硫酸腐蝕長齡期水工混凝土的橫劈強(qiáng)度試驗(yàn)研究

1、.硫酸腐蝕長齡期水工混凝土的橫劈強(qiáng)度試驗(yàn)研究第3卷第1期2005年2月南水北調(diào)與水利科技South-to-NorthWaterTransfersandWaterScience&TechnologyV01.3No.1Feb2005硫酸腐蝕長齡期水工混凝土的橫劈強(qiáng)度試驗(yàn)研究李宗坤,李杉,袁群.,姜景山(1.鄭州大學(xué)環(huán)境與水利學(xué)院,鄭州450002;2.河南省水利科學(xué)研究所,鄭州450003)摘要:對遭受硫酸腐蝕的長齡期水工混凝土芯樣(100mm)和現(xiàn)澆混凝土試件進(jìn)行了圓柱體橫劈試驗(yàn)研究.結(jié)果表明:隨著腐蝕時(shí)間的增長,混凝土芯樣名義橫劈強(qiáng)度呈逐漸降低趨勢;現(xiàn)澆混凝土試件的名義橫劈強(qiáng)度

2、逐漸變小,最后趨于穩(wěn)定.并分析了長齡期水工混凝土和現(xiàn)澆混凝土受腐蝕后名義橫劈強(qiáng)度變化的原因.關(guān)鍵詞:長齡期水工混凝土;硫酸;腐蝕;圓柱體橫劈法;名義橫劈強(qiáng)度中圖分類號:TV543.8文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號:16721683(2005)01005103TransverseCuttingStrengthofErodedLong-ageHydraulicConcretebySulphuricAcidLIZongkun,I.IShan.YUANQun,JIANGJing-ShanI(1.CollegeofConservancYandEnvironment,ZhengzhouUniversity,Zhe

3、ngzhou450002;2.HenanHydraulicScienceInstitute,Zhengzhou450003,China)Abstract:Thetestoferosionofsulphuricacidonthelongagehydraulicconcretecore(plO0mm)andnewconcretesamplebytransversecuttingmethodofconcretecylinderisanalyzed.Theresultsshowthatthenominaltransversecuttingstrengthofconcretecoreisgraduall

4、yreducedandthenominaltransversecuttingstrengthofnewconcretesampleisgraduallyreducedandtendstostabilityatlastwithincreasingtimeoferosion.Thevariablecausesofthenominaltransversecuttingstrengthoflongagehydraulicconcreteandnewconcreteaftererosionofsulphuricacidareanalyzed.Keywords:longagehydraulicconcre

5、te;sulphuricacid;erosiomtransversecuttingmethodofconcretecylinder;nominaltransversecuttingstrengthl刖吾混凝土腐蝕是其組成物質(zhì)由于周圍介質(zhì)和環(huán)境的作用引起的逐漸劣化的現(xiàn)象.隨著工業(yè)的發(fā)展,建筑結(jié)構(gòu)的混凝土腐蝕越來越嚴(yán)重.造成混凝土腐蝕的主要因素有化學(xué)因素和物理因素.對于大氣中混凝土的腐蝕一般主要以匕學(xué)腐蝕為主,其結(jié)果可能使得混凝土空隙增大,產(chǎn)生裂縫和表面松軟等,造成其強(qiáng)度和耐久性降低,危及結(jié)構(gòu)的健康和安全.尤其是現(xiàn)役的長齡期水工混凝土建筑物.部分建筑物服役一段時(shí)間后隨著大量排放的工業(yè)廢水和廢氣使得

6、混凝土強(qiáng)度大大降低,腐蝕嚴(yán)重時(shí)能使混凝土變軟而毫無強(qiáng)度.影響建筑物的安全使用和壽命.鑒于此,本文結(jié)合一水利工程,獲取近50年齡期的混凝土芯樣,對遭受濃度為1硫酸溶液浸泡時(shí)間為4d,8d,12d和16d的混凝土芯樣進(jìn)行橫劈試驗(yàn).闡明長齡期混凝土受硫酸后其強(qiáng)度變化規(guī)律,為實(shí)際工程提供參考.2試驗(yàn)概述2.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)本文對河南白沙水庫服役近50a的老泄洪閘底板的混凝土進(jìn)行了鉆芯取樣(芯樣直徑100mlTl,長度300mm),采用圓柱體橫劈法研究混凝土受硫酸腐蝕后強(qiáng)度的變化規(guī)律.閘底板混凝土的設(shè)計(jì)強(qiáng)度為140號.由于混凝土經(jīng)歷了50a后其強(qiáng)度將發(fā)生很大變化,考慮了昆凝土芯樣在現(xiàn)有強(qiáng)度條件下與同強(qiáng)度現(xiàn)澆混

7、凝土腐蝕變化的異同.此試驗(yàn)先對6個(gè)芯樣做抗壓試驗(yàn)以探明閘底板混凝土強(qiáng)度.試驗(yàn)結(jié)果見表1(同H,Ixq芯樣也做了橫劈試驗(yàn)),得知混凝土芯樣的平均強(qiáng)度值為39.87MPa.現(xiàn)澆混凝土的設(shè)計(jì)標(biāo)號選用C35,澆筑5組qAO0×200mlTl的圓柱體試件.由于試驗(yàn)日期和條件的限制,本文采用加速腐蝕的試驗(yàn)方法,即提高介質(zhì)濃度來達(dá)到加速腐蝕,但過高的介質(zhì)濃度會(huì)造成試驗(yàn)失真,所以對介質(zhì)濃度不能過高,實(shí)際環(huán)境條件下硫酸的濃度一般在1/1001/1000之間.根據(jù)有關(guān)試驗(yàn)資料,試驗(yàn)采用初始濃度為15的硫酸,把混凝土試件直接侵入15的硫酸溶液中直到試驗(yàn)完畢,中途不控制硫酸的濃度.5組芯樣和5組現(xiàn)澆混凝土試

8、件完全浸泡在硫酸溶液中,同時(shí)把5組芯樣完全浸泡在天源純凈水中;浸泡時(shí)間為4d,8d,12d和16d4個(gè)等級.收稿日期:20041126基金項(xiàng)目:河南省科研事業(yè)計(jì)劃項(xiàng)目(341500200)作者簡介:李宗坤(1961一),男,鄭州大學(xué)環(huán)境與水利學(xué)院,教授,副院長,主要研究方向?yàn)榇髩伟踩栽u價(jià).第3卷總第14期?南水北調(diào)與水利科技?2005年第1期2.2混凝土的硫酸腐蝕規(guī)律混凝土的介質(zhì)腐蝕是一個(gè)復(fù)雜的多相物理化學(xué)過程,根據(jù)其主導(dǎo)特征一般分為3種類型.硫酸介質(zhì)對混凝土的侵蝕一般屬于第2類腐蝕,雖然這其中包含著硫酸根引起的類似硫酸鹽引起的第3類腐蝕,但這種作用相對酸離子的作用非常小,硫酸腐蝕化學(xué)過程可

9、表示為:Ca(0H)2+H2SO4'.CaSO4+H2OCaO?nSiOzCaSO4+Si(OH)CaSO4+H2O'.caSl?2H2O硫酸腐蝕將導(dǎo)致混凝土的強(qiáng)度降低,其主要因素由于混凝土自身的密實(shí)性和硫酸介質(zhì)在混凝土中擴(kuò)散和遷移.一般來講,如果混凝土較密實(shí),空隙率和滲透性相對較低,混凝土腐蝕程度就低.而混凝土的擴(kuò)散速度主要與侵蝕面積和介質(zhì)濃度梯度成正比.對于同一初始濃度,其混凝土的工作系數(shù)和侵蝕介質(zhì)可視為相同,混凝土的腐蝕就決定于腐蝕時(shí)間和材料組成.曹雙寅根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得出受腐蝕混凝土的強(qiáng)度損失率與介質(zhì)濃度成正比,與腐蝕時(shí)間成線性關(guān)系,在此基礎(chǔ)上提出了介質(zhì)對混凝土的蝕強(qiáng)模型,

10、見下式:)式中:為蝕強(qiáng)率,即強(qiáng)度損失與同等條件下未腐蝕J混凝土的強(qiáng)度.廠比;c為介質(zhì)的重量百分比濃度;t為腐蝕持續(xù)時(shí)間;t.為強(qiáng)度開始降低的時(shí)間(對第1類和第2類腐蝕too);k為介質(zhì)對混凝土的蝕強(qiáng)率系數(shù),該值取決于介質(zhì)的類型和混凝土的組成.本次試驗(yàn)采用初始濃度為15的硫酸溶液,中途不控制硫酸濃度對芯樣和現(xiàn)澆混凝土圓柱體試件在腐蝕后強(qiáng)度的變化進(jìn)行了試驗(yàn)研究.3腐蝕混凝土的橫劈強(qiáng)度試驗(yàn)所謂圓柱體橫劈是將劈拉力作用在圓柱體芯樣的橫截面上,使圓柱體的母線方向受拉,造成圓柱體橫截面劈拉破壞,得到混凝土的名義劈拉強(qiáng)度(P/A).有限元分析結(jié)果表明圓柱體試件均由于拉應(yīng)力造成劈裂破壞,且劈裂面上最大拉應(yīng)力附

11、近拉應(yīng)力分布較均勻,經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證得出,荷載作用圓心角0為9o.時(shí),混凝土的名義橫劈強(qiáng)度與混凝土的抗壓強(qiáng)度和立圖1橫劈壓具示意圖?52?竺窆重墨巴方體,圓柱體縱劈強(qiáng)度(圓柱體混凝土常規(guī)劈拉試驗(yàn))有很好的相關(guān)性.圓柱體橫劈法避免了傳統(tǒng)芯樣法的鋸切,抹面,養(yǎng)護(hù)三道工序,或者芯樣長度要求較嚴(yán)等不足.具有成本低,快速,簡單高效的優(yōu)點(diǎn).該方法測得的混凝土強(qiáng)度值從理論和試驗(yàn)上證明了都是可靠的.用于橫劈試驗(yàn)的試驗(yàn)裝置如圖1.為了探明芯樣強(qiáng)度,首先對6個(gè)芯樣做了抗壓和橫劈試驗(yàn),結(jié)果見表1.表1芯樣抗壓試驗(yàn)和橫劈試驗(yàn)結(jié)果試件編號123456平均強(qiáng)度抗壓強(qiáng)度cMPa,.?.?.?.'.名義圓柱體橫劈p4.52

12、23.5923.1854.7905.1464.5864.3強(qiáng)÷(MPa)劈裂面情況完好完好完好完好一小石碎裂完好3.1腐蝕后混凝土的名義橫劈強(qiáng)度按試驗(yàn)設(shè)計(jì)要求對芯樣和圓柱體試件在浸泡時(shí)間為4d,10d,12d和16d做橫劈試驗(yàn)(由于試驗(yàn)限制,8d未做橫劈試驗(yàn)),混凝土的名義橫劈強(qiáng)度值見下表2(以下的強(qiáng)度若不說明外,均指名義橫劈強(qiáng)度).表2混凝土浸泡后名義橫劈強(qiáng)度值MPa由表2的試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪出不同類型下混凝土平均強(qiáng)度與浸泡時(shí)間的關(guān)系,見圖2.各時(shí)間的腐蝕平均強(qiáng)度與未腐蝕平均強(qiáng)度比值見圖3.三強(qiáng)霸1O510l520時(shí)間(d)圖2平均強(qiáng)度與浸泡時(shí)間的關(guān)系5432lO李宗坤等?硫酸腐蝕長齡期水

13、工混凝土的橫劈強(qiáng)度試驗(yàn)研究丑世憩露時(shí)I司(d)圖3平均強(qiáng)度下降比值與浸泡時(shí)間的關(guān)系由表2和圖2分析知,受硫酸腐蝕后的混凝土芯樣和現(xiàn)澆試件的名義橫劈強(qiáng)度隨著浸泡時(shí)間的增加呈下降趨勢;在純凈水中浸泡芯樣隨時(shí)間的增加呈上升趨勢.從圖3可知,對于浸泡在硫酸中的芯樣,浸泡時(shí)間為4d時(shí),強(qiáng)度下降91;10d時(shí)強(qiáng)度下降80;12d時(shí)強(qiáng)度下降70;16d時(shí)下降59.對于現(xiàn)澆混凝土試件,其強(qiáng)度在4d和10d的下降比芯樣強(qiáng)度快了30o和7,最后現(xiàn)澆試件強(qiáng)度趨于穩(wěn)定.究其原因:一是主要由于芯樣混凝土從取樣到試驗(yàn)一直都處于干燥狀態(tài)(近一年時(shí)間),表層混凝土和大氣中的COz發(fā)生反應(yīng)在其表面形成碳酸鈣薄膜,填塞了空隙而使

14、混凝土表層的滲透性降低,致使芯樣在腐蝕初期腐蝕程度較現(xiàn)澆試件小;隨著腐蝕時(shí)間的推移,芯樣表面層完全被腐蝕,腐蝕鋒面向內(nèi)部移動(dòng),由于表層的防護(hù)延緩了硫酸的反應(yīng),使得這時(shí)在裝有芯樣容器中的硫酸濃度比裝有現(xiàn)澆試件容器中的濃度高.芯樣后期腐蝕較現(xiàn)澆試件大.另外石子的表面積是一個(gè)重要的影響因素.由于石子相對混凝土不易腐蝕.在腐蝕中使混凝土有效腐蝕面積減小.對于現(xiàn)澆混凝土,隨著腐蝕鋒面向內(nèi)推進(jìn)遇到石子后有效腐蝕面積減小,腐蝕逐漸減小并在后期趨于穩(wěn)定;而芯樣在未腐蝕時(shí)表面有部分石子外露.前期強(qiáng)度變化較小.芯樣劈開后發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部石子較少,這也是造成其后期強(qiáng)度有明顯下降的原因.試驗(yàn)觀察發(fā)現(xiàn)芯樣和現(xiàn)澆試件都在第10

15、cI混凝土表面卜-卜-卜一卜-卜一卜一卜-卜"卜一+一卜(上接第9頁)一+一+一+一+一+一一一(3)實(shí)施南水北調(diào)中線工程.必須高度重視對水源區(qū)的生態(tài)環(huán)境保護(hù).通過治理點(diǎn)源污染,減少進(jìn)入丹江口庫區(qū)的污染負(fù)荷;加強(qiáng)庫區(qū)上游水土綜合治理,控制面源污染.嚴(yán)格執(zhí)行污染物總量控制和排污許可制度.加強(qiáng)支流污染治理.(4)明確漢江中下游水環(huán)境容量補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn).研究中下游水質(zhì)綜合改善措施,結(jié)合其水資源保護(hù)規(guī)劃落實(shí)環(huán)境補(bǔ)償措施.由于調(diào)水將對漢江下游河道沖淤和水環(huán)境容量有較大影響,從而會(huì)誘發(fā)漢江水華現(xiàn)象的進(jìn)一步加劇,因此要重視丹江口水庫和漢江中下游的環(huán)境變化,并采取相應(yīng)的補(bǔ)救措施,如采取在枯水期增加丹江口水

16、庫下泄流量或者減小三峽水庫同期下泄流量,引江濟(jì)漢補(bǔ)水等,避免或減輕其不利影響.(5)考慮到長遠(yuǎn)的漢江水環(huán)境保護(hù),需要繼續(xù)加強(qiáng)水污染控制與依法管理工作.同時(shí),要與流域規(guī)劃和治理部門密切配合,盡早積極開展和參與漢江流域水量水質(zhì)統(tǒng)一管理的研究工作,真正做到漢江污染源的有效控制.只有做到這一點(diǎn),才能從根本上解決漢江中下游武漢段的水華問題.松軟,但未有剝落;12d時(shí)兩者表面出現(xiàn)部分剝落,現(xiàn)澆試件有的部位石子外露,芯樣端面用手指擰搓時(shí)部分沙粒呈粘糊狀;16d芯樣混凝土表面沙粒完全出現(xiàn)粘糊狀,試驗(yàn)對壓具施壓時(shí)壓具和混凝土表層接觸處可以看到非常明顯的坑.3.2蝕強(qiáng)率與腐蝕時(shí)間的關(guān)系蝕強(qiáng)率在腐蝕時(shí)間一定的條件下

17、主要受腐蝕介質(zhì)濃度和蝕強(qiáng)率系數(shù)的影響.蝕強(qiáng)率與腐蝕時(shí)間的關(guān)系見圖4.05l01520腐蝕時(shí)間(d)圖4蝕強(qiáng)度與腐蝕時(shí)間的關(guān)系由圖4可知,對于現(xiàn)澆混凝土蝕強(qiáng)率隨著時(shí)間的變化,已不再是線性關(guān)系,而是隨介質(zhì)濃度和蝕強(qiáng)率系數(shù)而變化的非線性關(guān)系;芯樣混凝土隨著時(shí)間變化近似為線性關(guān)系.其原因如前所述.4結(jié)語受硫酸腐蝕后的混凝土腐蝕程度隨腐蝕時(shí)間的增加而增大.對于長齡期混凝土,受硫酸腐蝕后其名義橫劈強(qiáng)度的降低與時(shí)間呈正比;而現(xiàn)澆混凝土在濃度隨時(shí)間減小的情況下名義橫劈強(qiáng)度逐漸減小并趨于穩(wěn)定.參考文獻(xiàn):1曹雙寅.受腐蝕混凝土的力學(xué)性能J.東南大學(xué).1991.21(4):8995.2曹雙寅.混凝土受硫酸和硫酸鹽腐

18、蝕的結(jié)構(gòu)非線性分析和耐久性預(yù)測D3.上海:同濟(jì)大學(xué)博士論文,1988.致謝:本項(xiàng)研究得到了水利部南水北調(diào)規(guī)劃設(shè)計(jì)管理局,湖北省南水北調(diào)中線工程辦公室,湖北省環(huán)境保護(hù)局的資助,在此表示衷心的感謝.參考文獻(xiàn):1WASP4,AHydrodynamicandWaterQualityModeltheory.user'sManua1.andprogrammersGuide.RobertBAmbrose.TimAWool,JamesLMartin.JohnPConnolly.RobertSchanz,EnvironmentalResearchLaboratory.USEPA1991.Ez3謝平,夏軍.竇明.等.南