混凝土在硫酸盐溶液中抗冻性的研究_葛勇
2005年第8期(总第190期)Number8in2005(TotalNo.190)
混 凝 土
Concrete
全国中文核心期刊TheCoreJournalofChina
混凝土在硫酸盐溶液中抗冻性的研究
葛 勇, 杨文萃, 袁 杰, 张宝生, 熊爱玲
(哈尔滨工业大学材料科学与工程学院,黑龙江哈尔滨 150001)
[摘 要] 本文研究了非引气混凝土和引气混凝土在水中和硫酸盐溶液(5%和7%Na2SO4)中的抗冻性。试验结果表明:混凝土在5%Na2SO4溶液中的抗冻性能低于其在水中的抗冻性,有所不同,适量引气对混凝土的抗硫酸盐冻融性能均有较大程度的改善作用。强度越高,混凝土的抗冰冻性能越好,但一些强度较高的混凝土试件在硫酸盐溶液中冻融时发生突然的中部断裂而破坏。
[关键词] 引气混凝土; 硫酸盐; 冻融循环; 剥落; 动弹性模量[中图分类号] TU528.01 [文献标识码] A [文章编号] 1002-3550(2005)08-0071-03
Freezingresistanceofconcreteinsulfatesolution
GEYong, YANGWen-cui, YUANJie, ZHANGBao-sheng, XIONGAi-ling葛 勇
(InstituteofMaterialsScienceandEngineering,HarbinUniversityofTechnology,Harbin150001,Heilongjiang,China) Abstract: Thefreezingresistanceofconcretedrawing-inairandconcretenon-drawing-inairinwaterandsulfatesolution(containing5%and7%Na2SO4)isresearched.TheresultshowsthatthefreezingresistanceislowerinNa2SO4of5%thaninwater,anddrawing-inaircanimprovetheanti-sulfatefreeze-thawduarability.Thehigherstrengthis,thebetteranti-freezingperformance,butsomeconcretesamplesofhighstrengthoccurssuddenbreakinginsulfatesolutionforfreeze-thawing. Keywords: draw-inairconcrete; sulfate; freeze-thawcirculation; crumbling; activeplasticmodulas
0 引言
腐蚀环境下混凝土的冻融破坏是典型的耐久性破坏类型之一,而硫酸盐是西部地区混凝土使用环境中经常遇到的腐蚀介质。我国西部盐湖地区,部分盐湖卤水的含盐量极高,矿化度一般达到300g/L左右,化学物质类型齐全,其卤水大多属于Na+、K+、
-Mg2+、Cl-、SO2体系,是一种有别于传统海水体系4(矿化度为34g/L~35g/L)及咸水湖体系(矿化度为
[1~3]
分析了Na2SO4溶液对混凝土抗冻性的影响,对工程
应用具有指导意义。
1 原材料和试验方法
1.1 原材料和配合比
试验采用哈尔滨水泥厂32.5水泥;细集料为细度模数为2.49的中砂,表观密度为2.59g/cm3;粗集料为安山岩碎石,5mm~10mm连续级配,表观密度为2.74g/cm3;哈尔滨三电厂Ⅰ级粉煤灰,UNF-5高效减水剂和SJ-2引气剂。混凝土的配合比及28d强度见表1。
含气量
石子[***********]851039
粉煤灰[1**********]6
/%1.03.55.61.04.05.6
28d抗压强度
/MPa46.846.041.259.354.254.4
1g/L~20g/L)的介质环境。本文通过混凝土在
水中和不同浓度Na2SO4溶液的快速冻融试验研究,
[1~3]
表1 混凝土的配合比
编号A1A4A6B1B4B6
水胶比
水泥
0.490.480.460.400.390.37
[***********]
水[***********]
材料用量/(kg/m3)
砂[***********]
1.2 试验方法
所用试件为40mm×40mm×160mm的棱柱体,
成型时采用废机油为脱模剂。试验采用快冻法进行,冻融介质为普通饮用水和浓度为5%、7%的硫酸钠
[收稿日期] 2005-06-30
[基金项目] 交通部西南交通建设科技资助项目(No.[1**********]8)
溶液。标养至24d时浸入冻融介质中,28d时开始冻融试验。采用相对动弹性模量和质量损失作为评定指标。采用超声波检测仪测定声速,相对动弹性模量Er=En/E0=(Vn/V0)按计算。试件质量变化由精度为0.1g的电子天平测定。当试件的相对动弹性模量达到60%或质量损失至5.0%时,评定混凝土完全破坏。
2
2 试验结果与分析
2.1 引气混凝土在水中和不同浓度Na2SO4溶液中的抗冻性
图1~图6给出了在水中和不同浓度Na2SO4溶液中冻融循环时混凝土的相对动弹性模量和质量损失。
图1 A6的冻融循环次数与相对动弹性模量变化
图2 A6的冻融循环次数与质量损失
图3 B4的冻融循环次数与相对动弹性模量变化
图4 B4的冻融循环次数与质量损失
图5 B6的冻融循环次数与相对动弹性模量变化图6 B6的冻融循环次数与质量损失
混凝土在水中冻融时动弹性模量的降低速率较其质量损失快,破坏时均为相对动弹模量小于60%,而质量损失均未达到5%的破坏指标。随着冻融次数的增加,试件表面逐渐产生剥落,并且成型面剥落量明显高于其它面。
强度相对较低的A6混凝土在Na2SO4溶液中冻融时的相对动弹性模量的降低速度迟于水中,但在动弹性模量开始降低后,其降低速度快于水中,混凝土迅速破坏,即拐点较水中冻融明显。A6在Na2SO4溶液中冻融时的质量损失却远小于水中,混凝土在冻融破坏前剥落量很少,但在混凝土冻融破坏后却可以看到试件中部明显膨胀,并有许多裂纹。即A6混凝土在Na2SO4溶液中抗冻性高于水中的抗冻性,且7%Na2SO4溶液中的抗冻性高于5%Na2SO4溶液中的抗
冻性。
强度相对较高的B4、B6混凝土在硫酸钠溶液中冻融时的相对动弹性模量的降低速度略快于水中,并且在动弹性模量开始降低后,其降低速度较快,拐点较水中冻融明显。B6试件在5%Na2SO4溶液中经冻融450次后,在没有任何征兆的情况下突然断裂,随后7%Na2SO4溶液中的B6试件也发生突然断裂。此外,B4、B6在5%、7%Na2SO4溶液中冻融时的质量损
失远小于水中,混凝土在冻融破坏前剥落量很少,外观与受冻前没有大的区别。从混凝土动弹性模量的
变化可以看出,B4、B6混凝土在5%、7%Na2SO4溶液中的抗冻性低于水中的抗冻性。
冻融过程中,可以观察到橡胶筒内的硫酸钠溶液中有少量细小的Na2SO4·10H2O晶体析出。2.2 含气量对混凝土抗硫酸盐溶液冻融的影响
图7 混凝土在5%Na2SO4溶液中的动弹性模量变化
图8 混凝土在5%硫酸钠溶液中的质量损失
图9 混凝土在5%Na2SO4溶液中的动弹性模量变化
图10 混凝土在5%硫酸钠溶液中的质量损失
图7~图10分别为不同含气量混凝土在5%
Na2SO4溶液中冻融循环后的混凝土相对动弹性模量变化与质量损失。
结果表明在硫酸钠溶液中冻融时,引气和提高强度大大延缓了相对动弹性模量的降低,但无论引气与否一旦动弹性模量开始降低,则动弹性模量的降幅很快,混凝土迅速破坏,即拐点较水中冻融明显。直到受冻破坏前,含气量为4%、6%的B4、B6引气混凝土表面基本完好,质量基本没有变化或略有减少,B6试件仍然是在冻融过程中突然断裂;而非引气的B1混凝土,表面有少量剥落,但其质量反而略有增加。上述表明,在硫酸钠溶液中混凝土的冻融循环次数随含气量的增大、强度的提高而增多,但含气量对抗硫酸盐溶液冻融的提高幅度更大,这与在水中冻融相似。说明引气和提高混凝土的强度,可提高混凝土抗硫酸盐溶液冻融作用的能力,虽然强度较高试件在冻融过程中会出现突然断裂现象。
2.3 破坏机理
与水中冻融不同的是,硫酸钠对混凝土的冻融破坏既有不利的一面,又有有利的一面。不利之处是硫酸钠溶液中的冻融,除水结冰外引起的冻胀破坏外,混凝土还会遭受到硫酸钠的化学腐蚀生成钙矾石带来的破坏以及低温下硫酸钠以Na2SO4·10H2O结晶析出带来的膨胀破坏等。考虑到完全浸泡在5%、7%硫酸钠溶液中的混凝土,其腐蚀效果一般要在6~12个月以上才表现出来,而冻融时间短的仅有十几天,长的也不过70天,且多数时间处于0℃以下,因而硫酸钠的化学腐蚀作用可以忽略。而有利之处是硫酸钠可以降低水的冰点(如5%Na2SO4溶液的冰点
[4]为-1.03℃),减少冻害,尽管降低幅度较低。
硫酸钠溶液冻结后,其冻结体具有较大的塑性,
冻结产生的压力易将冻结体挤入到未充满水的孔隙中,这可能是导致混凝土在硫酸钠溶液中冻融时剥落
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搅拌站的混凝土质量容易稳定,也容易控制;若原材料种类多,且小厂家生产的产品居多,可以初步判定这家搅拌站的混凝土质量波动会大,会增大顾客方的使用风险。
(5)混凝土质量稳定性
一个搅拌站质量管理水平高低,集中体现在混凝土强度波动的高低上,通过察看试验室的混凝土强度统计可以得到验证。一个完善的混凝土强度统计包括月度统计、季度统计或按季节统计的汇总表,并有修正、调整记录。混凝土标准差在3MPa~5MPa之间属于正常,若标准差普遍低于3MPa时,应论证提供数据的可靠性。因为砂、石、水泥、外加剂等原材料质量始终在变化,气温在变化,砂、石中的含水率也在变化,这些因素都将导致混凝土质量出现波动。如果试块组数大于30组,而混凝土强度标准差大于5MPa时,客观上可以认定搅拌站质量水平控制较差。
(6)试验室
试验室是搅拌站技术、质量的核心部门,除考察试验室布局是否流畅、便于工作外(如:混凝土试块成型室要方便取样车进出、试块拆模后便于就近入标准养护室养护;试块抗压强度试验完毕,方便移走、集中堆放等),重点察看养护室。一是看留置的混凝土组数是否足够多,如:若一个搅拌站月均生产量为2万方混凝土,则养护室中的混凝土抗压试块至少应在
150组以上。二是看养护室的温、湿度控制设施、测温记录是否正常、齐全等。
8 交通状况
实测搅拌站对工程现场的距离,单程耗时、路面情况等。据此计算混凝土施工过程中需要多少部运输车才能满足进度要求。如:现场一小时可以泵送、施工40m3混凝土,运输车单程运输耗时40分钟,则往返一趟需要80分钟,考虑在现场泵送前和泵送后的倒车、洗车时间8分钟,到搅拌站装料5分钟,则一部车运输一趟总耗时93分钟。若车辆的装载量为8m3,一小时需要泵送5车混凝土才能满足施工需求,每泵送一车(含泵送停顿时间)平均耗时12分钟,至少需要93÷12=8部车才能符合需要,再考虑路途等异常,要求搅拌站安排车辆时,派9部车合理。9 注意找出这个搅拌站不同与其它搅拌站的特长之处,和需要改进的地方,在合作的过程中注意扬长避短。10 对搅拌站进行综合评价,选出理想中的搅拌站,为稳定工程质量奠定基础。
[作者简介] 王桂玲,1964年生,女,建材与混凝土制品专业,高级工
程师,主要从事混凝土质量控制与技术研究。
[单位地址] 上海浦东新区源深路92#20楼F座中建八局技术中心[联系电话] 021-58409766-17(O)
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少、质量损失小的原因。孔隙中硫酸钠溶液冰点的
降低,使得结冰量降低冻结体硫酸钠的溶解度随温度的降低逐渐降低,当达到过饱和时会出现Na2SO4·10H2O结晶。而在冻融过程中,由于浓度差和渗透压的存在,混凝土孔隙内硫酸钠的浓度会随着冻融次数的增加而增大,一旦孔隙中硫酸钠溶液浓度达到过饱和结晶,产生的结晶压力超过混凝土的抗拉强度而导致混凝土破坏。两者综合作用可能是混凝土在硫酸钠溶液中被突然冻断主要原因。
[4]
土的抗冻性基本上没有影响;而对强度相对较低混凝
土,在5%硫酸钠溶液中的抗冻性略低于7%硫酸钠溶液中。
(4)引气可以明显改善混凝土在硫酸钠溶液中的抗冻性。提高混凝土强度,同样可改善混凝土在硫酸钠溶液中的抗冻性,但强度较高的混凝土在冻融中试件会出现中部断裂现象。
(5)硫酸钠溶液中混凝土的冻融破坏主要是由于溶液结冰和负温下Na2SO4·10H2O的析出产生的膨胀所致。
[参考文献]
[1]张彭熹,等编著.柴达木盆地盐湖[M].科学出版社.北京:科学出版
社,1978.
[2]张彭熹,张保珍,唐渊,等.中国盐湖自然资源及其开发[M].北京:
科学出版社,1999.
[3]郑喜玉,张明刚,董继和,等.内蒙古盐湖[M].科学出版社.北京:科
学出版社,1992.
[4] 慕儒,缪昌文,刘加平,孙伟.硫酸钠溶液对混凝土抗冻性的影响.
建筑材料学报.2001,4(4):311-316.[作者简介] 葛勇,1962年生,男,教授。
[单位地址] 黑龙江省哈尔滨市大直街66号(150001)
[联系电话] 0451-86282191(O),86282459(H);E-mail:[email protected],[email protected]
3 结论
(1)强度相对较低的混凝土在硫酸钠溶液中的抗
冻性能略好于在水中的抗冻性,而强度相对较高的混凝土在硫酸钠溶液中的抗冻性能与在水中的抗冻性接近。混凝土硫酸钠溶液中冻融时,当动弹性模量在出现下降时其下降速率快于水中。
(2)强度相对较低的混凝土在硫酸盐溶液冻融循环过程中,表面的剥落远低于水中的剥落量,并且试件中部明显膨胀;强度相对较高的混凝土试件则是在试件中部突然断裂,而表面基本完好如初。 (3)硫酸钠溶液的浓度变化对强度相对较高混凝