混凝土冻融及盐冻劣化机理研究进展及模型综述.pdf
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1、2 0 1 2年 第 9期 ( 总 第 2 7 5 期 J Nu mb e r 9 i n 2 0 1 2 ( T o t a l No 2 7 5 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 理论研究 THE OI ETI CAL RES EARCH d o i : 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 2 0 9 0 0 6 混凝土冻融及盐冻劣化机理研究进展及模型综述 任旭晨 。万小梅 ,赵铁军 ( 青 岛理工大学 土木学 院,山东 青 岛 2 6 6 0 3 3 ) 摘要: 对近年来混凝土冻融及盐冻破坏机理的研究进展及成果进行了总结, 评
2、述了孔结构、 水灰 比及外掺料对混凝土抗冻性及抗氯 盐冻融性能的影响, 同时总结了混凝土冻融劣化模型的研究进展。 在此基础上为混凝土冻融及盐冻劣化的进一步研究方向提出了建议。 关键词: 冻融;盐冻;孔溶液;微观;劣化; 模型 中图分类号 : T U5 2 8 O 1 文献标 志码 : A 文章编号 : 1 0 0 2 3 5 5 O ( 2 0 1 2 ) O 9 0 0 1 5 0 4 Rev i e w of me ch ani s m and ma t h ema t i c a l mode l f or s alt s c a l i ng a nd f r e e z i ng -
3、 t ha wi n g da m a ge of c onc r e t e R E NXu c h e rt , WA NXi a o - me i , Z H AO T i e -j u n ( S c h o o l o f Ci v i l E n g i n e e ri n g , Q i n g d a oT e c h n o l o g i c a l Un i v e r s i t y , Qi n g d a o 2 6 6 0 3 3 , C h i n a ) Ab s t r a c t : Th e r e s e a r c h d e v e l o p
4、me n t o f me c ha n i s m a n d ma t h e ma t i c a l mo d e l f o r s a l t s c a l i n g d a ma g e a n d f r e e z ing t h a wi n g d a ma g e o f c o n c r e t e wa s s u mm a r i z e d T he e f f e c t o f p o r e s t r u c t ur e, wa t e r c e me n t r a t i o a n d a d mi x t u r e s t h a t
5、 h a d o n t h e s a l t s c a l i n g an d fre e z i n g t ha wi n g r e s i s t a n c e of c o n c r e t e wa s o b s e r v e d a n d t h e r e s e a r c h d e v e l o p me n t o f f r e e z i n g - t h a wi n g d e t e rio r a t i o n mo d e l o f c o n c r e t e wa s s u mma r i z e dOn t h i s
6、b a s i s , t h e f u r t h e r d i r e c t i o n f o r s a l t s c a l i n g a n d f r e e z in g t h a wi n g d e t e r i o r a t i o n o f c o n c r e t e r e s e a r c h wa s r e c o mme n d e d Key wor ds : fre e z i n g t h a wi n g c y c l i n g; s a l t s c a l i n g; p o r e s o l u t i o n
7、; mi c r o s c a l e; d e g r a d a t i o n; mo d e l 0 引言 冻融是混凝土耐久性研究中的重要方面, 这一劣化过程在 许多国家至今仍不断引起混凝土结构的耐久性问题。 虽然 自 2 0 世纪三四十年代以来以 P o we r s 为代表的研究者就开始对混 凝土的冻融机理进行了大量研究, 形成了一系列理论假说, 但已 有的很多理论都不能完全解释所有试验中观察到的现象。 另 外, 由于除冰盐在路面和公路大桥中的使用以及北方海洋地区 的环境特点, 盐冻也 日益成为混凝土冻融研究中最典型、 最复 杂的热点问题之一。 1冻融劣化机理 1 9 4 5年,
8、 T C P o we r s 提出了冻融破坏的静水压假说【 1 。 假说 认为, 在冰冻过程中, 混凝土孔隙中部分孔溶液结冰膨胀, 迫使 未结冰孔溶液向外迁移。 当孔溶液迁移流程长度过长, 静水压力超 过混凝土材料的抗压强度时 , 混凝土发生破坏 。 后来 , T C P o w e r s 和 R A H e l mu t h联合提出的渗透压假说2 1 认为, 毛细孔 中水的 冰点与孔径有关 , 孔径越小 , 冰点越低。 未结冻孔溶液向已结冻 大孔迁移。 1 9 7 5 年, F a g e r l u n d提出了临界水饱和度理论【3 J 。 该理 论认为混凝土的水饱和度存在一个与极限平
9、均气孔问隔系数 相对应的临界值 , 当混凝土水饱和度小于此临界值时, 混凝土 不会发生冻害, 这个临界值称为混凝土临界水饱和度。 2 0 0 1 年, M J S e t z e r 提出了微冰晶模型嗍 , 用“ 微冰晶泵” 效应较好地解释 了随着冻融循环的进行, 混凝土饱水度不断增加这一现象。 以上这 些理论和假说为混凝土冻融破坏机理的研究奠定了理论基础。 慕儒等的研究 5 解释了渗透压 、 最不利饱水度、 微冰晶模型 理论联合作用下的混凝土冻融循环条件下水分迁移和损伤机 理。 研究认为, 在冻融循环的降温过程中, 混凝土试件表层大孔 首先结冻, 相邻未冻结小孔中水分向大孔迁移。 在升温过程
10、中, 小孔首先解冻, 由于孔内负压作用外部水分被吸入小孔 。 随着 温度继续升高, 大孔解冻 , 周围小孔以及外部水分流人大孔。 在 整个冻融循环过程中, 水分总是由小孑 L 向大孔中迁移。 这样, 根 据微冰晶模型理论 , 随着冻融循环的进行, 表层混凝土中的大 孔饱水度不断提高 , 数个冻融循环之后达到最不利饱水度。 在后 续的循环中这些孔隙中的压力不断增大, 孔隙中的压力引起的 周围孔隙的拉应力可能引起基体开裂。 由于表层大孔很容易高 度饱水, 所以混凝土表层开裂要 比内部严重得多。 混凝土内部裂 缝导致相对动弹性模量的下降。 2 盐冻劣化机 理 最近 6 0年来 , 关于混凝土氯盐冻融
11、机理的研究主要围绕 以下几个冻融现象展开 : 盐冻的过程伴随着胶凝材料或是混 凝土碎片的剥落网 。 存在一个大约为 3 的最不利盐浓度 , 且 这个最不利浓度与溶液种类无关 。 混凝土表面不接触盐溶 液时不会有剥落发生 。 冻融循环的最低温度大于一 1 0时 昆 凝土不会发生破坏。 最低温度小于一 1 0时, 最低温度越低 , 混凝土在最低温度受冻时问越长, 盐冻破坏越剧烈同 。 掺入引 气剂可以明显提升混凝土抗盐冻性能嘲 。 混凝土表面盐溶液 浓度比孔溶液盐浓度的影响大得多 刀 。 表面混凝土的强度决 定了混凝土体的抗冻性嘲 。 国内目前对混凝土冻融的研究则更 收稿 日期 :2 0 1 2
12、- 0 4 - 0 9 基金项 目:国家重 点基础研究 发展计划 ( 2 0 0 9 C B6 2 3 2 0 3 ) ; 山东省 自然科学基金资助项 目( Z R 2 0 1 1 E E Q 0 3 1 ) 1 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 多地停留在宏观指标如相对动弹性模量和质量损失上, 微观层 面的研究则以混凝土孔结构为主。 能将宏观与微观现象有机结 合的研究相对较少。 过去对盐冻机理的研究可以解释以上一个或几个现象, 但 没有哪一种机理可以同时解释以上几种现象, 尤其是中低浓度 盐溶液产生最严重破坏这一现象。 J J V a l e n z a I
13、 I 和 G W S c h e r e r 提出了一种全新的黏结剥落机理 : 黏结剥落是装饰玻璃表面 的一种工艺。 这种工艺首先要在玻璃表面喷砂, 然后在高温下在 其表面涂上一层环氧树脂, 最后将玻璃迅速冷却。 温度下降后, 表层环氧树脂会发生比玻璃更剧烈的收缩, 最终断裂成许多小 块。 在这些小块的边缘, 玻璃上产生了张拉应力。 黏结剥落应力 导致了玻璃表面裂缝的开展, 并最终导致表层小玻璃片的剥落。 当盐水在混凝土表面结冰时 , 冰层产生较混凝土 5 倍的收缩, 其作用与玻璃表面的环氧树脂相似。 裂缝的发展还可以用断裂 力学来预测。 黏结剥落理论较好地解释了上文中提到的7个现象: 断 裂
14、力学可以较好地预测混凝土表面裂缝的开展和玻璃行为 , 如 果混凝土表层性质比较均匀的话, 根据黏结剥落机理, 每次冻 融循环的剥落量将是比较稳定的。 V a l e n z a 和 S c h e r e r 通过对 不同盐浓度 、 不同低温下冰层中的应力计算得出, 过低浓度的 盐溶液( 6 ) 冰层的强度不足以使混凝土开裂。 只有 中等浓度盐溶液结冰产生最大的应力。 没有盐溶液就不会产 生冰一 混凝土结合物。 最低温度高于一 1 0时 , 3 N a C 1 溶液 结冰产生的应力也不足以使混凝土开裂。 引气剂的掺入减少 了混凝土泌水, 增大了表面强度。 而且, 多孔的混凝土可以有效 减少热膨
15、胀差产生的应力。 孑 L 溶液不影响黏结应力, 孔溶液结 冰不会影响盐冻剥落。 黏结剥落机理与内部盐结晶无关。 从盐的作用方面来看, 盐的存在可以降低混凝土孔溶液的 冰点, 减少混凝土冻害。 但是盐的存在还会产生更多负效应: 提 高混凝土饱水度。 当混凝土饱水度大于临界饱水度时, 混凝土材 料会因静水压或渗透压张拉破坏; 过冷溶液最终结冰将增加 破坏作用; 混凝土表面和内部盐浓度差导致的分层结冰将产 生应力差, 造成混凝土表面剥蚀 ; 撤除冰盐融化混凝土表面 的冰雪时, 将引起额外的热冲击而产生破坏应力; 过饱和盐 溶液在孔中析出盐结晶而形成结晶压 , 随着干湿循环次数的增 加 , 盐结晶产生
16、的混凝土膨胀增大。 然而, 杨全兵的溶液结冰压测定证明, 一旦冻结温度明显 低于冰点时, 盐降低溶液冰点对混凝土冻害产生的正效应将没 有意义。 对于第 1 个负效应 , 主要是由盐具有吸湿性这一点推 测出来的, 没有系统的实测数据支持 ; 由于盐冻试验的盐浓度 大多在 2 到 6 的范围内, 第 2 、 3个负效应的影响也可忽略 ; 第 4 、 5个负效应在实验室也不会出现, 只有对道路桥梁现场撒 盐才有意义 。 另外, 杨全兵的毛细管吸水饱和度试验1 1 证明, 混凝土内部 毛细管吸水饱水度和吸水速度随着 Na C I 浓度的增加而显著提 高, 这是不利的一面。 在相同的饱水度下( 1 0
17、0 饱水) , 随着 Na C 1 浓度的增加, 特别是当N a C 1 质量分数大于 6 时, 溶液结冰膨 胀率和结冰压显著降低, 这是对减轻冻害有利的一面。 正反两方 面效应的综合作用可能导致中低浓度盐溶液结冰压破坏最大。 杨全兵根据实测的混凝土毛细管平衡饱水度计算得到的结冰 】 6 压证实了浓度为2 6 的Na C1 溶液将产生最大的结冰压, 解 释了中低浓度 Na C 1 溶液造成冻融破坏最大这一特殊现象。 3 影响冻融及盐冻损伤的 因素 3 1 孔结构 对混 凝土抗 冻性 影响 由P o w e 的静水压、 渗透压理论可知, 混凝土抗冻性与孔结 构密不可分。 F a g e r l
18、u n d t 2 j 通过理论推导表明, 毛细管中的水结冰 产生的静水压力与体系气泡间距的平方成正比, 气泡间距越大, 水流入其他孔隙的流程越长, 压迫水通过毛细管所需的水压也 越大。 当毛细管水压超过混凝土抗压强度时, 混凝土发生破坏。 根据吴中伟院士等对混凝土孔隙的划分: 无害孔孔径 0 0 5 mi l l 。 一般引入 气泡的孔径在 5 0 1 2 7 0 n l n l 之间, 属有害孔径范围。 但实际上由 于引入的气泡是封闭、 分布均匀的微小气泡, 可以起到缓解膨胀压 和切断渗水通道的作用, 因此其对混凝土的抗冻性能是有利的。 混凝土孔结构参数包括孔隙率、 孔径大小、 孔径分布、
19、 孔形 状和气泡问距系数等。 研究认为t 4 ) , 掺入引气剂的混凝土大孔 减少 , 微小孔增多, 气泡间距系数减小, 混凝土孔结构的平均孔 径 、 最可几孔径和临界孔径减小, 孔级配分布更为合理。 一般孔 径越小 , 冰点越低, 孔内结冰率越低; 减小的气泡间距系数也使 得孔溶液迁移的静水压减小, 故引气剂的掺入使混凝土抗冻性 显著提升。 张云清等的研究I q 还指出, 当引气剂的品种确定后 , 混凝土 含气量越高, 平均气泡间距和平均气泡直径越小。 研究还提出, 含气量对抗冻性的影响存在一个临界范围。 在水中冻融循环条 件下 , 该临界含气量的范围为 2 0 3 O , 在盐冻环境下具有
20、 较高抗冻性能的混凝土的临界含气量为 4 5 5 0 , 具有较高 抗盐冻性的混凝土的含气量应提高至 5 O 以上。 当混凝土强度 等级低于C 5 0 时, 平均气泡间距必须小于2 5 0 , 当强度等级提高到 C 6 0以上时 , 平均气泡间距可以增大到 7 0 0 。 陈霞等的研究 1 5 】认 为, 为了使混凝土具有良好的抗冻性( 抗冻强度等级达 I D 3 0 0 ) , 平均气泡间距必须小于2 4 0 , 气泡的平均半径小于 1 5 0 且弦长大 于 5 0气泡的体积分数小于 4 5 。 3 2 水灰比对混凝土抗冻性影响 水灰比也是影响混凝土抗盐冻性能的重要因素, 混凝土抗 盐冻性能
21、随着水灰比的减小而提高。 原因在于随着水灰比的减 小, 混凝土中自由含水量减少, 孑 L 隙数量减少, 密实度提高。 同 时, 减小水灰比可以细化孔径分布, 优化孔结构。 水灰比的提高 还导致氯离子扩散系数减小。 国内外多部规范对冻融或除冰盐环境下混凝土最大水灰 比做出了规定。 例如, 美国 A C I 3 1 8 9 5 将除冰盐环境下混凝土 最大水胶比限制为 0 4 5 , 德国DI N 1 0 4 5 A中规定环境中没有除 冰盐存在时水胶比不大于 0 6 0 , 环境中有除冰盐存在时水胶 比 不大于 0 5 0 。 我国 C C E S 0 1 -2 0 0 4 ( 混凝土结构耐久性设计
22、与施 工指南 则规定氯盐冻融环境下混凝土水灰比不宜大于 0 4 。 张云清等 研究了普通混凝土( O P C) 、 引气混凝土( A P e) 和高性能混凝土( HP C) 的抗盐冻性能。 结果表明, 对于强度等 级 C 7 0 , 掺加硅粉的HP C, 低水胶比使其内部可冻水大大减少 , 矿物掺合料使其密实度提高、 孔隙率降低, 即水胶比小于 0 3 1 , 气泡结构特征不是影响混凝土抗盐冻性的主要因素 , 即使不掺 加引气剂, 也具有较高的抗盐冻性能。 朱志远等【 通过 R S M( r e s p o n s e s u r f a c e me t h o d o l o g y )
23、方法, 分析了含气量、 水灰比对硬化 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 混凝土气泡结构及抗冻性的影响。 结果表明, 含气量对混凝土的 抗冻性影响显著 , 水灰 比则影响较弱, 即只要混凝土的含气量 足够 , 水灰 比对引气混凝土抗冻性的影响很 小。 3 3 掺合料对混凝土抗冻性影响 掺加适量的粉煤灰、 硅灰和矿渣等矿物掺合料可以减少硬 化水泥浆体中的大孔而增加小孔, 细化并改善其孑 L 径分布。 掺合 料还可以填充到粗细骨料及水泥颗粒的孔隙之中, 提高混凝土 的密实度, 从而提高其强度及抗冻性能。 另外 , 粉煤灰具有火山灰活性 , 能与水泥水化过程中析 出的氢氧
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