混凝土在不同硫酸盐浓度环境下的抗冻机理分析.pdf

理论研究水利技术监督 年第 期:/混凝土在不同硫酸盐浓度环境下的抗冻机理分析邓丽娟(新疆水利水电科学研究院 新疆 乌鲁木齐)摘要:针对在不同硫酸盐浓度环境下混凝土抗冻耐久性问题 开展了混凝土在 溶液、溶液下的抗冻试验并对其冻融机理进行分析讨论 结果发现:混凝土损伤程度并不是与硫酸盐浓度呈正相关 在冻融初期硫酸盐浓度高的混凝土损伤较小 混凝土气孔结构比较完整 随着冻融循环次数的增加硫酸盐的浓度加剧了混凝土的劣化 混凝土气孔结构也发生了较大变化关键词:硫酸盐 抗冻耐久性 冻融循环 气孔结构中图分类号:文献标识码:文章编号:()收稿日期:基金项目:寒旱环境混凝土结构抗裂关键技术研究创新基地()寒区水利工程高韧性表面喷涂防渗材料集成与应用()作者简介:邓丽娟(年)女 高级工程师:混凝土在硫酸盐环境中的侵蚀机理众多学者都有研究 邓德华在关于“混凝土硫酸盐结晶破坏”理论的研究进展中指出 硫酸盐对混凝土的腐蚀是一个非常复杂的物理化学过程 混凝土是由砂石、水和水泥等外掺料组合而成的非均匀多孔介质 在其浇筑过程中不可避免地会产生一些气泡或微小裂缝等 当外部环境中的 侵入混凝土内部 与水化产物氢氧化钙()、水化铝酸钙()、水化硅酸钙()、钙矾石()、单硫型水化硫铝酸钙()发生化学反应 生成石膏、钙矾石、碳硫硅酸钙等难溶于水的矿物这些矿物一方面因体积膨胀导致混凝土结构发生破坏 另一方面也可使水泥的水化产物 凝胶和()等溶出或分解 因此导致混凝士强度和粘结性降低 硫酸盐对混凝土的化学侵蚀主要有:钙矾石型硫酸盐侵蚀、石膏型硫酸盐侵蚀、碳硫硅钙石型硫酸盐侵蚀 硫酸盐与水化产物发生化学反应是一个不可逆的过程 据文献记载 当混凝土内部形成石膏时 其内部体积增大 倍 从而使其内部形成膨胀拉应力 当混凝土内部的这个拉应力大于其极限拉应力时混凝 土 就 会 出 现 剥 蚀、掉 皮、开 裂 等 腐 蚀症状混凝土在硫酸盐环境中受到冻融循环后破坏机理众说纷纭 聂俊坤选取水胶比 、的快冻法混凝土试件 研究不同水胶比混凝土遭受硫酸盐冻融时的损伤机理 结果表明 在硫酸盐 冻融复合作用时 水工混凝土质量损失及抗压强度损失更大 而相对动弹性模量则小于单一冻融作用下的试验结果 陈四利采用快冻法研究了硫酸盐 冻融双重作用下混凝土的腐蚀特性 结果表明 伴随着时间的增长 双重侵蚀作用不仅加剧了混凝土性能的劣化 并对不同时期混凝土的腐蚀起主导作用 徐存东在研究硫酸盐 冻融复合作用混凝土时发现 水胶比的混凝土耐久性更好 并表示 对于在复杂环境中有特殊要求的混凝土较小的水胶比更容易满足 张磊通过、研究了硫酸盐 冻融共同作用下混凝土微观结构的变化情况 结果表明 在硫酸盐 冻融环境中 水灰比越大的混凝土 内部裂隙亦越多 界面过渡区 处 也 就 更 加 薄 弱 从 而 更 易 产 生 贯 通裂缝通过学者已研究发现 混凝土在硫酸盐环境中经冻融循环后混凝土的劣化会加快 但是混凝土在受到破坏时冻融循环与硫酸盐侵蚀这两种因素哪个处于主导地位并不是很明确 环境中硫酸盐浓度对混凝土在受到冻融循环时的影响也没有明确的表述 因此 本文以 硫酸钠溶液和 硫酸钠溶液作为冻融介质 通过单面冻融法来研究混凝土在 年第 期水利技术监督理论研究硫酸盐环境中的物理变化 同时根据扫描电镜试验来确定混凝土在硫酸盐环境下经盐冻后的孔结构变化情况 以此来全面解析混凝土在硫酸盐环境中的侵蚀机理 试验 原材料 水泥水泥:采用天山水泥生产的 硅酸盐水泥 其安定性合格 物理力学性能见表 所检项目均 符 合 通 用 硅 酸 盐 水 泥 中 硅酸盐水泥的技术要求表 水泥物理力学性能检测项目技术指标天山 比表面/(/)凝结时间/初凝终凝抗折强度/抗压强度/粉煤灰粉煤灰:采用乌鲁木齐四汇通锦建材科技生产的级粉煤灰 细度(筛筛余)需水量比 含量 矿粉矿粉:采用强联矿粉生产的矿粉 比表面积为 流动度 烧失量 活性指数 活性指数 所检项目均符合/用于水泥、砂浆和混凝土中的粒化高炉矿渣粉中()技术要求 外加剂外加剂:采用五家渠格辉生产的引气剂、聚羧酸减水剂 其物理力学性能见表 所检项目均符合 混凝土外加剂 中引气剂()和标准型高性能减水剂技术要求 掺量为水泥质量的 骨料粗、细骨料:采用乌鲁木齐河砂石骨料 其物理力学性能均符合 水工混凝土施工规范技术要求 配合比根据 水工混凝土施工规范中有关水灰(胶)比最大允许值 选用水工混凝土最常用的水胶比 配合比设计见表 表 引气剂物理力学性能(掺量)检测项目技术指标减水剂减水率/泌水率/含气量/凝结时间之差/初凝 终凝 抗压强度比/表 聚羧酸减水剂物理力学性能(掺量)检测项目技术指标减水剂减水率/泌水率/含气量/凝结时间之差/初凝 终凝 抗压强度比/表 混凝土配合比设计试验编号材料用量/(/)水水泥粉煤灰矿粉砂石砂率/含气量/试验结果分析 混凝土宏观质量损失分析根据图 当 种不同掺量矿物掺和料混凝土在不同浓度硫酸盐溶液中 混凝土单位面积质量损失与硫酸盐浓度大小不成正相关 处于冻融循环初期 混凝土单位面积质量在 溶液中理论研究水利技术监督 年第 期损失较小 在经过 次冻融循环之后 混凝土单位面积质量损失迅速增加 由此可知 混凝土处于冻融初期 高浓度硫酸盐溶液反而对混凝土的抗冻有利 据赵明研究发现 当混凝土在硫酸盐 冻融复合作用时 硫酸盐与混凝土水化产物反应生成的膨胀性固体矿物填充在混凝土中的孔隙 起到了填充、密实混凝土内部孔隙的作用 反而使侵蚀溶液难以渗透至混凝土内部 从而一定程度上抑制了硫酸盐 冻融的破坏 当冻融循环次数不断增加 混凝土内部孔隙被过分被填充 在混凝土内部形成膨胀拉应力 膨胀拉应力不断增加 迫使混凝土结构出现掉皮、开裂的腐蚀破坏 从而影响混凝土的耐久性图 混凝土在不同冻融介质中质量损失由试验结果可知:混凝土在硫酸盐 冻融复合作用下 混凝土结构破坏的过程分为两个阶段:抑制期、加速期 冻融初期即为抑制期阶段 此时硫酸盐溶液浓度越高 则侵蚀产物生成的数量越多速率亦越快 侵蚀产物起初填充于混凝土孔隙中 反而提高了混凝土的密实度 降低了渗透性 当冻融循环次数不断增加 混凝土内部孔隙被过分被填充 在混凝土内部形成膨胀拉应力 膨胀拉应力不断增加 当膨胀拉应力小于混凝土内部极限拉应力时 高硫酸盐浓度对混凝土的抗冻性反而有利的此时为抑制阶段 当膨胀拉应力大于混凝土内部极限拉应力时 迫使混凝土结构表面剥蚀加深、提高了混凝土渗透性 直至混凝土结构破坏 此时为加速阶段硫酸盐浓度较高时 冻融前期混凝土孔隙内部有较多的侵蚀产物填充 使得混凝土更加密实 由此可知:在冻融初期 混凝土在高浓度硫酸盐环境中抗冻性能更好 伴随着冻融循环次数的增加 侵蚀产物不断增多 当超出混凝土孔容积时 混凝土单位面积质量损失剧增 高浓度硫酸盐环境对混凝土侵蚀破坏严重 混凝土微观产物变化分析图 为 溶液中不掺加矿物掺和料的混凝土()在经过、次单面冻融循环后扫描电镜()根据图 中可知 在硫酸盐 冻融复合作用下 混凝土内部侵蚀产物随着侵蚀龄期的增长而增多 经 次盐冻循环后如图()所示 混凝土内部絮状水化硅酸钙形态依旧完整 次冻融循环后如图()所示 有少量的针状钙矾石晶体生成 在冻融循环初期 因进入混凝土内部的 浓度较低 钙矾石晶体数量较少且结晶不良 经 次冻融循环后如图()所示 混凝土内部侵蚀产物不断增多 在孔隙中有大量的针状钙矾石晶体生成 且结晶状态良好由此可知 在硫酸盐 冻融复合作用下 前期破坏的主要因素为冻融破坏 随着冻融循环次数的增加 混凝土内部微裂缝不断增多扩大 不断进入混凝土内部 与水化产物()反应生成膨胀性物质 钙矾石 钙矾石不断增多 混凝土结构内部拉应力不断增大 导致混凝土开裂 从而加速了混凝土的破坏 结果与讨论()在硫酸盐 冻融复合作用下 随着冻融循环次数的增加 混凝土表观破坏(下转第 页)工程实践水利技术监督 年第 期多年平均年径流深 接近 由此可以认为华光潭一级水电站坝址以上流域 年的流量成果相对合理 结语根据华光潭一级水电站所在流域的面雨量和电厂的调度运行资料 通过入库径流还原计算并建立当地的降雨径流关系 对缺测时段进行插补 加上华光潭一级水电站设计阶段的径流资料系列 最终得到了华光潭一级水电站坝址断面 年历年逐月天然流量系列资料分时段流量成果与同期降水量基本相应 基本上能真实、可靠地反映所在断面的实际径流情况 采用的方法基本合适 所得成果相对合理 弥补了昌北溪流域无长系列流量资料的不足 可为今后其他工程的规划设计提供有益参考 具有一定的实际应用价值参考文献 李龙辉.黑龙江省水库站径流还原计算方法及有关问题的探讨.黑龙江水利科技():.孙栋元 王启优 牛最荣 等.甘肃省渭河流域天然径流还原计算研究.水利规划与设计():.傅联森 陶湘泉 张佩琳 等.浙江省华光潭水电站初步设计(重编)上册.浙江省水利水电勘测设计院.长江流域规划办公室水文处.水利工程实用水文水利计算.北京:水利电力出版社.浙江省水文局.浙江省水资源.(上接第 页)图 在 溶液中微观产物形态为:块落剥蚀麻面骨料外露掉皮()在硫酸盐 冻融复合作用下 冻融初期硫酸盐浓度越高 对混凝土的抗冻性能反而越有利冻融后期硫酸盐浓度越高 则加速混凝土的破坏()在硫酸盐侵蚀溶液中 随着冻融循环次数的增加 混凝土内部孔结构特征变化规律明显 混凝土内部大于 有害孔径明显增加 随着侵蚀时间的增加 有害孔的增长率也在加快 有害孔的增加严重影响了混凝土内部的孔隙结构 从而导致混凝土抗冻性能变差()混凝土在硫酸盐溶液中采取单面冻融循环试验 根据宏观试验与微观试验综合分析可知:混凝土前期破坏的主要因素为冻融破坏 硫酸盐溶液对混凝土的化学侵蚀作用较弱 冻融后期 生成大量的侵蚀产物钙矾石导致混凝土内部拉应力剧增此时硫酸盐侵蚀与冻融破坏的共同作用使得混凝土的破坏加剧参考文献 邓德华 刘赞群 等.关于“混凝土硫酸盐结晶破坏”理论的研究进展.硅酸盐学报 ():.方小婉 娄宗科 高亚磊 等.硫酸盐侵蚀下混凝土抗冻耐久性研究进展.混凝土():.:.():.王宇航.硫酸盐侵蚀与单面冻融综合作用下混凝土耐久性研究.新疆农业大学.():.聂俊坤.多因素复合作用下水工混凝土材料劣化规律研究.华北水利水电大学:.陈四利 宁宝宽 胡大伟.硫酸盐和冻融双重作用对混凝土力学性质的影响.工业建筑():.(下转第 页)工程实践水利技术监督 年第 期 汛期基坑过水工期影响分析根据实测水文统计资料来看 工程开工后 汛期存在基坑过水的可能 根据下游 水电站围堰过水的实际情况综合分析 围堰过水 次 施工工期影响 个月 本工程高过水围堰按全年 年一遇挡水标准设计 年实测资料中 年 月 日 日发生超标准洪水 历时 年 月 日 月 日发生超标准洪水 历时 年 月 日发生超标准洪水 历时 年 月 日发生超标准洪水 历时 以实际过水历时最长计算 若 年围堰基坑过水 次 洪水历时 汛前预警 发生洪水前人员撤退历时 基坑排水历时(排水量约 万 排水强度 /历时)清淤历时 合计 按过水工期损失 个月考虑 若 年围堰基坑过水 次洪水历时 汛前预警 发生洪水前人员撤退历时 基坑排水历时 清淤历时 合计 按过水工期损失 个月考虑 年汛前大坝浇筑至坝顶高程 不受影响 方案比较及选择()水电站高过水围堰方案的研究初衷是为了在全年围堰和枯水期围堰方案中找出一个平衡点 既降低工程投资又适当提高施工工期保证率因该方案仍存在汛期基坑过流风险 将影响料源堆存及可利用料开采 坝面过流因长间歇易引起新浇混凝土开裂 坝面处理工程量大等()根据已建过水围堰经验 即使进行了过水围堰保护等相关计算及模型试验 但由于基坑过流水流条件复杂 仍有工程造成了围堰保护冲毁等问题 高过水围堰方案扣除 自溃堰后堰高 与目前国内已建工程最大过水围堰堰高规模相当 围堰高度大 过流水头高 基坑内消能防护难度大 因此 如采用此方案 对于过堰水流流态、流速、堰面过水保护措施、基坑风险管控等均有待进一步进行专题研究及相关水力学模型试验验证()根据分析及工程类比 在考虑高过水围堰施工期过水 次的情况下 全年围堰方案和高过水围堰方案坝体碾压混凝土入仓方式、月平均上升速度和混凝土浇筑强度基本相当 高过水围堰方案略高于全年围堰方案 均属国内先进水平 高过水围堰方案过水工期损失若超过本分析采用的 个月时 大坝施工进度指标需要进一步提高 现场施工组织需更加强化 才能确保大坝进度()高过水围堰方案 大坝施工期若不发生超全年 年一遇洪水 导流工程投资比全年围堰方案节省约 万元 节省投资有限但工期保证性大大降低经综合比较 工程采用高过水围堰方案节约投资有限 但带来影响料源堆存及可利用料开采、坝面易引起新浇混凝土开裂风险以及施工工期紧等故本工程最后仍选择采用全年围堰方案 结语本文提出的高过水围堰导流方案是一种介于枯期围堰和全年围堰之间新的导流思路 基于多年实测水文统计资料精细化分析了不同挡水标准下汛期基坑过水的概率 并且对工程进度投资指标进行详细分析 通过 水电站高过水围堰方案研究 对高过水围堰方案有了初步认识 相应成果有力支撑 水电站导流方案的选择 开阔了大江大河上的水电工程施工导流方案选择的思路 为以后类似工程确定最佳施工导流方案提供一定借鉴参考文献 胡建明.土石过水围堰过水期最不利工况及其流量确定.水动力学研究与进展():.张鹏飞 张锦堂 黄天润 等.功果桥水电站土石过水围堰设计.西北水电():.康文军 黄天润 冀培民 等.金沙江鲁地拉水电站上游过水围堰设计与运行.水利水电技术():.夏国文 刘大庆 郑顺祥.思林水电站土石过水围堰设计.贵州水力发电():.黄厚农 费洪武.石垭子水电站高水头过水围堰防冲设计与施工.水利水电施工():.陈超敏.彭水水电站施工导流设计.人民长江():.(上接第 页)徐存东 田子荀 谢佳琳 等.硫酸盐侵蚀 冻融循环复合作用下混凝 土材料 耐久性 研 究 .混 凝 土 ():.王娇.基于冻融循环与硫酸盐侵蚀耦合作用的水工混凝土耐久性试验研究.水利规划与设计():.张磊.混凝土在硫酸盐与冻融双因素作用下的复合损伤研究.扬州大学:.赵多明.冻融 硫酸盐多因素耦合下新抗冻耐酸耐盐混凝土材料研究.水利技术监督():.赵明 王怀义.混凝土在硫酸盐侵蚀及冻融环境下的耐久性试验研究.粉煤灰 ():.