盐冻环境

盐冻环境（通用7篇）

盐冻环境 篇1

摘要：论述了盐冻对混凝土结构的破坏机理, 通过现场实例和试验室数据分析, 总结出提高结构耐久性的措施。

关键词：盐冻,混凝土,耐久性

1 引言

在各国现行桥梁结构设计和施工规范中, 涉及耐久性的内容和规范很少;在中国的桥梁建设实践中, 桥梁及构件设计使用寿命的制定往往为业主单位的单方面要求, 缺乏相应的设计理论支持[1]。从众多的桥梁破坏的事例来看, 结构的寿命不是取决于承载力, 而是结构的耐久性。因此, 盐冻环境下混凝土耐久性提高的措施, 可以为严寒地区混凝土桥梁的后期运营和维护提供科学的依据。

2 盐冻对混凝土结构破坏的机理

如何能采取更有效的防护措施, 我们首先要了解盐冻对混凝土结构破坏的机理。冻融是一个物理工程, 世界很多科学家提出了很多不同的理论观点, 目前世界上比较公认的几个理论是T.C.Powers的静水压理论、Powers和Helmuth的渗透压理论、Fagerlund的临界饱水程度理论、Duv Hudec的吸附水理论等。每个人都可以解释一部分, 但又不能完全解释冻融破坏的机理。而在中国北方地区, 不仅仅存在冻融, 由于冬季除雪防滑, 需要撒布除冰盐, 混凝土结构要受到冻融和盐腐蚀双重打击破坏。对辽宁省桥梁的初步调研发现, 许多桥梁的使用时间不足10年, 混凝土即产生了非常严重的剥蚀, 钢筋锈蚀也较严重, 路桥的使用寿命远未达到其设计使用年限。其主要原因:

(1) 冻融对混凝土腐蚀问题比较突出。冻融次数、最低气温、温差是造成水泥混凝土破坏的主要因素, 在反复冻融作用下不仅混凝土产生冻害, 加剧钢筋锈蚀。

(2) 冬天采用含盐除雪剂, 个别采用卤水除冰雪解决桥面结冰, 致使桥梁混凝土与钢筋腐蚀, 造成极大损害。“盐与冻”破坏在一座桥上可能同时存在。

(3) 桥梁防排水构造和混凝土材质缺陷, 水不能迅速排出, 使混凝土处在长期水或盐溶液浸泡下, 促使混凝土加速破坏。

2.1 氯离子在混凝土中的传输机理[5]

2.1.1 扩散过程

(1) 毛细管吸收:基于水泥石毛细孔隙的毛细管作用;

(2) 渗透:基于压力梯度作用;

(3) 扩散:基于浓度梯度迁移;

(4) 电位梯度;

(5) 湿度梯度;

(6) 抽吸作用。

但是目前普遍认为氯离子主要是通过扩散作用。扩散是离子通过离子运动从高浓度区到低浓度区迁移, 扩散动力是浓度梯度。氯离子在混凝土内部传输过程, 部份氯离子被混凝土胶凝材料水化产物吸收, 而当混凝土被碳化或温度升高, 有些被吸收氯离子又有可能释放成自由氯离子。因此氯离子侵入混凝土内部不仅是单纯扩散过程而且还有吸收、结合过程。

2.1.2 氯离子在海水中环境

(1) 海水中或潮差饱和区, 其入侵方式主要是饱和水里外氯离子浓度差引起氯离子扩散。入侵程度取决混凝土孔隙水含量及含盐量。

(2) 浪溅区。干饱和或风干时间比润湿时间长的构件, 干透了的混凝土靠毛细管吸收海水, 风干时水向外迁移, 盐分向内迁移, 同时氯离子距表面一定深度处氯离子浓度可以有一个峰值。因此浪溅区是最严重的。

(3) 撒除冰盐环境:除冰盐通过蒸发、浓缩、结晶、雨水溶解成盐溶液。其入侵以浓度差扩散。

氯盐环境下, 混凝土抗氯离子侵入性一般用氯离子扩散系数D表示, D越大氯离子入侵混凝土越容易。

2.2 氯离子对钢筋混凝土侵蚀机理

朱蓓蓉等人[6]通过测定混凝土强度、膨胀和剥落量, 应用XRD、DTA分析, 研究了除冰盐 (Na Cl或Ca Cl2) 对混凝土化学侵蚀的机理, 研究表明氯化钠溶液对混凝土的化学腐蚀较小。因此, 氯盐对钢筋混凝土结构破坏主要是引起钢筋锈蚀。

氯离子引起的混凝土中的钢筋锈蚀一般是电化学锈蚀。氯离子促进钢筋锈蚀方面的机理如下[7]:

氯离子Cl-和氢氧根离子OH-争夺腐蚀产生的Fe2+, 形成Fe Cl2·4H2O (绿锈) 。绿锈从钢筋阳极向含氧量较高的混凝土空隙迁移, 分解为Fe (OH) 2 (褐锈) 。褐锈沉积于阳极周围, 同时释放出H+和Cl-, 它们又回到阳极区, 使阳极区附近的孔隙液局部酸化, Cl-再带出更多的Fe2+。这样, 氯离子虽然不构成腐蚀产物, 在腐蚀中也不消耗, 但是作为腐蚀的中间产物给腐蚀起了催化作用。反应式为:

如果在大面积的钢筋表面有高浓度的氯离子, 则氯离子引起的腐蚀是均匀腐蚀, 但是在钢筋混凝土结构中常见的是局部腐蚀。首先在很小的钢筋表面上形成局部破坏, 成为小阳极, 此时钢筋表面的大部分仍有钝化膜, 成为大阴极。这种特定的由大阴极和小阳极组成的腐蚀电偶, 由于大阴极供氧充足使小阳极上铁迅速溶解产生深坑蚀, 小阳极局部酸化;同时, 由于大阴极区的阴极反应, 生成OH-使p H值增高;氯离子提高混凝土吸湿性, 使阴极和阳极之间的混凝土孔隙液欧姆电阻值降低。这三方面的自发性变化, 使得上述局部腐蚀电偶以局部深入的形式持续进行, 这种局部腐蚀又被称为点蚀和坑蚀, 如图1所示。

由于氯离子可以在任何p H水平, 通过保护层到达钢筋, 侵蚀保护膜, 从而溶解或穿透钝化膜。因此氯离子是破坏钝化膜最强的侵蚀性离子, 也是当今造成混凝土结构破坏的主要因素[8]。钢筋锈蚀产物体积增加约为原钢筋体积的3~6倍, 从而挤压周围混凝土, 产生拉应力。拉应力超过混凝土的抗拉强度引起混凝土保护层的开裂。裂缝出现后, 氯离子的侵蚀速度及外部的水、氧气的侵入速度都将得到极大加速。如果不加维修, 任其发展, 将使得混凝土保护层剥落, 钢筋外露, 细直径的钢筋甚至可被锈断。这将对工程结构的耐久性极限状态及正常使用极限状态造成极大影响。

2.3 盐冻对混凝土结构的破坏机理

冻融循环使混凝土内部产生细小微裂缝, 氯离子通过这些细小裂缝慢慢侵蚀到混凝土内部, 循环次数越多, 氯离子侵蚀越严重。冻融对混凝土的强度影响很大, 尤其冻融引起混凝土表层脱落露骨料时, 强度会大大降低, 而且由于冻融循环作用, 表层混凝土结构比较松散, 氯离子会更加畅通地进入混凝土内部, 其化学反应式如下:

Ca (OH) 2参与了化学反应, 增大了混凝土的孔隙率, 氯离子会更加容易地通过。另外Na OH与混凝土中的活性集料, 在盐的协同作用下发生碱集料反应, 生成了强度较低, 与粗细集料固结较弱的膨胀性盐, 因而会加剧混凝土表面剥蚀, 降低混凝土的物理力学性能[9]。

3 混凝土提高耐久性的措施

3.1 引气剂

因为引气后混凝土抵抗冻胀压力的能力提高, 且极限饱水程度降低, 达到相同破坏程度所需要的破坏力就大, 即抵抗冻融循环破坏的能力增加。但是一味的引气不但增大成本, 而且会得不偿失。

3.2 粉煤灰

粉煤灰存在的三种效应, 即微集料反应、形态效应、活性效应。其中活性效应指粉煤灰与水泥的水化物反应, 生成水化铝酸钙, 缩小了混凝土的孔隙率, 改变了孔径, 增大了抗渗性, 抵抗了氯离子的侵蚀。

3.3 混凝土强度

相同的自然条件下, 强度越高的混凝土受到盐冻破坏的程度越小, 究其原因其实就是孔隙率的问题。强度高的混凝土, 尤其预应力混凝土, 由于提前施加了力, 使混凝土处于受压状态, 大大减小了混凝土之间的孔隙率, 氯离子不易侵入, 因此受到的盐冻破坏就小;反之, 由于低强度的混凝土之间的孔隙率大, 氯离子容易侵入, 在氧气、水分联合作用下, 会使混凝土中的钢筋锈蚀, 降低结构的耐久性。

3.4 保护层

钢筋锈蚀的原因是钢筋表面的氯离子浓度大于使钢筋锈蚀的氯离子临界浓度。笔者对辽宁地区20余座桥梁进行过现场试验, 试验表明, 无论混凝土结构表层氯离子浓度有多高, 只要钢筋表面的氯离子浓度未达到临界浓度, 钢筋的钝化膜就不会破坏, 钢筋就不会锈蚀。那么增大混凝土结构的保护层可以有效地减缓氯离子运输的时间, 提高结构的耐久性, 增大使用寿命。

3.5 防水处理

混凝土盐冻破坏的充分必要条件是氯离子、氧气和水。氧气我们无法改变, 那我们只能从氯离子和水中寻求突破口。氯离子从混凝土的表层运输到钢筋表层, 水就是作为氯离子运输的介子。我们可以通过在混凝土表面涂刷防水材料或憎水材料, 使水分不易进去, 那么氯离子也就无法运输。笔者对一座服役将近二十年的桥梁的墩柱进行氯离子测试, 刷有防水漆的墩柱钢筋表层氯离子浓度仅仅是未刷防水漆墩柱的十分之一。由此可见, 对结构表层进行防水处理, 可以大大降低氯离子侵蚀, 增强结构的耐久性。

4 结论

(1) 混凝土桥梁寿命标准, 即以氯离子侵入混凝土内部并在钢筋表面累计的浓度达到临界浓度为混凝土桥梁耐久性设计指标。

(2) 通过适当引气、适当掺入粉煤灰、增大混凝土结构强度、增大混凝土结构保护层以及对混凝土结构表层进行防水处理均可以大大降低氯离子对混凝土结构的破坏, 提高结构的耐久性。

参考文献

[1]Rostam S.Service life design-the European approach[J].Concrete International, 1993, July:24-32.

[2]Geiker M R, Henriksen C, Thaulow N.Design for durability:a case story[A].Dhir R K, Jones M R.Concrete 2000[C].London:E&FN Spon, 1993:63-70.

[3]Maage M, Helland S.Service life prediction of existing concrete structures exposed to marine environment[J].ACI Materials Journal, 1996, 93 (6) :602-608.

[4]郝晓丽.氯腐蚀环境混凝土耐久性与寿命预测[D].西安:西安建筑科技大学硕士学位论文, 2004.

[5]金伟良, 赵羽习.混凝土结构耐久性[M].科学出版社.2002.09.

[6]朱蓓蓉, 杨全兵, 黄士元.除冰盐对混凝土化学侵蚀机理研究[J].低温建筑技术, 2000 (1) :3-6.

[7]洪定海.混凝土中钢筋的腐蚀与保护[M].北京:中国铁道出版社, 1998.

[8]刘秉京.混凝土结构耐久性设计[M].人民交通出版社, 北京, 2007.

[9]慕晓方, 许仲梓, 唐明连.混凝土中碱骨料反应与冻融破坏的特征判据[J].低温建筑技术, 1995 (3) .

盐冻环境 篇2

关键词：混凝土结构,盐冻环境,耐久性,寒冷地区

0 引言

日前,混凝土结构的耐久性已经成为影响结构使用年限的主要因素之一,由于结构耐久性问题引起结构破坏的例子比比皆是,构件未达到使用年限而破坏,将会给企业和社会带来巨大的经济损失。结构全寿命周期内的各个环节都存在混凝土的劣化问题,引起混凝土劣化的主要因素有:冻融作用,水渗透,氯离子侵入,钢筋锈蚀,碳化作用,硫酸盐侵入,碱—骨料反应等[1]。

混凝土的盐冻破坏主要发生在寒冷地区含盐环境,在这些地区中,由于混凝土受冻融破坏和盐类侵蚀的双重作用,使得结构破坏更加迅速,造成的损失更加严重。本文针对盐冻环境对影响混凝土结构耐久性的因素进行研究,进而提出提高结构耐盐冻环境的措施,可以为寒冷地区含盐环境下混凝土结构的施工、使用、维护等环节提供科学依据。

1 盐冻环境下的混凝土结构破坏机理

1.1 冻融破坏机理

有关混凝土结构的冻融破坏机理目前还没有一个统一定论,但是比较公认的有静水压理论、渗透理论、临界饱水程度理论和吸附水理论这四个理论观点。其中,静水压理论和渗透理论占主导地位。

静水压理论认为,低温环境下混凝土结构冻结按照以下过程进行:1)冻结初期,混凝土结构四周表面上的表层水先行冻结,将结构包围起来;2)冻结继续,冻结的表层水体积膨胀,将未结冰的水分压入结构内部;3)温度不断降低,未结冰水被结冰水挤压得越来越厉害,毛细孔内产生的压力越来越大,结构产生的拉应力也越来越大;4)毛细孔内的水压达到一定程度,结构内部产生的拉应力超过结构的抗拉强度极限,毛细孔破裂,结构受到破坏[2]。

渗透压理论认为:低温条件下,混凝土结构中的大孔及毛细孔中的溶液首先有部分冻结成冰,导致溶液的浓度变大,使得毛细孔和凝胶孔内的溶液之间存在浓度差,这种浓度差会造成由凝胶孔向毛细孔的扩散作用,形成渗透压,对混凝土结构造成破坏[2]。

1.2 盐类对钢筋侵蚀的机理

1)盐类在混凝土结构中的扩散过程。盐类一般是通过混凝土内部的孔隙和微裂缝体系从周围环境向混凝土内部传递的,盐类的传输过程是一个复杂的过程,涉及到许多机理,目前已经了解的盐类侵入混凝土的方式主要有[3]:a.毛细管吸收;b.渗透;c.扩散;d.电位化学迁移;e.湿度梯度;f.抽吸作用。

通常盐类的侵蚀是几种侵入方式的组合,而对应特定的条件,其中的一种侵入方式是主要的。

2)盐类对钢筋混凝土结构的侵蚀机理。由于氯离子的半径相对较小,电负性强,因而其吸附性和扩散穿透力强。目前,国内外学术界对氯离子引起钢筋锈蚀的机理仍有争议,主要的理论有以下三种:a.氧化膜理论:该理论认为金属表面的氧化膜起着钝化的作用,进而提供锈蚀保护。氯离子比其他离子更容易通过膜上的孔隙或缺陷穿过氧化膜,或者是氯离子使得膜胶体状分散,因而更容易产生侵蚀。b.吸附理论:该理论认为氯离子与溶解的氧气或氢氧根离子竞争,并被吸附到金属表面。氯离子的吸附力有助于金属离子的水化而加速金属离子的溶解。c.过度络合理论[4]:该理论认为氯离子对结构侵蚀分为三个过程:

氯离子和氢氧根离子与铁离子反应,生成Fe Cl2·4H2O,其反应式为:Fe2++2Cl-+4H2O→FeCl2·4H2O,FeCl2·4H2O由阳极向阴极迁移的过程中,分解为Fe(OH)2,同时释放出氢离子和氯离子,其反应式为:Fe Cl2·4H2O→Fe(OH)2+2Cl-+2H++2H2O;氢离子和氯离子重新回到阳极区,阳极区附近的孔隙液局部酸化,带出更多的铁离子。由上可知,在氯离子侵蚀反应过程中,氯离子只是中间产物,起到了催化的作用。目前,一般工程上主要使用氧化膜理论来进行解释。

1.3 盐类侵蚀和冻融循环共同作用机理

在含盐的寒冷地区,盐类与冻融循环同时存在,二者共同作用的机理分为两部分:

1)低温冻融会在结构内部形成细小的微裂缝,这些微裂缝构成了氯离子由外界进入结构内部的通道,随着冻融循环次数的增加,微裂缝的数目增多,氯离子进入结构内部更加迅速。当冻融循环造成结构表层脱落时,结构的强度会降低,钢筋暴露在环境中的几率越大,氯离子对钢筋的侵蚀越严重,这个破坏过程的化学反应式如下:

其中,Ca(OH)2参与的化学反应,会使得混凝土的孔隙率加大,氯离子更加容易地通过混凝土表面进入内部结构。

2)碱—骨料反应:与此同时,冻融反应产生的Na OH还会与混凝土中的活性集料在盐的协同作用下发生碱—骨料反应。碱—骨料反应产生的膨胀性盐强度较低,与粗细集料固结较弱。这种反应会加剧混凝土表面剥蚀,降低结构的耐久性。

2 盐冻环境下提高混凝土结构耐久性的措施

由以上论点可以看出,盐冻环境下混凝土结构耐久性的提高可以同时从冻融和盐类侵蚀两个方面来考虑,主要是增大混凝土强度,增大结构的钢筋保护层厚度,做好防水处理,加入引气剂等。

2.1 增大混凝土强度

研究表明,相较于低强度混凝土,在盐冻环境下,高强度混凝土的受害程度将大大降低。主要是因为低强度混凝土之间的孔隙率大,氯离子容易侵入,而高强度混凝土之间的孔隙率较低,氯离子不易侵入,受到的盐冻破坏就小。因此使用高强度的混凝土,结构在盐冻环境下的钢筋锈蚀率将会减少,结构的耐久性会增加。

2.2 增加结构的保护层厚度

由氧化膜理论可知,钢筋锈蚀的条件是钢筋表面的氯离子浓度达到一定的条件,即大于使钢筋锈蚀的临界浓度。因此,在工程施工及使用过程中,只要结构内钢筋表面的氯离子浓度未达到钢筋锈蚀的临界浓度,则无论混凝土结构表面的氯离子浓度有多高,氯离子都不会破坏钢筋表面的钝化膜,从而进入内部侵蚀钢筋。因此增大混凝土结构的保护层厚度可以使氯离子更缓慢地到达钢筋表面,从而保持氯离子浓度在临界浓度以下,不能形成对钢筋的侵蚀,以此提高混凝土结构的耐久性。

2.3 做好防水处理

氯离子从混凝土的表层进入到钢筋表层,需要有水作为运输介质,而低温下的冻融破坏也跟结构的含水率有密切的联系。由此可知,在混凝土表面涂刷防水材料或憎水材料,会降低低温冻融的几率以及降低氯离子的侵蚀能力,从而增强结构的耐久性。

2.4 加入引气剂

由于引气剂是可以明显降低混凝土拌合水表面张力和表面能的憎水表面活性物质,因此,通过使用引气剂可以在结构内部产生气泡,这些气泡的特点是:大量、微小、稳定且封闭。如此,可以切断部分毛细管由表层向结构内部的通路,因而在混凝土表层水结冰膨胀产生压力时,起了一定的缓冲减压作用,防止结构由于过大压力遭到破坏。因此,在混凝土中加入引气剂,使结构内部具有足够的含气量,可以提高混凝土结构的抗冻耐久性,减少盐冻环境下的结构破坏。

参考文献

[1]刘辉.提高高寒盐渍土地区混凝土耐久性的措施及对策研究[J].甘肃科技,2015,31(7):110.

[2]王伟.基于可靠度的盐冻环境下结构混凝土耐久性评估与提升技术分析[D].长沙:东南大学硕士学位论文,2013.

[3]冯良勇.盐冻环境下混凝土提高耐久性的措施[J].北方交通,2014(4):37.

[4]朱蓓蓉,杨全兵,黄士元.除冰盐对混凝土化学侵蚀机理研究[J].低温建筑技术,2000(1):3-6.

耐盐冻混凝土的配合比设计 篇3

一、混凝土配合比设计

耐盐冻混凝土与普通混凝土相似, 由水、水泥、骨料组成。耐盐冻混凝土中添加了一些代替水泥的胶凝材料、纤维和外加剂。把磨细的矿渣粉、硅粉掺入到混凝土当中, 提高混凝土的密实度, 改善内部的孔隙结构, 从而提高混凝土的抗渗透能力及耐盐冻能力。

混凝土主要是以强度为控制指标, 而耐久性设计在《混凝土结构设计规范》中按环境条件将环境类别分为五个等级, 通过控制混凝土的最大水灰比、最小水泥用量、最低混凝土强度等级、最大氯离子含量、最大碱含量等指标作为参考, 作为设计的次要方面来考虑。随着社会、经济的不断发展, 人们对混凝土材料的要求越来越高, 这就要求设计人员根据不同的环境、不同的需求来设计符合要求的高性能混凝土。

混凝土的性能 (强度、耐久性等) 受诸多因素的影响, 如砂率、水灰比 (w/c) 、骨料的级配、外加剂的类型等。本试验要求混凝土强度在C40以上, 混凝土坍落度在120~140之间, 根据施工要求, 得出配合比。

二、混凝土材料的确定

根据耐久性对混凝土材料的要求, 使用良好级配和粒形的砂石骨料, 能够提高混凝土的强度和密实度, 从而提高混凝土的耐久性能, 本文选择下列几种材料:石子采用碎石, 5 mm~20 mm连续级配;水泥采用P.O42.5R型普通硅酸盐水泥;砂子采用中砂, 级配良好, 表观密度2.678 g/cm3;磨细矿渣粉要求表面积500 m2/kg以上;硅粉采用挪威埃肯 (Elkem) 微硅粉;减水剂采用北京赞凯UEA型减水剂;纤维采用美国生产的杜拉纤维 (Dura fiber) ;引气剂能提高混凝土抗冰融、盐冻融能力和耐久性, 在混凝土中的掺量为胶凝材料重量的0.025%~0.05%。

三、确定耐盐冻混凝土试验配合比

根据耐久性的要求, 胶凝材料用量要适中, 用量过大就会引起混凝土的收缩, 使得混凝土容易开裂。胶凝材料的用量主要由混凝土的水胶比、胶凝材料的最小和最大用量来控制。根据规范规定, 配置C40混凝土, 最大水胶比应控制在0.45以下, 胶凝材料最小用量为320 kg/m3, 最大用量为450kg/m3。

混凝土的耐久性设计应该考虑多因素的影响, 把混凝土抗渗性等级、混凝土冻融循环的指标等耐久性参数作为考虑的标准。配制出试验配合比如表1所示。

四、试验结果结论

通过抗压强度试验、抗折试验、抗渗试验、冻融试验等一系列试验得到以下结论:

1. 掺加了纤维、硅粉、磨细矿渣粉的混凝土PPEK, 其抗压强度、抗折强度都较高。

2. 掺有杜拉纤维的混凝土无论是抗压还是抗折破坏, 其试件都很完整, 提高了试件的延性。

3. 混凝土的抗折强度与掺入的纤维、硅粉和磨细矿渣粉关系不大。

盐冻环境 篇4

我国沿海地区存在大量的钢筋混凝土结构, 面临着海水环境及空气中氯盐的侵蚀作用, 每年都因为钢筋锈蚀而造成了巨大的经济损失。同时在北方地区需要考虑冻融的不利影响, 盐冻的复合作用会加快各种腐蚀介质向混凝土的渗透与扩散, 进而加速钢筋锈蚀, 引起混凝土保护层胀裂, 导致混凝土结构提前丧失功能。以青岛地区为例, 海港及海边混凝土结构、受除冰盐影响的市区路面都会发生典型的盐冻破坏。因此, 沿海地区混凝土的盐冻问题需要引起特别重视。

目前的相关研究可主要分为以下四个方面。

1 有关盐冻环境下影响混凝土耐久性的主要因素

不少学者在这方面做了大量研究, 关注的主要影响因素如下。

1. 1 钢筋的影响

屈锋[1]针对粉煤灰混凝土, 研究了盐冻循环 ( 3. 5% Na Cl溶液) 作用对混凝土损伤的影响规律, 分析了钢筋对混凝土盐冻损伤变化的影响。同时研究了受盐冻混凝土的静弹性模量变化规律, 建立了混凝土静弹性模量与盐冻损伤度之间的关系模型。

1. 2 水胶比的影响

水胶比是设计混凝土配合比、控制其性能的重要参数之一。它直接影响到混凝土的强度和密实度, 进而也会影响到抗盐冻的能力。这方面的具体研究例如: 熊剑平等[2]研究发现采用不同的降低水灰比方式都对混凝土的抗盐冻性有改善; 杨全兵等[3]建议北方地区道桥结构用混凝土的水灰比不应大于0. 45; 陈迅捷等[4]提出对于海洋环境中的混凝土, 混凝土水胶比不宜大于0. 40。

1. 3 矿物掺合料 ( 粉煤灰、磨细矿渣、硅灰等) 的影响

1) 粉煤灰。早在1986 年, Gebler等人[5]的研究就发现: 粉煤灰掺入将会降低混凝土的抗盐冻性能; 随后Whiting[6]的研究给出粉煤灰的合理掺量在20% 左右; 周茗如等[7]的研究发现: 随粉煤灰掺量的增大, 混凝土的抗盐冻性能有上升趋势。最佳掺量在25% 左右; Pigeon等人[8]的微观层次机理 ( SEM分析) 研究揭示了粉煤灰存在临界掺量的原因: 粉煤灰的掺入虽然会产生二次水化反应, 但也会增加混凝土表面薄弱层的厚度和孔隙率, 使得表层结构没有得到很好的改善。

2) 复掺粉煤灰与矿渣粉。吴泽媚[9]的研究表明: 当粉煤灰掺量为15% 、矿渣粉掺量为20% 时, 将显著改善混凝土的微观结构体系。占宝剑[10]也证明了复掺矿物掺合料的低水胶比混凝土抗海水冻融性能最佳。

3) 复掺粉煤灰、硅灰。李文利[11]与马昆林[12]的研究表明, 在复掺粉煤灰、硅灰时, 如果配以引气剂, 会达到比其他配合比混凝土更好的抗盐冻剥蚀性能。

1. 4 混凝土含气量与气泡间距的影响

从机理上来说, 混凝土的抗盐冻性能与内部孔隙特征有关。如果能减小内部连通的孔隙, 保证适度的含气量和气泡间距能增强抗盐冻性。

1) 含气量: 对抗盐冻性的影响也存在一个临界范围, 张云清等[13]的研究发现盐冻环境下混凝土的临界含气量应在4. 5% ~5. 0% 范围内; 杨全兵等[3]建议我国北方道桥混凝土的含气量不低于4% 。

2) 对于气泡间距: Sommer等[14]发现: 当气泡间距为250 μm ~300 μm时, 混凝土的抗盐冻性良好; 随后John J. Valenza[15]的研究也得出: 当气泡间距为250 μm ~ 300 μm时, 混凝土 ( 包括各种类型) 都会达到良好的抗盐冻性能; 当气泡间距超过临界值时, 冻融损伤的程度将与气泡的间距成正比。

2 破坏机理与特征方面

2. 1 破坏机理方面

在这种冻融循环与盐腐蚀的双重作用下, 研究发现: 盐的存在, 将加快混凝土的冻融破坏[16]。具体机理包括以下四个方面:

1) 混凝土内部的盐浓度显然存在一定的差异, 将导致不同位置的结冰程度不同, 进而会在混凝土内部出现应力差, 导致孔隙中出现较大的渗透压力, 使得内部有应力出现。

2) 除冰盐的吸湿、保水作用能够显著增加混凝土的饱水度和饱水时间, 进而使混凝土长期处于饱水状态而增大冻融破坏的程度。

3) 水分蒸发会导致含盐的混凝土出现“失水干燥”的现象, 带来孔隙中盐溶液的“过饱和”现象, 进而出现结晶, 产生结晶膨胀压力。在交替的干湿循环作用下, 这种结晶压力会使混凝土产生膨胀破坏[17]。

4) 除冰盐融化混凝土上部的冰雪时会吸收很多的热量, 使得混凝土表层的温度大幅下降, 带来相应的冻害。

2. 2 破坏特征方面

黄士元等[18]通过实验室观察和现场调查, 得出盐冻破坏的主要特征如下: 1) 盐冻引起的破坏发展迅速, 在1 个~ 2 个冬季后常出现严重的剥蚀破坏; 2) 破坏截面常呈现分层剥蚀的痕迹; 3) 在剥蚀表面上常能看到白色的氯化钠结晶体; 4) 表面的砂浆出现剥落、有骨料外露出来, 混凝土表面呈现凹凸不平的形态。同时, 内部的混凝土基层保持坚硬, 基本完好。

3 有关受盐冻混凝土的氯离子扩散性能

盐冻条件下, 混凝土中氯离子的扩散具有两大特征: 1) 混凝土在冻融作用下产生的表面剥蚀、内部损伤, 会显著加速氯离子的扩散; 2) 冻融破坏还会引起混凝土表面剥蚀, 减小了保护层厚度, 进而缩小了氯离子的扩散距离。

为了得到定量规律, 余红发[19]以Fick第二定律为基础, 给出了同时考虑氯离子扩散系数的时间依赖性、混凝土结构微缺陷、混凝土的氯离子结合能力等的氯离子扩散理论基准模型; 陈妤[20]对于预应力混凝土建立了一个新的氯离子扩散模型, 考虑的主要因素包括环境温湿度、冻融损伤、氯离子扩散系数的时间依赖性等; 孙丛涛[21]也考虑冻融损伤、龄期、温湿度、氯离子结合作用等因素的影响, 建立了多因素作用下氯离子的扩散模型; 屈锋[1]分析了盐冻损伤对混凝土中氯离子扩散及钢筋锈蚀的影响, 进而建立了盐冻环境下混凝土保护层锈胀开裂前, 钢筋锈蚀速率的预测模型。

4 受盐冻混凝土的耐久性评价

一般采用质量损失率与相对动弹性模量来进行耐久性评价[22]。这方面的研究例如, 孙丛涛[21]研究了粉煤灰混凝土在3. 5% Na Cl溶液中的抗盐冻性能, 发现可用一个三次多项式来表示粉煤灰混凝土质量损失率、相对动弹性模量随盐冻循环次数的变化规律, 进而建立了动弹性模量与超声波波速、抗压强度之间的定量关系; 张云清等[23]针对受除冰盐作用的混凝土, 用超声平测方法获得了混凝土结构的表面损伤层厚度, 并提出了盐冻损伤度这一新的评价指标等。

5 结语

耐久性与安全性、适用性并称为结构设计的三大要素。目前对耐久性的认识还很不完善, 尤其是在沿海地区盐冻环境下的情况。本文对国内外的相关研究现状做了综述, 对今后的研究有一定的启示作用, 有助于提升盐冻环境下混凝土结构的耐久性, 避免财产损失, 节约工程维护费用。

摘要：介绍了沿海地区盐冻环境下影响混凝土耐久性的主要因素, 分析了混凝土的盐冻破坏机理与特征, 探讨了受盐冻混凝土的氯离子扩散性能以及耐久性评价指标, 为相关问题的研究提供了参考。

盐冻环境 篇5

关键词：道面混凝土,抗盐冻,试验方法

0前言

目前, 为了评价混凝土在冻融循环破坏过程中的盐冻耐久性, 指导混凝土的工程实践应用, 许多国家、地区及组织评价混凝土盐冻耐久性的试验方法有很多, 每种方法都有其各自的合理性和实用性。但由于评价方法多又杂且不统一, 各评价方法之间互通性较差, 对于不同地区所受的冻融条件也有区别, 因此不同地区使用不同方法所测试出来的数据缺少通用性, 参考意义较小。因此, 对各种不同的评价方法进行正确的比较, 选择适合的试验方法来评价我国北方地区机场道面水泥混凝土抗盐冻性能具有重要意义。这样不仅有利于提高道面混凝土抗盐冻耐久性的评估预测, 还可以为以后工程中的道面混凝土设计提供可靠的理论依据。

1 美国混凝土抗盐冻试验方法

根据评价混凝土受冻时所处的实际情况不同, 美国有其评价标准《混凝土抗冻快速冻融试验标准》 (ASTM C666) [1], 分为A方法和B方法, A方法要求混凝土试件冻结和融化都在水中进行, 与我国GB/T50082-2009规范[2]中的快冻法类似, B方法要求在空气中冻结, 在水中融化, 两种方法分别模拟了实际工程中混凝土的两种不同受冻情况。ASTM C666的主要缺点是不切实际的高速冻融循环, 因为超过10℃/h的降温速度在实际工程所处环境中是几乎不会出现的。于此, 产生了ASTM C672标准。

ASTM C672-2003标准[3]中规定, 试验时将混凝土试块浸泡在单面盐溶液池中进行冻融循环。满50次冻融循环后应停止试验, 按表1中所示, 以50次盐冻循环后所观测到的试件表面剥蚀情况进行分级, 以此评价混凝土抗盐冻破坏能力。

ASTM C672主要通过观察表面剥蚀状况来分级评价混凝土盐冻破坏情况, 存在主观上的观察误差。从实验室预测结果和现场工程实际情况来看, 相比较ASTM C666试验方法, ASTM C672可以较好地表征混凝土在盐类侵蚀情况下的受冻情况, 作为评估盐冻耐久性的方法更为准确。

2 欧洲混凝土抗盐冻试验方法

关于评价混凝土的盐冻耐久性, 目前欧洲最常用的是CDF混凝土抗冻性能试验方法[4]。

CDF方法在有关盐冻试件制备方法上的描述得较为详尽, 但有些学者发现, 使用环氧树脂对混凝土的侧面进行封装, 此材料的防渗性较差, 在进行试验时很容易造成盐溶液渗漏而影响试验结果;另外, 相比较其他几种盐冻试验方法, CDF法要求试件在盐冻前必须预吸水饱和, 试验时的降温速率也比较大, 这样势必会造成混凝土加速破坏, 尤其是前几个冻融循环的破坏程度要比其它几种试验方法更为严重。综合来看, 由于CDF法模拟的试验条件比较苛刻, 用它来评价混凝土的现场抗盐冻性能更为合适。

3 我国混凝土抗盐冻试验方法

我国混凝土抗冻耐久性主要依据2009年最新修改的《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》 (GB/T50082) 中所规定的试验方法进行评价[2]。规范中沿用了常年来国内一直在使用的GBJ82-85中慢冻法和快冻法, 并新颁布了一种新的评价方法——单面冻融法。

在快冻法中, 规定采用100mm×100mm×400mm的棱柱型试件放入水中进行快速冻融, 先饱水冻结至-15℃~-20℃, 随后升温至15℃~20℃融化, 此为一个循环, 单个循环周期为2~4h, 每25个循环后当取出试件并测量质量损失和相对动弹性模量, 当质量损失率超过5%, 相对动弹模量下降到原来的60%以下即停止试验, 并以混凝土已承受的冻融循环次数作为混凝土的抗冻等级。

我国规定的慢冻法采用100mm×100mm×100mm的立方体混凝土试件进行气冻水融, 慢冻冻融循环周期相对较长, 气冻和水融时间均不少于4h, 即每次冻融循环不少于8h。评定标准与快冻法稍有差别, 慢冻法当立方体试件的抗压强度损失率超过25%时或质量损失率超过5%时即停止试验, 并以混凝土已承受的冻融循环次数作为混凝土的抗冻等级。

对于我国北方地区, 由于冬季大量使用除冰盐对道面进行除冰, 此时混凝土道面及建筑结构的冻融不是饱和状态下水的冻融循环, 而是盐溶液存在下的干湿交替冻融循环。鉴于盐冻破坏的特殊性, 在我国最新修改的《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中收录了一种最新的评价混凝土盐冻破坏的方法——单面冻融法, 该试验方法主要是为了评价我国北方地区的这种特殊受冻环境下的冻融破坏。我国单面冻融法试验标准源于欧洲和国际材料与结构研究实验联合会 (RILEM) 提出的CDF (Capillary Suction of Deicing Chemicals and Freeze-thaw Test) 法, 其试验原理和评价实施方法皆引用CDF法, 通过动弹性模量的相对变化和试件单位面积的质量损失率来评价混凝土的盐冻耐久性。

4 结语

综合以上评价和分析, 不同国家、地区和组织所使用的评价混凝土抗盐冻性能的方法存在着差异, 应正确选择合适评价我国北方道面混凝土抗盐冻性能的试验方法。由于世界上没有公认的试验方法, 因此本文列出的美国的ASTM C672评价方法、欧洲的CDF法和我国2009年最新收录的单面冻融法均较为适用, 考虑到我国近几年才颁布了国家标准, 此前很多学者使用的方法都不是按照标准方法进行的, 有些使用的方法甚至并不合理, 所得结果有待商榷。同时由于此标准使用时间较短, 按此标准所进行的相关试验较少, 所得数据无法指导工程实践。因此, 选择国家标准提出的单面冻融法对目前东北地区常用的各类机场道面的混凝土进行抗盐冻耐久性评价, 不仅符合国家标准要求, 也可为以后的机场道面工程设计和施工提供参考, 进一步完善我国盐冻资料库。

参考文献

[1]ASTM C666-97.Standard Test Method for Resistance of Concrete to Rapid Freezing and Thawing[S].1997.

[2]GB/T50082-2009, 普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准[S].2009.

[3]ASTM C672-2003.Standard Test Method for Scaling Resistance of Concrete Surfaces Exposed to Deicing Chemicals[S].2003.

盐冻环境 篇6

1 水泥混凝土路面受除冰盐侵蚀破坏机理

美国混凝土学会201委员会认为除冰盐对混凝土路面的破坏既有物理原因也有化学原因。

1.1 物理侵蚀作用机理

目前提出的混凝土冻融破坏机理有多种,具有代表性的是渗透压假说。混凝土中的水结冰之后,孔溶液部分的盐浓度增大,与环境形成盐浓度差而产生一个渗透压。渗透压促使水由环境向混凝土内部渗透,混凝土饱水程度提高,结冰压力增加,加剧了混凝土的受冻破坏。同时,因盐的作用而产生的过冷水最终在毛细孔中结冰而产生内应力,以及混凝土表面和内部之间的盐浓度梯度使混凝土受冻时因分层结冰而产生应力差等,都使破坏力增加,导致混凝土层层剥落。

1.2 化学侵蚀作用机理

尽管剥落是混凝土受冻破坏的重要现象,但在非冻的情况下仍能观察到混凝土的破坏,这是破坏过程中化学反应破坏机制的作用,长期暴露于NAACP溶液中的水泥砂浆体,其成分中不溶于水的Ca(OH)2与NAACP反应,生成溶于水的NaOH和CaCl2,被侵蚀。化学反应如下式:

2NaCl+Ca(OH)2→2NaOH+CaCl2

Ca(OH)2被侵蚀后,混凝土空隙变大,使结冰量增加,从而加剧了混凝土剥蚀破坏。另外形成的强碱NaOH与混凝土中的活性集料,在盐的协同作用下发生碱集料反应,生成了强度较低、与粗细集料间粘结较弱的膨胀性盐,因而会加剧混凝土表面剥蚀,形成的复盐集中在表层造成混凝土“外胀内缩”引起表面层剥落。

2 提高水泥混凝土路面抗盐冻性措施的问题分析

现阶段用于提高水泥混凝土路面抗盐冻性的措施较多,最常用的可归纳为两类,一是改善混凝土道路排水性,二是提高混凝土的自防水能力。但都分别存在一些问题。

2.1 改善混凝土道路排水性

改善混凝土路面的排水性,将融化的雪水迅速排除能有利于减少除冰盐的侵蚀。路面排水一般有:路面表面排水和路面结构内部排水。一般表面排水采用路面横坡、边沟、泄水孔、排水管等方式,能将路面水及时排除。路面结构内排水用于排除路面结构内部滞水。

排水技术的提高从宏观上可以排除路面积水,减轻冻害。但对较寒冷地区,温度较低,融化的雪水极易渗入缝隙中再次结冰,继续对路面造成损害,因此,路面排水能力的提高只是路面抗盐冻措施的必备课,对改善路面盐冻破坏效果甚微。

2.2 提高混凝土自防水能力

该途径是通过降低W/B或内掺添加剂改善混凝土内部结构来提高混凝土内部自防水能力,降低水及溶于水中的腐蚀性离子在混凝土中的传输,从而提高混凝土抗盐冻性的措施,主要用于新修混凝土路面。常用方法如降低水灰比,提高混凝土密实度;掺入引气剂,改善混凝土孔隙结构,缓解冰的膨胀压力;掺入矿物掺合料,降低混凝土中Ca(OH)2含量等。

由于混凝土耐盐冻主要受混凝土中的饱水(盐)程度及受冻温度影响,通过提高密实度改善抗盐冻性在工程界并未得到专家们的一致认同;掺入引气剂对改善混凝土的抗盐冻性有一定的作用,若引气剂含量增大混凝土的强度及耐磨性会降低,而强度及耐磨性恰恰是水泥混凝土道路设计的重要指标;矿物掺合料的利用符合节能利废可持续发展的战略方针,一直受到政府和专家的推崇,但掺量过大,影响混凝土早期临界抗冻受拉强度,例如,粉煤灰与矿渣对混凝土的开裂性能作用最佳掺量分别为45%和40%,但当掺量分别超过60%和50%时,其开裂性能又迅速下降[7]。因此,采用降低水灰比、掺入引气剂、掺入矿物掺合料等方法虽然在提高混凝土抗盐冻性方面有所作为,但是存在较多矛盾,容易顾此失彼。

3 有效提高水泥混凝土路面抗盐冻性措施的探讨

介于常用的提高水泥混凝土路面抗盐冻性的措施均存在较多问题,不能有效解决水泥混凝土路面盐冻破坏问题,提高水泥混凝土路面抗盐冻措施应另辟蹊径。

3.1 有机硅防水材料的应用

有机硅防水材料具有优良的耐高低温、耐候、耐水、耐各种气体、耐臭氧和耐紫外线降解等性能,是一种理想的防水材料。

Feifer[8]于1996年就发表了第一篇利用有机硅浸渍剂表层处理混凝土提高混凝土结构桥耐久性的文献,有关利用混凝土表层处理技术提高混凝土耐久性在世界各地展开了大量的科学研究。

李中华等人参照CDF混凝土抗盐冻试验方法,用自行配置的有机硅防水涂料、添加引气剂及矿物掺合料、减小水灰比三种措施对混凝土进行处理,涂刷有机硅防水涂料的混凝土抗除冰盐性能明显优于其他两种措施[10]。

有关表层处理技术提高混凝土抗盐冻性早在20世纪末就有学者进行了针对性的研究。目前在国内外,有机硅涂料主要用于桥梁、隧道、水工、海工等工程的防水、抗渗及钢筋阻锈上,并取得了良好的效果。在我国混凝土耐久性研究应用领域引起很大震动的是2005年12月10日在中国杭州混凝土结构耐久性科技论坛上,德国瓦克公司介绍的硅烷浸渍技术,此后,国内开始了大量的研究,武警交通部队在沿海地区桥梁工程中也进行了试用,取得了较好效果。

有机硅防水材料用于提高混凝土路桥的抗盐冻性主要是将有机硅表层处理剂涂到混凝土表面形成一层持久性拒水薄膜,来降低水及溶于水中的腐蚀性离子在混凝土中的传输,达到提高混凝土的抗盐冻性的目的。但现阶段研究主要都是针对防护高速公路高架桥的桥墩等受海洋氯化物导致的钢筋侵蚀,没有在道路施工中推广。究其原因,一是采用有机硅处理的混凝土短期具有优异的斥水性,但对HPC渗透性差,形成的防水膜过薄,而道路混凝土磨损较多,要求防水材料具有较好的耐磨性;二是现阶段,经有机硅防水剂处理的混凝土防滑性还不能满足路用要求。因此,合成一种渗透性强、耐磨、防滑、经济性较好的道路专用有机硅防水剂在提高道路抗盐冻性上将有较大发展前景。

3.2 能量转换的利用

由于除冰盐的使用始终会涉及化学腐蚀问题,用量越多,造成的危害越大。近年来,美、英、加拿大等发达国家尝试利用导电类的物质,使路面具有电能转换为热能的能力,提高混凝土自身温度,减少除冰盐的使用,从而提高其抗盐冻性。这一技术的应用,不但有助于冬季道路畅通和行车安全,而且还将消除除冰盐的使用及除冰盐给混凝土结构和环境所带来的负面效应,能彻底解决混凝土路面盐冻破坏问题。加拿大的Xie Ping、J.J.Beaudoin等认为导电混凝土材料同时具有高的力学性能和好的导电性[14],并对导电混凝土用于路面融雪化冰的有效性进行了研究。此外,随着太阳能利用技术的不断开发,通过对太阳能的利用提高路面温度的方法也在不断的探索之中,在瑞士、芬兰等国有所开展。但由于通过类似方法提高路面抗盐冻性的方法成本较高,技术要求较为苛刻,现阶段还不能推广使用。

通过类似能量转换提高混凝土温度,促进冰雪融化,能从根源上解决混凝土耐盐冻问题,在今后的研究中如能解决成本和技术问题,将此种方法推广应用,将有重要意义。

4 结论

采取有效的抗盐冻措施,提高混凝土路面的抗盐冻性,已经成为目前工程界的热门课题,本文通过分析现有提高道路混凝土抗盐冻性的措施存在的问题,提出在道路设计、施工中应用有机硅防水材料和能量转换技术有利于提高道路混凝土的抗盐冻性,具有较大发展前景;同时通过对技术研究现状和发展趋势的分析,提出今后研究应当解决的技术关键。

摘要：从物理和化学角度分析了水泥混凝土路面受除冰盐侵蚀破坏的机理,指出目前常用的提高混凝土抗盐冻性的技术措施存在较大的局限性,提出混凝土表层处理技术和能量转换技术在提高混凝土抗盐冻性上有广阔的应用前景。

盐冻环境 篇7

混凝土抗冻耐久性研究受到重视,研究人员对经冻融循环作用后混凝土的力学性能进行试验后发现,混凝土在冻融循环作用后抗拉强度、抗压强度和和抗折强度等力学性能会出现不同程度的下降[1,2]。冻融循环作用加剧混凝土内部初始裂纹扩展并且诱发新裂纹的出现和发展,是混凝土冻融劣化损伤的本质。

在北方寒冷地区,除冰盐和冻融循环共同作用是混凝土路桥结构耐久性失效的主要原因之一,通过研究混凝土抗盐冻性能来表征耐久性要求更为严格。于红发等[3]进行了混凝土构件在氯盐冻融循环作用后的静力弯曲加载试验,结果表明,盐冻后混凝土构件弯曲刚度和极限抗弯承载力下降,且弯曲刚度和极限抗弯承载力的变化与动弹性模量变化是相关联的。为了配制抗盐冻混凝土,巴恒静等[4,5]通过涂刷有机硅涂料和抗盐冻外加剂对混凝土进行盐冻试验,结果发现有机硅涂料和抗盐冻外加剂显著提高了混凝土的抗盐冻性能。但是通过涂刷有机硅涂料和抗盐冻外加剂来改善混凝土抗盐冻性能,只是从表面抑制了冻融循环作用对混凝土的损伤,并没有从实质上提高混凝土基体本身的抗盐冻性能。

试验研究表明,纤维的掺加会提高混凝土的力学性能以及抗冻耐久性能[6,7,8,9]。此外,Lin等[10]研究了纤维类型对纤维增强高粉煤灰掺量水泥基复合材料弯曲性能的影响,结果表明,经特殊处理的钢纤维和PVA纤维增强水泥基复合材料因具有超高应变硬化和多缝开裂特性,其延展性、抗弯强度、残余强度和韧性均优于其他纤维增强复合材料。徐世烺等[11]研究了超高韧性水泥基复合材料的抗冻耐久性,结果表明,其抗冻性得到明显提高。有研究表明,掺加适量粉煤灰和硅灰替代胶凝材料能改善混凝土以及纤维混凝土的力学性能和耐久性能[12,13,14,15]。

本实验通过纤维混凝土试件和素混凝土试件弯曲抗折试验和氯盐冻融循环试验,研究纤维对混凝土盐冻前后抗折强度的影响,并试图通过分别以10% 硅灰和20% 粉煤灰替代等量水泥来提高PVA-FRC试件盐冻前后抗折性能。

1 实验

1.1 试验材料与配合比

采用日本Kuraray公司生产的K-Ⅱ型PVA纤维,纤维表面经过特殊处理,分散性好,纤维特性如表1所示;硅灰选用挪威挨肯硅微粉,具有较大的比表面积,粉煤灰选用电厂生产的Ⅰ级粉煤灰;水泥选用冀东P·O 42.5R型普通硅酸盐水泥,细骨料选用粒径约为150μm的优质石英砂;减水剂为3301E型改性聚羧酸盐混凝土高效减水剂,增稠剂为颗粒状粉末羟丙基甲基纤维素(HPMC),水为普通生活用水。PVA-FRC试件与素混凝土试件配合比如表2 所示。

注:P表示素混凝土试件;F1表示PVA纤维体积掺量为1%的PVA-FRC试件;FS1.5表示在PVA纤维体积掺量为1.5% 的基础上掺入10% 硅灰替代等量水泥的PVA-FRC试件;FA1.5表示在PVA纤维体积掺量为1.5% 的基础上掺入20% 粉煤灰替代等量水泥的PVA-FRC试件;Vf为PVA纤维体积掺量

1.2 试件制作

将水泥、石英砂(和硅灰或粉煤灰)按配合比称量后倒入HJW-60型混凝土搅拌机,干拌120s至均匀分散,加水搅拌120s,而后加入增稠剂,搅拌120s,再加入减水剂,搅拌120s,最后加入PVA纤维,搅拌360s,至各种材料都均匀分散。所有试件浇注成型后在振动台上振捣60s,静置24h后拆模,移入温度为(20±2)℃、相对湿度为95% 的标准养护室内养护28d,试件制作完成。

1.3 试验方法

试验分为弯曲抗折试验和氯盐冻融循环试验两部分,各试验试件分配情况如表3所示,参照《普通混凝土力学性能试验方法》(GB/T50081-2002)进行弯曲抗折强度试验。28d抗折强度试验和盐冻后抗折强度试验共12组,每组3个试件,采用尺寸为100mm×100mm×400mm的无筋小梁试件,试验在MTS试验机上进行,采用四点弯曲加载,加载方式如图1 所示,测试跨度为300mm,加载点在测试跨度三分点位置,按力控制方式加载。

氯盐冻融循环试验按《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》(GB/T50082-2009)中的快冻法在中铁六局集团呼和浩特铁路建设有限公司实验室进行,试验前将试件放入浓度为3.5% 的NaCl盐溶液中浸泡,液面高出试件顶面3cm,浸泡4d后取出,测试各试件初始相对动弹性模量,测定完毕后采用TDR型混凝土快速冻融试验机进行氯盐冻融循环试验。待300次氯盐冻融循环结束后,再次测试各组试件相对动弹性模量,并进行弯曲抗折试验。

抗折强度试验结果按式(1)计算:

式中:ff为试件抗折强度,MPa;P为试件弯曲破坏荷载,N;L为支座间距离,mm;b为试件截面宽度,mm;h为试件截面高度,mm。

2 结果与分析

2.1 纤维对盐冻前后混凝土抗折强度的增强

考虑纤维体积掺量变化的PVA-FRC试件和素混凝土试件28d抗折强度和300次氯盐冻融循环作用后的抗折强度,试验结果如图2 所示,盐冻前,PVA-FRC试件28d抗折强度远高于素混凝土试件28d抗折强度,且纤维体积掺量为1.5% 时,抗折强度是素混凝土抗折强度的3.21倍,达到了10.03MPa。结果表明,混凝土拌合物中纤维的掺加提高了混凝土试件早期的弯曲抗折承载力,纤维体积掺量为1.5%时最佳。

通常认为,混凝土梁试件受拉一侧开裂发展到基体最大拉应力对应的界限裂缝出现时,试件发生弯曲破坏,而界限裂缝的出现主要是由水泥浆和骨料之间的粘结力或拉结应力决定的[16];如图3(a)所示,PVA纤维掺入混凝土拌合物中,在基体三维空间内乱向分布并形成有效网状撑托体系。基于纤维间距理论,当混凝土基体内有任何一条微裂缝发生并且可能向任意方向发展时,该裂缝将遇到横亘在它前方的一根或多根纤维,纤维混凝土SEM照片如图3(b)所示,跨过裂缝的纤维将应力传递给裂缝处基体面,仍能继续承担应力,使混凝土内部的应力集中得到缓和,阻止裂缝扩展,提高了混凝土的变形能力和弯曲抗折能力[8]。

对比图2 中两条曲线可知,氯盐冻融循环作用降低了PVA-FRC试件和素混凝土试件的抗折强度,且素混凝土试件受氯盐冻融损伤过于严重失去了承载能力。PVA-FRC试件经过300次氯盐冻融循环作用后抗折强度和素混凝土试件28d抗折强度试验值如表4所示。根据图2和表4可知,氯盐冻融作用虽然大幅降低了PVA-FRC试件盐冻后抗折强度,但是依然比素混凝土试件28d抗折强度高。

由于氯盐冻融交替的反复作用,混凝土基体内部产生的复杂加载-卸载应力犹如疲劳荷载,对混凝土损伤存在超叠效应;当损伤负效应累积到大于混凝土基体本身正效应时,引起混凝土内部微元解体,逐渐扩展成微裂纹,导致混凝土的强度不断降低[16]。试件抗折强度的降低主要是由于氯盐冻融循环作用产生的微裂缝导致,氯盐冻融循环作用能够损伤界于水泥浆和骨料之间的内部微结构,使水泥浆和骨料之间的粘结拉应力降低。但是,PVA纤维掺入混凝土拌合物中能够抑制氯盐冻融循环作用产生的不可逆拉应变的发生,使弯曲破坏得到缓和。

Karahan等[17]研究认为,混凝土中纤维的掺入削弱了孔隙水冻结产生的膨胀压应力,使混凝土冻融损伤得到缓和;纤维增强混凝土抵抗冻融循环作用,被认为是随着温度变化纤维体积收缩引起的,研究表明,高分子材料(这里指纤维)的热膨胀系数远大于混凝土的热膨胀系数[18,19]。因此,当温度降低时,混凝土中纤维的体积收缩率大于混凝土基体的收缩率,导致纤维与基体界面可能产生微裂缝;这些微裂缝可以充当加气混凝土中的孔隙网络,消除由于孔隙水冻结产生的应力集中,阻止混凝土开裂和裂缝扩展。

另一方面,冻融循环作用会使混凝土产生弥散裂缝,由氯盐冻融循环作用产生的随机分布裂缝可能会减小混凝土梁抵抗拉应力和弯曲应力的有效横截面积[14]。由于纤维的掺入能够减少和抑制随机裂缝的产生和发展,因此,纤维的掺入使混凝土受弯试件具有较大的有效横截面积,从而使PVA-FRC试件比素混凝土试件表现出更好的抵抗弯曲破坏的能力。

综合以上分析,PVA纤维对经受氯盐冻融循环作用的混凝土试件抗折强度有积极作用,主要是由于PVA纤维增强了混凝土试件对冻融循环作用和弯曲破坏的抵抗能力。

2.2 掺合料对PVA-FRC盐冻前后抗折强度的影响

矿物掺合料组试件盐冻前后抗折强度如图4 所示。盐冻前,对比素混凝土试件28d抗折强度,以10% 硅灰替代水泥的FS1.5试件和以20% 粉煤灰替代水泥的FA1.5试件28d抗折强度分别提高了61.41% 和58.85%;对比F1.5试件28d抗折强度,FS1.5试件和FA1.5试件28d抗折强度不仅没有提高,反而分别降低了21.44% 和25.12%;另外,FS1.5试件和FA1.5试件28d抗折强度差别不大。虽然掺加矿物掺合料的PVA-FRC试件28d抗折强度依然高于素混凝土试件,但是并没有提高。

从表4 中可以看出FS1.5试件和FA1.5试件经300次氯盐冻融循环后抗折强度均比未经氯盐冻融循环的素混凝土试件高,但低于盐冻后纤维掺量为1.5% 的PVA-FRC试件。根据以上结果可知,纤维的增强作用依然是决定性因素,矿物掺合料的掺加没能提高PVA-FRC试件盐冻前后的抗折强度。

2.3 PVA-FRC盐冻抗折强度损伤与增益

为了考察氯盐冻融循环作用对混凝土抗折强度的损伤程度,定义抗折强度损伤量为:

式中:D为氯盐冻融循环作用后试件抗折强度损伤量;ffd为氯盐冻融循环作用后试件的抗折强度,MPa;ff0为试件28d抗折强度,MPa。

纤维组试件盐冻后抗折强度损伤变化规律如图5 所示,盐冻作用使素混凝土试件完全失去了受弯承载能力,损伤量D为100%;PVA-FRC试件盐冻后抗折强度损伤量最大的近59%,纤维体积掺量为1.5% 的PVA-FRC试件盐冻后抗折强度损伤量最低,为44.37%。可见,纤维的掺加抑制了盐冻后抗折强度的损伤,提高了混凝土抗盐冻性能。

矿物掺合料组试件盐冻后抗折强度损伤变化规律如图6所示,可见掺10% 硅灰替代水泥的FS1.5试件和掺20% 粉煤灰替代水泥的FA1.5试件盐冻后抗折强度损伤量远低于素混凝土试件,但比F1.5试件大。相比F1.5试件抗折强度损伤,氯盐冻融循环作用加剧了掺矿物掺合料试件组的抗折强度损伤,矿物掺合料的掺加没能降低PVA-FRC试件盐冻抗折强度损伤量。另外,FS1.5试件和FA1.5试件盐冻后抗折强度损伤差异不明显。

为了反映PVA纤维对混凝土抗折强度的增强作用,引入抗折强度增益比βpf:

式中:βpf为PVA-FRC试件抗折强度增益比;ffF为PVA-FRC试件抗折强度,MPa;ffP为素混凝土试件抗折强度,MPa(由于素混凝土试件盐冻后抗折强度损伤量为100%,这里计算抗折强度增益比时,ffP均取28d抗折强度)。

各组PVA-FRC试件盐冻前后对素混凝土试件28d抗折强度的增益比分布规律如图7所示。盐冻前,3种纤维掺量的PVA-FRC试件28d抗折强度对素混凝土试件28d抗折强度的增益比均很明显,F1.5试件增益比最大,为321%,F1和F2试件增益比都在260%以上。掺10% 硅灰替代水泥的FS1.5试件和掺20% 粉煤灰替代水泥的FA1.5试件28d抗折强度对素混凝土试件28d抗折强度的增益比虽然也很大,但是相比纤维掺量为1%、1.5%、2% 的PVA-FRC试件均没有提高。

3种纤维掺量的PVA-FRC试件和矿物掺合料组试件300次盐冻后抗折强度对素混凝土试件28d抗折强度的增益比均大于100%,纤维体积掺量为1.5% 的PVA-FRC试件盐冻后抗折强度增益比仍然很高,达到了近180%,而硅灰和粉煤灰的掺加对纤维体积掺量为1.5% 的PVA-FRC试件盐冻后抗折强度增益比没有提高。

2.4 抗折强度损伤与相对动弹性模量损伤对比

PVA-FRC试件和素混凝土试件盐冻后抗折强度损伤量D与相对动弹性模量损伤量D0的对比关系如图8 所示,可见各组试件盐冻后抗折强度损伤量D与相对动弹性模量损伤量D0趋于相等,成正相关,纤维体积掺量为1.5% 的PVA-FRC试件盐冻后抗折强度损伤量D与相对动弹性模量损伤量D0仅相差1%。因此,可以在一定程度上根据相对动弹性模量损失量来估计PVA-FRC试件盐冻后剩余抗折强度。

3 结论

(1)各纤维掺量的PVA-FRC试件28d抗折强度和300次氯盐冻融循环作用后抗折强度均高于素混凝土试件28d抗折强度,盐冻后PVA-FRC试件增益比均在113%以上,且纤维掺量为1.5% 时增益比最大。

(2)氯盐冻融循环作用降低了各纤维掺量PVA-FRC试件和素混凝土试件的抗折强度,但PVA-FRC试件盐冻后抗折强度损伤量远低于素混凝土试件盐冻后抗折强度损伤量。

(3)FS1.5试件和FA1.5试件盐冻前后抗折强度均低于纤维掺量为1.5% 的PVA-FRC试件,盐冻后抗折强度损伤量均大于PVA-FRC试件,硅灰和粉煤灰的掺加既没有提高PVA-FRC试件抗折强度也没有降低盐冻后抗折强度损伤量。