普通混凝土氯离子扩散系数随时间演化的试验研究

发布时间：2016-06-21 06:42

第一章  绪论

1.1  研究的意义
改革开放至今，我国经济快速发展，基础建设投入也越来越多，各类建筑拔地而起，混凝土材料的应用领域越来越广，包括建筑、路桥、机场、大坝等，可以说混凝土结构已经成为我们生产和生活中重要的物质基础之一。然而，许多混凝土结构在自身作用和外部环境的影响下，提前破坏或失效，未能达到设计预定的使用年限，从而暴露了耐久性不足问题，进而造成各项损失，甚至付出巨大的代价。 所谓混凝土耐久性[1]，是指混凝土结构受外部环境和材料自身作用下，在设计使用年限内，不需要经过大修处理即可满足预期的安全目标、使用功能和外观要求的能力。混凝土耐久性问题影响因素诸多，有人为与非人为，有可控与不可控。美国著名专家 Mehta 教授在 1991 年的第二届国际混凝土耐久性会议上指出，当今世界影响混凝土结构耐久性的主要因素依次是钢筋锈蚀、冻融破坏和外部环境作用[2]。 国内外资料表明，海洋、氯盐环境对混凝土耐久性影响重大。澳大利业的Sharp[3]对 62 座海岸混凝土结构进行调查，发现腐蚀严重。葡萄牙的船坞、码头结构等由于氯离子侵蚀在服役较短时间即发生严重损伤[4]。前苏联工业厂房耐久问题突出，部分混凝土结构厂房建成 10 年即遭破坏[5]。日本在检查 103 座混凝土海港码头时发现，使用超过 20 年的码头，都有较大的顺筋锈裂。阿拉伯海湾区域有大量的现有或在建海工建筑物和构筑物，由于其工作环境通常处于三类或四类环境中，许多结构在投入使用不久后即出现了钢筋锈蚀现象，在使用 2~4年后，有些结构的钢筋断面损失率甚至高达 1/4[3]。1987 年美国国家材料顾问委员会做了一个关于混凝土结构耐久性问题的调查报告，在美国国内和全世界范围内引起广泛的讨论。该报告显示，美国国内现有大约 25.3 万座混凝土桥梁的桥面板中有很大一部分已经出现了不同程度的损害，有些桥梁使用才不到 20 年，远远达不到其设计的使用年限[6]。
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1.2  研究的目的
综上所述，结构在海洋或氯盐环境下的耐久性问题，主要是氯离子的侵蚀作用引起的。深入了解氯离子侵蚀随时间的演变规律，对研究混凝土结构耐久性问题具有重要意义。目前在水灰比和骨料对混凝土性能影响方面的研究已经做了许多，但大多针对混凝土强度[15~17]、骨料-基体粘结强度[18~20]、弹性模量[21~23]、早龄期氯离子扩散系数等[24~26]，很少涉及长龄期混凝土氯离子扩散性能。所以，本文在前人工作的基础上，研究不同配合比混凝土氯离子扩散性能随时间的演化规律，为后续的研究提供参考，也为混凝土材料的耐久性设计提供理论依据。 吴烨等人[46]试验结果表明：氯离子向混凝土内部扩散是物理化学综合作用的复杂过程，扩散系数与时间相关。吴相豪[47]建立了综合考虑混凝土氯离子结合能力、氯离子扩散系数的时间依赖性、水灰比和应力状态影响的扩散方程。滕海文等人[48]通过对钢筋混凝土氯离子侵蚀机理的分析，在 Fick 第二扩散定律基础上，建立了综合考虑水灰比、湿度、时间、温度、混凝土材料对氯离子结合作用的氯离子侵蚀模型，并给出了相应的数学解。刘均利[49]等在 Fick 第二定律基础上，提出了一个计算氯离子在混凝土中扩散的新方法，该方法不但能考虑水灰比、龄期、温度、湿度和氯离子结合能力的影响，而且能考虑混凝土结构服役期内大气温度和大气湿度的时变效应。 
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第二章  试验材料与试验方法

本章主要介绍试验材料的基本性能、水泥石和混凝土配合比和氯离子扩散系数的测试方法，同时给出了所用的主要仪器，并强调了试验中需要注意的事项。

2.1  试验材料 

2.1.1  水泥
本试验采用浙江钱潮水泥厂生产的 P·O 42.5 普通硅酸盐水泥，其抗折强度、抗压强度和初凝时间如表 2-1 所示，水泥的化学组成如表 2-2 所示。

2.1.2  细骨料
钱塘江江沙作为细骨料，如果含泥量较小，简单晒干直接使用，如果含泥量较大，先将砂中的泥粒冲洗后再晒干使用。经试验测定，细骨料的表观密度为2630  kg/m3，含水率为 0.35%，吸水率为 1.41%。骨料尺寸均采用富勒级配[84]，故先需对砂子进行筛分，采用国家新标准方孔砂石筛将各粒径的砂子筛分出来，剔除尺寸 0.15 mm 以下的砂子，最终选用五种粒径范围的砂子，如图 2-1。
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2.2  试验方法 

用来检测氯离子扩散系数的水泥净浆试块是由水泥和水均匀搅拌而成，水灰比分别为 0.35、0.45、0.55 和 0.65，相应的编号为 W-1、W-2、W-3 和 W-4，如表 2-3 所示。本试验采用 NEL 法测定水泥净浆和混凝土的氯离子扩散系数，该方法是由《中国土木工程学会标准 CCES01-2004》推荐的。各组试件均采用圆柱形，试件的尺寸均为 Φ100 mm × 100 mm，每组 3 个试件。考虑到养护条件对试件性能的影响，尤其是初始养护对氯离子扩散系数有较大影响，为了控制养护条件，所有试件在浇筑完成后先在温度为 20±5℃的环境中放置一天，然后拆模编号。拆模后立即将试件浸没在盛有 Ca(OH)2饱和溶液的水槽中，养护温度恒定为 20±5℃。各个龄期的试件在养护达到预定时间后取出测量。此试验采用 NJ-160A 水泥净浆搅拌机搅拌，搅拌开始前，先用湿毛巾将搅拌锅和搅拌叶片清洗并且湿润，再将称量好的拌和水倒入锅中，然后在 5 s 至 15 s 内小心将称量好的水泥加入到搅拌锅中，启动搅拌机，低速搅拌 120 s，停 15 s，再高速搅拌 120 s 后停机，搅拌后的浆体就可以用来浇筑试件。 水灰比不同浆体的干稀程度相差很大，W-1 组比较干燥，在搅拌完成后立即入模，W-2 组流动适中，直接入模均匀填满，W-3 组和 W-4 组泛浆严重，会导致浆体表面的水分蒸发，，使实际的水灰比变小，此外水分蒸发还会使浆体凝固后出现明显的自收缩，实测最大收缩量在 5 mm 左右。为了解决这一问题，将 W-3组和 W-4 组均匀搅拌后每静置 15 min 后再搅拌一次，静置时为了防止水分蒸发需用塑料薄膜包裹，两组分别过 3 h 和 6 h 后再搅拌一次后均匀入模。为控制收缩，试验前对圆柱模进行优化处理，制作尺寸为 Φ100 mm × 105 mm 模具，增加试件高度，待浆体凝结后，可满足收缩要求，如果试样高度超过 100 mm，用刀片刮去超出部分的水泥浆。在每个试件浇筑完成后，立刻用保鲜膜将试样表面包裹严实，减少浆体表面水分的蒸发。     

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第三章  水泥石氯离子扩散系数试验结果分析..... 21 
3.1  试验结果 ...... 21 
3.2  水泥石氯离子扩散系数时变效应........ 25 
3.2.1  水泥石水化度...........25 
3.2.2  水泥石孔隙率...........26 
3.2.3  水泥石氯离子扩散系数...........27 
3.3  本章小结 ...... 28 
第四章  混凝土氯离子扩散系数试验结果分析..... 29 
4.1  试验结果 ...... 29 
4.2  试验结果分析....... 32 
4.5  本章小结 ...... 40 
第五章  结论与展望........ 42 
5.1  结论 ...... 42 
5.2  展望 ...... 42 

第四章  混凝土氯离子扩散系数试验结果分析

本章主要分析混凝土氯离子扩散系数的试验结果，定量评价养护龄期对混凝土氯离子扩散系数的影响，同时讨论了养护时间、水灰比和骨料体积含量对混凝土氯离子扩散系数时变效应的理论分析，通过与试验结果比较，初步验证了该理论分析的有效性。 

4.1  试验结果 
混凝土试件养护到目标龄期进行测定，所测得的每组试件的氯离子扩散系数如表 4-1 所示，每组三个试件，养护龄期分别为 28 d、58 d、88 d、118 d、148 d、208  d 和 358  d。龄期为 28  d 的一组试件，测试后将该组试件进行饱水处理，并单独养护分别达到 88 d、148 d、208 d 和 358 d，再测定氯离子扩散系数，结果如表 4-2 所示。对施珂文[80]测试后留下的试件，养护至 358 d、538 d 和 718 d 后测定氯离子扩散系数，结果如表 4-3、4-4 和 4-5 所示。在这些表格中，水灰比后括号中的数字 1、2、4、7、12 分别代表第一次测试龄期为 28 d、58 d、118 d、208 d 和 358 d。本试验混凝土与施珂文所用混凝土的水灰比不同，可以相互对比。  
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结论

本论文通过试验研究了水泥石和混凝土氯离子扩散系数随时间的演化，基于试验结果，分析了水灰比、骨料体积含量和养护龄期对氯离子扩散系数的影响，也讨论了饱盐饱水过程对氯离子扩散系数的影响。通过研究得到以下主要结论： 
（1）水泥石氯离子扩散系数随养护龄期的延长而减小，当养护龄期从 28 d增加到 118 d 时，氯离子扩散系数下降幅度较大，当养护龄期从 118 d 增加到 358 d 时，氯离子扩散系数下降幅度仅为 28 d 至 118 d 之间下降幅度的一半。 
（2）混凝土氯离子扩散系数随着龄期的增长而不断减小，前期减小速率快后期减小速率慢。从 28 d 至 118 d 下降值约为 118 d 至 358 d 下降值的 2 倍，约为 118 d 至 208 d 下降值的 3.8 倍，约为 208 d 至 358 d 下降值的 5.14 倍。 
（3）水泥石和混凝土经历饱盐饱水过程后，氯离子扩散系数随龄期增长而不断减小，比未经此过程的试验结果略小。  
（4）养护龄期在 358 d 至 718 d 之间，混凝土氯离子扩散系数下降趋势不明显，基本为常值。 
（5）对于给定的骨料体积含量，混凝土氯离子扩散系数随着水灰比的增大而增大，水灰比越大，氯离子扩散系数随时间减小效应越明显。 
（6）对于给定的水灰比，混凝土氯离子扩散系数随着骨料体积含量的增大而减小，而且随着骨料体积含量的增大，随时间减小的效应越明显。 
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参考文献(略)

本文编号：59673