硫酸腐蚀长龄期水工混凝土的横劈强度试验研究

1、.硫酸腐蚀长龄期水工混凝土的横劈强度试验研究第3卷第1期2005年2月南水北调与水利科技South-to-NorthWaterTransfersandWaterScience&TechnologyV01.3No.1Feb2005硫酸腐蚀长龄期水工混凝土的横劈强度试验研究李宗坤,李杉,袁群.,姜景山(1.郑州大学环境与水利学院,郑州450002;2.河南省水利科学研究所,郑州450003)摘要:对遭受硫酸腐蚀的长龄期水工混凝土芯样(100mm)和现浇混凝土试件进行了圆柱体横劈试验研究.结果表明:随着腐蚀时间的增长,混凝土芯样名义横劈强度呈逐渐降低趋势;现浇混凝土试件的名义横劈强度

2、逐渐变小,最后趋于稳定.并分析了长龄期水工混凝土和现浇混凝土受腐蚀后名义横劈强度变化的原因.关键词:长龄期水工混凝土;硫酸;腐蚀;圆柱体横劈法;名义横劈强度中图分类号:TV543.8文献标识码:A文章编号:16721683(2005)01005103TransverseCuttingStrengthofErodedLong-ageHydraulicConcretebySulphuricAcidLIZongkun,I.IShan.YUANQun,JIANGJing-ShanI(1.CollegeofConservancYandEnvironment,ZhengzhouUniversity,Zhe

3、ngzhou450002;2.HenanHydraulicScienceInstitute,Zhengzhou450003,China)Abstract:Thetestoferosionofsulphuricacidonthelongagehydraulicconcretecore(plO0mm)andnewconcretesamplebytransversecuttingmethodofconcretecylinderisanalyzed.Theresultsshowthatthenominaltransversecuttingstrengthofconcretecoreisgraduall

4、yreducedandthenominaltransversecuttingstrengthofnewconcretesampleisgraduallyreducedandtendstostabilityatlastwithincreasingtimeoferosion.Thevariablecausesofthenominaltransversecuttingstrengthoflongagehydraulicconcreteandnewconcreteaftererosionofsulphuricacidareanalyzed.Keywords:longagehydraulicconcre

5、te;sulphuricacid;erosiomtransversecuttingmethodofconcretecylinder;nominaltransversecuttingstrengthl刖吾混凝土腐蚀是其组成物质由于周围介质和环境的作用引起的逐渐劣化的现象.随着工业的发展,建筑结构的混凝土腐蚀越来越严重.造成混凝土腐蚀的主要因素有化学因素和物理因素.对于大气中混凝土的腐蚀一般主要以匕学腐蚀为主,其结果可能使得混凝土空隙增大,产生裂缝和表面松软等,造成其强度和耐久性降低,危及结构的健康和安全.尤其是现役的长龄期水工混凝土建筑物.部分建筑物服役一段时间后随着大量排放的工业废水和废气使得

6、混凝土强度大大降低,腐蚀严重时能使混凝土变软而毫无强度.影响建筑物的安全使用和寿命.鉴于此,本文结合一水利工程,获取近50年龄期的混凝土芯样,对遭受浓度为1硫酸溶液浸泡时间为4d,8d,12d和16d的混凝土芯样进行横劈试验.阐明长龄期混凝土受硫酸后其强度变化规律,为实际工程提供参考.2试验概述2.1试验设计本文对河南白沙水库服役近50a的老泄洪闸底板的混凝土进行了钻芯取样(芯样直径100mlTl,长度300mm),采用圆柱体横劈法研究混凝土受硫酸腐蚀后强度的变化规律.闸底板混凝土的设计强度为140号.由于混凝土经历了50a后其强度将发生很大变化,考虑了昆凝土芯样在现有强度条件下与同强度现浇混

7、凝土腐蚀变化的异同.此试验先对6个芯样做抗压试验以探明闸底板混凝土强度.试验结果见表1(同H,Ixq芯样也做了横劈试验),得知混凝土芯样的平均强度值为39.87MPa.现浇混凝土的设计标号选用C35,浇筑5组qAO0×200mlTl的圆柱体试件.由于试验日期和条件的限制,本文采用加速腐蚀的试验方法,即提高介质浓度来达到加速腐蚀,但过高的介质浓度会造成试验失真,所以对介质浓度不能过高,实际环境条件下硫酸的浓度一般在1/1001/1000之间.根据有关试验资料,试验采用初始浓度为15的硫酸,把混凝土试件直接侵入15的硫酸溶液中直到试验完毕,中途不控制硫酸的浓度.5组芯样和5组现浇混凝土试

8、件完全浸泡在硫酸溶液中,同时把5组芯样完全浸泡在天源纯净水中;浸泡时间为4d,8d,12d和16d4个等级.收稿日期:20041126基金项目:河南省科研事业计划项目(341500200)作者简介:李宗坤(1961一),男,郑州大学环境与水利学院,教授,副院长,主要研究方向为大坝安全性评价.第3卷总第14期?南水北调与水利科技?2005年第1期2.2混凝土的硫酸腐蚀规律混凝土的介质腐蚀是一个复杂的多相物理化学过程,根据其主导特征一般分为3种类型.硫酸介质对混凝土的侵蚀一般属于第2类腐蚀,虽然这其中包含着硫酸根引起的类似硫酸盐引起的第3类腐蚀,但这种作用相对酸离子的作用非常小,硫酸腐蚀化学过程可

9、表示为:Ca(0H)2+H2SO4'.CaSO4+H2OCaO?nSiOzCaSO4+Si(OH)CaSO4+H2O'.caSl?2H2O硫酸腐蚀将导致混凝土的强度降低,其主要因素由于混凝土自身的密实性和硫酸介质在混凝土中扩散和迁移.一般来讲,如果混凝土较密实,空隙率和渗透性相对较低,混凝土腐蚀程度就低.而混凝土的扩散速度主要与侵蚀面积和介质浓度梯度成正比.对于同一初始浓度,其混凝土的工作系数和侵蚀介质可视为相同,混凝土的腐蚀就决定于腐蚀时间和材料组成.曹双寅根据试验结果得出受腐蚀混凝土的强度损失率与介质浓度成正比,与腐蚀时间成线性关系,在此基础上提出了介质对混凝土的蚀强模型,

10、见下式:)式中:为蚀强率,即强度损失与同等条件下未腐蚀J混凝土的强度.厂比;c为介质的重量百分比浓度;t为腐蚀持续时间;t.为强度开始降低的时间(对第1类和第2类腐蚀too);k为介质对混凝土的蚀强率系数,该值取决于介质的类型和混凝土的组成.本次试验采用初始浓度为15的硫酸溶液,中途不控制硫酸浓度对芯样和现浇混凝土圆柱体试件在腐蚀后强度的变化进行了试验研究.3腐蚀混凝土的横劈强度试验所谓圆柱体横劈是将劈拉力作用在圆柱体芯样的横截面上,使圆柱体的母线方向受拉,造成圆柱体横截面劈拉破坏,得到混凝土的名义劈拉强度(P/A).有限元分析结果表明圆柱体试件均由于拉应力造成劈裂破坏,且劈裂面上最大拉应力附

11、近拉应力分布较均匀,经试验验证得出,荷载作用圆心角0为9o.时,混凝土的名义横劈强度与混凝土的抗压强度和立图1横劈压具示意图?52?竺窆重墨巴方体,圆柱体纵劈强度(圆柱体混凝土常规劈拉试验)有很好的相关性.圆柱体横劈法避免了传统芯样法的锯切,抹面,养护三道工序,或者芯样长度要求较严等不足.具有成本低,快速,简单高效的优点.该方法测得的混凝土强度值从理论和试验上证明了都是可靠的.用于横劈试验的试验装置如图1.为了探明芯样强度,首先对6个芯样做了抗压和横劈试验,结果见表1.表1芯样抗压试验和横劈试验结果试件编号123456平均强度抗压强度cMPa,.?.?.?.'.名义圆柱体横劈p4.52

12、23.5923.1854.7905.1464.5864.3强÷(MPa)劈裂面情况完好完好完好完好一小石碎裂完好3.1腐蚀后混凝土的名义横劈强度按试验设计要求对芯样和圆柱体试件在浸泡时间为4d,10d,12d和16d做横劈试验(由于试验限制,8d未做横劈试验),混凝土的名义横劈强度值见下表2(以下的强度若不说明外,均指名义横劈强度).表2混凝土浸泡后名义横劈强度值MPa由表2的试验数据绘出不同类型下混凝土平均强度与浸泡时间的关系,见图2.各时间的腐蚀平均强度与未腐蚀平均强度比值见图3.三强霸1O510l520时间(d)图2平均强度与浸泡时间的关系5432lO李宗坤等?硫酸腐蚀长龄期水

13、工混凝土的横劈强度试验研究丑世憩露时I司(d)图3平均强度下降比值与浸泡时间的关系由表2和图2分析知,受硫酸腐蚀后的混凝土芯样和现浇试件的名义横劈强度随着浸泡时间的增加呈下降趋势;在纯净水中浸泡芯样随时间的增加呈上升趋势.从图3可知,对于浸泡在硫酸中的芯样,浸泡时间为4d时,强度下降91;10d时强度下降80;12d时强度下降70;16d时下降59.对于现浇混凝土试件,其强度在4d和10d的下降比芯样强度快了30o和7,最后现浇试件强度趋于稳定.究其原因:一是主要由于芯样混凝土从取样到试验一直都处于干燥状态(近一年时间),表层混凝土和大气中的COz发生反应在其表面形成碳酸钙薄膜,填塞了空隙而使

14、混凝土表层的渗透性降低,致使芯样在腐蚀初期腐蚀程度较现浇试件小;随着腐蚀时间的推移,芯样表面层完全被腐蚀,腐蚀锋面向内部移动,由于表层的防护延缓了硫酸的反应,使得这时在装有芯样容器中的硫酸浓度比装有现浇试件容器中的浓度高.芯样后期腐蚀较现浇试件大.另外石子的表面积是一个重要的影响因素.由于石子相对混凝土不易腐蚀.在腐蚀中使混凝土有效腐蚀面积减小.对于现浇混凝土,随着腐蚀锋面向内推进遇到石子后有效腐蚀面积减小,腐蚀逐渐减小并在后期趋于稳定;而芯样在未腐蚀时表面有部分石子外露.前期强度变化较小.芯样劈开后发现其内部石子较少,这也是造成其后期强度有明显下降的原因.试验观察发现芯样和现浇试件都在第10

15、cI混凝土表面卜-卜-卜一卜-卜一卜一卜-卜"卜一+一卜(上接第9页)一+一+一+一+一+一一一(3)实施南水北调中线工程.必须高度重视对水源区的生态环境保护.通过治理点源污染,减少进入丹江口库区的污染负荷;加强库区上游水土综合治理,控制面源污染.严格执行污染物总量控制和排污许可制度.加强支流污染治理.(4)明确汉江中下游水环境容量补偿标准.研究中下游水质综合改善措施,结合其水资源保护规划落实环境补偿措施.由于调水将对汉江下游河道冲淤和水环境容量有较大影响,从而会诱发汉江水华现象的进一步加剧,因此要重视丹江口水库和汉江中下游的环境变化,并采取相应的补救措施,如采取在枯水期增加丹江口水

16、库下泄流量或者减小三峡水库同期下泄流量,引江济汉补水等,避免或减轻其不利影响.(5)考虑到长远的汉江水环境保护,需要继续加强水污染控制与依法管理工作.同时,要与流域规划和治理部门密切配合,尽早积极开展和参与汉江流域水量水质统一管理的研究工作,真正做到汉江污染源的有效控制.只有做到这一点,才能从根本上解决汉江中下游武汉段的水华问题.松软,但未有剥落;12d时两者表面出现部分剥落,现浇试件有的部位石子外露,芯样端面用手指拧搓时部分沙粒呈粘糊状;16d芯样混凝土表面沙粒完全出现粘糊状,试验对压具施压时压具和混凝土表层接触处可以看到非常明显的坑.3.2蚀强率与腐蚀时间的关系蚀强率在腐蚀时间一定的条件下

17、主要受腐蚀介质浓度和蚀强率系数的影响.蚀强率与腐蚀时间的关系见图4.05l01520腐蚀时间(d)图4蚀强度与腐蚀时间的关系由图4可知,对于现浇混凝土蚀强率随着时间的变化,已不再是线性关系,而是随介质浓度和蚀强率系数而变化的非线性关系;芯样混凝土随着时间变化近似为线性关系.其原因如前所述.4结语受硫酸腐蚀后的混凝土腐蚀程度随腐蚀时间的增加而增大.对于长龄期混凝土,受硫酸腐蚀后其名义横劈强度的降低与时间呈正比;而现浇混凝土在浓度随时间减小的情况下名义横劈强度逐渐减小并趋于稳定.参考文献:1曹双寅.受腐蚀混凝土的力学性能J.东南大学.1991.21(4):8995.2曹双寅.混凝土受硫酸和硫酸盐腐

18、蚀的结构非线性分析和耐久性预测D3.上海:同济大学博士论文,1988.致谢:本项研究得到了水利部南水北调规划设计管理局,湖北省南水北调中线工程办公室,湖北省环境保护局的资助,在此表示衷心的感谢.参考文献:1WASP4,AHydrodynamicandWaterQualityModeltheory.user'sManua1.andprogrammersGuide.RobertBAmbrose.TimAWool,JamesLMartin.JohnPConnolly.RobertSchanz,EnvironmentalResearchLaboratory.USEPA1991.Ez3谢平,夏军.窦明.等.南