应力作用下硫酸根离子在混凝土中的传输规律.pdf

第 3 2卷第 8期 2 0 1 0年 8月 人民 YELL0W 黄河 RI VER Vo 1 ． 3 2． NO ． 8 Au g ．， 2 01 0 【 水利水 电工程 】 应力作用下硫酸根离子在混凝土中的传输规律 李晓克 ， 于 阳 ， 高润 东 ， 赵顺波 ( 1 ． 华北水利水电学院 土 木与交通 学院， 河南 郑州 4 5 0 0 1 1 ； 2 ． 清华大学 水 沙科学与水利水 电工程国家重点实验 室， 北京 1 0 0 0 8 4 ) 摘要： 对强度等级为C 4 0的混凝土试件施加3种弯拉应力后， 浸泡于浓度为5 0 0 0 0 m g ／ L的硫酸钠溶液中， 当侵蚀龄期 达到9 0 、 1 8 0 、 3 6 0 、 5 4 0 d时， 采用钻芯、 分层切片、 研磨方式提取水泥石粉末样本进行化学分析， 测定不同深度处混凝土的 硫 酸根 离子含 量。结果表 明： 混凝土 中硫酸根 离子含量均随深度的增加 而减 小， 受侵 蚀范围 内同一深度 处混凝土 的硫 酸 根 离子含 量随龄 期的增长而增加 ； 压应力对硫酸根 离子 由外部侵蚀溶液 向混凝 土 内的传输具有 一定的却制作 用， 拉应 力 则对其传 输具有加 速效果且 传输速率随拉 应力的增大而提 高。 关键词：混凝 土；硫 酸盐侵 蚀 ；浸泡 ；拉应 力 ；压应 力 中图分类号 ：T V 4 3 l 文献标识码 ： A d o i ： 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 0 — 1 3 7 9 ． 2 0 1 0 ． 0 8 ． 0 4 3 硫酸盐对混凝土的侵蚀是一个复杂的物理化学过程， 可以 导致 混凝土膨胀 、 裂缝 、 甚 至溃散 ， 危 害性 很大 ， 是影 响混 凝土 耐久性 的一个重要原 因 。根据相关 调查 。 ， 我 国西北 地 区的环境 水中常 含有大量 的硫酸盐 ， 导致很多水 工建筑 物发生 硫酸盐侵蚀， 如刘家峡、 八盘峡水电站等都 出现了不同程度的 硫酸盐侵蚀； 由于海水中也含有一定量的硫酸根离子， 因此沿 海地区的一些跨海大 桥 、 海 底 隧道 、 海上 采油平 台 、 海港 、 近 海 工程等也不同程度地遭受了硫酸盐的侵蚀破坏。为此 ， 我国制 订了相应设计与施工指南， 对混凝土抗硫酸盐侵蚀起到了指导 作用 。但是 ， 在实际工程 中， 对于 混凝土 负荷 状态下 耐硫 酸 盐侵蚀性能的研究非常匮乏” ， 因此笔者对应力和 长期浸泡共 同作用下的混凝土中硫酸根离子传输方式进行了试验研究。 1 试验概况 试验水泥采用 4 2 ． 5 R普通硅酸盐水泥， 其化学组成 中 S i O 2 、 C a O、 A 1 2 0 3 、 F e 2 O 3 、 S O 3 、 Mg O、 f —C a O、 N a 2 0、 K 2 O含量分 别为 3 1 ． 4 3 ％ 、 4 1 ． 2 8 ％ 、 1 2 ． 4 3 ％ 、 3 ． 3 4 ％ 、 3 ． 2 2 ％ 、 4 ． 2 5 ％ 、 0 ． 7 6 ％、 0 ． 4 3 ％ 、 0 ． 8 0 ％， 烧 失 量、 碱 含 量 分别 为 1 ． 3 2 ％、 0 ． 9 7 ％ 。 骨料采用 细度模数 为 2 ． 7 1的天然 河砂 和最 大粒 径 为 2 O m m的连续级配碎石。混凝土设计强度等级为 C 4 0 ， 配合比 为水 ： 水泥 ： 砂 ： 碎石 =2 0 1： 4 5 7： 5 9 1：1 2 0 1 ， 水灰比为 0 ． 4 4， 砂率为 3 3 ％， 拌和水为自来水。实测标准养护 2 8 d的混 凝 土立方体抗压强度为 5 5 ． 8 MP a 。 试验采用 1 0 0 mm1 0 0 m m 4 0 0 m m标准棱柱体试件， 浇 筑成型后标准养护 2 8 d 。根据实测试件的抗折极限荷载 P 计 算出不同应力等级的荷载。施加的荷载水平 P I P 分别取0 ． 2、 0 ． 4、 0 ． 6 ( 用 2 0 ％、 4 0 ％ 、 6 0 ％弯拉强度来表示) ， 模拟混凝土在 弹性阶段、 比例极限阶段和裂缝稳定扩展阶段的耐硫酸盐侵蚀 情况 。3个试块制成一个应力架 ， 采用三分点加载 ， 通过 弹簧的 变形对混凝土试件施加荷 载 。将试 件和 应力架 一起放 人硫 酸钠溶液中长期浸泡进行侵蚀试验。硫酸钠溶液浓度为5 0 0 0 0 m g ／ L ， 对应于混凝土所处硫酸盐环境非常严重作用等级 j 。 浸泡过程中为保持溶液浓度不变， 用塑料薄膜对溶液进行密封 以防止挥发 ， 并且定期更换溶液 ， 侵蚀在室 内进 行 ， 温度保 持在 2 0℃左右， 相对湿度保持在 7 0 ％左右。 为准确反 映硫 酸 根的 一维 侵蚀 规 律， 减 少 多 向侵蚀 的 干 扰， 采用双面( 试件的受拉面和受压面) 侵蚀 ， 其余4个面( 包括 成型面) 用石蜡密封 。测试龄期 为浸泡 9 0 、 1 8 0 、 3 6 0、 5 4 0 d 。用 钻机钻取芯样， 用切片机依次从拉压面切取厚度为 1 ． 5 、 2 ． 0、 5 m m的样本 ， 第 3层以后样本厚 度均 为 5 m m， 依 次对应 测试侵 蚀深 度为 0 ． 7 5 、 2 ． 5 、 6 、 1 1 、 1 6 、 2 1 、 2 6、 3 1 I r l m 的混凝 土硫酸根离 子含量。采用改进的水泥化学分析方法进行混凝土硫酸根离 子含量测定 ⋯。 2 试验结果及分析 由于水泥中含有一定量的石膏和 S O ， 使得混凝土在遭受 外部硫酸盐侵蚀之前 ， 其内部已含有 一定量 的硫 酸根 ， 经 测量 ， 内部初始硫酸根含量为 0 ． 7 8 ％ ( 硫酸根含量 以 s 0 计) 。因 此 ， 当某层测试的硫酸根含量 超过 0 ． 7 8 ％ 时 ， 判 定该层受 到 了 外部硫酸盐侵蚀。 2 ． 1 拉应力区传输规律 拉应力区混凝土 中硫酸根离子含量试 验结 果见 图 l 。可以 看出 ， 各侵蚀龄期下 ， 混凝 土 中硫 酸根 离子含 量均 随深度 的增 加而减小 ， 表 明侵蚀过程是 由表及里渐次产生 的。 收稿 日期 ： 2 0 0 9 一l 卜1 7 基金项 目： 河南省杰 出青年科学基金资助项 目( 0 4 1 2 0 0 0 2 3 0 0 ) ； 国家 自 然科 学基 金委员会和雅砻江水电开发联合研 究基金 资助项 目( 5 0 5 7 9 0 9 6 ) ； 华 北水利 水电 学院高层次人才科研启动项目( 0 0 0 9 1 9 ) 。 作者简介： 李晓克( 1 9 7 5 一) ， 男． 河南许昌人， 副教授， 博士， 主要从事水工混凝 土结构基 本理论研 究工作 。 E- ma i l ： l l x k @ l i t 2 ~ ,J ~ 1 ． e d u cn 97 人 民 黄 河2 0 1 0年第8期 托 槎 删 如 裔 堰 枣 面 札 镶 鹾 缸 ．}葺 侵蚀深／ m m ( b ) 1 8 0 d 龄期 侵蚀深／ mm f c l 3 6 0 d 龄期 侵蚀深 ／ m m 【 d 4 0 d 龄期 图 1 拉应 力区混凝土中硫酸根离子含量的变化 硫酸根离子主要通过表面的孑 L 隙进入混凝土， 在其进入的 过程中， 部分硫酸根离子将与水泥水化产物发生反应而生成具 有体积膨胀性质的腐蚀产物。通过同步热分析仪对侵蚀产物 的热重分析和热差分析证实腐蚀产物为钙矾石和石膏 。这 些腐蚀产物会堵塞混凝土孔隙， 从而阻碍硫酸根离子继续向混 凝土内部传输， 减缓混凝土内部受到侵蚀， 也会降低内部硫酸 根离子 的含量。在相 同的应力水平下 ， 受侵蚀范 围内同一深度 处混凝土硫酸根离子含量随龄期的增长而增加， 表明硫酸盐对 7 昆 凝土的侵蚀具有时间累积效应。这一效应在受侵蚀严重的 浅层， 即在深度为0 ． 7 5 m m和2 ． 5 m m处体现得十分明显。随 着侵蚀龄期的增长， 混凝土受侵蚀深度也加大。 总体上看 ， 较高水平的拉应力起到了加速硫酸盐侵蚀混凝 土的作用。在硫酸根离子向混凝土内部的传输方面表现出两 种效应： 一是拉应力促使混凝土原有非贯通孔隙的连通 ， 或者 在其单独作用下及与腐蚀产物体积膨胀联合作用下导致更多 98 新的微裂缝， 为硫酸根离子向混凝土内部传输提供更加便利的 通道， 加速了对混凝土的侵蚀， 使受侵蚀范围内混凝土的硫酸 根离子含量增加 、 受侵蚀深度也相应加大 。二是拉应力导致混 凝土孔隙连通并出现新裂缝， 侵蚀后期浅层中的氢氧化钙被大 量消耗， 导致孔隙溶液碱度降低， 钙矾石变得不稳定( 石膏相对 稳定得多) ， 易在侵蚀溶液作用下溶 出， 因此表层中的硫酸根含 量在后期会 降低 。 2 ． 2 压应力区传输规律 压应力区混凝土中硫 酸根离子含量试验结果见图 2 。 枣 删 奇Ⅱ 憾 血 缸 甾 1}j 耋 删 缸 斑 ．}喾 ) 3 6 0 d 龄期 侵蚀 深 ／ mm f d ) 5 4 0 d 龄期 图 2 压应力 区混凝土中硫酸根离子含量的变化 可以看出， 压应力区混凝土中硫酸根离子含量随深度的变 化规律与受拉区相同； 侵蚀龄期达 3 6 0 d时， 表层混凝土中硫酸 根离子含量略低于受拉区； 侵蚀龄期达到 5 4 0 d时， 表层 0 ． 7 5 m l n 处混凝土中硫酸根离子含量则高于受拉区， 原因可能是受压区 混凝土表面未出现砂化现象， 使得表层侵蚀产物得以聚积。 由于相对于混凝土抗压强度而言 ， 试件受压区混凝土的压 应力仅在抗压强度的 1 0 ％以内， 因此压应力对混凝土孔隙结构 0 5 0 5 O 5 0 5 O 4 3 3 2 2●●0 O 5 0 5 O 5 0 5 0 4 3 3 2 2●●0 零、 =菖如 龌 0 5 0 5 O 5 O 5 O 4 3 3 2 2●●0 O 5 O 5 0 5 0 5 0 5 0 5 4 4 3 3 2 2 0 人 民 黄 河2 0 1 0年第 8期 及渗透性能的影响较小 ， 在施加 2 0 ％ ～ 6 0 ％弯拉强度的拉应力 荷载下， 没有表现出压应力水平对硫酸根离子传输影响的确切 规律。但是， 试件受压区表面出现的裂纹 比受拉 区少得多， 说 明压应力至少对硫酸盐腐蚀产物膨胀作用导致的混凝土表面 裂纹起到了抑制效果 ， 对侵蚀溶液中硫酸根离子向混凝土内部 的扩散和传输起到了一定的阻碍 、 延缓效应。 3 结论 较高水平的拉应力会加快硫酸盐对混凝土的侵蚀， 使硫酸 根离子更快地向混凝土内部传输。但随着侵蚀龄期的增长， 表 层部分水泥浆体剥落 ， 砂化 较严 重 ， 则 表层 混凝 土 中硫 酸根 离 子含量也会降低。因此 ， 硫酸根离子含 量并不 能唯一确定 混凝 土受侵蚀破坏的程度。 压应力对源于腐蚀产物体积膨胀的混凝土表面裂纹具有 抑制、 延缓作用， 对硫酸根离子向混凝土内部传输具有一定的 阻碍效 果。 由于实 际工程 中的混凝土结构 均承受荷 载作用 ， 因此应关 注混凝土应力状态对其耐硫酸盐侵蚀性能的影响， 特别是对结 构混凝 土的受拉 区域应加 强保 护 ， 以免 引起 更加严 重的硫酸 盐 侵蚀破坏 。 参考文献 ： 术 出版社 ， 2 0 0 3 ． [ 2 ] O d l e r I ， G la s s s e r M．M e c h a n i s m o f s u lf a t e e x p a n s io n i n h y d r a t e d P o r tl a n d C e ． m e a t [ J ] ． J 0 u mal o f t h e A m e r i c a n C e r a m i c S o c i e t y ，1 9 8 8 ， 7 1 ( 1 1 ) ：1 0 1 5— 1 0 20． [ 3 ] 王媛俐， 姚燕． 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n i s m o f S u l f a t e A t t a c k O H C o n c r e te b y T G—D S C m e t h o d [ G] ／ ／ A d v a n c e s i n C o n c r e t e S tr u c t u r al Du r a b i l it y ． Ha n g z h o u：Z h e j ia n g Un i v e r s i t y P r e s s ， 2 0 0 8：5 4 9—5 5 5 ． 【 责任编辑张华岩】 [ 1 ] 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 -4 > 牵 - 4 > 串 夺 串 串 夺 - 4 > 串 夺 夺 -4 > 、^ - 4 > 夺 - 4 > 夺 孛 牵 孛 -4 > 串 寺 牛 串 夺 争 夺 - 4 > 专 夺 夺 争 寺 夺 -4 > - 夺 ( 上接第 9 6页) 2 ．0 1 ． 5 1 ． 0 b 0． 5 0 星 时l司／ min 图 2不同覆盖 度坡面径流剪切力变化过程线 ～～ r ＼ 一 ／ ． -_—— ～ ～： 二 二 = ／ - - ． - ． ： 坡位 ， m l。 O 坡位 ／ m ( b)s = 2 0 。 坡位 ， m ( C )S ：2 5 。 口 c 。 图 3 坡 位 ， m ( d)s =3 0 。 一 一 一 一 低— — 坡面径流剪切力沿程变化情况 O7 0 ． 6 0 ． 5 0． 4 0． 3 0． 2 O ． 1 0 I ． 0 0． 8 0． 6 0． 4 02 O 除 2 5 。 坡 面外 ， 其余 3个坡 度坡 面的径流剪 切力沿程 各断 面均 呈 现 7 _ c 0> r > 的特征( C o 、 C 低、 c 高分别代表裸坡 、 低覆 盖度和高覆盖度坡面) ； 不同覆盖度坡面径流剪切力沿程均有 波动， 其中裸坡的径流剪切力沿程波动频率较高且波动幅度较 大 ； 坡度 ≤ 2 0 。 坡 面的植被 作用 系数 ( 即 f c 、 7 I c 与 Jr 之 比， 分别表示为 和 )在坡面上方沿程减小 ， 在坡 面中下 部又转 而上升 ， 而坡度 >2 0 。 坡面的植被作用系数 基本上呈 沿程减小之势 。 3 结语 坡面径 流 剪 切 力 随 覆 盖 度 的 提 高 而 减 小 ， 3 O 。 坡 面 在 5 L ／ m i n 流量级试验条件下 ， 裸坡 、 低 覆盖度 和高覆盖 度坡 面径 流平均剪切力分别为 0 ． 9 、 0 ． 5 、 0 ． 3 P a ， 各类坡面径流剪切力沿 程和随试验历时的波动变化幅度随覆盖度的提高而降低。 笔者仅对坡面径流 剪切 力的沿 程分 布规律进 行 了初 步分 析 ， 关 于坡 面径流剪切 力 与坡面侵 蚀过 程 的关 系 ， 还需要 进一 步研究。 【 责任编辑张智民】 9 9 4 2 O 8 6 4 2 0