结构耐久试验（通用7篇）
结构耐久试验 篇1
1 引言
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。
(2) 耐久性研究的三种试验方法各有优缺点, 在研究中可以充分发挥它们的优点, 实现在短期内对服役结构进行性能评估与寿命预测。
结构耐久试验 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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结构耐久试验 篇3
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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结构耐久试验 篇4
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
[1]启动用铅酸蓄电池.第1部分:技术条件和试验方法[S]
[2]GB/T7403.1-2008牵引用铅酸蓄电池第1部分:技术条件[S]
[3]宋丰章.提高牵引用铅酸蓄电池循环耐久能力的浅见[J].蓄电池, 1996, (1) :25-27
[4]从志贤.提高牵引用铅酸蓄电池循环耐久能力的途径及措施[J].蓄电池, 2000, (2) :20-25
桥梁结构耐久性设计探讨 篇5
1 概述近年来发生的各大桥梁坍塌事件
2004年6月, 深圳龙岗区坑梓镇通往坪地镇年丰村的矮江桥塌陷;2006年5月, 甘肃岷县洮河大桥全部坍塌;2006年12月, 北京顺义悬索桥在承重测试过程中垮塌;2007年5月, 常州境内出现运村大桥坍塌事故;2009年6月, 铁力市西大桥出现坍塌, 6辆货车坠落呼兰河2010年2月, 四川洪雅景区铁索桥出现垮塌;2011年7月, 福建武夷山公馆大桥坍塌;2012年8月, 哈尔滨阳明滩大桥主桥段被四两重载货车压塌;2014年3月, 信阳罗山一桥梁在施工过程中发生坍塌事故。
经过专家研究分析, 可总结出现桥梁坍塌的主要因素有混凝土开裂、钢筋被锈化腐蚀、混凝土和钢筋连接处断裂等[1]。
2 影响桥梁使用寿命的原因
在国内外的调查研究中发现, 影响桥梁使用寿命的原因有结构设计、地理环境、施工管理和使用维护等, 以下详细分析。
2.1 理论设计与实际结构不完善
就目前的许多工程设计中, 都普遍存在一种现象, 即工程设计把重心多数投放在结构强度、承重极限和结构建造等方面而忽略了结构的耐久性设计和结构维护等方面的设计, 这就从某些方面存在了安全隐患。如桥梁在正常使用的情况下, 桥梁经过年复一年的风雨侵蚀, 承重极限也逐年下降, 但由于理论设计的数据在规定年限内还有意义, 这就出现了理论与实际的误差[2]。除此之外, 在理论设计的计算图式和受力分析与实际的空间结构切合度不够高, 容易导致局部受力太大;而某些混凝土的厚度太小, 强度达不到要求, 钢筋又太细, 不足以支撑局部受力, 这些都是影响桥梁结构耐久性的重要因素, 也就会大大减少桥梁的使用寿命。
2.2 地理环境起重要影响
一般来说, 在桥梁建设初期, 都要对其实际的地理位置进行全面的地质勘查和环境水分探究。因为桥梁总是暴露在自然环境下, 免不了受大自然的各种侵蚀, 所以考虑环境对桥梁的影响是极为重要的。理论上说, 混凝土抗压强度的10%是其抗拉强度, 但是由于受地理环境因素, 如水化热、日晒雨淋、温度湿度等影响, 会使混凝土开裂。而水分子、卤素离子等因子就会随裂缝进入而侵蚀埋在内部的钢筋, 从而破坏钢筋的承重力和耐受力, 也会改变钢筋与混凝土之间的粘连度, 这些变化都会破坏桥梁结构的耐久性, 影响其使用寿命。
2.3 桥梁工程施工管理不严谨
就上文所述的近年桥梁倒塌事故来看, 桥梁建设的安全性和耐久性都让人堪忧。而在建设过程中的管理不严谨是一大重要因素, 主要体现在以下几个方面:
首先, 材料筛选不规范, 给某些喜欢投机倒把的人以可乘之机, 在施工过程中偷工减料、以次充好;其次, 混凝土的保护层浇筑不严, 厚度不足, 使得钢筋直接暴露在空气中, 部分钢筋未做或漏做除锈防锈措施, 这都有可能造成混凝土与钢筋接触不够结实而影响桥梁耐久性;另外, 有的施工队不能严格按工程设计进行施工, 存在细节方面的不严谨, 包括施工工艺不达标, 材料质量不合格等问题。
3 桥梁结构耐久性设计
根据2004年颁布的桥梁规范, 桥梁结构设计期限必须达到100年, 这就意味着桥梁结构的耐久性和安全性需要进一步提高。以下从总体和结构两方面进行具体分析提高其耐久性、安全性的措施。
3.1 方案拟定
在制定桥梁建设的方案中, 为提高其可靠度, 可以采用香港规范对桥梁结构的承重力开展可靠性设计。同时可以应用容易控制操作质量的方案来确保桥梁的耐久性。选用性能更高、强度更大的混凝土浇筑钢筋的保护层, 还可以采用新型的防锈材料对钢筋进行防锈防腐蚀处理 (如环氧涂层) , 借此增加钢筋的耐用度, 进而提升桥梁的耐久性。
3.2 桥梁病害分析
在桥梁的寿命管理中, 对桥梁的安全隐患进行详细分析非常有必要。其中, 人为的安全隐患是桥梁建筑中的一大病害。比如, 在施工过程中, 施工人员由于粗心大意在工地随处乱扔未熄灭的烟头, 这就很可能引发星星之火可以燎原的危害, 这也就从细节方面影响了桥梁的结构。虽然偶然事件的发生几率会很小, 但并不代表没有, 所以尽量消除此类的小病害对保证结构设计的耐久性和稳定性也非常有意义。
3.3 疲劳损伤和破坏不容忽视
所谓疲劳损伤指的是桥梁结构在承受重大负荷的情况下频繁加载而产生的损伤及破坏。因为建设桥梁的钢筋和混凝土等材料在粘连的地方并不是连续不断的, 而是有很多细小的肉眼不可见的裂缝存在, 在日积月累的风雨侵蚀下, 这些细小裂缝会越来越大, 从而引发桥梁的脆性断裂。国内外对桥梁的疲劳性能进行了调查研究, 结果显示在低温低负荷的情况下桥梁也会发生突然的脆性断裂。应用Charpy冲击试验进行桥梁测试, 根据结果可知在正常的使用情况下, 大部分钢铁材料具有很高的脆性, 所以, 在施工时就有必要选用韧性较好、性能更高的钢铁材料。
3.4 严格控制桥梁超载问题
在我国的公路运输中, 桥梁的超载问题经常出现, 考虑到桥梁的承重力, 新型的耐久性桥梁设计必须充分考虑超重问题。超载会不同程度地加大桥梁的负荷, 从而使得桥梁更容易产生疲劳损伤、破坏, 甚至可导致桥体裂缝加剧至断裂。从另一个角度来看, 由超重而带来的桥体内部的断裂是不可修复的, 这就从根本上降低了钢筋与混凝土的粘度系数, 从而影响了桥梁使用的安全性。所以在桥梁投入使用之后, 必须严格执行桥梁规章, 杜绝超重事件的发生。
3.5 桥梁维护
在桥梁正式投入使用之后, 桥梁维护工作就需要立即开展, 首先需要有完善的监控系统随时监控桥面通行情况, 用以保证监控一切不合法的行为;其次, 安排24小时不间断的人员值班, 这样可以随时处理突发情况;再者, 要定时对桥梁进行性能测试, 对已经出现损坏的桥段进行维修, 避免串联性、不可逆性破坏的发生。此外还可以在天气恶劣的情况下暂时停止大桥的通行, 或者加设红绿灯以减轻在桥面行驶的车流, 从而降低桥梁的负荷。
4 结语
如果桥梁结构耐久性得不到提高就会影响桥梁的使用寿命和使用安全性, 所以在桥梁设计中必须重视去耐久性的设计, 从混凝土、钢筋等材料筛选方面, 结构设计方面和施工维护方面等都可以增加桥梁结构设计的耐久性。
参考文献
[1]彭栋木, 章友俊.新桥梁规范下的桥梁结构耐久性设计[J].市政技术, 2011, 24 (5) :282-284.
结构耐久试验 篇6
3.5 真空饱和试验
表5和图17说明了砂试样的真空饱和试验中收集的数据。未经处理的材料在浸泡阶段恶化, 不能进行无侧限抗压强度或最终含水量试验。 与7天试验的对照试样相比较, 所有的处理后的砂试样都有强度损失, 除了低、中、高浓度的二灰处理的试样分别增加了百分之46、23和30的强度。 因为真空饱和试验只需要不到三个小时, 这些强度的增加不能归因于延长的火山灰活性。 确定在这些特殊的试样中所观察到的强度增加的原因不是此次研究的范围, 需要进一步调查。
砂试样的最终含水量, 如表5所示, 可以与试样最初制备时的最佳含水量相比较, 如表2显示。 在真空饱和试验期间, 砂试样的平均含水量平均增加了2.8个百分点。
表6和图18中的数据是黏土在真空饱和试验中收集的。 未经处理的材料在浸泡阶段恶化, 不能进行无侧限抗压强度试验。
但是, 仍然有足够的试样可以进行最终含水量的确定。 所有经过处理的黏土试样都有强度损失, 除了中浓度水泥处理后的试样增加了13%的强度。 这个相对较小的差异也许可以归因于试样制备和无侧限抗压强度试验期间的固有变异;图18说明了水泥稳定处理过的重复抽样试样之间的无侧限抗压强度的变化。 低浓度水泥处理过的试样在浸泡阶段恶化, 无法进行无侧限抗压强度或最终含水量试验。
黏土试样的最终含水量, 如表6所示, 可以与试样最初制备时的最佳含水量相比较, 如表2显示。 真空饱和试验期间, 二灰和石灰处理的黏土试样的平均含水量分别增加了3.4和4.2个百分点, 而C级粉煤灰和水泥处理的黏土试样的平均含水量实际分别减少了1.3和5.5个百分点。
3.6 吸入管抽吸试验
砂吸入管抽吸试验结果如表7和图19所示。不添加稳定剂时, 砂的水稳定性“差”, 平均最终介电值为22.3。如图19所示, 各级稳定剂均降低了介电值, 中等浓度的水泥使介电值最小, 为10.3时, 低浓度的C级粉煤灰使介电值最大, 为21.2。采用各浓度的C级粉煤灰、低浓度的二灰和水泥以及高浓度的石灰处理试样时, 介电值仍大于16, 确保了水稳定性等级“差”。所有其他试样的水稳定性等级为“临界”等级。
吸入管抽吸试验未造成大量的水进入砂试样内。完成测试后砂的平均含水量比压实时的各最佳含水量 (OMC) 低7.6%。
黏土管抽吸试验结果如表8和图20所示。不添加稳定剂时, 黏土的水稳定性“差”, 平均最终介电值为29.9。高浓度的水泥使平均介电值最小, 为18.8;中度浓度的二灰使平均介电值最大, 为31.9。因而, 与观察到的砂试样趋势不同, 并不是所有的经处理的黏土试样的平均介电值均小于未经处理的试样的平均介电值。另外, 根据吸入管抽吸试验标准, 任何浓度的稳定剂都不能降低“较差”的黏土水稳定性, 虽然图20表明通过增加C级粉煤灰能使黏土稳定, 在本研究评定的浓度范围内, 水泥导致了介电值的单一减小。
对黏土材料而言, 吸入管抽吸试验造成了水的大量浸入。完成测试后的平均含水量比压实后的最佳含水量 (OMC) 高7.8%。
附录A说明了试验过程中每天记录的介电值以及分析吸入管抽吸试验结果时未使用的最大和最小介电值。
3.7 变异系数
CV是重复试样的变异性量数, 用一组特定的测量值的标准差除以相同分布 (43) 的平均数计算得出。就本研究而言, 为各种不同的骨料类型、稳定剂类型和稳定剂浓度级组合制作了三个重复试样。计算出的各种不同组合的平均值、标准差和CV如表9所示。表中的连字符表示试验中不合格的试样。就所有砂和黏土试样而言, 冻融试验后UCS、真空饱和后UCS和吸入管抽吸试验后介电值的平均CV分别为12.5、10.7和8.3%。如果总体平均值有所不同, 进行ANOVA以确定指定试验的CV数据代表单一群数的情况。ANOVA虚假设为CV总体平均值均相等, 备择假设的情况为至少有一个总体平均值与其他总体平均值有明显区别。因此分析得出的p-值为0.517, 没有足够证据表明计算出的CV在统计上有明显差异, 或某一试验比其他试验更具可重复性。
3.8 总 结
冻融循环和真空饱和试验结果表明, 与进行7天试验的处理对照试样相比, 在试验过程中几乎所有砂试样都失去了强度。采用中等浓度和高浓度的二灰进行处理的砂试样在冻融循环中未失去强度;这种情况下, 试验过程中试样强度大大增加, 这可归因于不断的火山灰反应。所有其他砂试样失去强度的程度取决于稳定剂类型、浓度级和试验类型。所有稳定剂均能不同程度地降低吸入管抽吸试验中砂材料的水稳定性, 水泥浓度为中等时效果最佳。
各种情况下, 黏土材料均未通过冻融试验。采用各种浓度的所有稳定剂进行处理的黏土试样在真空饱和试验中均失去强度, 用中等浓度的水泥进行处理时例外, 强度稍有增加。根据吸入管抽吸试验中指定的标准, 任何浓度的稳定剂均不能降低“较差”的黏土水稳定性。
收集数据后, 分别对砂和黏土数据进行了ANOVA。就砂材料和黏土材料而言, ANOVA表明稳定剂类型和浓度级以及这两个变量之间的相互作用对所有测量的应变量具有显著的主要影响, 除真空饱和试验后残留UCS外。对砂而言, 浓度级以及稳定剂与浓度级之间的相互作用均不太重要。对黏土而言, 稳定剂类型并不重要, 但纳入了分析中, 因为稳定剂类型与浓度级之间的相互作用非常重要。
确定了冻融循环与真空饱和数据之间较大的相互关系, 但吸入管抽吸试验数据与冻融试验数据或真空饱和试验数据均无太大关联。对本研究中收集的数据的CV进行的分析中, 试验结果的变异性在统计上无明显差异。
4结论
4.1 总 结
波特兰水泥协会 (PCA) 在杨百翰大学 (BYU) 启动了一个研究项目, 比较所选取的实验室耐久性试验是否适用于评估稳定路基材料。设计工程师需进一步了解这些试验, 以便更加客观地选取耐久性试验, 使得所得到的数据比较更有意义, 并利用这些数据通过不同的评估程序对稳定剂进行不同的处理。与本项目相关的实验室研究选用两种路基材料, 分别在三种不同浓度下选取四种稳定剂, 并在全因子实验设计中进行三种耐久性试验。所用的两种路基土为粉砂和贫黏土, 四种稳定剂类型包括C级粉煤灰、二灰、石灰及I/II型波特兰水泥。本次对比研究中所用的三种试验分别为冻融试验、真空饱和试验以及吸入管抽吸试验。
4.2 试验结果
平均而言, 要使得到的7天UCS值相同, 砂中C级粉煤灰的含量应是水泥含量的4.4倍以上, 二灰的含量应是水泥含量的3.6倍以上, 石灰含量应是水泥含量的6.0倍以上。同样地, 黏土中C级粉煤灰的含量应是水泥含量的10倍以上, 二灰的含量应是水泥含量的7.5倍以上, 石灰含量应是水泥含量的1.8倍以上。试验结果分析情况表明, 真空饱和试验试样中的UCS和残留UCS值较冻融循环试验测得的相应值略高。这种情况表明, 对于这些特定的细粒材料而言, 冻融试验结果要比真空饱和试验结果更准确。此外, 试验结果还表明, 如果试样的7天UCS值低于200磅/平方英寸, 则其通常无法通过冻融循环试验。
冻融试验和真空饱和试验完毕后, 经二灰处理过的砂样中UCS和残留UCS值要明显高于经C级粉煤灰、石灰或水泥处理过的试样。同样地, 经C级粉煤灰或二灰处理过的黏土试样中UCS值要明显高于经水泥或石灰处理过的试样。但是, 经C级粉煤灰和二灰处理过的黏土试样差别不大。经过真空饱和试验后, 这四种稳定剂类型中的残留UCS值差别也不是很大。
通过吸入管抽吸试验测得的经二灰和水泥处理过的砂样介电值以及经C级粉煤灰和水泥处理过的黏土试样介电值最小。二灰和水泥可将砂样介电值降至“接近”额定值的限度, 却无任何稳定剂能够将黏土湿度磁化率降至合理水平。
分别经过冻融试验和真空饱和试验后测得的UCS值之间密切相关, 而通过吸入管抽吸试验后测得的最终介电值与所有其它应变量之间的关联性极弱。从统计角度而言, 试验结果的可变性差异对本次研究中收集到的数据相关CV分析影响不大。
4.3 建 议
结构耐久试验 篇7
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》.