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1、盐湖卤水对HPC材料及结构力学性能影响研究摘要：本文研究了高性能混凝土(HPC)与普通混凝土OPC)试件在盐湖卤水2年腐蚀期内的抗压与抗折强度的变化情况以及HPC与OPC梁在盐湖用水腐蚀后的结构疲劳寿命及力学行为失效机理,并绘制了不同模型的S-N曲线,拟合出了S-N曲税方程，通过取样分析其随腐蚀舲期的变化离子浓僮对混凝土试件及架构件的影响，试验结果表明：抗折强度在龄期内表现为增强,抗压强度表现为降低：矿物掺合料的掺加能有效的提高混凝土的抗腐蚀性能：硫酸根离子侵蚀导致混凝土的损伤是其抗压强度下降的原因之且氯高了能铭减缓祗酸靛侵蚀破坏的速度：囱水能加速钢筋锈蚀并严3T影响混凝土梁的疲劳寿命：疲劳破
2、坏包括初裂裂缝的开展,损伤的枳累三个阶段,且箍筋具有一定的抗裂性：低锈蚀率的混凝土梁疲劳寿命很大程度上由其本身强度和所处环境决定。中图分类号：TU375.I文献标识码：A文章漏号：InfluenceofionerosiononHPCStrengthinbrineenvironmentZHAOXuanLIUUanxin1L5aL0a05a,这说明，Cl随时间的推移逐渐向混凝土内部迁移，由外到内，侵蚀由强变弱。OPC在各腐蚀龄期下30-35mm的取样深度中的CI含量保持较高且均大于0.5%.HPC中CI含量随深度降低在30-35mm深度时的Cl含量保持较低且均小于0.5%,这说明，掺加了矿物掺合料
3、的混凝土试件由于密实度较好.降低了Cl的渗透性能，而且混凝土试件中未参加水化作用的矿物掺合料对CI有一定的吸附作用，能有效的阻碍Cl在混凝土中的扩散。大量研究都表明掺入粉煤灰、矿渣、硅灰等矿物掺合料后混凝土的抗侵蚀能力增强，主要由于粉煤灰的火山灰效应.生成了更多的水化硅酸钙、水化铝酸钙等水化产物，增加了Cl的物理吸附量,进而增加了结合Cl能力。矿渣粉比粉煤灰的活性更高，能与Ca(OH)2发生二次反应生成更多的水化硅酸钙。水化硅酸钙不仅能使混凝土更加密实,降低进入混凝土的。总量，并吸附进入的Cl=(2)SO户侵蚀分析混凝土试件在任意服役龄期下S04；含量都随深度的增加呈下降的趋势；腐蚀龄期为2a
4、时的S04?含量在各取样深度下最高，Oa时含量最低，且Oa时.取样深度为0-5mm时SO4?含量最高.之后随深度的增加而减小直至平稳。这说明S04?的侵蚀深度随时间的延长而加深，但侵蚀含量会减少.OPH与HPC试件腐蚀时间在0.5-1.5a时，同一取样深度下的SO4?的含量随腐蚀时间的延长变化很小。SOr侵蚀在该时间段不明显，但随时间的延长S04”的侵蚀深度加深，这说明某种物质在该时间段抑制了S043的侵蚀。而金雁南”等的研究也表明当侵蚀溶液当中出现S04”与Cl共存的情况时，Q能够减缓硫酸盐侵蚀破坏的速度C氯盐溶液浓度越高，延缓混凝土损伤效果越明显。主要是由于CI与混凝土中水化产物反应生成了
5、Friedel盐，造成了混凝土中部分孔隙堵塞，降低了S04?在混凝土中的扩散速度。因此，除了矿物掺合料对SO1侵蚀有抑制作用.离子共存也能对腐蚀速率产生影响。在服役龄期05-20a之间，HPC中S04?浓度在取样深度O-Iomm时比。PC要小，这说明，掺加了矿物掺合料的混凝土试件由于密实度较好，SO4?不易扩散，抗侵蚀性能较好,并未导致严重的混凝土剥落及开裂现象。陶岚”等的研究也表明掺合料的混接与高效减水剂配制成低水胶比的混凝土，更能提高混凝土的抗硫酸盐侵蚀能力。表3C与SO侵蚀浓度分析卤水腐蚀时间/a粘心取样深度mmOPCC卜浓度HPCCI-浓度/%OPC硫酸根浓度/%HPC硫酸根浓度/%0
6、(Td)0-50.0240.Oll0.0670.0725-100.0210.0090.0350.02210-150.0150.0080.0110.02515-200.0130.0070.0110.01820-250.0130.0070.0120.02225-300.0090.0050.0130.03530-350.0090.0040.0150.0350.50-51.2670.7980.1320.0765-100.9850.5620.0880.06410-150.8910.330.0750.0515-200.8850.1450.0680.04520-250.6390.1380.0530.0432
7、5-300.6480.0840.0680.03930-350.5860.080.0660.034I0-51.6161.0130.1810.0835-101.2130.7430.1680.06610-151.1730.4550.1210.05915-201.1410.2870.0720.05120-251.0170.1640.0650.04925-301.0060.1590.0590.03830-350.9510.1350.0520.0321.50-51.8421.0930.2170.1215-101.3240.8250.1720.06210-151.1530.6650.1260.05215-2
8、01.1010.5060.0910.05820-251.0350.3190.0810.05225-301.0070.2250.0710.05130-350.9880.2090.0630.04820-51.8011.3330.2360.1365-101.4050.9450.1950.08310-151.2030.8690.1780.07515-201.1170.7170.1310.06620-251.0560.3540.1190.06!25-300.9980.2170.1070.05630-350.9920.2080.0920.0523.3 OPC与HPC强度的变化分析表40PC与HPC卤水腐蚀
9、下的抗折强度（MPa）Tab.4FlexuralstrengthofOPC与HPCBrineinCorrOSion（MPa）抗折强度（MPa）抗压强度（MPG类型水股标准0.5a1.0aLSa2.Ou标准标准标准0.5a1.0a1.5a2.Oa比养护卤水卤水卤水卤水养护养护养护卤水卤水卤水卤水28A环境环境环境环境3d7d28d环境环境环境环境OPC0.523.03.i6.04.66.65.513.032.423.i24.327.821.2HRC0.306.37.98.59.313.521.841.150.659.946.646.643.9OPC与HPC28d的强度可以看成是卤水腐蚀Oa下的强
10、度，HPC中粉煤灰掺量为12%,矿渣掺量为20%,硅粉掺量为3o0PC与HPC试件在卤水腐蚀环境下随服役时间的延长，抗折强度整体上呈上升趋势。OPC在腐蚀时间0-2Qa时的抗折强度呈现先增后减再增的变化规律,在2a时达到最大为6.6MPa而HPC在腐蚀时间O-ZOa时.试件没有出现抗折强度的损失，且抗折强度随服役时间的延长持续增长,其值达到13.5MPa,证明其抗腐蚀能力最强。这种现象说明，在卤水腐蚀过程中必定产生某种物质，提高了其抗折强度。OPC与HPC试件在养护期内的抗压强度逐渐增长，且所测7d抗压强度占总强度比例分别为40.1%.81.2M、说明掺矿物掺合料的混凝土试件早期水化较快,强度
11、增长较快，而后期强度增长较慢。C)PC与HPC试件在卤水腐蚀环境下随服役时间的延长，抗压强度整体上成下降趋势，OPC试件在0-2a时的抗压强度呈现先减后增再减的规律，主要是由于混凝土的化学物质在Cl及SO溶液中发生反应，并吸附离子填充孔隙，导致表层混凝土孔隙膨胀破坏，抗压强度减小，当卤水离子大量进入内部后生产了膨胀性物质钙矶石使抗压强度增加，最后由于构件内部膨胀损伤积累导致混凝土抗压强度下降。HPC试件在0-0.5a抗压强度仍然在增长，说明其后期水化持续较长.这主要是由于（1）矿物微粉的微骨料效应，参加水化反应并且填充混凝土内部的微小孔隙，使其更加密实，从而强度更高，（2）C会通过扩散与渗透作
12、用进入到混凝土内部后与水泥水化产物发生反应.生成水化氯铝酸盐，密实混凝土内部的孔隙，使混凝土抗压强度提高，（3）硫酸盐在混凝土水化过程中，生成了膨胀性产物钙帆石，形成巨大的膨胀应力.使得混凝土强度提高。HPC在卤水环境下抗压强度增长到最大值后损失较小，抗压强度变化比较稳定，说明该配合比的HPC在腐蚀条件下抗压强度的增长近似与腐蚀影响能力相同，抗腐蚀性能较好。造成强度损失主要由于膨胀性产物钙矶石，形成巨大的膨胀应力,造成体积膨胀，整体结构开始疏松化，导致混凝土的损伤进而导致抗压强度降低。以上分析表明：混凝土抗腐蚀能力与其早期养护强度大小没有直接关系；矿物掺合料的掺加能有效的提高混凝土的抗腐蚀性能
13、。3.4 OPC与HPC梁疲劳试验结果该试给是等幅疲劳试验，疲劳破坏以混凝土疲劳破坏为主要形式，梁的破坏形式在疲劳荷载为0.8F以下时表现为正截面受弯破坏,而疲劳荷载取较大值0.8时则表现为斜截面破坏。本实验裂缝主要集中于跨中附近，即箍筋内侧，箍筋所在区域附近裂缝较少且较短，一般跨中裂缝最宽，箍筋的存在能有效的分散裂缝，起到一定到抗裂作用。试验表明疲劳破坏包括初裂，裂缝的开展，损伤的积累三个阶段。初裂阶段是弹性工作阶段，裂缝具有回复性；裂缝开展阶段是塑性阶段，随着疲劳次数的增多.裂缝逐渐向顶部延伸，宽度变宽.同时会产生新的细微裂缝，此时钢筋会承担部分应力。HPC梁开裂时的裂缝宽度要比。PC梁稍
14、大，开裂荷载大于或等于普通混凝土梁,且开裂后裂缝的数量要比普通混凝土梁少；在相同配筋率下,HPC梁的抗裂性要比普通混凝土梁要好，荷载加大到一定程度时HPC梁的裂缝扩展幅度小于普通混凝土梁，这说明HPC与钢筋之间的粘结比普通混凝土与钢筋之间的粘结更好。疲劳破坏示意图见图2。图2混凝土梁疲劳破坏示意图根据实际测试，得到了试验梁分别在0.35FU、0.50Fu.0.65Fu,0.8OFU级疲劳荷载下的初裂疲劳寿命M和破坏疲劳寿命N,耦合疲劳试玲结果见表5、6。研究表明,钢筋混凝土梁在循环荷载下的破坏往往是由于内部损伤的积累，梁的刚度逐渐退化导致的10o由上表5、6可以看出,对比基准及A耦合条件，相同
15、配合比的HPC梁在相同应力比下.基准条件下混凝土梁的疲劳寿命略大，这说明水环境浸泡下梁的寿命会略微降低.HPC梁比普通混凝土梁的抗弯承载力要高，这与混凝土试件的28天抗压及抗折强度有密切关系；混凝土梁的疲劳寿命与混凝土抗压强度的大小有关，混凝土抗压强度越高对应梁的疲劳寿命越长。在相同耦合疲劳条件下.混凝土梁的疲劳寿命及初裂寿命均由疲劳荷载值决定，疲劳应力取值越大，梁的疲劳寿命及初裂寿命越短.这主要是由于疲劳荷载能降低混凝土与钢筋之间的粘结力，降低二者协同工作的能力，从而使梁的承载力、刚度、延性等降低，应力取值越大越明显。疲劳前期裂缝开展缓慢，随着疲劳次数的增多.裂缝开展越来越快，且梁疲劳破坏时
16、具有突然性和破坏性。因此对长期承受循环往复荷载的构件采取一定的加固措施将有利于延长构件的使用寿命，并增加其安全性，如采用复合砂浆钢筋网、BFRP布加固钢筋混凝土梁能有效的提高梁的承载力及疲劳寿命。表5基准耦合形式下混凝土疲劳试验结果类型FukN)簿合形式梁号Fy(kN)RNl(次)N(次)OPC14Ll4.90.351152117653基准HPC181.36.30.35161230256254表6A福合形式下混凝土疲劳试验结果耦合耦合类型Fu(kN)形式梁号Fy(kN)RNl(次)N(次)形式梁号Fy(kN)RNl(次)M次)ALl5.50.351187718003CLl5.503563635
17、102147AI.27.90.5042158240CL27.90504056377162C3O15.7AAI.310.20.6517773346CCL310.206532896&4443AI.412.60.80251470CL412.60808101555A1.96.90.35165848254973CL96.9035178541280692ALlO9.90.5077448I5O7(MCLlO9.905086945171057Ca50z19.7AALll12.80.652883457690CCLll12.80654022379744AL1215.80.8041588146CL1215.8080
18、18017355623.5 钢筋锈蚀情况分析混凝土构件中的钢筋锈蚀在很大程度上会影响混凝土构件的使用寿命，而牛荻涛、金伟良等认为，当钢筋锈蚀率小于5%时,钢筋表面锈坑较少，构件静载能力无明显降低L甚至会由于锈蚀的产生使钢筋与混凝土之间的粘结性能提高,并且对试件疲劳寿命变化没有明显降低，当锈蚀率大于5航时,由于锈坑较多，混凝土会出现锈胀裂缝，导致钢筋与混凝土粘结降低.从而影咱混凝土梁的疲劳寿命;，A、C两种耦合形式下标定钢筋的锈蚀率和力学性能情况见表7。梁中箍筋也有一定程度的锈蚀，箍筋锈蚀对疲劳寿命的影响必须引起重视。表7耦合形式下标定的筋的钱蚀率和力学性能情况混凝土标号及耦合形式钢筋标号钢筋锈
19、蚀率抗拉强度Rm(MPa)混凝土标号及情合形式钢筋标号钢筋锈蚀率(%)抗拉强度Rm(MPa)A70.28386C73.48332OPC-AA80.24385OPC-CC82.47321A170.15354C171.35313HPC-AA180.18353HPC-CC181.24306由于在7d腐蚀龄期下的C在各侵蚀深度下含量较低，固导致了梁中钢筋锈蚀率较低的情形。从表8可以看出A、C两种耦合形式下的标定钢筋腐蚀率均较低，小于5断导致阻锈剂效果不是很明显；在同一腐蚀条件下的钢筋锈蚀率对钢筋抗拉强度影响较小；对比A、C两种形式可知.在卤水环境下的钢筋锈蚀程度明显比水环境高，卤水环境下的钢筋抗拉强度
20、偏低，但是试验梁在相同疲劳应力下，C形式下的疲劳寿命比A略高.这主要是由于在低锈蚀下,钢筋与混凝土梁的的粘结性能更好，并且产生的铁锈使混凝土更加密实，使得混凝土强度提高，疲劳寿命延长。3.6 OPC与HPC梁腐蚀疲劳破坏规律分析由惠5、6绘出混覆土的菠劳SN曲践，指数模型见图3,幕函数模型见图4。图4累函数模型SN曲线指数函数模型S-N曲线方程:0PC-A:y=-0.12ln()+1.5673(R2=0.9469)HPC-Ary=-0.123ln(x)+1.9349(R2=0.9235)OPC-Cy=-0.081ln(x)+1.4133(R2=0.6908)HPC-Cy=-0,213ln(x)
21、+3.0451(R2=0.989)毒函数模型S-N曲线方程：OPC-A：y=32152M(R2=0.989)HPC-A：y=6.O69x0217(R三=0.8495)OPC-C：y=2.2868x0138(R2=0.5895)HPC-C：y=47.445035(R三=0.9499)根据试除数据拟合的S-N曲线图及方程可知：指数函数模型的疲劳方程在半对数坐标系中为线性关系，即S与LogN成线性关系,幕函数模型中.LogS与LogN成线性关系。在指数函数模型及器函数模型中，OPC梁在C耦合形式下疲劳方程决定系数(R?)较低，在C耦合形式下疲劳方程决定系数(R?)较高.曲线拟合不稳定；HPC梁在A、
22、C耦合形式下疲劳方程决定系数(R2)都较高,说明HPC曲线的拟合程度较好且保证率较高，可用于该混凝土梁的疲劳脍算.4结论(1)HPC试件在卤水环境腐蚀下.随着服役时间的推移，抗压强度下降.抗折强度增长。抗压强度下降与SO42-的侵蚀损伤及吸附Cl-能力减弱有关，抗折强度增长与矿物掺合料结合卤水离子填充孔隙，使结构更加密实有关。抗压强度高并不意味着抗腐蚀性强，抗腐蚀性能与所掺矿物量有一定关系。(2)试验中HPC梁具有良好的抗裂、抗疲劳性能，更有利于结构构件的长期使用，因此鉴于青海地区的严酷环境条件，在施工过程中需推广使用HPCo(3)试验中拟合的混凝土材料S-N曲线，可根据实际情况用于研究中的疲
23、劳性能评估与预测。但由于混凝土材料是一种非匀质材料.疲劳中的应力S、疲劳寿命N都具有一定的离散型.在使用过程中需要多次验证.(4)疲劳破坏包括初裂.裂缝的开展，损伤的积累三个阶段，且混凝土梁中的箍筋有一定的抗裂作用。钢筋混凝土梁在低锈蚀率的疲劳时，梁的疲劳寿命高低由混凝土的强度及化学腐蚀决定；钢筋锈蚀主要是由于溶液中的阴阳离子引起的，而Cl-的存在能加速钢筋的锈蚀以及混凝土结构的破坏，从而降低混凝土构件的疲劳寿命；由于卤水中含有众多的阴阳离子，对混凝土构件腐蚀具有多样性、复杂性，还需定量、具体的进行研究分析。参考文献1余红发.孙伟刘连新,等.在盐湖卤水环境中混凝土应力腐蚀行为JL哈尔滨工业大学
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