寒冷地區(qū)海洋環(huán)境和除冰鹽環(huán)境中混凝土的破壞

寒冷地區(qū)海洋環(huán)境和除冰鹽環(huán)境中混凝土的破壞

1抗鹽凍混凝土在海水淡化和除冰鹽環(huán)境中的應(yīng)用研究混凝土鹽的冷凍破壞是指在冷凍和循環(huán)條件下，由于鹽而造成的混凝土表面侵蝕和破壞，通常發(fā)生在寒冷地區(qū)的海洋環(huán)境和冰鹽分離環(huán)境中的混凝土結(jié)構(gòu)。與一般凍融破壞相比,一方面鹽的存在使混凝土中可凍水的冰點(diǎn)降低,這是對(duì)減小混凝土凍融破壞有利的因素。另一方面鹽的存在使混凝土的飽水度提高,結(jié)冰壓和滲透壓增大,同時(shí)鹽的結(jié)晶也會(huì)產(chǎn)生一定的膨脹作用,從而加劇了混凝土的凍融破壞。總體看來,鹽凍對(duì)混凝土的破壞要比一般凍融更加嚴(yán)酷。能夠滿足抗凍性要求的混凝土并不一定能滿足抗鹽凍性要求。如何使處在寒冷地區(qū)海洋環(huán)境和除冰鹽環(huán)境中的混凝土結(jié)構(gòu)滿足抗鹽凍性要求已成為大家討論的熱點(diǎn)。陳迅捷等利用模擬海水研究了海洋環(huán)境中混凝土的抗凍融循環(huán)性能,提出為滿足混凝土在海洋環(huán)境中的抗凍耐久性要求,在保證混凝土氣泡間隔系數(shù)低于300μm的同時(shí),混凝土水膠比不宜大于0.40。馬昆林等研究了混凝土在0.35%NaCl溶液中的抗鹽凍性,試驗(yàn)表明摻加礦物摻合料的混凝土在凍融試驗(yàn)過程中動(dòng)彈性模量下降較少。楊文萃等研究了混凝土在3.5%NaCl溶液、5%、7%和10%Na2SO4溶液以及海水中的抗鹽凍性能,指出引氣對(duì)混凝土在NaCl溶液、Na2SO4溶液和海水中的抗鹽凍性能均有顯著改善作用。李連志等對(duì)混凝土在10%NaCl溶液中的凍融破壞性能進(jìn)行了研究,提出改善混凝土內(nèi)部的孔隙特征和適度減少混凝土中Ca(OH)2的含量可提高混凝土的抗鹽凍性。上述針對(duì)混凝土抗鹽凍性能的研究中,采用的鹽溶液不統(tǒng)一,從而使研究缺乏系統(tǒng)性。本文將按照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》(GBJ82-85)中的快凍法對(duì)素混凝土抗鹽凍性能進(jìn)行較為系統(tǒng)研究,考察水膠比(0.35、0.42、0.50)、粉煤灰摻量(0%、10%、30%、50%)、引氣量(3.8%、4.8%、5.8%)等因素對(duì)混凝土抗鹽凍性能的影響,研究混凝土外觀、質(zhì)量損失率、相對(duì)動(dòng)彈性模量、超聲聲速、抗壓強(qiáng)度隨鹽凍循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律,為工程建設(shè)中有抗鹽凍性要求混凝土的配合比設(shè)計(jì)提供依據(jù)。2測試2.1細(xì)集料、引氣劑水泥為山東山水水泥集團(tuán)青島分公司生產(chǎn)的山水東岳牌P.O42.5R普通硅酸鹽水泥,粉煤灰為青島魯青粉煤灰公司生產(chǎn)的Ⅱ級(jí)粉煤灰,細(xì)集料為細(xì)度模數(shù)2.62的河砂,粗集料為5～20mm的碎石,引氣劑為常山縣綠圣生物科技有限責(zé)任公司生產(chǎn)的SJ-2型引氣劑。試驗(yàn)共采用了八種混凝土配合比,如表1所示,其中試件F-W2、F-FA3、F-Q2采用同一種混凝土配合比。2.2實(shí)驗(yàn)條件及鹽溶液本試驗(yàn)是以混凝土試件相對(duì)動(dòng)彈性模量下降到60%或質(zhì)量損失率達(dá)到5%作為破壞標(biāo)準(zhǔn),借鑒黃士元等實(shí)驗(yàn)條件-鹽溶液采用濃度為3.5%的NaCl溶液。(1)混凝土含氣量強(qiáng)度試塊尺寸為100mm×100mm×100mm,凍融試件尺寸為100mm×100mm×400mm?；炷翑嚢璨捎脝屋S強(qiáng)制式攪拌機(jī),攪拌時(shí)間為4min。為了使混凝土滿足預(yù)定含氣量的要求,對(duì)每一配比混凝土的引氣劑摻量進(jìn)行了多次調(diào)試?；炷梁瑲饬繙y試采用日本三洋直讀式LC-615型含氣量測定儀。試件成型24h后拆模放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28d,然后置于自然環(huán)境中養(yǎng)護(hù)至90d。(2)凍融試驗(yàn)測定將養(yǎng)護(hù)至預(yù)定齡期的凍融試件放入3.5%NaCl溶液中浸泡4d,然后將試件放入盛有3.5%NaCl溶液的試件盒中,并將試件盒裝入快速凍融試驗(yàn)箱中進(jìn)行凍融試驗(yàn)。每種配比混凝土選定3個(gè)試件在凍融前測試其質(zhì)量、動(dòng)彈性模量和超聲聲時(shí)作為初始值,此后每循環(huán)25次測試選定3個(gè)試件的質(zhì)量、動(dòng)彈性模量和超聲聲時(shí)。同時(shí)每種配比混凝土分別在0、50、100、150、200、250、300次循環(huán)時(shí)另取1個(gè)試件切割成3個(gè)100mm×100mm×100mm的試塊,以切割面作為承壓面測試其抗壓強(qiáng)度。3試驗(yàn)結(jié)果的分析3.1特定試件的質(zhì)量混凝土試件質(zhì)量損失率按式(1)計(jì)算:Wn=G0?GnG0×100(1)Wn=G0-GnG0×100(1)式中:Wn-n次凍融循環(huán)后試件的質(zhì)量損失率,以3個(gè)試件的平均值計(jì)算/%;Go-凍融循環(huán)前試件的質(zhì)量/kg;Gn-n次凍融循環(huán)后試件的質(zhì)量/kg?；炷猎嚰鄬?duì)動(dòng)彈性模量按式(2)計(jì)算:P=f2nf20×100(2)Ρ=fn2f02×100(2)式中:P-n次凍融循環(huán)后試件的相對(duì)動(dòng)彈性模量,以3個(gè)試件的平均值計(jì)算/%;fn-n次凍融循環(huán)后試件的橫向基頻/Hz;fo-凍融循環(huán)前試件的橫向基頻/Hz。混凝土試件超聲聲速按式(3)計(jì)算:Vr=lt(3)Vr=lt(3)式中:vr-試件的超聲聲速/km·s-1;l-超聲測距,即兩換能器輻射面間試件的長度/mm;t-超聲聲時(shí),即超聲波在l距離內(nèi)傳播的時(shí)間/μs。3.2凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)混凝土抗鹽凍性能的影響試驗(yàn)結(jié)果表明,各配比混凝土試件均是由于質(zhì)量損失率達(dá)到破壞標(biāo)準(zhǔn)而破壞,一般凍融條件下混凝土試件基本上是由于試件的相對(duì)動(dòng)彈性模量達(dá)到破壞標(biāo)準(zhǔn)而破壞,這說明在凍融環(huán)境下,鹽的存在加劇了混凝土表面的剝蝕。圖1為試件質(zhì)量損失率隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化曲線。從圖1可以看出,曲線初始段較為陡峭,這是因?yàn)樵谠囼?yàn)初始階段,試件表面浮漿由于充分飽水而很快剝落,從而使質(zhì)量損失率迅速增加,其中試件澆筑面的剝蝕量明顯高于其它面的剝蝕量。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,試件表面的砂漿開始剝落,相比于表面浮漿,砂漿的剝落較為緩慢,此階段曲線較為平緩。試件臨近破壞時(shí),砂漿繼續(xù)剝落并伴有個(gè)別粗骨料的剝落,質(zhì)量損失率增長有所加快,此階段曲線再次變得較為陡峭。從圖1a可以看出,水膠比對(duì)試件質(zhì)量損失率的影響較為明顯,凍融循環(huán)次數(shù)相同時(shí),隨著水膠比的增大試件的質(zhì)量損失率逐漸增大。其原因在于隨著水膠比的增大,混凝土中孔隙數(shù)量隨之增加,表面可凍水也隨之增加,從而導(dǎo)致混凝土的剝蝕量逐漸增加。其中試件F-W3的質(zhì)量損失率增加極快,凍融循環(huán)不到50次,其質(zhì)量損失率已達(dá)到破壞標(biāo)準(zhǔn),說明即使在引氣條件下,大水膠比混凝土的抗鹽凍性能仍然很差。從圖1b可以看出,凍融循環(huán)次數(shù)相同時(shí),隨著粉煤灰摻量的增大試件的質(zhì)量損失率總體上呈增大的趨勢。試件F-FA3的曲線存在平緩上升段。試驗(yàn)后期試件F-FA3的質(zhì)量損失率低于試件F-FA2。試件F-FA4的質(zhì)量損失率增加極快,凍融循環(huán)不到25次,試件質(zhì)量損失率已達(dá)到破壞標(biāo)準(zhǔn),說明即使在引氣條件下,大摻量粉煤灰混凝土的抗鹽凍性能仍遠(yuǎn)達(dá)不到要求。從圖1c可以看出,試驗(yàn)前期含氣量對(duì)試件質(zhì)量損失率的影響并不明顯,試驗(yàn)后期隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,試件F-Q2的質(zhì)量損失率逐漸低于試件F-Q1和試件F-Q3,說明混凝土含氣量存在一臨界值,可最大限度地提高混凝土的抗剝蝕性能。3.3鹽凍條件下的動(dòng)彈性模量變化圖2為試件相對(duì)動(dòng)彈性模量隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化曲線。從圖2可以看出,各配比混凝土試件的相對(duì)動(dòng)彈性模量均隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而降低。試件破壞時(shí),其相對(duì)動(dòng)彈性模量均在60%以上,且大部分試件的相對(duì)動(dòng)彈性模量在80%以上。而一般凍融條件下混凝土試件破壞時(shí),其相對(duì)動(dòng)彈性模量大部分在60%以下。這是因?yàn)辂}的存在降低了混凝土孔隙中可凍水的冰點(diǎn),緩解了凍融對(duì)混凝土產(chǎn)生的損傷,從而使相對(duì)動(dòng)彈性模量下降較為緩慢。從圖2a可以看出,隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,試件F-W1相對(duì)動(dòng)彈性模量下降速度高于試件F-W2,說明在鹽凍條件下,當(dāng)粉煤灰摻量較大時(shí),混凝土的水膠比不能過低。從圖2b可以看出,隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,摻粉煤灰試件F-FA2和F-FA3的相對(duì)動(dòng)彈性模量低于未摻粉煤灰的試件F-FA1,說明在鹽凍條件下,粉煤灰的摻入提高了混凝土的劣化速度。從圖2b還可以看出,試件F-FA2的相對(duì)動(dòng)彈性模量下降速度較快,其原因是由試件F-FA2含氣量相對(duì)較低造成的。從圖2c可以看出,試驗(yàn)前期含氣量對(duì)試件相對(duì)動(dòng)彈性模量的影響并不明顯,試驗(yàn)后期隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,試件F-Q1相對(duì)動(dòng)彈性模量逐漸低于含氣量更高的試件F-Q2和F-Q3。3.4凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)超聲聲速的影響圖3為試件超聲聲速隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化曲線。從圖3可以看出,各配比混凝土試件的超聲聲速隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加總體上呈先上升后下降趨勢。呈現(xiàn)這種變化趨勢的原因在于,試驗(yàn)初始階段,混凝土由于鹽凍作用會(huì)在固有缺陷的基礎(chǔ)上產(chǎn)生部分微裂縫,當(dāng)微裂縫將混凝土的固有缺陷與外界連通時(shí),混凝土缺陷中的空氣將被水所取代,由于水的聲速和聲阻抗率比空氣的大許多倍,則脈沖波的絕大部分在缺陷界面不再反射和繞射,而是通過水耦合層穿過缺陷直接傳播至接受換能器,從而使混凝土的聲速在試驗(yàn)初始階段呈現(xiàn)上升趨勢。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,混凝土內(nèi)部的微裂縫數(shù)量隨之增加,混凝土缺陷中的飽水度相應(yīng)降低,越來越多的脈沖波重新在缺陷界面發(fā)生反射或者繞射,從而使超聲聲速曲線逐漸呈下降趨勢。從圖3a可以看出,試驗(yàn)初始階段,水膠比對(duì)試件超聲聲速影響較大,隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,其影響逐漸削弱,試驗(yàn)后期試件F-W2的聲速曲線沒有明顯下降,而試件F-W1的聲速曲線呈現(xiàn)一明顯的下降段,說明此時(shí)試件F-W1的劣化速度明顯加快。從圖3b可以看出,試驗(yàn)初始階段,除試件F-FA4,粉煤灰摻量對(duì)試件超聲聲速的影響并不明顯,隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,摻粉煤灰試件F-FA2和F-FA3的聲速低于未摻粉煤灰的試件F-FA1。從圖3c可以看出,含氣量對(duì)試件超聲聲速的影響較為明顯,凍融循環(huán)次數(shù)相同時(shí),隨著含氣量的增大,試件的聲速逐漸減小,其原因在于混凝土中小氣泡的增多增加了脈沖波在混凝土中的反射和繞射頻率,從而降低了脈沖波的傳播速度。3.5凍融循環(huán)對(duì)f-w3和f-fa4抗壓強(qiáng)度的影響圖4為試件抗壓強(qiáng)度隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化曲線。從圖4可以看出,試件抗壓強(qiáng)度隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加總體上呈下降趨勢,試件F-W1的抗壓強(qiáng)度一直處于上下波動(dòng)狀態(tài),250次凍融循環(huán)時(shí)強(qiáng)度未有明顯下降;試件F-W2的抗壓強(qiáng)度呈平穩(wěn)下降趨勢,200次凍融循環(huán)時(shí),其抗壓強(qiáng)度仍為初始值的98.8%;試件F-W3和F-FA4僅經(jīng)過50次凍融循環(huán),其抗壓強(qiáng)度已分別降為初始值的85.5%和91.5%;試件F-FA1和F-FA2經(jīng)過300次凍融循環(huán),其抗壓強(qiáng)度分別降為初始值的78.2%和88.6%;試件F-Q1經(jīng)過250次凍融循環(huán),其抗壓強(qiáng)度降為初始值的91.8%;試件F-Q3經(jīng)過300次凍融循環(huán),其抗壓強(qiáng)度降為初始值的70.3%。3.6水膠比對(duì)抗鹽凍循環(huán)次數(shù)的影響圖5為各配比混凝土試件的抗鹽凍循環(huán)次數(shù)。從圖5可以看出,除試件F-W3和F-FA4,其它試件均能達(dá)到F300的抗凍指標(biāo)。隨著水膠比的增大,試件的抗鹽凍循環(huán)次數(shù)逐漸減少,當(dāng)水膠比增大到一定程度,試件的抗鹽凍循環(huán)次數(shù)會(huì)急劇下降,可見水膠比是影響混凝土抗鹽凍性能的決定性因素。摻粉煤灰試件的抗鹽凍循環(huán)次數(shù)低于未摻粉煤灰的試件,但是適當(dāng)?shù)姆勖夯覔搅咳阅苁够炷吝_(dá)到抗鹽凍性能的要求。隨著含氣量的增加,試件的抗鹽凍循環(huán)次數(shù)呈先增大后減小的趨勢,即存在一個(gè)臨界含氣量,可最大限度地提高混凝土抗鹽凍性能。4混凝土的抗鹽凍性本文采用快凍法對(duì)混凝土在鹽溶液中進(jìn)行了凍融試驗(yàn),考察了水膠比、粉煤灰摻量、含氣量等因素對(duì)混凝土抗鹽凍性