干湿循环下改性混凝土硫酸盐腐蚀的断裂性能试验研究

作者:郭进军;杨梦;陈红莉;韩菊红; 刊名:水利学报 上传者:陈夕龙

【摘要】分别掺入粉煤灰、矿渣粉、硅灰和聚酯纤维对普通混凝土进行改性,通过切口梁三点弯曲断裂试验研究干湿循环方式下受5%Na2SO4溶液腐蚀混凝土的抗裂阻裂性能。计算分析了腐蚀后改性混凝土的荷载-裂缝口张开位移P-CMOD曲线特性、断裂韧度与断裂能,给出抗腐蚀增韧系数的定义,并研究了硫酸盐腐蚀环境下改性混凝土相对于普通混凝土的增韧效果,探讨了不同腐蚀时期改性混凝土的劣化机理。结果表明:腐蚀后改性混凝土的P-CMOD曲线经历了损伤初弯段、比例弹性段、稳定扩展段和软化段4个阶段;随干湿循环次数的增加,改性混凝土的抗腐蚀增韧系数总体呈先增大后减小趋势;掺加25%粉煤灰可显著增强腐蚀早期混凝土的断裂韧度,掺入聚酯纤维、矿渣有利于混凝土腐蚀后期失稳韧度的提升和断裂能的增加,而掺入硅灰对腐蚀混凝土的增韧效果不明显。

全文阅读

1研究背景硫酸盐是导致混凝土性能劣化的重要腐蚀介质之一。我国西北地区水利工程地基多为红色岩系地基,含有大量硫酸盐矿物[1],导致地下水和土壤中硫酸盐浓度较高,例如青海省盐渍土中SO42-浓度超过4200 mg/L[2],属强腐蚀等级。在高浓度硫酸盐作用下,该区域的水工建筑物基础(如廊道、排水孔等)混凝土出现凸起胀裂、剥落甚至粉化现象,导致混凝土承载力明显降低,干湿循环的叠加作用更加快了硫酸盐腐蚀速度,加剧了混凝土的损伤[3-5],严重威胁大坝的稳定性。如甘肃省盐锅峡电站,18个坝段中有14个受到硫酸盐侵蚀,多个部位的混凝土已变成泥糊状,严重影响了工程的安全运行[6]。硫酸盐的腐蚀破坏对象是混凝土本身,主要以物理盐胀性破坏为主,辅以与水泥水化物化学反应侵蚀,造成混凝土开裂甚至剥落,进而又为氯盐等其他腐蚀介质提供侵蚀通道。目前国内外学者围绕硫酸盐或干湿循环条件下单一或双因素对混凝土影响的研究较多,主要集中在普通混凝土抗压强度、抗拉强度和膨胀量等力学性能方面[7-11]。近年来也有学者对多种劣化因素共同作用下混凝土的断裂性能开展了相关研究[12-15],董宜森等[13]研究了硫酸盐与干湿循环联合作用对普通混凝土断裂韧度的影响;张廷毅等[14]研究了碳化和干湿交替单一及共同作用下对普通混凝土断裂韧度的影响,并探讨了腐蚀作用下混凝土断裂韧度的计算模式;Almusallam等[15]研究了HFRC复合材料中不同纤维对其断裂性能的影响,并且开发了一种用于确定HFRC复合材料设计断裂能的分析模型。但这些研究主要针对的是普通混凝土腐蚀后的断裂性能,均得到腐蚀可降低混凝土断裂性能、劣化混凝土耐久性的结论。探讨如何通过加入掺合料以提升混凝土硫酸盐腐蚀后的断裂性能,更好地为工程设计服务,是目前面临的重要课题。基于混凝土材料本身的缺陷,探索和研究提高混凝土抗腐蚀性能且易于工程应用的新材料新技术成为研究热点。在普通混凝土组分中加入适量掺合料进行改性,是提升混凝土结构耐久性能的较为经济的途径[16]。断裂力学是研究混凝土出现宏观裂缝后,裂缝的扩展和结构安全寿命的有效理论,双K断裂模型很好地描述了混凝土材料起裂和失稳两个瞬态[17],研究在不同掺料改性后混凝土受腐蚀后的断裂性能,评价不同掺合料对普通混凝土抗腐蚀性能的提升作用,可优选矿物掺合料对混凝土进行改性以提高水工混凝土的阻裂能力及其耐久性。根据硫酸盐劣化下改性混凝土结构裂缝的产生与发展规律,正确评价混凝土的劣化程度,从而采取有效措施预防病害的发生,确保水工建筑物长期安全稳定运行。为了与普通混凝土对比,本文选取粉煤灰、矿渣、硅灰和聚酯纤维4种掺合料制备改性混凝土梁,经过干湿交替环境下硫酸盐腐蚀试验,按照三点弯曲断裂试验法测定改性混凝土的断裂韧度,研究掺合料对混凝土相对起裂韧度、相对失稳韧度和相对断裂能的影响,以期为改性混凝土在多种劣化因素作用下耐久性的提升提供设计依据。2试验概况2.1原材料与配合比试验采用42.5级普通硅酸盐水泥;粗骨料采用粒径为5~20 mm连续级配的石灰岩碎石,表观密度2765 kg/m3;细骨料采用细度模数MX=2.87的普通河砂,表观密度2583 kg/m3;普通自来水。选用Ⅰ级粉煤灰,设计掺量15%、20%和25%,矿渣粉的设计掺量30%,硅灰设计掺量10%,上述掺合料均采用内掺法;聚酯纤维设计掺量0.9 kg/m3,采用外掺法。各种掺合料的物理性能指标分别见表1—表4。表1粉煤灰性能指标表2矿渣性能指标表3硅灰性能指标表4聚酯纤维性能指标45μm筛余细度/%9.22需水量比/%91烧失量/%4.

参考文献

引证文献

问答

我要提问