 8 0 ． 9 7 O ． 9 6 O ． 9 5 嚣 O ． 9 2 O ． 91 O ． 9 O 0 ． 8 9 0 ． 8 8 0 ． 8 7 Nu mbe r of c y c l e s ／ t i me s 图 8 水胶 比 0 ． 5 5混凝土在不 同试验模式下 的 相对动 弹性模 量 F i g ． 8 Re l a t i v e d y n a mi c mo d u l u s o f e l a s t i c i t y u n d e r d i f f e r e n t t e s t mo d e s o f c o n c r e t e wi t h wa t e r- b i n d e r r a t i o o f 0 ． 5 5 随冻融循环次数增加而变化的规律． 试验表 明， 先碳 化的混凝土 由于 内部结构变得密实因而要 比先冻融 钳 躬 铊 加 d ] 善丑菩 墨 0害罩口 0 冒0 r B 占 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 建筑材料学报 第 1 8卷 的混凝土相对动 弹性模量高 ， 即抗冻性好． 因此 ， 建 议寒 冷地 区尽 量减 少冬 季施 工． 3 冻融和碳化 共同作用下混凝 土的损 伤模型 由图 6 ～8可见 ， 混凝土在冻融循环和碳化共 同 作用下， 其相对动弹性模量 E d 与冻融循环次数 n的 关系可以用 函数表示 ， 即 Ea 一厂( ) ， 函数的一阶导 数为 f ( ) 一 ． U f 通过对微分方程求解并代入边界条件 ， 得到冻 融循环和碳化共 同作用下混凝土相对动弹性模量演 化方 程如 下 ： Ed— a 1 + n 0 + 1 ( 2 ) 式中 ： 口 ， “ 。 分别为与混凝土材料相关的参数． 按式( 2 ) 对冻融循环和碳化共 同作用下混凝 土 试件 C 3的相对动弹性模量进行拟合 ， 结果见图 9 ． 图 9 冻融一 碳化共 同作用 下混 凝土相对 动 弹性模量演化 方程 拟合 F i g ． 9 E v o l u t i o n e q u a t i o n s i mu l a t i o n o f c o n c r e t e r e l a t i v e d y n a mi c mo d u l u s o f e l a s t i c i t y u n d e r f r e e z e - t h a w c yc l e s a n d c a r bo ni z a t i on 通过试验结果和拟合结果 的对 比分析可 知， 使 用式( 2 ) 对混凝土相对动弹性模量与冻融循环次数 的关系进行拟合 ， 两者具有很好的相关性． 4 结论 ( 1 ) 混凝土在冻融一 碳化试验模式下的质量损失 率大于单一冻融试验模式下的质量损失率 ； 混凝土 在冻融一 碳化试验模式下的相对动弹性模量小于单 一 冻融试验模式下 的相对动弹性模量 ， 即混凝 土在 冻融一 碳化复合作用下 的抗冻性劣于单一冻融作用 下 的抗冻 性． ( 2 ) 先 碳 化 的混 凝 土 由于 内部 结 构 变 得 密 实 而 要比先冻融的混凝土在劣化过程中的相对动弹性模 量高， 即抗冻性好． 因此 ， 建议寒冷地 区尽量减少冬 季施 工． ( 3 ) 通过对试验结果 中混凝土质量的分析 ， 建立 了冻融 和碳化 共 同作用 下不 同水胶 比混 凝 土 的质 量 与冻融循环次数的函数关系． ( 4 ) 建立了冻融和碳化共同作 用下混凝 土相对 动弹性模量与冻融循环次数 的函数关系 ， 该函数 拟 合精度较高． 参 考文 献 ： [ 1 ] HO B B S D W． C a r b o n a t i o n o f c o n c r e t e c o n t a i n i n g P F A[ J ] ． Ma g a z i n e o f Co n c r e t e Re s e a r c h， 1 9 9 4， 4 6 ( 1 6 6 )： 3 5 - 3 8 ． [ 2 ] P AP AD AKI S V G， VA YENAS C G， F AR ~ S M N． F u n d a m e n t a l mo d e li n g a n d e xp e r i m e n t a l i nv e s t i g a t i o n o f c o n c r e t e c a r b o n a t i o n [ J ] ． ACI Ma t e r i a l s J o u r n a l ， 1 9 9 1， 8 8 ( 4 )： 3 6 3 — 3 7 3 ． E s ] VE S I KARI E ． S e r v i c e l i f e d e s i g n o f c o n c r e t e s t r u c t u r e wi t h r e ～ g a r d t o f r o s t r e s i s t a n c e o f c o n c r e t e ， p u b l i c a t i o n N o ． 5 [ R] ． Os — l ol No r d i c Con c r e t e Re s e a r c h， 1 9 8 6： 21 5 — 2 2 8 ． E 4 ] 牛获涛． 混凝土结 构耐久 性与 寿命 预测 [ M] ． 北京 ： 科 学出版 社 ， 2 0 0 3 ： 5 5 — 7 9 ． NI U Di t a o ．Du r a bil i t y a n d l i f e f o r e c a s t o f r e i n f o r c e d c o n c r e t e s t r u c t u r e [ M] ． B e i j in g ： S c i e n c e P r e s s ， 2 0 0 3 # 5 5 — 7 9 ． ( i n C h i n e s e ) [ 5 ] 张誉， 蒋利学， 张伟平， 等． 混凝土结构耐久性概论[ M] ． 上海： 上海科学技术 出版社 ， 2 0 0 3 ； 7 9 — 8 1 ， 2 2 6 - 2 3 2 ． ZHANG Yu， J I ANG Li x u e， ZHANG W e i p i ng， e t a 1 ．Co ns p e c t u s o f c o n c r e t e s t r u c t u r e d u r a b i l i t y[ M] ． S h a n g h a i ： S h a n g h a i S c i e n c e a nd Te c h no l o g y Pr e s s ， 2 00 3： 7 9 — 8 1， 2 2 6 — 23 2 ．( i n Chi ‘ n e s e ) E 6 ] 金祖权． 西 部地 区严酷 环 境 下混 凝 土 的耐 久 性 与 寿命 预 测 [ D ] ． 南京 ： 东南大学 ， 2 0 0 6 ． J I N Zu q u a n． Du r a b i l i t y a n d l i f e f or e c a s t o f c o n c r e t e u n d e r a s t r i n g e n t e n v i r o n me n t i n we s t e r n a r e a s [ D] ． Na n j i n g ： S o u t h e a s t Un i v e r s i t y ， 2 0 0 6． ( i n Ch i n e s e ) E 7 ] 余红发 ， 慕儒 ． 孙伟 ， 等． 弯曲穗载、 化学 腐蚀和碳化作用及其 复 合对 混 凝 土抗 冻 性 的影 响 [ J ] ． 硅 酸 盐 学 报 ， 2 0 0 5 ， 3 3( 4) ： 4 9 2 - 4 9 9 ． YU Ho n g f a ， M U Ru． S U N W e i ， e t a 1 Ef f e c t s o f f l e x ur a l l o a ds ， c h e mi c a l a t t a c k， c a r b o n a t i o n a n d t h e i r c o mb i n a t i o n o n f r e e z i n g t h a w i n g d u r a b i l i t y o f c o n c r e t e s [ J ~ ． J o u r n a l o f t h e Ch i n e s e Ce r a mi e S o c i e t y ， 2 0 05 ． 33 ( 4) ： 4 9 2 - 4 9 9 ． ( i n Ch i n e s e ) [ 8 ] 燕坤． 多重因素作用下碳化混凝 土的抗冻性[ D] ． 南京 ： 南京航 空航天大学 ， 2 0 0 7 ． YAN Ku n ． Th e c a pa b i l i t y o f c a r bo na t e d c o n c r e t e i n r e s i s t i ng t ‘ ) f r e e z e - t h a w c y c l e s u n d e r t h e e f f e c t o f mu l t i p l e f a c t o r s [ D] ． Na n j l a g； Na n j i n g Un i v e r s i t y o f Ae r o n a u t ic s a n d As t r o n a u t i c s ， 2 0 07 ．( i n Ch i ne s e ) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m