硫酸腐蝕長齡期水工混凝土的橫劈強度試驗研究

1、.硫酸腐蝕長齡期水工混凝土的橫劈強度試驗研究第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度試驗研究李宗坤,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研究.結(jié)果表明:隨著腐蝕時間的增長,混凝土芯樣名義橫劈強度呈逐漸降低趨勢;現(xiàn)澆混凝土試件的名義橫劈強度

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;名義橫劈強度中圖分類號:TV543.8文獻(xiàn)標(biāo)識碼: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間后隨著大量排放的工業(yè)廢水和廢氣使得

6、混凝土強度大大降低,腐蝕嚴(yán)重時能使混凝土變軟而毫無強度.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硫酸溶液浸泡時間為4d,8d,12d和16d的混凝土芯樣進(jìn)行橫劈試驗.闡明長齡期混凝土受硫酸后其強度變化規(guī)律,為實際工程提供參考.2試驗概述2.1試驗設(shè)計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度的變化規(guī)律.閘底板混凝土的設(shè)計強度為140號.由于混凝土經(jīng)歷了50a后其強度將發(fā)生很大變化,考慮了昆凝土芯樣在現(xiàn)有強度條件下與同強度現(xiàn)澆混

7、凝土腐蝕變化的異同.此試驗先對6個芯樣做抗壓試驗以探明閘底板混凝土強度.試驗結(jié)果見表1(同H,Ixq芯樣也做了橫劈試驗),得知混凝土芯樣的平均強度值為39.87MPa.現(xiàn)澆混凝土的設(shè)計標(biāo)號選用C35,澆筑5組qAO0×200mlTl的圓柱體試件.由于試驗日期和條件的限制,本文采用加速腐蝕的試驗方法,即提高介質(zhì)濃度來達(dá)到加速腐蝕,但過高的介質(zhì)濃度會造成試驗失真,所以對介質(zhì)濃度不能過高,實際環(huán)境條件下硫酸的濃度一般在1/1001/1000之間.根據(jù)有關(guān)試驗資料,試驗采用初始濃度為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,同時把5組芯樣完全浸泡在天源純凈水中;浸泡時間為4d,8d,12d和16d4個等級.收稿日期:20041126基金項目:河南省科研事業(yè)計劃項目(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,主要研究方向為大壩安全性評價.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)致混凝土的強度降低,其主要因素由于混凝土自身的密實性和硫酸介質(zhì)在混凝土中擴散和遷移.一般來講,如果混凝土較密實,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間和材料組成.曹雙寅根據(jù)試驗結(jié)果得出受腐蝕混凝土的強度損失率與介質(zhì)濃度成正比,與腐蝕時間成線性關(guān)系,在此基礎(chǔ)上提出了介質(zhì)對混凝土的蝕強模型,

10、見下式:)式中:為蝕強率,即強度損失與同等條件下未腐蝕J混凝土的強度.廠比;c為介質(zhì)的重量百分比濃度;t為腐蝕持續(xù)時間;t.為強度開始降低的時間(對第1類和第2類腐蝕too);k為介質(zhì)對混凝土的蝕強率系數(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度的變化進(jìn)行了試驗研究.3腐蝕混凝土的橫劈強度試驗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)試驗驗證得出,荷載作用圓心角0為9o.時,混凝土的名義橫劈強度與混凝土的抗壓強度和立圖1橫劈壓具示意圖?52?竺窆重墨巴方體,圓柱體縱劈強度(圓柱體混凝土常規(guī)劈拉試驗)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.該方法測得的混凝土強度值從理論和試驗上證明了都是可靠的.用于橫劈試驗的試驗裝置如圖1.為了探明芯樣強度,首先對6個芯樣做了抗壓和橫劈試驗,結(jié)果見表1.表1芯樣抗壓試驗和橫劈試驗結(jié)果試件編號123456平均強度抗壓強度cMPa,.?.?.?.'.名義圓柱體橫劈p4.52

12、23.5923.1854.7905.1464.5864.3強÷(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度按試驗設(shè)計要求對芯樣和圓柱體試件在浸泡時間為4d,10d,12d和16d做橫劈試驗(由于試驗限制,8d未做橫劈試驗),混凝土的名義橫劈強度值見下表2(以下的強度若不說明外,均指名義橫劈強度).表2混凝土浸泡后名義橫劈強度值MPa由表2的試驗數(shù)據(jù)繪出不同類型下混凝土平均強度與浸泡時間的關(guān)系,見圖2.各時間的腐蝕平均強度與未腐蝕平均強度比值見圖3.三強霸1O510l520時間(d)圖2平均強度與浸泡時間的關(guān)系5432lO李宗坤等?硫酸腐蝕長齡期水

13、工混凝土的橫劈強度試驗研究丑世憩露時I司(d)圖3平均強度下降比值與浸泡時間的關(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度隨著浸泡時間的增加呈下降趨勢;在純凈水中浸泡芯樣隨時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,浸泡時間為4d時,強度下降91;10d時強度下降80;12d時強度下降70;16d時下降59.對于現(xiàn)澆混凝土試件,其強度在4d和10d的下降比芯樣強度快了30o和7,最后現(xiàn)澆試件強度趨于穩(wěn)定.究其原因:一是主要由于芯樣混凝土從取樣到試驗一直都處于干燥狀態(tài)(近一年時間),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;隨著腐蝕時間的推移,芯樣表面層完全被腐蝕,腐蝕鋒面向內(nèi)部移動,由于表層的防護延緩了硫酸的反應(yīng),使得這時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;而芯樣在未腐蝕時表面有部分石子外露.前期強度變化較小.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度有明顯下降的原因.試驗觀察發(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.通過治理點源污染,減少進(jìn)入丹江口庫區(qū)的污染負(fù)荷;加強庫區(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.加強支流污染治理.(4)明確漢江中下游水環(huán)境容量補償標(biāo)準(zhǔn).研究中下游水質(zhì)綜合改善措施,結(jié)合其水資源保護規(guī)劃落實環(huán)境補償措施.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,引江濟漢補水等,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,需要繼續(xù)加強水污染控制與依法管理工作.同時,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,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,試驗對壓具施壓時壓具和混凝土表層接觸處可以看到非常明顯的坑.3.2蝕強率與腐蝕時間的關(guān)系蝕強率在腐蝕時間一定的條件下

17、主要受腐蝕介質(zhì)濃度和蝕強率系數(shù)的影響.蝕強率與腐蝕時間的關(guān)系見圖4.05l01520腐蝕時間(d)圖4蝕強度與腐蝕時間的關(guān)系由圖4可知,對于現(xiàn)澆混凝土蝕強率隨著時間的變化,已不再是線性關(guān)系,而是隨介質(zhì)濃度和蝕強率系數(shù)而變化的非線性關(guān)系;芯樣混凝土隨著時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度的降低與時間呈正比;而現(xiàn)澆混凝土在濃度隨時間減小的情況下名義橫劈強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:同濟大學(xué)博士論文,1988.致謝:本項研究得到了水利部南水北調(diào)規(guī)劃設(shè)計管理局,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