CN109142086B - 一种干湿循环-盐结晶腐蚀试验等效转化为外加荷载试验的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种干湿循环‑盐结晶腐蚀试验等效转化为外加荷载试验的方法，通过提出干湿循环‑硫酸盐结晶转化为外加荷载的计算式，首次将干湿循环‑盐结晶造成的劣化结果与外加荷载造成的劣化结果建立关系。本发明所建立的等效转化方法可以将繁琐复杂的加速劣化试验转化为简单便捷的力学荷载试验，从而有效提高混凝土性能研究的工作效率。
Description
技术领域
本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及建筑材料的耐久性试验方法，尤其是一种干湿循环-盐结晶腐蚀试验等效转化为外加荷载试验的方法。
背景技术
作为重大基础设施建设的主体材料，混凝土性能及其时变性直接影响基础工程的服役性能与服役寿命。然而，外部环境作用，特别是海洋环境作用和西部地区的严酷环境作用，对重大基础设施的可靠性提出了严峻挑战。基础工程的结构在受环境影响以前，混凝土的性能演化对服役效果有着不可忽视的作用。这是因为混凝土对内部钢筋具有保护作用，当材料发生损伤后，外部环境的水气和腐蚀离子等向内部传输，进而影响混凝土结构。
目前，对混凝土性能演化的研究主要是通过大量试验来进行的，这些研究存在的主要问题是：试验量大，试验过程繁琐。如果将当前繁琐复杂的混凝土劣化试验简化为简单的外加荷载试验，即通过对加速劣化所造成的缺陷进行预测并通过外加荷载即时实现，就可以避免或减少繁琐的试验研究。
发明内容
技术问题：本发明的目的是提供一种干湿循环-盐结晶腐蚀试验等效转化为外加荷载试验的方法，可以将繁琐复杂的加速劣化试验转化为简单便捷的力学荷载试验，从而有效提高混凝土性能研究的工作效率。
技术方案：一种干湿循环-盐结晶腐蚀试验等效转化为外加荷载试验的方法，包括以下步骤：
步骤1，制作尺寸相同的水泥砂浆试件M1和M2，在试件M2中预埋乙烯基筋材；
步骤2，将试件M1置于盐溶液中进行干湿循环劣化试验；
步骤3，通过式(1)计算得到试件M2需要施加的外加荷载值
式(1)中：
为外加荷载值，Pl，s为液体产生的压力，Sc为晶体体积分数，R为理想气体常数8.314J/(mol·K)，T为干湿循环过程干燥阶段的温度，β为盐的过饱和度，νp为孔的影响系数，Va为集料体积，Vc为混凝土体积，
液体产生的压力Pl，s通过式(2)计算：
式(2)中：Mw为水的摩尔质量，T为干燥阶段绝对温度，ρl为液态密度，H为相对湿度，
晶体体积分数Sc通过式(3)计算：
式(3)中：γcl为表面能，Vm为晶体摩尔体积，B为孔径常数2.23×exp7，
盐的过饱和度β通过式(4)计算：
式(4)中：ct为盐溶液的实际浓度，c0为盐的饱和度，
νp为孔的影响系数，通过式(5)计算：
式(5)中：k为常数，C30、C50、C80混凝土的k值分别为28.25、49.67和64.29，r为试件尺寸，可通过试验测得，
满足式(6)，
式(6)中：A，v均为常数，C30、C50和C80混凝土的参数A分别取0.000673、0.00302和0.0112，C30、C50和C80混凝土的参数v分别取4.375、3.057和2.224，α为水化度，取为1；
步骤4，采用步骤3计算得到的外加荷载值
对试件M2进行外加荷载试验。
进一步地，所述乙烯基筋材为乙烯基聚酯塑料纤维筋材。
进一步地，所述盐溶液为质量分数为10％的Na2SO4溶液。
进一步地，所述干湿循环劣化试验的一个循环为20℃浸泡8h、50℃干燥16h。
进一步地，所述外加荷载试验采用四点弯曲加载装置进行加载，加载速度设置为80N/s，达到最大荷载时，持续时间为30min。
有益效果：
1、本发明首次提供了干湿循环-硫酸盐结晶转化为外加荷载的计算式，计算式考虑到盐类的过饱和度、孔隙的影响系数和干湿循环条件。
2、与质量损失、超声缺陷损失和强度损失等传统的劣化评价方法相比，采用计算机X-射线断层扫描(XCT)技术对试件劣化前后的微结构变化进行分析统计，该法更直观可靠。
3、本发明首次将干湿循环-盐结晶造成的劣化结果与外加荷载造成的劣化结果建立关系。建立的等效转化方法可以将繁琐复杂的加速劣化试验转化为简单便捷的力学荷载试验，从而有效提高混凝土性能研究的工作效率。
附图说明
图1为实施例1中砂浆试件M2受荷载示意图。
图2a为实施例1中劣化前试件M1的XCT图片。
图2b为实施例1中经硫酸钠劣化60天试件M1的XCT图片。
图2c为实施例1中试件M1经硫酸钠继续劣化30天的XCT图片。
图3a为实施例1中加载前试件M2的XCT图片。
图3b为实施例1中加载后试件M2的XCT图片。
图3c为实施例1中试件M2经硫酸钠继续劣化30天的XCT图片。
图4为实施例1中劣化前后砂浆试件M1和M2的孔隙率对比。
图5为实施例1中劣化前后砂浆试件M1和M2的抗压强度对比。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的内容作进一步说明。
实施例1
步骤1，采用PII 52.5水泥、标准砂和自来水制作水泥砂浆试件M1和M2。按照配合比水泥︰水︰砂＝1︰0.5︰3制备水泥砂浆试件M1和M2，尺寸均为40mm×40mm×160mm。在试件M2中心位置预埋一根直径为5mm，长度为16cm的乙烯基聚酯塑料纤维筋材。
步骤2，配制质量分数为10％的硫酸钠溶液作为加速劣化所需的腐蚀溶液，将试件M1置于硫酸钠溶液中进行干湿循环劣化60天。干湿循环制度为室温(20℃)浸泡8h，50℃干燥16h，此24h为一个循环。采用XCT获得劣化前后试件的微结构图片。
步骤3，试件M2通过计算得到需要施加的外加荷载值，荷载值由式(1)计算得到。
其中，硫酸钠晶体摩体积vm为52.6cm3/mol；初始弹性模量49.67GPa；试件体积r为40mm×40mm×160mm；孔径分布常数B为2.23×exp7；经60次干湿循环后，试件M1内部实际盐浓度ct为0.704mol/L；经60次干湿循环后，试件M1内部平均相对湿度H为100％；盐饱和浓度c0为2.19mol/L；A为0.00302；v为3.057；α为1；k为49.67；集料体积Va为947mm3；砂浆试件体积Vc为256000mm3；硫酸钠的表面能γcl为1.43J/mol；干燥温度T为323K；水的摩尔质量Mw为18g/mol；水的密度ρl为1g/cm3，理想气体常数R取8.314J/(mol·K)。根据式(1)～式(6)，计算得到试件M1经60次干湿循环后产生的应力
约为123.9N/m2，即试件M2需要施加的荷载值为123.9N/m2。
步骤4，采用四点弯曲加载装置进行加载，加载速度设置为80N/s，达到最大荷载时，持续时间为30min。试件的有效受力区长130mm，受弯区长50mm。加载结束后，采用XCT技术获得加载前后试件受弯区的微结构图片。
通过超声波法测得加速劣化前后试件M1的抗压强度以及加载前后试件M2的抗压强度。
对试件M1和M2分别进行再次劣化。将上述经过不同劣化方式处理后的试件M1和M2完全浸泡于10％的硫酸钠溶液中继续劣化30天。分别进行XCT测试和抗压强度测试，分析两种劣化方式对砂浆试件造成的微结构损伤和强度劣化情况。
图1显示砂浆试件M2受荷载示意图。试件M2的有效受力区长130mm，受弯区长50mm。
图2a、b、c显示试件M1经硫酸钠劣化前后的XCT图片。劣化前后，采用XCT技术对试件M1进行全局扫描，然后采用VG Studio Max 2.0软件重构并分析图片。劣化前，试件M1无明显缺陷(图2a)；劣化60天时，试件棱边出现了明显裂纹(图2b)；在硫酸钠溶液中继续干湿循环劣化30天，红色区域和蓝色区域增大，表明损伤变大(图2c)。
图3a、b、c显示试件M2加载前后及经硫酸钠继续劣化的XCT图片。加载前，试件M2受弯区域的棱边没有发生明显裂纹(图3a)；加载后，试件M2受弯区内部沿FRP筋周围出现许多不规则裂纹，但试件棱边没有明显损伤，孔隙大小没有明显变化(图3b)；在硫酸钠溶液中继续干湿循环劣化30天，试件M2受弯区的棱边出现裂纹，红色区域在原有基础上继续增大，内部孔隙也有所增大。
图4劣化前后砂浆试件M1和M2的孔隙率对比。劣化前，试件M1和M2的孔隙率相差不大，劣化60天时试件M1的孔隙率增长到5.126％，受荷载后试件M2的孔隙率增长到5.258％，这表明，试件分别经过60天干湿循环劣化和受外加荷载后产生的孔隙率相近。将上述两类试件一同浸泡于10％的硫酸钠溶液中继续劣化30天，试件M1的孔隙率增长到6.379％，试件M2孔隙率增长到6.213％，两类试件的孔隙率仍相差不大。
图5劣化前后砂浆试件M1和M2的抗压强度对比。劣化前，试件M1和M2的抗压强度分别为56.23MPa和54.17MPa；试件M1劣化60天后，抗压强度降至50.73MPa，试件M2受外加荷载后抗压强度降至48.55MPa，两者相差不大。将上述两类试件一同浸泡于硫酸钠溶液中继续劣化30天，试件1的抗压强度降至44.09MPa，试件M2降至46.23MPa。这表明，试件M1和M2分别经过硫酸钠干湿循环60天劣化和受荷载劣化后，其残余的抗压强度相近，继续劣化30天，二者抗压强度也较接近。这进一步表明，砂浆试件分别经过干湿循环-硫酸钠劣化60天和施加外部荷载造成的劣化结果相近，此两种劣化方法可以近似等效。
Claims (4)
1.一种干湿循环-盐结晶腐蚀试验等效转化为外加荷载试验的方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1，制作尺寸相同的水泥砂浆试件M1和M2，在试件M2中预埋乙烯基筋材，所述乙烯基筋材为乙烯基聚酯塑料纤维筋材；
步骤2，将试件M1置于盐溶液中进行干湿循环劣化试验；
步骤3，通过式（1）计算得到试件M2需要施加的外加荷载值
：
式（1）中：
为外加荷载值，
为液体产生的压力，S c 为晶体体积分数，V m 为晶体摩尔体
积，R为理想气体常数8.314 J/(mol·K)，T为干湿循环过程干燥阶段的温度，β为盐的过饱
和度，ν p 为孔的影响系数，V a 为集料体积，V c 为混凝土体积，
液体产生的压力
通过式（2）计算：
式（2）中：M w 为水的摩尔质量，T为干燥阶段绝对温度，ρ l 为液态密度，H为相对湿度，
晶体体积分数Sc通过式（3）计算：
式（3）中：γ cl 为表面能，V m 为晶体摩尔体积，B为孔径常数2.23×exp7，
盐的过饱和度β通过式（4）计算：
式（4）中：c t 为盐溶液的实际浓度，c 0 为盐的饱和度，
ν p 为孔的影响系数，通过式（5）计算：
式（5）中：k为常数，C30、C50、C80混凝土的k值分别为28.25、49.67和64.29，r为试件尺寸，可通过试验测得，φ满足式（6），
φ= A exp (v∙α) （6）
式（6）中：A，v 均为常数，C30、C50和C80混凝土的参数A分别取0.000673、0.00302和0.0112，C30、C50和C80混凝土的参数v分别取4.375、3.057和2.224，α为水化度，取为1；
步骤4，采用步骤3计算得到的外加荷载值
对试件M2进行外加荷载试验。
2.根据权利要求1所述的干湿循环-盐结晶腐蚀试验等效转化为外加荷载试验的方法，其特征在于：所述盐溶液为质量分数为10%的Na2SO4溶液。
3.根据权利要求1所述的干湿循环-盐结晶腐蚀试验等效转化为外加荷载试验的方法，其特征在于：所述干湿循环劣化试验的一个循环为20℃浸泡8h、50℃干燥16h。
4.根据权利要求1所述的干湿循环-盐结晶腐蚀试验等效转化为外加荷载试验的方法，其特征在于：所述外加荷载试验采用四点弯曲加载装置进行加载，加载速度设置为80 N/s，达到最大荷载时，持续时间为30 min。
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| Title |
|---|
| An approach for predicting the compressive strength of cement-based materials exposed to sulfate attack;Huaicheng Chen 等;《PLOS ONE》;20180118;第1-17页 * |
| 干湿环境下混凝土收缩与收缩应力研究;高原;《中国博士学位论文全文数据库 工程科技Ⅱ辑》;20140715(第07期);第1-165页 * |
| 海洋环境下混凝土强度演化预测评价系统;康文策;《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技Ⅱ辑》;20180515(第05期);第39-43页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN109142086A (zh) | 2019-01-04 |
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