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模拟自然环境的混凝土综合耐久性试验研究.pdf
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1、2 0 1 5年 第 2 期 ( 总 第 3 0 4 期) N u mb e r 2 i n 2 0 1 5( T o t a l No 3 0 4 】 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 THEORETI CAL RES EARCH d o i : 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 5 0 2 0 0 5 模拟 自然环境 的混凝 土综合耐久性试验研 究 张金 喜 , 马宝成 ,冉晋 , 魏建军 ( 北京工业大学 交通工程北京市重点实验室 , 北京 1 0 0 1 2 4 ) 摘要:目前 , 国内外对混凝土耐久性的评价主要为分项
2、单独评价, 与混凝土实际所处环境有较大差别 。 通过设计由于湿循环 、 碳化和冻融循环等组成 的模拟 自然环境的混凝土综合耐久性试验, 测试了 昆 凝土动弹模量 、 微观构造等指标。 试验结果表 明, 影 响混凝土耐久性的各因素并不单独发挥作用, 而是相互之间发生交互影响, 产生叠加效应。 而且 , 混凝土材料微观孔隙的变化与 各影响因素也具有较好的相关性。 关键词:自然环境 ; 水泥混凝土; 耐久性 ; 试验方法; 微观孔隙构造 中图分类号: T U 5 2 8 0 1 文献标志码: A 文章编号 : 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 5 ) 0 2 0 0 1 8 0 4 R
3、es ea r ch on c ompr ehens i ve dur a bi l i t y of c emen t concr e t e unde r si m u l at e d nat ur a l condi t i on Z HANG J i n x i , MA Ba o c h e n g, R AN J i n, WE I J i a n j n n ( K e y L a b o r a t o r y o f T r a ffic E n g i n e e ri n g, B e i j i n g Un i v e r s i t y o f T e c h n
4、 o l o g y, B e ij i n g 1 0 0 1 2 4, Ch i n a ) Abs t r ac t : Cu r r e n t l y d u r a b i l i t y of c e me n t c o n c r e wa s e v a l u a t e d b y t h e s i n gl e e r o s i o n f a c t o r I t s d i f f e r e nt f r o m t he a c t u a l e n v i r o n me n t I t p r e s e n t s t h e t es t m
5、e t ho d o f c o mp r e h e n s i ve d u r a bi l i t y o f c e me n t c on c r e t o s i mu l a t e t he n a t u r a l e n v i r o n me n t , a n d i t s c o n s i s t o f dry a n d we t c y c l e s, c a r b o n i z a t i o n, f r e e z i n g a n d t ha wi n g c yc l e s, c h l o rin e i o n a n d
6、S O o n I t s e v a l u a t i o n i n d e x e s , s u c h a s d y n a mi c e l a s t i c mo d u l us , mi c r os c o p i c po r e s t r u c t u r e a n d S O O N we r e t e s t e d Th e r e s u l t s i n d i c a t e t h a t t h e f a c t o r s whi c h a f f e c t d u r a b i l i t y o f c e me n t c
7、 o n c r e t e a r e n o t s i n g l e, wh i l e i n t e r a c t i n g b e t we e n d i f f e r e nt f a c t o r s M e a n wh i l e, c h a n g e s o f m i c r o s c o p i c p o r e s t r uc t ur e h a v e g oo d c o e s po n d e n c e wi th th e e r o s i on f a c t o r s o f c e me n t c o n c r e
8、t e Key wor ds: n a t u r a l c o n d i t i o n; c e me n t c o n c r e t e; d u r a b i l i t y; t e s t me t h o d; mi c r os c o p i c p o r e s t r u c t u r e 水泥 昆 凝土是重要的土木工程建设材料 , 在工业与 民 用建筑 、 交通运输 、 水利水 电工程等领域都 是重要和不 可 替代的建筑材料 。 由于水泥混凝土结构设计使 用寿命长 , 许多重要 的国民经济基础设施均采用该结构 , 而其 自身材 料的耐久性对于其结构设施 的
9、使用寿命 、 使用安全 , 乃至 目民经济发展均具有非 常重要 的作用。 因此 , 开 展水泥混 凝土耐久性研究具有非常重要的理论意义和应用价值 。 水泥混凝土结构在使用过程 中经 受多种 自然 环境 因 素的影响 , 不 同影 响因素对 混凝土 的耐久 性具 有不 同作 用 。 同内外 已经对水泥混凝土耐久性 的试验和评价方法进 行 了长期研究 , 提 出了系统 的试 验方法 、 评价指标 和评价 标准 , 例如混凝土抗冻性试验 、 碳化试验 、 氯离子 渗透试 验 等。 但是这些试验方法均为单项 、 单独 的试验和评价方法 , 与混凝土所处 自然环境有较大差异 , 评价结果不能准确反 映混
10、凝土的综合 耐久性。 吴 中伟 院士等人指 出 : “ 耐久 性 研究本身存在缺 陷, 单一 的耐久性试验与实际的工作环境 众多因素的组合 本身就脱 节” , 孙伟 院士也提 出“ 当前 关于混凝土裂化 损伤过程 的研究 与实际工程所处 的环 境 收稿 日期 : 2 0 1 4 0 7 2 6 基金 项 目 : 圈家 自然科 学基金( 5 1 2 7 8 0 1 6 ) l 8 不符 , 实际工程的耐久性是在荷载 因素和环境因素双重和 多重 因素破坏作用下的混凝 土损伤裂 化过程 ” 。 由于存 在这种差异 , 国内外研究者在单 因素试验基础上探讨了双 因素 。 、 多因素 的混凝土耐久性 问
11、题 。 但这些研究 主要侧重于不同影响因素之间的相互影 响, 没有与混凝土 结构物实际所处 自然环境进行一定程度的结合。 本研究 以水泥混凝 土道 路设 施实 际经受的主要 环境 影响因素 冻融 、 碳化 、 干湿循 环和氯 盐侵蚀为 主要 考 虑对象 , 设计并实施了室 内模拟 自然环境 的水泥混凝土综 合耐久性试验 , 探讨 了水泥7 昆 凝土在不同影 响因素综合作 用下的性能变化规律。 1 原材料 选择及 配合 比设计 水泥选择 P O 4 2 5级水泥 , 粉煤灰选择 F类 I 级粉 煤灰 , 粗集料为 5 - 2 0 m m 的石灰岩碎 石 , 细集料为普通河 砂 , 细度模数 2
12、7 8 , 属 中砂 。 为 了解不同类型混凝土的耐久性变化规律 , 考虑了使 用粉煤灰和不使用粉煤灰两种情况 , 两种混凝土的强度等 级均为 C 4 0 。 通过使用减水剂调整混凝 土坍 落度 , 使之保 持在( 1 2 0 5 ) C l T I 。 混凝土不使用 引气剂 , 新 拌混凝 土含 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 气量分别为 2 3 和 2 1 。 经过配合 比试验 , 最后确定的混 凝 土配合 比见表 1 所示 。 表 1 混凝土配合比 注 : c 一不使用粉煤灰的普通混凝土 , F c 一使用粉煤灰等质量代替 1 5 9 ( 水泥的混凝土。
13、下同。 2试 验 方 法 2 1 试样 尺寸及编号 混凝土试样有两 种 : 一种用 于测 试混凝 土抗压强 度 , 尺寸为 1 0 0 i r l n1 0 0 1 l q 1 0 0 m m 的立方 体试件 , 分别 测量龄期为 7 、 1 4 、 2 8 d时混凝土 的抗压强度 , 试样编 号分 别为 C一 1 1 至 C一 3 3和 F C一1 1 至 F C一 3 3 。 另一种用 于 混凝 土耐久性试 验 , 尺寸 为 1 0 0 r n i n1 0 0 m i n 4 0 0 m I n 的棱柱体试件, 均养护 5 6 d后开始进行耐久性试验, 试样 编号分别为 C一 4 1至
14、C一 5 3和 F C一 4 1 至 F C一 5 3 。 试样 编号和用途见表 2 所示 。 试验综合考虑 了氯盐侵蚀 、 干湿循环 、 碳化 、 冻融对 混 凝土性能的影响, 而且所有耐久性试验均在氯盐环境下进 行。 其 中, 干湿循环 的过程为试样浸泡在盐水浓度为 3 的 氯化钠溶液 中湿 润 , 然后 将浸泡 氯化 钠溶液 后 的试 样 干 燥 ; 冻融循 环采用盐水 中冻结 、 盐水 中融解 的方式 , 盐水 也 为浓度 3 的氯化钠 溶液 ; 碳化也为氯化钠溶 液浸泡后 的 试样。 表 2试样 编 号及 用途 2 2 模拟 自然环境的综合耐久性试验步骤 自然界 中的混凝 土设施一直
15、处 于各种 因素 同时 或交 互的作用 中, 在室内模拟 自然环境对混凝土综合耐久性的 影响 , 在理论上和技术上都存在 困难。 因此 , 在现有研究基 础上 , 设计 了由多个单项耐久性循环试验组成的综合 耐久 性循环试验方法 , 力求真实地反映不 同自然环境因素共同 作用 时混凝土耐久性 的劣化规律 。 氯盐侵蚀能阻碍混凝土 的碳化 , 阻碍 由碳化 对混凝 土强 度及 密实性 等 的升高 作 用 , 故先进行氯盐侵蚀条件 下 的于湿循 环试 验 , 再进 行碳 化试验 , 最后进 行冻融循 环。 根据试验室 内标准普通混凝 土长期性能和耐久性能试验方法标准 , 碳化 的时间为 2 8 d
16、 , 抗硫酸 盐侵蚀 试 验 1 5个循 环 ( 本试 验 将硫 酸 盐换 为 氯 盐 ) , 2 5次冻融循 环结束 后进行 动弹模量测 试 , 本研 究设 计进行三个大循环 , 每个大循环做 1 0 d的碳化 , 每个 大循 环做 5个干湿循环 , 冻融循环做 2 5个进行冻融循环试验。 混凝土综合耐久性的试验流程如下 : ( 1 ) 混凝土立方体试样 养护至 7 、 1 4 、 2 8 d时, 测试 其 抗压强度 。 ( 2 ) 混凝土棱柱体试样养护至 5 6 d时 , 开始进行氯盐 侵蚀条件下的干湿循环试 验 , 每个干湿循环需 2 d , 共进行 5个循环 , 共需 1 0 d 。
17、干湿循环试验完毕后 , 放在盐水 中浸 泡 4 d , 测试所有试样 的动弹模量 。 ( 3 ) 完成干湿循环 的试样 开始进 行碳化试验 , 碳 化时 间为 1 0 d 。 碳化试验完毕后 , 放在盐水 中浸泡 4 d , 测试所 有试样 的动弹模量 。 ( 4 ) 完成碳 化试验 的试样 , 开始进 行混凝土试样 的冻 融循环试验 , 共进行 2 5 个循环 , 约需 4 d 。 冻融循环试验完 毕后 , 测试所有试样 的动弹模量 , 并取其 中一个试样 , 测试 混凝 土微观孔隙含量 。 ( 5 ) 上述所有试验组成一个综合耐久性循环试 验 , 共 计需 3 2 d 。 第一个综合耐久性
18、试 验完成 后 , 按 ( 2 ) ( 4 ) 顺 序进行第 2 个综合耐久性循环试验。 本研究共进行 了 2 个综合耐久性循环试验 , 混凝土劣 化至冻融循环试验 的停止条件 , 故停止试 验。 为进一 步了 解经过综合劣化后混凝土 的情况 , 完成第 2个综合耐久性 循环试验的试样 , 在标准养 护室养护 6 4 d后 , 测试剩余 所 有试样 的动弹模 量 , 并取其 中一个试 样 , 测试混凝 土微 观 孔隙含量。 为 了进行对 比, 安排了对 比试样放在 标准养 护 室中持续养护 , 并 在上述试验节 点的相同龄期 , 测试 了对 比试样 的相关性能 , 如动弹模量和微观孔隙构造 。
19、 混凝土综合耐久性试验流程见表 3 所示 。 表3 混凝土综合耐久性循环试验流程 耐久胜试验 内容 混凝土 内容 3 试验 结果及 分析 3 1混 凝 土 抗 压 强 度 不同龄期的两种混凝土 的抗压强度见表 4所示 。 1 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 4混 凝土 抗压 强度 MP a 从表 4可以看 出, 不论是普通混凝土还是粉煤灰混凝 土 , 抗压强度随龄期增长而增 长 , 掺加 粉煤灰 的混凝 土 的 强度略低 于普通混凝 土强度 , 特别是 当龄期 较短情况下 。 混凝 土2 8 d 抗压强 度为 4 9 MP a 和 4 8 MP a ,
20、均达到了 C 4 0 混凝土的强度要求。 3 2混凝 土动 弹模 量 大量试验数据资料和以往研究显示 , 水泥混凝土 内部 的裂纹扩展或界 面强度 的衰减都会直接导致 混凝土动 弹 模量的下降。 动 弹模 量是评 价混凝 土 内部损 伤 的有 效指 标 , 同时动弹模量的测试为非破坏试验 , 因此 , 可 以利用进 行耐久性试验的试样进行无损检测 。 本研究将混凝土动弹 模量的变化作为反映混凝土综合耐久性 破坏的指标进行 了测试。 不同混凝土经过耐久性试 验后的动弹模 量变化趋 势 见图 1所示。 +经 过耐 久性试 验的普 通混凝 土 +经 过耐久 性试 验的粉煤 灰混凝 土 +没有经过耐久
21、性试验的普通混凝土 龄 期 d 图 1 不 同混凝土动弹模量变化趋势 从图 1 可 以看 出, 没有经受 耐久性影响 、 一直 在标准 养护室养护状态下 , 不论普通混凝土还是掺加粉煤灰 的混 凝土 , 混凝 土的动弹模 量都呈 持续增加趋势。 这是 由于水 泥混凝土通过水泥的持续水化使混凝土内部逐渐密实 、 强 度逐渐提高 , 因而动弹模量持续增加。 与普通混凝土相 比, 掺加粉煤灰后混凝土 的动弹模量稍有 降低 , 但 不明显。 本 研究耐久性起始龄期为 5 6 d , 此时粉煤灰的二次水化作 用 逐渐显现 , 因而动 弹模 量有一定提 高, 表 明粉煤 灰类矿 物 添加剂可以起到增加混凝
22、土后期强度的效果。 而对于经受综合耐久性作用 的试样 , 混凝土的动弹模 量出现波浪形变化。 不论普通混凝土还是掺加粉煤灰的混 凝土 , 干湿循环和碳化对修复混 凝土内部损伤 、 提 高混 凝 土动弹模量都具有一定 的促进作 用。 与碳化相 比, 干湿循 环对混凝土 的修 复作用更加 明显。 试验结果显示 , 冻融循环作用对混凝土 的破坏作用是 决定性的。 在本研究探讨的混凝土耐久性影 响因素 中, 即 使是在氯盐环境中 , 干湿循环对混凝 土的修复作用也 比较 明显 , 碳化也不会 增加混凝 土内部损伤 , 对于修复混凝 土 内部损伤有一定作用 。 而经过第一个综合耐久性 的冻融循 , 【
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- 模拟 自然环境 混凝土 综合 耐久性 试验 研究
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