阻锈剂对海砂硫铝酸盐水泥混凝土护筋性能影响研究.docx

阻锈剂对海砂硫铝酸盐水泥混凝土护筋性能影响研究摘要：本文以阻锈剂类型（单氟磷酸钠、亚硝酸锂、三乙醇胺）和掺量（0.5%、1%、1.5%、2%）为变化参数，同时设置河砂硫铝酸盐水泥（SAC）混凝土做对比，研究阻锈剂对海砂硫铝酸盐水泥（SAC）混凝土护筋性能影响，并采用抗折劣化系数、抗压劣化系数两个宏观指标对其抗硫酸盐侵蚀性能进行评价。结果表明：弯拉应力的存在加大了硫酸盐对机制砂混凝土的侵蚀作用，且应力水平越大，这种作用也越明显；硫酸盐溶液浓度越高对机制砂混凝土的侵蚀作用也越明显：弯拉应力水平与机制砂混凝土的抗硫酸盐劣化系数呈线性关系，且相关性很高。关键词：混凝土：弯拉应力：硫酸盐：耦合作用；机制砂中图分类号：TU528.58ResearchonsulfateattackresistanceofmanufacturedsandconcreteunderstressandsulfatecouplingZHANGShan,LIANGYong-ning,YUJun-jie,LINXu-jian（CollegeofCivilEngineering,FuzhouUniversity,Fuzhou,FujianProvince350116»China）Abstract:Inthispaper,thesulfateattackresistanceofmanufacturedsandconcreteundertheactionofstressandsulfatecouplingarestudiedwithdifferentstress（bendingtensilestress）anddifferentsulfateconcentrationareusedasparameters,andtheresistancetosulfateattackisevaluatedbyusingtwomacroscopicindexes,whicharethebendingdegradationcoefficientandthecompressivedeteriorationcoefficient.Theresultsindicatethatthecorrosionactionofsulfateonthemechanismsandconcreteisincreasedbecauseoftheexistenceofbendingtensilestress,andthegreaterthestresslevel,themoreobvioustheeffectis.Thehighertheconcentrationofsulfatesolutionis,themoreobvioustheeffectoferosiononthemechanismsandconcreteis.Thestressleveloftheflexuraltensilestressislinearwiththesulfateresistancecoefficientofthemechanismsandconcrete,andthecorrelationisveryhigh.Keywords：concrete；bendingstress；sulfate；couplingaction；manufacturedsand0引言在实际工程中，混凝土结构并不只是受到腐蚀介质单因素的侵蚀影响，还要受到荷载的作用。因此，研究混凝土的硫酸盐侵蚀还需要考虑到应力对其侵蚀的影响，即应力与硫酸盐的复合侵蚀。但是应力与硫酸盐的复合侵蚀并不是应力单因素与硫酸盐单因素两者侵蚀的简单相加，而是这两种因素相互之间的一种耦合作用。当混凝土受到硫酸盐侵蚀时，钙矶石、石膏等膨胀产物使骨料利水泥砂浆之间的界面过渡层产生应力；当混凝土受硫酸盐和外部应力的共同侵蚀作用时，过渡层的应力由膨胀产物和外部应力共同组成。外部应力与膨胀应力叠加加速了混凝土裂缝的形成，从而也使硫酸盐更加容易的侵入到混凝土内部。U.Schneider>S.W.Chen”研究了高性能混凝土力学化学效应和化学力学效应。试验采用C80利C95两种混凝土试件，试件加载30%水平的抗拉应力，分别浸泡在5%、10%溶度的硫酸镀溶液和饱和的氢氧化钙溶液中。U.Schneider.S.W.Chen川研究了硫酸盐和应力的耦合作用对高性能混凝土的影响，并与普通混凝土作对比。试验所用腐蚀溶液硫酸铉的溶度为0.1%、1%、5%、10%,应力水平为抗弯强度的30%、40%、50%。他们研究了溶液浓度和应力水平对混凝土的影响，并建立了混凝土寿命与溶液浓度，强度变化与离子侵蚀深度的关系，而且讨论了应力腐蚀的机理。河海大学的林毓梅、姜国庆研究了混凝土在硫酸钠溶基金项目：国家自然科学基金（51479036）。作者简介：张山（1992-）男，安徽蚌埠人，福州大学研究生，E-mail：2437283451梁咏宁（1977-）女，通讯作者，山东莱阳人，福州大学副教授，硕士生导师，E-mail：yongningliang收稿日期：1液中的应力腐蚀。研究表明：腐蚀初期，混凝土极限弯拉应变降低，弯拉强度提高；在短龄期和低应力水平下，混凝土存在自愈现象；应力腐蚀对混凝土内部微观结构的损伤明显。慕儒等人研究了高强混凝土在硫酸盐和荷载共同作用下的性能变化。研究结果表明，硫酸盐对混凝土的侵蚀效果明显，混凝土的相对抗压强度、相对抗弯强度和相对动弹性模量下降很快，荷载加剧了硫酸盐侵蚀作用。金祖权、孙伟等人研究了高强混凝土和普通混凝土的应力腐蚀。研究结果表明，腐蚀溶液浓度增加会导致混凝土失效试件缩短，弯拉应力水平提高混凝土破坏失效时间也会缩短。张云清等人研究了冻融作用下高强混凝土、大掺量矿物掺合料混凝土和高耐久性混凝土在5%硫酸镁溶液中的应力腐蚀作用。研究表明：1)冻融作用加速了硫酸盐的应力侵蚀，使混凝土更加早的发生破坏，其机理是外加荷载、腐蚀产物的膨胀应力以及冻融作用的冻胀力共同作用引起混凝土内部裂纹的形成和扩展；2)高耐久性混凝土与其它两种混凝土相比具有更好的抗硫酸盐和应力腐蚀效果。陈拴发等人研究了硫酸盐侵蚀环境下交变荷载对混凝土腐蚀速率的影响。综上可知，目前针对应力与硫酸盐耦合作用下混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能的研究已经很多但对机制砂混凝土抗硫酸盐侵蚀性能的研究还未发现，因而有必要对其进行深入研究，为机制砂混凝土的大规模使用提供理论依据。1试验1.1 试验材料试验用水泥为福建炼石牌42.5R普通硅酸盐水泥，表观密度为3050kgm3,主要性能指标及参数见表1和表2；粗骨料为粒径小于IOmm的连续级配碎石，含泥量小于1%；细骨料为福铁路闽赣IV标前山隧道出口洞渣机制砂，其性能指标和级配筛分见表3和表4。硫酸钠粉末由天津科贸化学试剂有限公司生产，分子式为Na2SO4,硫酸钠含量99%.表1水泥物理性能指标Tab.1Physicalpropertiesofcement比表面积初凝时间终凝时间3天抗折强3天抗压强28天抗压安定性烧失量()(m2kg)(min)(min)(MPa)(MPa)强度(MPa)340合格1261801.355.828.045.5表2水泥的化学成分Tab.2ChemicalcompositionofcementC3S(%)C2S(%)C3A(%)S3(%)ClAF(%)MgO(%)55.619.67.52.19.31.9表3机制砂的性能指标Tab.3Performanceindexofmanufacturedsand质砂底、表观密度堆积密度空隙率石粉含量饱和面干吸水(kgm3)(kgm3)(%)(%)率(%)机制砂2629.71638.837.74.83.9表4机制砂级配筛分Tab.4Gradingscreeningofmanufacturedsand项目筛孔尺寸(mm)/累计筛余()细度模数4.752.361.180.60.30.15<0.15机制砂023.6945.8964.3576.7985.231002.961.2 配合比设计本试验以50%的机制砂等量取代河沙，配合比如表5。表5混凝土配合Tab.5Mixtureratioofconcrete料编号水(kgm3)水泥(kgm3)河砂(kgm3)机制砂(kgm3)石子(kgm3)JZ50200363.7367.5367.5IlOl1.3 试验方法1.3.1 加载装置本试验所采用的加载装置为自制的三分点应力加载装置，如图1所示。通过旋转螺栓压缩弹簧来获得不同等级的应力。匕弹簧支点试件支架图1应力加载装置Fig.lStressloadingdevice1.3.2 应力水平当荷载达到极限荷载的70%至90%时，混凝土进入不稳定裂缝扩展阶段，此时不管荷载增加与否裂缝都将自行扩展，最终导致混凝土的破坏。所以本试验选用的应力水平为极限弯曲应力的0、0.2、0.4、0.6o1.3.3 硫酸盐侵蚀浓度及方法本试验选取高低两种不同浓度的硫酸钠溶液1%和10%。将混凝土试件进行应力加载后,放置到硫酸钠溶液中进行1-6个月全浸泡试验。每隔1个月从不同侵蚀溶液中各自取出一个应力装置，测试混凝土的抗折强度和抗压强度。图2浸泡过程Fig.2Soakingprocess为了能更好地区别混凝土试件和便于后面的分析研究,现将试验用混凝土试件按照不同的侵蚀环境进行分类，如表6所示。表6混凝土试件编号Tab.6Numberofconcretespecimens编号不同应力混凝土JO10%Na2SO4JllO%Na2SO4+O.2应力J2lO%Na2SO4+O4应力J3l0%Na2SO4+0.6应力NOl%Na2SO4Nll%Na2SO4+O.2应力N2l%Na2SO4+0.4应力N3l%Na2SO4+O.6应力1.3.4强度测试方法按照GB/T50081-2002普通混凝土力学性能测试方法测试试块的抗折、抗压强度。1.4评价指标本文机制砂混凝土抗硫酸盐侵蚀的评价指标为强度劣化系数（抗折、抗压劣化系数）具体公式如下所示：K=Ef04一标养28d后混凝土的强度；方一某侵蚀龄期混凝土的强度（T=1、2、3、4、5、6月）；K混凝土强度劣化系数。2试验结果及分析2.1 不同应力水平对机制砂混凝土抗硫酸盐侵蚀的影响JO、JI、J2、J3的侵蚀环境是硫酸钠浓度为10%,应力水平为0、0.2、0.4、0.6,在此侵蚀环境下机制砂混凝土的抗折劣化系数和抗压劣化系数曲线见图3和图4。NO、Nl、N2、N3的侵蚀环境是硫酸钠浓度为1%,应力水平为0、0.2、0.4、0.6,在此侵蚀环境下机制砂混凝土的抗折劣化系数和抗压劣化系数曲线见图5和图6。0.8 JI1I'11I1I123456龄期（月）0.7 I1 I1 I1 I1 I1 123456龄期（月）图3 10%硫酸钠溶液中不同应力机制砂混凝土抗折劣化系数Fig.3 Bending degradation coefficient ofmanufactured sand concrete with different stress in10% sodium sulfate solution图4 10%硫酸钠溶液中不同应力机制砂混凝土抗压劣化系数Fig.4 Compressive deterioration coefficient ofmanufactured sand concrete with different stress in10% sodium sulfate solution1.2-1.1-1.0-0.9-0.8 11-1-111123456龄期（月）图5 1%硫酸钠溶液中不同应力机制砂混凝土抗折劣化系数Fig.5 Bending degradation coefficient ofmanufactured sand concrete with different stress in1% so<iium sulfate solution23456龄期（月）图6 1%硫酸钠溶液中不同应力机制砂混凝土抗压劣化系数Fig.6 Compressive deterioration coefficientof manufactured sand concrete with different stress in1% sodium sulfate SolUl沁n从图3和图4可以看出，在不同弯拉应力加载作用下机制砂混凝土的抗折劣化系数和抗压劣化系数随着龄期的变化均呈现出先上升后下降的趋势。但是在不同的应力水平作用下，混凝土出现劣化的时间也有所不同。从图3的抗折劣化系数来看，JO和JI在四个月后抗折强度开始下降，J2三个月后抗折强度开始下降，而J3在两个月后抗折强度就已开始下降。从图4的抗压劣化系数来看，JO和Jl在四个月后抗压强度开始下降，J2和J3在三个月后抗压强度下降。这说明加载的应力越大，机制砂混凝土出现劣化的时间也会越早。而且在混凝土强度下降阶段，应力越大其下降的速率也越快。在六个月侵蚀结束后，JI、J2、J3的抗硫酸盐侵蚀性能大小依次为：J1>J2>J3,说明应力的增大使机制砂混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能变差。上述这些现象主要是因为混凝土在受到弯拉应力作用下时其内部的孔隙和毛细孔会被拉伸，从而使得硫酸根离子能够更容易更快速地进入到混凝土内部，这样硫酸根离子也越容易与水泥石发生反应生成钙矶石，从而产生膨胀应力，使得混凝土内部形成裂缝，这些裂缝在弯拉应力作用下会继续开展，而裂缝的开展又会使更多的硫酸根离子进入混凝土内部来侵蚀混凝土。在外部弯拉应力和内部膨胀应力双重作用下，混凝土的劣化速度加快，劣化程度也加大，而且应力越大，这种作用效果也更大。因此，随着应力的增大混凝土的劣化速度加快，劣化程度也加大，在抗硫酸盐侵蚀性能上也表现为J1>J2>J3°Jo和Jl的抗折劣化系数和抗压劣化系数曲线图变化规律比较一致，但是Jl的抗折劣化系数和抗压劣化系数在各个侵蚀龄期大体上都比JO的大。这主要是因为，Jl的弯拉应力水平为0.2,属于低应力水平，在此应力水平下不足以使混凝土内部形成裂缝。相反，在0.2的低应力水平下，弯拉应力闭合了混凝土受压区的一些孔隙，使混凝土变得更加密实，从而提高了混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能。因而加载0.2应力水平的机制砂混凝土表现出了比没有加载应力更好的抗硫酸盐侵蚀性能。图5和图6与图3和图4的曲线变化规律基本上相同，随着应力水平的提高，机制砂混凝土的劣化速度也加快，劣化程度也增大，在抗硫酸盐侵蚀性能上也表现为N1>N2>N3.2.2 硫酸盐浓度变化对应力作用下机制砂混凝土抗硫酸盐侵蚀的影响对比图3和图5可知，N3的抗折强度在三个月后开始下降，而J3两个月后就下降。对比图4和图6可知，N2的抗压强度在四个月开始下降，而J2的抗压强度三个月后就下降。说明随着侵蚀溶液浓度的增加，机制砂混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能会降低。为了能够更好地分析侵蚀溶液浓度的变化对应力作用下机制砂混凝土抗硫酸盐侵蚀性能的影响,现将JO、J1、J2、J3的抗折劣化系数与NO、Nl、N2、N3的抗折劣化系数相比，抗压劣化系数也按照此法相比，公式为P=JJNC其中=0,1,2,31,对比成果如图7和图8所示。龄期（月）图7抗折劣化系数对比图8抗压劣化系数对比Fig.7 Comparison of bending degradation coefficientFig.8 Comparison of compressive deteriorationcoefficient从图7可以看出，P抗折曲线图总体上呈下降趋势，但在前两个月各应力水平的P抗折都大T-1,说明在侵蚀前两个月，高浓度侵蚀环境下机制砂混凝土的抗折劣化系数比低浓度下的大。这主要是因为侵蚀溶液浓度越高，在混凝土内部生成的膨胀性产物也越多而且越快，所以能够更快速地填充混凝土内部孔隙，强度上升也越快。所以在侵蚀前期，硫酸钠溶液浓度越高，混凝土的抗折强度也越大。两个月后P抗折小于1,而且P抗所下降的速度很快，说明在侵蚀两个月后高浓度侵蚀环境中机制砂混凝土的抗折劣化系数比同龄期低溶度下的小，而且在高浓度侵蚀环境中抗折劣化系数下降的速率更快。这主要是因为在侵蚀两个月后，混凝土内部由于膨胀产物的过度填充已开始产生裂缝，强度开始下降，产生的膨胀产物越多，强度下降的也越快。所以在侵蚀后期，硫酸钠溶液浓度越高，混凝土的抗折强度也越小。硫酸钠浓度的增大加速了对机制砂混凝土的侵蚀，使混凝土强度提前进入峰值，然后迅速进入下降阶段。图8的P抗压曲线图波动比较大，变化规律没有P抗折的明显，但总体上也是呈现出下降的趋势。这也说明了抗折劣化系数比抗压劣化系数敏感，使用抗折劣化系数能更好地评价混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能。2.3 弯拉应力水平与机制砂混凝土抗硫酸盐侵蚀性能的关系通过对侵蚀试验结束（六个月）后的抗折和抗压劣化系数进行统计分析，建立应力水平与机制砂混凝土抗折劣化系数和抗压劣化系数的关系。图9和图IO分别是在不同浓度硫酸钠溶液中弯拉应力水平与抗折劣化系数和抗压劣化系数的关系图。0.20.30.40.50.6应力水平0.20.30.40.50.6应力水平图9抗折劣化系数与弯拉应力水平的关系Fig.9 The relationship between bending degradationcoefficient and bending tensile stress图IO抗压劣化系数与弯拉应力水平的关系Fig. 10 The relationship between compressivedeterioration coeITicient and bending tensile stress从图9和图10中可以看出，机制砂混凝土的抗折劣化系数和抗压劣化系数与弯拉应力水平相关性很高，而且应力水平越高，劣化系数也越小，这说明应力水平的提高加剧了机制砂混凝土的侵蚀作用。1%溶度硫酸盐侵蚀溶液中的机制砂混凝土的劣化系数在各个应力水平下都比10%溶度侵蚀溶液中的大，这说明侵蚀溶液的浓度越高，机制砂混凝土受到的侵蚀作用也越明显。3结论(1)弯拉应力的存在加大了硫酸盐对机制砂混凝土的侵蚀作用，且应力水平越大，这种作用也越明显。(2)侵蚀溶液浓度越高对机制砂混凝土的侵蚀作用也越明显，与抗压劣化系数相比抗折劣化系数更敏感，故采用抗折劣化系数能更好地评价混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能。(3)弯拉应力水平与机制砂混凝土的抗硫酸盐劣化系数具有很高的线性相关性，且应力水平越高，劣化系数也越小，机制砂混凝土受到的侵蚀作用也越明显。参考文献1SchneiderU.ChenSW.TheChemomechanicaleffectand(hemechanochemicaleffectonhigh-performanceconcretesubjectedtostresscorrosionJ.CementandConcreteResearch,1998.28(4):509-522.2林毓梅，姜国庆.在5%硫酸钠溶液中混凝土应力腐蚀试验研究J.混凝土与水泥制品，1996(2):22-25.3慕儒，缪昌文.荷载作用下高强混凝土的硫酸盐侵蚀J.工业建筑，1999,29(8):52-55.4ZuquanJ,TiejunSWJJZ.DamageofconcreteattackedbysulfateandsustainedloadingJ.东南大学学报(英文版),2008,1:015.5张云清，余红发，孙伟，等.冻融循环作用下混凝土的硫酸盐应力腐蚀特性J.土木建筑与环境工程,2010,32(6):147-152.16陈拴发，李华平，李祖仲，等.交变荷载对硫酸盐侵蚀混凝土扩散系数影响的表征J中外公路，2011,31(5):201-204.