冻融-硫酸盐干湿侵蚀复合作用下混凝土的劣化机制与寿命预测

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混凝土耐久性会受到多种因素影响,例如在我国西北地区,混凝土在遭受硫酸盐侵蚀的同时,往往还经受冻融循环、干湿循环等附加作用影响,材料耐久性受到严重威胁。目前混凝土耐久性的研究多集中在单因素方面,关于多因素耦合作用的研究还比较少,再加上传统混凝土设计更侧重于考虑结构承载力而忽略环境因素,大量混凝土结构还未达到设计使用寿命就必须停止服役,造成巨大的经济损失。因此,有必要对混凝土在复杂环境因素作用下的劣化规律与寿命预测问题展开系统研究。针对我国西北盐渍土地区混凝土面临的耐久性问题,本文采用快速冻融法和硫酸盐干湿循环法模拟冻融循环、硫酸盐侵蚀与干湿循环三种因素(文中硫酸盐侵蚀伴随干湿循环),以砂浆作试验载体展开如下研究:(1)混凝土配合比设计优化:研究表明掺入矿物掺合料可以有效提高混凝土的防腐性能,而复掺技术可以进一步发挥掺合料的技术优势,基于此,本文在保证试块抗压强度相同的条件下,设计20%、40%和60%三种粉煤灰和矿渣粉复掺掺量(粉煤灰:矿渣粉=1:1),探究相同抗压强度下不同掺合料混凝土的防腐性能。结果表明:3种配合比砂浆90d抗压强度基本相同,满足设计要求。(2)混凝土在复合作用下的劣化机制研究:单因素作用是多因素作用的特例,本文分别设置标准养护、单一冻融、单一硫酸盐侵蚀、冻融后侵蚀和冻融-侵蚀交替作用5个系列,以外观变化、质量损失率、相对动弹性模量和抗压强度损失率作为评价指标,系统研究单一因素和复合因素作用下不同防腐混凝土的劣化机制。结果表明:冻融和硫酸盐侵蚀复合作用下试块的劣化过程并非两种作用的简单叠加,而是相互促进。不同腐蚀环境相比,冻融-侵蚀交替试验试块的劣化程度最大,其次是冻融后侵蚀试验,二者都比单一因素劣化效果叠加值大;当控制试块强度相同时,复掺20%粉煤灰+20%矿渣粉配合比的混凝土最能抑制冻融和硫酸盐干湿侵蚀破坏的促进效果。(3)混凝土在复合作用下的劣化机理研究:本文采用吸水动力学和扫描电镜(SEM)等方法测试混凝土在不同环境条件下的孔隙结构参数与水化产物结构,分析影响混凝土防腐性能的内在和外在因素。结果表明:冻融会对混凝土孔隙结构造成损伤,使混凝土在受到硫酸盐侵蚀时劣化得更快更严重;掺合料可以改善孔隙结构,提高混凝土的抗侵蚀能力,其中,20%粉煤灰+20%矿渣粉对孔隙结构改善作用最佳;标准养护条件下,混凝土结构密实,水化产物主要为网状水化硅酸钙,氢氧化钙晶体数量极少;5%硫酸钠溶液中干湿循环240次后,混凝土结构变得酥松,硫酸盐侵蚀类型主要为钙矾石结晶型;冻融后侵蚀混凝土比单一硫酸盐侵蚀劣化更严重,冻融循环产生的裂隙会加剧硫酸盐侵蚀程度。(4)混凝土在复合作用下的寿命预测评估:本文建立混凝土材料损伤度D的概念,用于模拟可能出现的材料劣化失效过程。分别对单一冻融、单一硫酸盐侵蚀和冻融-侵蚀耦合试验的材料损伤度数据进行数值拟合,建立可以同时满足不同掺合料混凝土的劣化模型,并在该模型基础上结合自然环境与室内加速试验的相互关系,整理出可以快速预测复杂条件下混凝土寿命的基本方程,并对混凝土耐久性寿命进行评估。
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