青海盐湖地区混凝土抗碳化性能试验研究
来源: | 作者:广州凯胜建筑材料公司 | 发布时间: 2021-04-12 | 208 次浏览 | 分享到:

青海盐湖地区混凝土抗碳化性能试验研究

 

摘要:为解决盐湖地区公路桥梁基础防盐蚀问题,从混凝土碳化角度研究混凝土在盐湖卤水侵蚀条件下的碳化性能和盐湖卤水侵蚀、冻融循环双重因素影响下的碳化性能。通过试验研究对比分析了未采取其他措施的高性能混凝土和采取防腐措施的高性能混凝土碳化性能的差异,观察防腐措施的效果,建立了盐湖卤水条件下的混凝土碳化模型。研究表明:外抹和内掺防水材料的措施对提高混凝土抗碳化性能有一定效果,所建立的盐湖卤水条件下的混凝土碳化模型与试验结果吻合良好。

关键词:混凝土碳化;冻融循环;混凝土防腐;盐湖;XYPEX掺合剂





引言

我国干旱、半干旱的西北地区,分布着很多盐湖。这些地区气候干燥,蒸发强烈,毛细水所引起的积盐作用显著,土中含盐量高、成分复杂,给公路桥梁建设带来了一系列的困难。根据以往的工程经验,建造在盐湖地区的混凝土结构普遍使用寿命短,有些结构使用35 年甚至1 年就遭到较为严重的破坏,一般难以达到50 年的耐久性要求。本文为解决将建的青海省察尔汗至格尔木高速公路的混凝土防腐问题,采用在混凝土中内掺或外涂XYPEX 防水材料的方法,提高混凝土抗盐腐蚀性能。XYPEX是一种自修复型的阻水材料,可有效地将盐湖卤水隔绝在混凝土之外。通过对比试验,研究采取防腐措施后混凝土的抗碳化性能,建立不同类型混凝土碳化深度模型。根据理论和试验研究结果,提出盐湖地区高速公路桥梁基础防腐蚀的措施。

 

一、试验概况

1.1 试验方案

本次试验设计了三种类型,共15 组(每组3个)混凝土试件,即不采取防腐措施的高性能混凝土试件(下称为空白试件),内掺XYPEX 防腐材料试件和外抹XYPEX 防腐材料的试件。试件的尺寸分为100mm×100mm×100mm(下称立方试件)和100mm×100mm×300mm(下称条状试件)两种,各种试件的数量和试验方案见图1

所有混凝土试件的强度等级均为C50,水泥采用西安秦岭牌P·O42.5R 级早强快硬水泥,细骨料采用西安蓝田县灞河细砂(5mm),粗骨料采用西安蓝田县产花岗岩(25mm),掺合料采用西安户县产粉煤灰,外加剂为山西黄腾化工有限公司产的HT-HPC 聚羧酸高性能减水剂;水为自来水。混凝土的配合比见表1XYPEX 的掺量为水泥用量的2%,外抹XYPEX 按照0.4kg/m2 每遍的用量涂刷三遍。

 

1 试件混凝土配合比

材料名称

水泥

细骨料

粗骨料

粉煤灰

外加剂

拌10L 用量/kg

4

6.7

10.95

1.2

0.0624

1.742

 

由表1 可计算得出本次试验制备的混凝土试件水胶比为0.335

根据察尔汗盐湖地区的水质检测数据,配制与其条件相同的卤水,各化学试剂的含量见表2

 

2 试验所配卤水中各种离子的含量

试剂名称

NaCl

NaHCO3

KCl

CaCl2

NaSO4

MgSO4

MgCl2

含量/(g/L)

3.66

1.34

5.35

28.26

16.74

149

756

立方试件全部采取浇水养护,条状试件由于表面涂抹XYPEX材料采取泡水养护,水的深度达到试件高度的2/3左右。所有试件养护28d。养护结束后进行冻融循环和室内快速碳化试验。

 

1.2 试验方法及过程

冻融循环试验按照文献[1]中的“快冻法”执行。冻融箱的一次冻融循环过程为:①20~-25℃:25 min②保持-25℃:40 min-25~20℃:10min④保持20℃:35min。每次循环的时间160min左右。在冻融过程中,冻融箱中温度在-25~20℃,混凝土试件中心温度在(-17±2~8±2℃之间变化。对不同的混凝土试块分别进行0次(条状试件)、50次和150次冻融循环。碳化部分试验按文献[1]“碳化试验”执行。试验的具体流程见图2 所示。

 

二、试验结果分析

混凝土碳化反应的主要化学反应式如下[2]

CO2+H2OH2CO3

CaOH2+H2CO3CaCO3+2H2O

3CaO·2SiO2·3H2O+3H2CO33CaCO3+2SiO2+6H2O

2CaO·SiO2·4H2O+2H2CO32CaCO3+SiO2+6H2O

本文所研究对象是青海盐渍土地区的混凝土结构。由于青海地区的气候环境较为特殊,故将其按照普通碳化和冻融循环后的碳化两种情况分别予以研究和讨论。为了便于数据的讨论和分析,根据冻融循环次数的不同和混凝土试件类型的不同,为试验编号如下:A0C0M0A50C50M50A150C150M150。其中A 为空白试件,C为内掺XYPEX 试件,M为外抹XYPEX试件,字母后面的数字表示冻融循环的次数。例:C150表示内掺XYPEX,冻融循环150次的试件。

 

2.1 单一因素作用下混凝土的碳化

张誉等[3]提出了单一因素作用下基于碳化机理和试验的碳化深度实用数学模型: 

 

将试验参数代入式(1),可得与本次试验相匹配的碳化预测模型:。未冻融的条状试件各碳化龄期的碳化深度实测值与使用碳化模型计算的理论值见表3


3 试验所配卤水中各种离子的含量

碳化时间/d

计算结果/mm

AO

CO

MO

3

2.43

2.6

2.2

2.0

7

3.71

4.0

3.4

2.9

14

5.25

5.7

4.8

4.3

28

7.43

8.0

7.1

6.1

由表3 可看出:

1AO试件的碳化过程与文献[3]模型相似程度较好,试件的碳化深度实测值均比理论计算值略大,实测值与理论值的相对误差约为8%。因此,对于空白试件,进行单一因素下的碳化,用此种模型来模拟预测其碳化过程,具有一定的可信度。但使用该方法预测工程中混凝土的碳化深度时宜修正,否则略偏不安全。

2C0试件与此碳化模型在各个碳化周期内的碳化深度实测值与理论碳化深度的相对误差在10%以内。但是,由于不同碳化周期内,其相对误差分布范围较广,因此,此种碳化数学模型已不适合模拟内掺XYPEX 试件的碳化过程。

3)对于M0试件,因为在各个碳化周期内试验实测值与理论计算值的相对误差均较大,达到了-20%左右,故此种模型更不适合于涂抹XYPEX试件碳化深度的预测。对于单一因素下内掺和外涂XYPEX 试件碳化深度的预测,需要有一个更为合理的碳化模型。

4C0M0试件在各碳化周期内的碳化深度均比同碳化周期内的空白试件小,且在碳化试验的初期,内掺和外抹XYPEX的试件碳化速度较快,随着时间的延长,碳化速度逐渐降低,内掺和外抹试件的抗碳化能力逐渐提高。

通过上述试验数据分析发现,由于防腐材料的存在,采用文献[3]模型有一定误差,对C0M0采用   进行拟合则更为合理[4]

在幂函数 回归分析的基础上,进一步将其转变成线性方程进行分析,具体过程如下:对方程的两边分别取对数,得:

 

将原碳化模型转化为线性拟合函数:

 

结合表3 中的数据,使用最小二乘法对方程进行拟合,可分别得到C0M0 的碳化深度数学模型:

 

利用以上两个碳化深度数学模型,可以依次计算出试验中C0 M0 在各碳化龄期内的碳化深度,并将计算出的碳化深度理论值及实测值示于图3 与图4。从两图中可以明显的看出,两种混凝土试件的碳化深度模型与实际的碳化过程均拟合的较好。

 


 

但是,此碳化深度数学模型是针对处于快速碳化试验的混凝土试件而建立的,所以,若要具有实际使用价值,就必须将其转换成为盐湖地区自然环境下的碳化深度计算公式。

根据快速碳化试验碳化深度与碳化龄期的关系,将公式简化为[5]

 

将上述三种试件碳化深度数学模型中的相关系数代入式中,

可得其在盐湖非冻融地区自然环境下的碳化发展方程表达式:

 

运用以上三个表达式就可以较为精确地预测出不同类型混凝土试件在盐湖非冻融地区不同时间段内的碳化深度。通过对表3 和几种不同碳化发展方程的比较,可知,在盐湖非冻融地区,使用XYPEX 材料可以大大的延缓CO2向混凝土内部扩散和发生碳化反应的速度,从而能明显的提高混凝土结构的抗碳化性能。其中,涂抹XYPEX 材料比内掺XYPEX 材料更为有效,更加适应于青海盐湖非冻融地区。

 

2.2 冻融循环后混凝土的碳化

冻融循环后混凝土试件在各碳化龄期内的碳化深度实测平均值见表4

4 不同冻融循环下各试件的碳化深度平均值mm

碳化时间/d

A50

A150

C50

C150

M50

M150

3

1.47

1.73

0.63

0.670

0.333

0.367

7

2.27

2.63

1.17

1.200

0.470

0.670

14

3.20

3.70

1.63

1.733

0.700

0.967

28

4.60

5.47

2.27

2.500

1.130

1.370

通过对表4 中碳化深度数据的纵横向比较,可以看出:

1)冻融循环次数的增加对内掺XYPEX材料的试件破坏作用最小,而对空白试件的破坏作用则较大。但是,由于其差值的绝对值均很小,不到1mm,难以看出冻融循环次数的增加对混凝土碳化深度的影响。总之,涂抹或内掺XYPEX材料在抵抗冻融循环次数增加对混凝土试件的破坏作用方面具有一定优势,但是优势并不明显。

2)无论50次或150次冻融循环,无论CM试件,其在各碳化周期内的碳化深度和A试件相比均小得多。

3)各碳化龄期内,M试件的碳化深度比C试件小50%左右,可见对于冻融循环后的混凝土而言,涂抹XYPEX 材料比内掺XYPEX材料更能提高混凝土的抗碳化性能。

此外,通过对比单一因素和双重因素(冻融循环+碳化)下的快速碳化试验的结果,可以看出:

单一因素下的混凝土试件碳化深度均比双重因素下的试件的碳化深度要大,对空白试件而言,大约为1.5倍左右,而对涂抹XYPEX 材料和内掺XYPEX 材料的试件而言则甚至达到3~5 倍。这是因为大量NaCl的存在会降低卤水的冰点,使得青海盐湖地区的冻融循环对处在其中的混凝土并无明显的破坏作用,反而由于其填充作用,降低了总孔隙率,减小了孔径,从而降低了CO2的扩散速度,导致了单一因素下的混凝土试件碳化深度大于双重因素下试件的碳化深度[6]

在试件碳化深度减小的同时,由于混凝土的气孔和微裂缝中充满了Cl-,可能会导致氯离子的扩散大大加速,造成比普通碳化更为严重、迅速的钢筋锈蚀和结构破坏,本文对此将不再作深入研究。

运用与建立C0M0 试件碳化模型相同的方法,分别建立ACM试件的数学模型及自然环境下的混凝土碳化发展方程:

 

利用以上碳化深度数学模型,可以依次计算出试验中各种试件在不同碳化龄期内的碳化深度,所有类型混凝土试件的碳化深度模型与实际的碳化过程均拟合良好。图56 选择了两条吻合性能最好和最差的图线,作为示例。

 

运用以上表达式就可以相应地预测出不同类型混凝土试件在盐湖冻融地区各时间段内的碳化深度。

三、结语

1)对于青海盐湖地区,无论混凝土结构是否参与冻融循环,无论冻融循环次数的多少(50次或150次),使用XYPEX均能有效的提高混凝土的抗碳化性能,其中涂抹XYPEX 材料的抗碳化效果更佳。

2)由于冻融会析出少量微膨胀性的CaSO4 晶体,它的产生使混凝土结构的内部产生微裂缝,并且随着冻融次数的增加而增多,故同一类型的试件,在经历150次冻融后的碳化深度要略大于同碳化龄期的50次冻融循环的碳化深度。

3)青海盐湖地区参加冻融循环的混凝土,其碳化深度和同碳化龄期内的未经冻融直接碳化的混凝土相比明显较小。说明卤水的冻融循环对混凝土的碳化有着有利的影响,即产生了损伤正效应。

4)在相同的碳化龄期内,涂抹或内掺XYPEX材料的试件经历冻融循环后的碳化深度和空白试件相比降低的百分比要远大于其在单一因素下的数值,即若仅考虑混凝土的碳化影响,青海盐湖冻融地区的混凝土涂抹XYPEX材料将具有比非冻融地区更好的适用性和工程实用价值。

5)本试验建立了盐湖地区自然环境下的混凝土碳化深度模型,模型计算值与本试验结果吻合良好。