循环耐久试验（精选7篇）
循环耐久试验 篇1
引言
循环耐久能力是衡量蓄电池性能的重要指标之一, 铅酸蓄电池循环耐久能力的测试是判断蓄电池性能优劣的重要手段。但是, 铅酸蓄电池循环耐久试验是一项费时费力的较为艰巨的工作。众多的蓄电池标准方法中, 如汽车用启动蓄电池标准GB/T5008.1中的循环耐久试验至少要3个半月以上, 牵引蓄电池标准GB/T7403.1-2008中寿命试验甚至要半年以上[1,2]。由于该项试验时间过长, 环境要求严格, 成本高, 长期占用设备资源, 生产企业难以进行足够数量的试验, 一些中小型企业普遍不进行该项试验, 一些大型企业也只进行较少部分批次的抽检。即使进行检验, 但因试验时间过长, 在生产企业了解了质量状况后, 产品也已出厂, 只能是事后监督, 造成企业难以对自己的电池产品进行质量控制。同样的原因, 质量监督部门也难以对产品质量进行监管。因此改进该项试验方法, 缩短试验时间, 降低试验成本有其必然性与迫切性。
影响电池寿命的因素主要有环境温度、充电不足、过度充电、过度放电、长期处于浮充状态等因素[3,4]。本研究从试验温度、充放电电流、充放电时间三个因素来考察其对牵引铅酸蓄电池循环耐久试验的影响, 筛选出最优的循环耐久试验方法, 并同国标方法进行比较, 验证方法的有效性。
1 试验和测量
1.1 试验设备
1.2 容量测试
GB/T7403.1-2008标准6.2规定容量试验方法如下:
将完全充电的蓄电池在充电结束后1~24h内, 蓄电池用I5电流放电, 电池周围温度保持在22℃~34℃之间, 当单体电压达到1.70V时, 停止放电并记录放电时间, 并按实际温度换算到30℃时的实际容量。
1.3 温度
试验分别在33℃、43℃、75℃条件下, 进行牵引用蓄电池循环耐久性试验。
1.4 充放电电流及时间
充放电电流及时间有以下不同情况:
(1) 放电程序:以1.25 I5放电3h;充电程序:第一阶段以1.05 I5充电3h, 第二阶段以0.25 I5充电6h, 充电时间总计为9h。充电9h, 放电3h为一个循环;
(2) 放电程序:以1.5 I5放电1.5h;充电程序:第一阶段以3 I5充电1h, 第二阶段以0.5 I5充电3h, 充电时间总计为4h。充电4h, 放电1.5h为一个循环;
(3) 放电程序:以2.25 I5放电1h;充电程序:第一阶段以3I5充电2h, 第二阶段以0.5 I5充电1h, 充电时间总计为3h。充电3h, 放电1h为一个循环。
(4) 放电程序:以2.5 I5放电1.5h;充电程序:第一阶段以3I5充电1h, 第二阶段以0.5 I5充电3h, 充电时间总计为3h。充电4h, 放电1.5h为一个循环。
1.5 循环耐久能力试验
容量达到GB/T7403.1标准要求的普通型牵引蓄电池, 在完全充满电之后进行循环耐久能力试验。在恒定的试验温度下, 依照充放电程序依次进行循环试验, 每49次充放电循环后进行一次容量试验。在进行循环耐久能力试验期间, 当容量低于额定容量的80%时, 均可再进行一次容量试验, 仍达不到80%, 循环耐久能力试验结束。每次进行两块电池的平行试验。
2 试验与结果
2.1 不同试验温度下的循环耐久力试验
该试验主要是通过改变以下参数实现循环耐久性检测的优化:
——试验温度℃:33、43、75。
——放电程序: (1) 以1.25 I5放电3h; (2) 以2.5 I5放电1.5h。
——充电程序: (1) 第一阶段以1.05I5充电3h, 第二阶段以0.25 I5充电6h, 充电时间总计为9h; (2) 第一阶段以3 I5充电1h, 第二阶段以0.5 I5充电3h, 充电时间总计为4h。
在以上条件下, 测试温度对铅酸蓄电池循环耐久能力的影响。
我们选取同一企业同一批次生产的同型号规格的6-DGA-60Ah电池进行试验, 结果如图1所示。
据报道, 提高试验温度能够使蓄电池两极活性物质反应更积极, 加快蓄电池中离子交换的速度, 并加大充、放电的电流和缩短充、放电时间, 从而使整个试验降低到较短的时间[5]。通过以上数据可知, 43℃条件下的循环耐久试验较33℃条件下, 试验时间能够有效缩短。在75℃高温水浴中, 电池容量下降极快, 仅仅经过2次循环试验, 电池的容量降至初始容量的80%左右, 再经过第3次循环电池容量均低于80% (48Ah) , 试验终止。电池的容量下降之快, 出乎我们的意料, 75℃偏离国标循环试验的温度高限43℃超过30℃, 过高的试验温度带来电池寿命的急剧缩短。因此, 我们将在充放电电流与时间上做出调整, 同时需要考虑到试验条件不能对电池的质量及寿命带来负面影响。
2.2 不同充放电流及充放电时间下的循环耐久力试验
该试验主要是通过改变以下参数实现循环耐久性检测的优化:
——试验温度℃:33、43。
——放电程序: (1) 以1.25 I5放电3h; (2) 以1.5 I5放电1.5h; (3) 以2.25I5放电1h。
——充电程序: (1) 第一阶段以1.05I5充电3h, 第二阶段以0.25 I5充电6h, 充电时间总计为9h; (2) 第一阶段以3I5充电1h, 第二阶段以0.5 I5充电3h, 充电时间总计为4h; (3) 第一阶段以3I5充电2h, 第二阶段以0.5 I5充电1h, 充电时间总计为3h;
我们选取同一企业同一批次生产的同型号规格的6-DGA-80Ah电池进行试验, 在以上条件下, 测试改变充放电电流及充放电时间对铅酸蓄电池循环耐久能力的影响。
从图2中我们可以发现, 按G B/T7403.1规定的寿命试验方法 (图2中试验组a) 5小时率容量下降较慢, 在做完10次大循环, 确认电池容量已下降至80%以下, 试验终止, 共耗时约6360小时。按改进的加速循环耐久性试验方法 (图2中试验组b) , 电池容量下降较快, 在进行了6次循环以后, 电池5小时率容量分别达到标称容量的82%, 再经一次循环后, 容量均已低于80%, 试验终止, 共耗时约2222.5小时。改进的加速循环耐久性试验 (图2中试验组b) 对比国标规定的方法节约时间4137.5小时, 仅耗费国标方法的35%的时间。按改进的加速循环耐久性试验方法 (图2中试验组c) 进行试验, 发现其容量下降更快, 在进行了4次大循环以后, 电池5小时率容量分别为80.2%、82.3%, 再经第5次循环后, 容量都已低于64Ah, 均满足试验终止条件, 共耗时约1150小时。比较b, c两种改进型加速试验方法, c型的放电电流加大为1.5倍, 时间则反比例缩短, 而充电程序中, 3 I5充电时间由1h变为2h, 0.5 I5充电时间由3h变为1h, 这两种方法中充放电的电量没有大的变化, 但恒小电流充电时间缩短为原来的1/3, 没有能够有效地防止电池的极化反应, 电池寿命受到损害, 比一般的充电方法缩短了寿命。
3 结语
改进的加速循环耐久性试验方法:试验温度43℃, 充电程序:3I5充电1h后0.5 I5充电3h, 放电程序:2.5I5放电1.5h, 相对于国标规定的方法显著的节约检测时间, 仅耗费国标方法的35%的时间, 效果明显。改进的加速循环耐久性试验, 是在没有损害电池质量的前提下进行的试验, 具有一定的参考价值。
参考文献
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[2]GB/T7403.1-2008牵引用铅酸蓄电池第1部分:技术条件[S]
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[5]周志军.蓄电池容量与温度的关系[J].监督与选择, 2006, (5) :64
循环耐久试验 篇2
通过使用棉花秸秆碎料、沙漠沙、配合水泥、膨润土等胶凝材料,试制适于制作梭梭防护管件的复合材料。复合材料应满足以下技术要点: 1 用复合材料制作的管件应有一定的重量,抗倒伏性能佳; 2复合材料防护管件应具有一定的强度,能满足埋置和运输的需要; 3 复合材料管件的隔热性能要好,能有效防止沙漠地表高温对管内的影响; 4 复合材料防护管件的耐久性适中,在管件防护2 ~ 3 年后,待梭梭苗确保成活后,防护管件就能发生破坏。项目组于2015 年7 月在沙漠实地连续测量六天,获取了温湿度数据。当沙漠地表温度达到了62 ℃时,水泥基棉花秸秆复合材料管件内部沙子表面温度仅为36. 5 ℃ ,由此可见棉花秸秆复合材料制作的管件可以起到防止高温对梭梭幼苗造成灼伤的作用。因此,本文重点对管件的耐久性进行试验,即沙漠环境下冻融循环对棉花秸秆复合防护管件材料耐久性的研究。
1 原材料与试验方案
1. 1 原材料
棉花秸秆碎料: 取自新疆石河子市郊区( 当年产) ,取样地面积约2 亩( 1 亩≈666. 666 7 m2) ; 水泥: 青松水泥股份有限公司42. 5 强度等级的普通硅酸盐水泥; 沙漠沙: 取自古尔班通古特沙漠表层,并通过初筛,剔除了部分大颗粒杂质; 膨润土: 钠基膨润土。
1. 2 试样的制备
沙漠沙取自沙漠,极其干燥,在搅拌的过程中,由于其吸水性很强,使得拌合物产生类似硬化的现象[2,3],因此为了便于复合材料的搅拌,试样的具体制备步骤调整如下: 1 按照配合比将水泥、沙子、棉花秸秆碎料、膨润土和水分别称量好; 2 将沙漠沙放在已称好的水中浸泡,约5 min; 3 接着将水泥、棉花秸秆碎料、膨润土搅拌均匀; 4 最后将水泥、棉花秸秆碎料、膨润土放入浸泡的沙漠沙中,混合搅拌均匀,放入模具中振捣密实即可。由于棉杆复合材料应用的特殊性,对其强度要求也不像对普通混凝土一样越大越好,且在实际使用、操作过程中也无需像普通混凝土一样进行标准养护。待试件制作好、自然条件下放置七天,脱模后即可进行冻融循环试验。
1. 3 冻融循环试验条件与方法
考虑到复合材料应用的特殊性,所制作的管件理想状态是在梭梭幼苗成活,稳定生长( 一般为2 ~3 年) 后,就能够在环境的影响下发生破坏或是稍施加外力管件就会发生破坏。因此复合材料的耐久性就需要根据沙漠的环境进行调整。古尔班通古特沙漠属于寒冷地区冬季存在一定的积雪厚度,每年春季积雪一般在3 ~ 5 d内融化完毕,因此根据实际情况,管件埋入沙漠环境中后,2 ~ 3 年内会经受10 次左右的冻融循环。
实验采用40 mm × 40 mm × 160 mm的棱柱体试件,以清水为冻融循环的介质,进行冻融循环实验。冻融循环试验采用慢冻法,即气动水融条件下,冷冻期间冻融实验箱内空气温度保持在- 20 ~ - 18℃ 范围内[4—6]。每次试件冷冻时间为4 h,试件在冷冻结束后,立即加入温度为( 20 ± 2) ℃的水,使试件转入融化状态。且应注意浸泡时水面应高出试件顶面20 ~ 30 mm,在水中浸泡时间4 h,融化完毕视为冻融循环结束,可进入下一次冻融循环。
1. 4 棉杆复合材料配合比方案
通过综合考虑膨润土、秸秆碎料以及水泥的含量,并结合制作防护管件力学强度指标最终确定复合材料配比。试件尺寸为: 40 mm × 40 mm × 160mm,试件制作好,自然条件下养护7 d后,对其进行编号。复合材料配比试验过程如下。
( 1) 保持水泥、棉花秸秆碎料质量比不变,依次增加膨润土添加量,与此同时降低沙子添加量,判别膨润土的添加量对复合材料性能的影响,从而确定膨润土的添加量。具体数值如表1。
( 2) 保持棉花秸秆碎料、膨润土质量比不变,依次减少水泥土添加量,与此同时增加沙子添加量,判别水泥添加量对复合材料性能的影响。具体数值如表2。
( 3) 保持水泥、膨润土质量比不变,依次减少沙子土添加量,与此同时增加棉花秸秆碎料添加量,判别棉花秸秆碎料添加量对复合材料性能的影响。具体数值如表3。
2 试验结果与分析
2. 1 膨润土添加量对棉杆复合管件材料力学性能的影响
根据棉秆复合管件材料的特殊使用环境和耐久性需要,采用逐级增加膨润土的添加量,目的在于提高复合材料的吸水率,控制复合材料的冻融破坏周期。具体为: 水泥质量比、棉花秸秆碎料质量比均保持不变时,膨润土质量比从1% ,3% ,5% ……依次增加,与此同时,沙漠沙质量比从56% ,54% ,52%……依次降低( 编号为DRS5-1 至DRS5-7) 。在干燥状态下,测得试件抗折抗压强度变化如图1 所示。可以得出结论: 随着膨润土用量的增加,水泥基棉花秸秆复合材料强度在不断降低。而在实际拌合过程中,当膨润土质量比达到13% 时,由于膨润土含量的增加,使复合材料在拌合时十分黏稠,搅拌困难,结合实际应用考虑,确定在复合材料中膨润土最大用量为11% 。
2. 2 水泥添加量对棉杆复合管件材料力学性能的影响
制作棉秆复合管件材料的原材料多是废物利用,基于降低成本的考虑以及控制复合材料耐久性的目的,应尽量减少水泥用量,同时也要满足管件使用要求。具体配比如下: 棉花秸秆碎料质量比3% ,膨润土质量比为11% ,水泥质量比从40% ,38% ,35% …… 依次减少,与此同时,沙漠沙质量比从46% ,49% ,51% …… 依次增加( 编号为DRS5-6,DRS5-8 至DRS5-16 ) 。从图2 可以看出: 当保持膨润土、棉花秸秆碎料含量不变,减少水泥用量,同时依次增加沙漠沙用量,测得在干燥状态下,复合材料抗折、抗压强度不断降低,且当水泥质量比< 23%时,复合材料所制作的管件不能承受其自重,极易发生破坏,因而可以确定复合材料中水泥质量比至少应≥23% 。
2. 3 棉花秸秆碎料添加量对棉杆复合管件材料力学性能的影响
棉花秸秆属于农产品废料,大多秸秆都在棉花收割后进行了焚烧,棉杆中含有丰富的植物纤维,有较好的吸水性,可以促使复合材料更快地发生冻胀破坏,故而可以通过加入棉花秸秆碎料的含量来调节复合材料的耐久性能。
在配比13、17、18 中,水泥、膨润土质量比保持不变,棉花秸秆碎料质量比从3% ,5% ,7% 依次增加,与此同时,沙漠沙质量比从63% ,61% ,59% 依次增加( 编号DRS5-13,DRS5-17,DRS5-18) 。随着棉花秸秆碎料含量的增加,复合材料的强度依次降低,如图3 所示。
2. 4 不同掺量的膨润土、水泥和棉杆碎料在冻融条件下对棉杆复合管件材料的影响
我们将上述配比试验过程中,适合用来制作管件的配比统一做了冻融循环试验,试验结果如图4、图5。
根据图4 和图5 所示,复合管件材料试件在经历了4、7、10 次冻融循环后,抗折、抗压强度损失明显。经历4 次冻融循环后,抗折、抗压强度均呈现下降趋势,符合预期。但经历7 次冻融循环后,抗折、抗压强度则出现了反复,DRS5-1 至DRS5-6 号试件抗折、抗压强度有增加的趋势,但均未超过干燥状态的强度。经历10 次冻融循环后,抗折、抗压强度均呈现下降,且DRS5-1 和DRS5-2 强度仍然超过4 次冻融循环的结果。分析出现这种状况的原因在于由于试件未经标准养护,就参与了冻融循环试验,在融化过程中,由于试件接触到了水,相当于对试件进行了养护( DRS5-1 和DRS5-2 强度高于干燥状态就是最好的证明,而且这两组膨润土的添加量都不大) 。使得试件强度有小幅增加,但随着冻融循环次数的增加,强度又在不断降低。
根据图4 和图5 所示,膨润土添加量超过5%以上时冻融对复合材料的影响较为显著,但增加到9% 以上时,冻融对管件复合材料的影响就不显著了。可见从冻融的角度来说膨润土的最佳掺量为7~ 11% 。
根据图4 和图5 所示,DRS5-13、DRS5-17 和DRS5-18,水泥质量比、膨润土质量比保持不变,棉花秸秆碎料质量比从3% ,5% ,7% 依次增加,与此同时,沙漠沙质量比从63% ,61% ,59% ,…依次增加。三个配比试件经过4 次、7 次、10 次冻融循环后,抗折、抗压强度也在不断降低,且随棉花秸秆碎料添加量的增加,强度退化速率在不断加快。由此可见,复合材料的渗透性对材料的耐久性起着至关重要的作用。棉花秸秆碎料的掺量越大,则复合材料中水分迁移的路径就越多,相应的材料渗透性就越大大,因此材料在进行冻融循环时,水分会在秸秆中迁移,在冰冻过程中,进入秸秆内部的水就会结成冰,体积变大,又由于秸秆的导水作用,使得复合材料内部的毛细管中充满更多的水,最后导致复合材料中的空隙充满了水,在冰冻状态下空隙水会产生膨胀,导致材料内部出现开裂,最终导致复合材料的冻胀破坏。
3 结论
( 1) 棉秆复合管件材料配比: 考虑复合材料使用的特殊性,要满足制作梭梭防护管件使用要求,我们通过试验可确定复合材料的质量比范围: 水泥( 23% ~ 30% ) ,沙漠沙( 50% ~ 63% ) ,棉花秸秆碎料( 3% ) ,膨润土( 7% ~ 11% ) 。
( 2) 从冻融的角度来说膨润土的最佳掺量为7% ~ 11% ,超过这个范围冻融对复合材料的影响不显著; 棉花秸秆碎料超过3% 以后,对复合管件材料的力学性能影响过大,会造成管件强度过低,不能承受实际使用的要求。
( 3) 膨润土、棉花秸秆碎料含量的增加,会降低复合材料强度,要想实现风化周期可控的复合管件材料,可以通过调整棉花秸秆碎料和膨润土含量的多少来实现。
参考文献
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循环耐久试验 篇3
工程结构的可靠性包括安全性、适用性和耐久性三个方面。由于对结构安全性和适用性的充分认识和重视, 其设计理论也比较成熟。而传统观念认为钢筋混凝土结构是由最为耐久的混凝土材料浇筑而成, 即使易锈蚀的钢筋, 由于混凝土的保护也不会发生锈蚀。因此, 盲目提高了钢筋混凝土结构的使用寿命期望值, 忽视了钢筋混凝土结构的耐久性问题。随着数目庞大的混凝土建筑使用年代的增加, 工程事故和巨额的维修费用, 使耐久性问题日益成为工程界研究的重点。结构物的耐久性是指在结构物使用的过程中, 在内部的或者外部的, 人为的或者自然因素的作用下, 结构物保持自身工作能力的一种性能, 或者是结构物在使用年限内抵抗界环境或结构内部产生的侵蚀破坏作用的能力。
2 研究现状
目前, 国内外在混凝土耐久性方面的研究可分为三个层面, 即材料层面、构件层面和结构层面。
2.1 材料层面上的研究
(1) 混凝土碳化:混凝土碳化是指水泥石中的水化产物与环境中的二氧化碳作用, 生成碳酸钙或其他物质的现象。碳化对混凝土本身没有很大影响, 甚至其强度还会因为混凝土变密实而有所提高;碳化对混凝土结构的危害主要体现在使钢筋脱钝而锈蚀。国内外的大量试验表明, 混凝土碳化深度与碳化时间的关系符合undefined的规律, 其中k为碳化系数, 是用来反映碳化速度快慢的综合参数。影响混凝土碳化速度的因素包括外因和内因:外因即环境因素, 包括CO2浓度、环境温度、湿度;内因包括混凝土水灰比、水泥品种、水泥用量及掺合料[1]。
(2) 氯离子在混凝土中的传输:氯离子在混凝土中的主要传输方式为扩散。对于未开裂且水灰比不太低的混凝土, 其氯离子浓度随时间的变化规律符合Fick第二定律。目前, 国内外学者所提出的各种氯离子扩散模型主要是推广和修正的Fick第二定律的。Funahashi[2]根据当前混凝土中的氯离子浓度, 应用差分法预测氯离子浓度分布。Dhir[3]等人基于半无限介质, 将氯离子浓度表示成Boltzman变量指数衰减函数, 提出了确定氯离子浓度分布的数学模型。Lang[4]等人采用含有加速扩散项的Fick第二定律, 并考虑混凝土对氯离子的吸附作用, 确定氯离子浓度分布。Onyejekwe[5]等人考虑影响氯离子扩散系数的时间和温度因素, 应用格林函数法提出了混凝土中氯离子扩散的数值方法。
(3) 钢筋锈蚀:混凝土碳化后或钢筋表面氯离子达到一定浓度时, 钢筋表面的钝化膜会遭到破坏, 从而引起钢筋锈蚀。在普通的钢筋混凝土结构中, 钢筋锈蚀主要是自然电化学腐蚀。混凝土中钢筋锈蚀必须具备三个条件:a.钢筋表面存在电位差;b.钢筋钝化膜破坏, 钢筋处于活化状态;c.钢筋表面存在电化学反应所需要的氧气和水。钢筋锈蚀的四个基本过程如下[6]:
a.阳极反应过程:Fe→Fe2-+2e-
b.电子传输过程, 即阳极区释放的电子通过钢筋向阴极区传输。
c.阴极反应过程:O2+2H2O+4e-→4OH-
d.腐蚀产物生成过程:阳极区生成的Fe2+与阴极区生成的OH-反应生成Fe (OH) 2, Fe (OH) 2进一步氧化生成Fe (OH) 3, Fe (OH) 3脱水后变成疏松、多孔、非共格的红锈Fe2O3;在少氧的条件下, Fe (OH) 2氧化不完全, 部分形成黑Fe3O4。
2.2 构件层面上的研究
锈后的锈蚀产物附着在钢筋表面, 对钢筋和混凝土之间的粘结产生影响。钢筋微锈时, 钢筋和混凝土之间的摩擦系数增大, 使它们的粘结反而增强;但是, 钢筋进一步锈蚀时, 由于在界面产生了一层疏松的锈蚀层, 钢筋和混凝土之间的粘结遭到了破坏。许多学者研究了影响钢筋与混凝土之间粘结的因素, 如混凝土保护层厚度、混凝土强度、钢筋直径、钢筋种类和钢筋位置等, 并推出不同条件下的粘结计算模型[1,6,7,8]。另一些研究者[9,10,11,12,13]通过理论和试验研究了不同条件下锈蚀后的钢筋混凝土梁、柱、板等构件的受弯、受压、受剪等承载能力的计算模型, 描述了锈后钢筋混凝土构件的变形和刚度的变化及破坏特征。
2.3 结构层面上的研究
钢筋混凝土结构是由许多构件构成的结构体系。因此, 在混凝土和钢筋受到侵蚀后, 构件的性能劣化, 最终会影响到整个结构的安全。目前的研究方法是对整个结构进行安全性或耐久性的评估和局部现场荷载试验。对已有结构进行评估, 就是根据结构当前的状况, 如混凝土强度, 钢筋锈蚀情况, 来推断结构的剩余承载力或剩余使用寿命, 以决定结构是否可以继续使用或需要进行维修、加固。浙江大学的金伟良[14]教授等人基于路径概率法的服役期的静态分析和动态演进分析, 开发了一套钢筋混凝土结构耐久性预测评估软件。该软件的预测环境范围包括碳化作用、氯离子侵蚀作用和碳化氯离子共同作用, 预测内容包括构件初锈时间的分布、锈蚀率的分布、裂缝宽度的分布及承载力降低系数的分布。
3 试验方法
钢筋锈蚀是混凝土结构失效的一个重要原因。目前, 研究钢筋锈蚀的试验方法主要有三种:现场暴露试验方案、人工环境加速试验方案和通电加速锈蚀方案。
现场暴露试验方案是在钢筋混凝土结构使用环境内建立一个试验基地, 将与结构同时作用的混凝土试件置于这个试验基地内, 通过测试这些试件来推测结构的耐久性能。人工环境加速方案就是对钢筋混凝土结构的实际使用环境在实验室进行人工模拟, 在人工环境中实现材料核结构的加速退化, 通过气候环境、侵蚀环境与力学环境的综合交互效应, 掌握材料与结构全寿命过程性能退化的规律。通电加速锈蚀方案是将构件放入盐溶液中, 钢筋接到直流电源的正极, 不锈钢板接到电源负极并放到盐溶液中, 通过盐溶液形成回路, 通过直流电源加速钢筋的锈蚀过程。
这三种试验方法各有优缺点。现场暴露试验方案获取的试验数据真实可靠, 具有极强的说服力及实际应用价值, 但是缺点是试验周期长、成本过高。人工环境加速方案和通电加速锈蚀方案优点是试验周期短;它们的缺点是人工环境加速和通电加速锈蚀方案与实际环境中钢筋锈蚀的电化学原理和钢筋表面的锈蚀特征存在差异。在研究中, 可以充分发挥三种方法的优点, 利用现场结构长期暴露试验对人工加速环境模拟试验方案和通电加速锈蚀方案研究成果进行验证与校准, 再通过不断调整人工模拟加速试验研究, 推测钢筋混凝土结构在其生命周期内的使用性能退化规律, 可以实现在短期内对服役结构进行性能评估与寿命预测。
4 结论
(1) 耐久性研究的三个层次中, 材料层次和构件层次的研究已经比较深入;而结构层面上的研究还刚起步, 对结构的耐久性评估有待进一步深入。
循环耐久试验 篇4
关键词：再生混凝土,强度,耐久性,氯离子扩散系数
1 概述
混凝土具有很好的工作性能和耐久性, 被广泛的运用于建筑物和构筑物的建造中, 全世界每年的使用量约为20亿m3, 砂石用量要在34亿t以上, 但同时伴随而来的是旧建筑的拆除, 每年废弃的混凝土总量超过了1亿t以上[1]。一方面开采天然骨料对自然环境造成了严重的破坏, 另一方面拆除的混凝土随意丢弃既污染环境也造成了浪费[2]。将废弃混凝土收集破碎生产再生骨料并利用于新混凝土结构的建造, 解决了废旧混凝土的处置问题且节省天然砂石, 是实现环境、建筑、资源等可持续发展的重要措施, 也是必然趋势。
随着再生骨料的利用, 再生骨料和混凝土的基本力学性能[3]及再生混凝土的碳化和冻融耐久性得到普遍关注[4,5], 但是抗氯离子侵蚀的耐久性研究还没有得到足够的重视。随着自然骨料的逐年减少, 成本的逐年增加, 氯离子环境下的混凝土结构采用再生骨料成为必然的趋势, 因此对氯离子侵蚀环境下的再生混凝土的抗氯离子耐久性研究具有一定的意义。
2 实验过程及结果分析
2.1 混凝土配合比及试块制备
由于掺矿物掺合料对混凝土的抗氯离子侵蚀能力具有一定的影响, 因此, 为准确分析再生骨料的取代率对氯离子扩散系数的影响本次试验不外掺矿物掺合料[6]。本试验所用的原材料主要包括:自然砂、碎石、再生粗骨料、普通硅酸盐水泥、自来水。水泥为华润牌 (贵港) P.O42.5普通硅酸盐水泥;砂为广西钦州河砂, 细度模数为3.0;石子为碎石, 粒径为5 mm~31.5 mm;再生粗骨料是采用30年龄期的混凝土破碎筛分得到, 粒径为5 mm~31.5 mm。混凝土配制强度为C30, 按照JGJ 55—2011混凝土配合比设计规程计算配合比, 分别配制了再生粗骨料取代率为0%, 20%, 40%, 60%的混凝土, 具体配合比如表1所示。每组配合比配制150 mm×150 mm×150 mm的试块3块和直径为100 mm长为250 mm的圆柱试件1块, 将制备好的试块放入标准养护室养护28 d后取出圆柱试块, 使用混凝土切割机切割成厚度为50 mm的试块并选择合适的3块用于试验。
2.2 强度测试和扩散系数测试
抗压强度测试由测力仪和压力机配合完成, 测试得到抗压强度如表2所示 (3组试块的平均值) 。使用RCM扩散系数测试仪测试得到扩散系数 (3个试块平均值) 如表3所示。
分别绘制抗压强度测试值和扩散系数与再生骨料的取代率的关系曲线, 如图1和图2所示。
2.3 试验结果分析
由表2可知, 按照目前的JGJ 55—2011混凝土配合比设计规程计算再生混凝土的配合比, 并配制得到混凝土的强度满足预设的强度要求。由图1可见混凝土强度测试值在取代率为20%最大, 但各组之间的强度差异并不大。可能的原因主要有:首先, 再生骨料表面大多具有多孔的老旧砂浆层, 经过多年的充分水化及碳化作用强度有所提高, 但毕竟表面为相对碎石薄弱的砂浆层;其次, 再生骨料表面粗糙与新砂浆层结合较为紧密;此外本次试验配合比计算没有考虑再生骨料的吸水性的影响, 再生骨料由于表面大多具有一层多孔的砂浆层, 在搅拌时充分吸收拌合水, 因此在一定程度上降低了水灰比。
由表3可知再生骨料取代率为0的混凝土扩散系数最小, 由图2可知, 扩散系数随着骨料取代率的增加而增加, 开始增长的速度较快, 随着取代率的不断增加扩散系数的增加速度减缓。主要的原因为再生骨料表面大多具有一层多孔的砂浆层, 且再生骨料中碎石与老旧砂浆及表面与新砂浆之间都具有相对薄弱的界面过渡区, 这些区域增加了氯离子扩散的通路, 再生骨料越多增加的扩散通路越多。
3 结语
本文通过设计测试不同再生骨料取代率混凝土的抗压强度及扩散系数, 研究了再生混凝土的抗压强度和扩散系数与再生骨料的关系, 实验结果表明, 根据现有的混凝土强度按照规范设计计算的配合比制备的混凝土满足强度要求, 可以用于再生混凝土的配合比的计算中。再生混凝土的扩散系数随着再生骨料的取代率的增加而增加, 这主要是由于再生骨料为混凝土提供了更多的扩散通路。由此可见, 再生混凝土的抗氯离子耐久性及耐久性防护还需进一步的研究。
参考文献
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[4]黄秀亮, 王成刚, 柳炳康.再生混凝土抗碳化性能研究[J].合肥工业大学学报 (自然科学版) , 2013, 36 (11) :1343-1346, 1348.
[5]王成刚, 黄秀亮, 柳炳康.再生混凝土抗冻融性能试验研究[J].工程与建设, 2013, 27 (4) :493-495.
循环耐久试验 篇5
FRP筋具有较高的抗拉强度和耐腐蚀性能、自重轻且易于施工,因此自20世纪90年代开始,FRP应用于工程领域中并替代钢筋锚杆。锚杆锚固被广泛应用于工程领域,可直接用于新建结构或原结构的加固中[1,2,3]。目前被广泛应用的FRP筋主要包括CFRP、AFRP、GFRP等[4]。锚杆的工作环境较为恶劣,如锚杆被酸雨的侵蚀、被岩土中钠、钙盐的电化学腐蚀等,这些都会影响锚杆使用的安全性。基于CFRP锚杆在酸性腐蚀环境下的耐久性试验研究,国内相关的研究还较少[5]。
本试验采用高浓度溶液加速的方法,开展了CFRP锚杆在酸性腐蚀环境下相关试验,试验结果对于CFRP锚杆的设计及工程应用上具有一定的指导意义。
1 试验
1.1 试验材料及设备
CFRP锚杆:试验选用柳州某公司出产的7 mm直径光圆筋材,锚具长度采用了245、300、350 mm三种类型。CFRP锚杆示意见图1。
环氧砂浆试块:主要成分为环氧树脂+固化剂+填料,固化剂及填料按照一定比例混合,依据GB 50203—2011《砌体结构工程施工质量验收规范》的要求制作环氧砂浆试块(见图2)。拉伸试验设备为液压万能试验机。
1.2 试验方法
本腐蚀试验采用98%浓度的浓硫酸稀释设计出p H值=3的强酸环境,为了避免浸泡容器受到腐蚀,用PEVA耐腐蚀材料对浸泡容器进行多层密封处理。为了避免锚具受到严重腐蚀而影响力学性能测试,浸泡前在锚具表面涂上黄油。在第10、20、30、40、50、60、70、80、90 d观测其外表颜色、对其质量和尺寸等物理性能进行测试。每周测试1次浸泡液的p H值,保证其p H值不变。未浸泡及浸泡第30、60、90 d后对环氧砂浆试块和锚杆在万能试验机上进行力学性能试验。进行环氧砂浆试块的抗压破坏试验测试其抗压强度,并通过应力应变计算其弹性模量。通过CFRP锚杆的拉伸破坏试验测试其抗拉强度,通过试验数据计算其延伸率、弹性模量等物理性能指标。最后通过试验数据对锚杆的粘结性能进行分析。
2 试验结果分析
2.1 环氧砂浆试块
在试验过程中,试块外表颜色的变化不能用肉眼观测出。每隔10 d将其取出时,试块表面均存有水珠,表明浸泡液仅对其表面有侵蚀,未能侵蚀入试块内部。可知环氧砂浆试块内部具有很好的密实性,胶层之间能紧密胶结。试验过程中,环氧砂浆试块性能指标损失如图3所示。
由图3可知,环氧砂浆试块的质量损失较小,在试验前30 d,质量基本保持不变,最大质量损失率约为1.98%。弹性模量在试验过程中变化较小,最大损失约为2.81%。抗压强度在前60 d变化幅度较小,第60 d到第90 d这个阶段抗压强度损失较大,最大损失率为11.25%。
2.2 CFRP锚杆
CFRP锚杆酸腐蚀过程表面状况见图4,性能指标损失率见图5。
由图4、图5可见,CFRP锚杆浸泡30 d后,质量基本无变化,但其表面已经形成了1层保护层,可认为腐蚀还没有开始;浸泡60 d后,锚杆上涂抹的保护层已经消失,锚具出现腐蚀现象,但是筋材还未出现腐蚀现象,质量比30 d前有所减少;浸泡90 d后,锚具腐蚀现象进一步加剧,筋材出现溶胀现象,质量和浸泡60 d相比反而有所增加,可解释为腐蚀液已从其表面渗透到锚杆内部,从而导致其质量有所增加。在酸腐蚀过程中,锚杆质量损失较小,最大质量损失率在第60 d,约为0.65%。弹性模量、抗拉强度、延伸率等指标损失率随着浸泡时间的延长而增大,第90 d时,以上3项物理性能指标的最大损失率分别为3.29%、6.51%、5.06%。
2.3 CFRP锚杆粘结滑移变化
通过试验计算出锚杆总位移和CFRP杆件的弹性变形量,二者的差值为锚杆的滑移量。以未受到酸腐蚀、腐蚀60天、腐蚀90 d三种情况为例,绘制出锚杆荷载-滑移关系曲线(见图6)。
由图6可知,在相同荷载作用下,酸腐蚀90 d锚杆的滑移量最大、酸腐蚀60 d锚杆滑移量次之,最小为未腐蚀锚杆的滑移量。可知CFRP锚杆粘结滑移量随着腐蚀试验的进行而增大,酸腐蚀对其粘结性能产生了不利影响。
2.4 酸腐蚀90 d粘结-滑移曲线拟合
整理出3种锚固长度锚杆在酸腐蚀90 d后粘结应力-滑移曲线,对曲线进行拟合,曲线拟合方程为:
由式(1)可得线性回归相关参数,其中相关系数R=0.992,测定系数R2=0.984。试验曲线与酸性环境下的拟合曲线对比见图7。
采用图7的结果,对245、300、350 mm三种锚固长度的锚杆进行对比,可知误差均在10%以内。该拟合成果可用于预测在相同酸性环境条件下、不同荷载作用下的任意锚固长度和任意直径的CFRP锚杆产生的滑移值。
3 CFRP锚杆工作寿命预测
3.1 Arrhenius方程
采用短时间试验数据对CFRP锚杆长期使用寿命预测时,最常用的是Arrhenius方程[6,7]。根据Arrhenius方程,酸性腐蚀环境下CFRP锚杆的抗拉强度退化速率如式(2)所示:
式中:k———CFRP锚杆的抗拉强度退化速率;
f——CFRP锚杆的抗拉强度;
t———时间;
A——和材料性能相关的常数;
Eα——导致CFRP锚杆抗拉强度发生退化的活化能;
R———摩尔气体常数,8.3145 J/(mol·K);
T——绝对温度,K。
美国联邦公路局给出的FHWA法是基于Arrhenius方程的一种寿命预测方法[见式(3)所示],李彬和王伟等[7,8]也通过试验研究表明锚杆抗拉强度保留率Rt与时间的对数基本保持线性关系。
式中:Rt———CFRP锚杆的抗拉强度保留率,%;
t———时间;
a,b———常数。
可将图5中CFRP锚杆的抗拉强度损失率变换为抗拉强度保留率(见图8),根据最小二乘法进行曲线拟合,得到a,b的取值。拟合曲线为:
由式(4)可得回归相关系数R=0.996,测定系数R2=0.992。
相关研究表明[6,7,8,9],可将Arrhenius方程引入换算因子TSF这一概念,用于2个不同温度下CFRP锚杆腐蚀到相同程度所需的时间计算。陈诗学[10]对换算因子进行了进一步研究,通过试验建立了以p H值为参数的换算因子模型如式(5)所示:
式中:TSF———换算因子;
A———待定系数,可由试验求出;
e———自然常数;
10-p H———相应p H值溶液氢离子浓度。
参考该文研究结果,当p H值=3时,TSF=1;当p H值=4.5时,TSF=1.459。锚杆在p H值=3溶液中浸泡90 d后抗拉强度损失6.51%,可对应于锚杆浸泡p H值=4.5抗拉强度损失6.51%的浸泡天数为90×1.459=131.31 d。
3.2 酸雨对CFRP锚杆耐久性的影响
由于自然界中的大量二氧化碳可溶于水,当溶解达到气液相平衡后,p H值约为5.6。因此当降雨的p H值小于5.6时,可定义为酸雨。酸雨已成为我国严重的环境问题之一[11]。根据相关文献[12],江西省近5年降雨年均p H值如表1所示,其中南昌市酸雨年均p H值和江西省酸雨年均p H值较为接近,取南昌市酸雨基本p H值为4.5。
相关资料显示[13],南昌市1951~2007年年平均降雨日数为144.58 d,考虑到降雨后CFRP锚杆不可能立刻晾干,假设CFRP锚杆在这144.58 d平均每天受酸雨侵蚀时间为4 h,相当于CFRP锚杆每年在p H=4.5的溶液中浸泡578.32 h,在p H=4.5的溶液中浸泡90 d相当于南昌地区外露CFRP锚杆受酸雨侵蚀5.449年。受酸雨侵蚀20年后,强度保留率为88.56%(见表2)。与文献[5,14]的研究,CFRP锚杆具有较好的耐酸腐蚀性,在酸雨腐蚀环境下,CFRP锚杆受到轻微腐蚀的结论一致。
4 结语
(1)环氧砂浆试块在酸性溶液中浸泡90 d过程中,其尺寸和外观颜色没有发生显著变化。质量、弹性模量、抗压强度有所降低,其最大损失率分别为1.98%、2.81%、11.25%。随着浸泡时间的延长,环氧砂浆试块的抗压强度损失较大,长时间酸腐蚀环境会对环氧砂浆试块产生显著不利影响。
(2)CFRP锚杆在酸性溶液中浸泡90 d过程中,其尺寸和外观颜色没有发生显著变化。最大质量损失发生在第60 d,质量损失率为0.65%。弹性模量、抗拉强度、延伸率等损失率随浸泡时间的延长而变大,第90 d时,以上3项物理性能指标的最大损失率分别为3.29%、6.51%、5.06%。试验结果表明,以上物理性能指标降低幅度较小,CFRP锚杆的耐酸腐蚀性较好。
(3)由锚杆的荷载-滑移关系曲线可知,CFRP锚杆粘结滑移量随着腐蚀试验的进行而增大,酸腐蚀对其粘结性能产生了不利影响。
(4)对酸腐蚀90 d后粘结-滑移曲线进行了拟合,该拟合曲线可以较好地反映CFRP锚杆与环氧砂浆酸性环境腐蚀后其粘结性能的变化。该试验曲线具有一定的工程应用价值,可为修订相关工程规范时提供参考。
循环耐久试验 篇6
1 普通强度混凝土实现高耐久性的技术途径
混凝土耐久性取决于其密实度和内部孔的微观结构。普通水泥混凝土不满足耐久性要求的根本原因在于本身的内部结构。首先, 为满足施工工作性要求普通混凝土拌合物用水量较大, 因而导致孔隙率很高、结构不密实, 这种空隙约占水泥石体积的25～40%, 特别是其中毛细孔占相当大比例 (毛细孔是水份蒸发所致) 。它是水、氧气、二氧化碳及各种有害物质进入混凝土的通道, 从而引起混凝土冻融破坏、钢筋锈蚀、混凝土碳化, 导致混凝土耐久性不足。其次, 水泥石中部分水化物稳定性不足也会对耐久性产生影响。一般水泥的水化产物主要是水化硅酸钙、水化铝酸钙、水化硫铝酸钙, 此外在水化产物中还有数量很大的氢氧化钙, 它的强度较低、稳定性较差, 在侵蚀条件下是首先遭到侵蚀的部分。要提高混凝土的耐久性就必须减少或消除这些稳定性低的组份。
随着混凝土研究水平的不断提高, 已有许多技术措施用于改善孔结构, 降低水胶比, 减少水泥石中氢氧化钙含量。使用高效减水剂、引气剂来改善混凝土孔结构, 降低水胶比, 采用大掺量的超细矿物掺合料取代水泥来减少水泥浆用量, 采用优化骨料级配并控制其含泥量来减少混凝土的孔隙率, 从而配制成高密度混凝土就可以很好地抵抗水和其它侵蚀性介质渗入, 使混凝土具有良好的耐久性。
高效减水剂可以降低水灰比或改善混凝土拌合物流动性, 降低水灰比从而降低混凝土孔隙率, 改善孔结构且减少的是混凝土中有害孔和多害孔, 更大程度地改善孔结构, 同时可降低混凝土中骨料与水泥浆体界面区的结晶水化物取向度, 改善浆骨界面的结构。
引气剂是一种憎水性表面活性剂。加入它降低了水的表面张力及表面能, 同时引入大量分布均匀的圆形封闭微细气孔, 可切断侵蚀介质渗入混凝土的通道, 而且引入的微细孔可大大缓解冰冻或盐类结晶等所造成的破坏应力, 从而提高混凝土的抗冻性和抗结晶盐类侵蚀。
优质矿物细掺料, 具有很细的细度且有良好的火山灰活性, 其微细颗粒可直接填充混凝土中的有害孔, 其“二次水化”产物也可进一步填充有害孔, 降低硬化混凝土的孔隙率, 改善孔结构, 使混凝土更密实。掺优质矿物细掺料取代部分水泥而降低混凝土早期温升, 减少温差裂缝的产生, 同时降低了混凝土的碱含量, 减少了碱集料反应, 有利于混凝土的抗渗性和耐久性的提高。
由此看来, 配制普通强度高耐久性混凝土, 是在保证混凝土拌合物工作性的同时降低水胶比, 掺入20%～30%的优质矿物细掺料, 同时使用引气剂来改善混凝土内部的孔结构。无论采用何种技术措施, 水胶比仍是控制混凝土耐久性的关键。我国吴中伟和廉慧珍两位学者认为耐久性混凝土的水胶比不应大于0.40。
本文按照上述技术途径及措施, 配制了强度等级为C30的高耐久性混凝土。
2 普通强度混凝土高耐久性的配制设计及试验
2.1 试验原材料
1) 水泥:
采用祁连山牌42.5级普通硅酸盐水泥, 细度2.0%, 28d抗折强度为8.4 Mpa, 抗压强度为44.2Mpa, 安定性合格;
2) 河砂:
Mx=2.6、级配合格, 含泥量2.5%、泥块含量0.5%;
3) 卵石:
Dm=5～40mm的连续级配并且级配良好、含泥量1.0%、泥块含量0.25%、针片状含量8%;
4) 矿物外加剂:
采用永登连城电厂I级粉煤灰, 细度4%, 烧失量1.6%, 需水量比92.6%;
5) 化学外加剂:
采用兰州奔马外加剂厂生产的BE-A高效引气减水剂、减水率18～25%、含气量4.5%;
6) 水:
饮用水。
2.2 混凝土配合比
为了更可靠地保证混凝土耐久性, 将其水胶比定为不大于0.40, 胶凝材料控制在385～400kg/m3, 使用高效引气型减水剂, 内掺25%的I级粉煤灰, 在保证工作性的情况下, 选择多个水胶比并调整外加剂掺量进行配制。设计混凝土配合比见表1。
2.3 试验方法
采用气压式含气量测定新拌混凝土含气量。抗压强度采用150×150×150 mm立方体试件。混凝土的氯离子渗透性试验依照美国标准ASTMC1202-97试验方法, 设备为丹麦制造型号为PROOVE'it设备, 试件尺寸Φ95～102×51 mm标准试件, 测试56d龄期试件。试件经真空后浸水饱和 (18±2) h, 安装到试验装置中, 一端注入0.3 mol的NaOH溶液, 为正极;另一端注入浓度3%的NaCl溶液, 为负极, 在电极两端施加60V电压, 测试6h通过的电量总和。混凝土抗冻试验设备采用YH型混凝土自动冻融机、DT-9W型动弹性模量仪。依据《普通混凝土长期性能和耐久性试验方法》 (GBJ82-1985) 中的快法进行。试件标准养护 28 d在到达试验期的前4 d, 将试件在 (20±3) ℃的水中浸泡4 d后开始冻融试验, 冻融试件尺寸为100×100×400 mm。在冻融期间, 每冻融25次进行一次弹性模量测试和称重。通过测试混凝土冻融试件的质量损失率与相对弹性模量下降率来评定混凝土的抗冻耐久性。当相对动弹性模量下降到60%或质量损失达5%时, 即混凝土已被破坏。当冻融次数超过300次时停止试验。
3 试验结果及分析
3.1 强度
本文考虑实验室配合比的要求和实际工程情况, 测试28d、56d的混凝土强度, 测试结果见表2。由于高效引气减水剂的掺量不同, 使得混凝土拌合物中的含气量差别比较大, 当含气量较大时, 对混凝土强度产生影响。从表中可以看出, 56d比28d的强度有明显增长, 说明粉煤灰发挥效应。其中N-3、N-5、N-6三组28d达到C30实验室的配制强度。同一水胶比由于含气量不同, 混凝土强度差别较大, 说明引入气体较多时, 强度明显下降。
3.2 抗冻性能
混凝土耐久性劣化表现为多种形式, 但抗冻性是其中的一个典型代表。混凝土抗冻性与抗渗性等其它耐久性密切相关, 所以抗冻耐久性在很大程度上可以反映混凝土的综合耐久性。国内外学术界常把抗冻性作为混凝土耐久性的主要指标或综合指标, 所以本文也以抗冻性来代表混凝土耐久性。试验结果见表3。从表3中可以看出, 含气量对提高混凝土的抗冻性具有明显作用, 当含气量达到3.5%时, 混凝土抗冻次数可达到300次以上。
注:为调整测试时间冻融305次。
3.3 抗渗透性能
本文进一步对混凝土抗渗透性作了试验研究。混凝土的密实度是判定混凝土抵抗环。境中各种有害离子侵入性能的重要指标, 传统做法是采用混凝土抗高压力水的能力—抗渗标号来表示混凝土的密实性能。实践证明, 抗渗标号比较适合于判定低强度等级混凝土的密实度, 但却难以区分现代混凝土的密实性。因为强度等级超过C30的混凝土, 抗渗等级几乎均能达到P20及以上水平, 单靠抗渗标号难以区分混凝土抵抗外界水、气及溶于水汽中的其他有害物质侵入混凝土内部的能力大小。实际工程中 (除深水工程外) 混凝土承受高水压的情况也较少。事实上, 大气中的水、气及溶于水汽中的其他有害物质侵入混凝土内部的传输途径是通过扩散、渗透或吸收等。CO2和O2等气体介质主要通过扩散向混凝土内部传输, 其驱动力是浓度差而不是压力差。因此, 从上世纪80年代开始, 各国不断地研究各种新方法以评价混凝土抵抗外界有害离子渗入的能力。其中发展最快的一种方法是电测法。根据测试指标不同, 电测法又分为电通量法、电导率法、电迁移法、极限电压法。不同测试方法的特点及适用范围不同。其中, 电通量法适用于配合比筛选、质量波动监控及验收。因此本试验采用电通量法, 比较不同配合比混凝土的抗渗透性, 从而间接评价混凝土耐久性。测试结果见表4。从表4可以看出, 混凝土的电通量随水胶比的降低而减小, 说明密实度越大、渗透性越低、抵抗环境中各种有害离子侵入性能越强。同时, 同一水胶比混凝土的电通量随混凝土含气量的增加而增大。因此, 从抗渗性方面, 含气量不易过大, 过大对渗透性不利。
4 结论
1) 由于掺入高效引气减水剂及优质I级粉煤灰, 普通强度混凝土也可具有高的耐久性。
2) 水胶比应控制在0.39以下, 含气量应控制在3.7%～4.2%, 才能保证混凝土28d时达到该强度的实验室配制强度, 同时满足高耐久性的要求。
3) 水胶比不变的情况下, 含气量增加, 混凝土的强度降低, 抗冻性提高, 而电通量增大。
参考文献
[1]铁建设[2005]157号《铁路混凝土结构耐久性设计暂行规定》.
循环耐久试验 篇7
混凝土具有优良的性能, 且造价相对较低, 因此被广泛的运用于建筑物建造中, 全世界每年砂石用量要在34亿t以上, 混凝土使用量约为20亿m3, 而每年废弃的混凝土总量超过了1亿t以上[1]。开采天然骨料对自然环境造成了严重的破坏, 而拆除的混凝土随意丢弃既污染了环境也造成了浪费[2]。利用废弃混凝土生产再生骨料并用于新混凝土结构的建造, 节省天然砂石也解决了废旧混凝土的处置问题, 且是实现环境、建筑、资源等可持续发展的重要措施, 也是必然趋势。
随着再生骨料的利用, 再生混凝土的碳化和冻融耐久性得到普遍关注[3,4], 但是抗氯离子侵蚀的耐久性研究还较少, 对于普通混凝土的氯离子侵蚀下的服役寿命的研究比较多[5], 但是氯离子侵蚀环境下再生骨料混凝土结构的服役寿命分析还比较少。因此, 开展氯离子侵蚀环境下的再生混凝土的抗氯离子耐久性试验研究及服役寿命分析, 有助于工程人员及科研人员认识再生混凝土的意义及应用于氯离子侵蚀环境下存在的问题。
2 实验过程及结果分析
本试验所用的原材料主要包括:自然砂、碎石、再生粗骨料、普通硅酸盐水泥、自来水。按照JGJ 55—2011混凝土配合比设计规程计算配合比, 分别配制了再生粗骨料取代率为0, 20%, 40%, 60%的混凝土。每组配合比配制直径为100 mm、长为250 mm的圆柱试件1块, 将制备好的试块放入标准养护室养护28 d后取出圆柱试块, 使用混凝土切割机切割成厚度为50 mm的试块并选择合适的3块用于试验, 使用RCM扩散系数测试仪测试得到扩散系数 (3个试块平均值) 和具体配合比如表1所示。
拟合得到扩散系数与骨料取代率之间的关系式为:
其中, D28为再生混凝土龄期为28 d时的扩散系数, 10-12m2/s;α, β均为拟合系数, 拟合系数达到0.985, 表明拟合关系式能很好的反映骨料取代率与扩散系数之间的关系, 该模型可用于分析再生混凝土的耐久性。绘制扩散系数与再生骨料的取代率的关系曲线和拟合如图1所示。
3 服役寿命计算模型
氯离子侵蚀环境中的混凝土结构中氯离子的分布可以用下式表示[6]:
其中, D为扩散系数;C (x, t) 为在t扩散时刻时距混凝土表面的距离为x时的氯离子浓度;Cs为表面氯离子浓度;C0为初始氯离子浓度;erf () 为误差函数。
当保护层厚度d处的氯离子浓度达到钢筋锈蚀的临界浓度Cc时认为混凝土结构已达到耐久性极限, 此时的时间T认为是混凝土耐久性服役寿命, 则有:
联合式 (1) 和式 (3) 得到:
计算模型 (4) 可用于计算处于氯离子侵蚀环境中不同骨料取代率的混凝土的服役寿命, 为结构的设计及再生骨料的使用提供参考依据。
4 结语
本文通过RCM试验测试不同再生骨料取代率混凝土的扩散系数, 研究了再生混凝土的扩散系数与再生骨料的关系, 并拟合得到了扩散系数与骨料取代率之间的关系式, 拟合相关系数达到0.985, 扩散系数与骨料取代率之间存在良好的线性关系。进一步, 根据氯离子在混凝土中的扩散分布函数建立了骨料取代率与混凝土抗氯离子耐久性服役寿命之间的计算模型, 可用于再生混凝土的抗氯离子服役寿命计算中。
摘要：设计制备了不同再生骨料取代率的再生混凝土试块, 通过RCM试验研究了再生混凝土氯离子扩散系数。拟合了扩散系数与再生骨料的取代之间的函数关系式, 并据此建立了氯离子侵蚀环境下再生骨料混凝土的服役寿命与骨料取代率之间的关系模型。
关键词：再生混凝土,耐久性,氯离子扩散系数,服役寿命
参考文献
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[5]徐佳佳, 谢耀峰.钢筋混凝土结构氯离子侵蚀耐久性寿命预测[J].山西建筑, 2009, 35 (32) :166-167.