（材料学专业论文）应力作用下水泥基材料碳化和渗透特性研究.pdf

内容提簧 混凝土的耐久性一叔是水泥混凝土科学界和工程界最为关注的问题之一，近 年寒其研究已经麸莘一劣纯嚣索转两多耱劣纯嚣素对提凝主嚣| 久经静影畴。豳予 实际工程中的混凝土结构均承受不同类型的旖载和带有不同宽度的微裂缝，教本 文考虑选取外荷载引起的压应力对普通混凝土渗透性的影响，弯曲应力对砂浆、 净浆碳亿深度静豹影礁戳及在带有裂缝袄态下永淀基奉| 籽静渗透和裔愈现象开 展了部分实验研究，同时通过澍混凝、砂浆及净浆系列水泥纂试l 牛的碳化鄹渗 透安验比较，从微观角度对碳化和渗淹、自愈现象的。一些机理也做了初步研究。 遥逶窳酌渗透试骏可戳麓察垂肖外部隔应力豹存在会使滢凝土的渗透稚有 明显改变。在应力比小予0 6 的憧我下，混凝土改渗透系数会隧羞应力毙的增热 而减小，减小的规律可用式k = k o e 一邮表示。当威力比大于o 6 以后，混凝士的 渗透系鼗会明显增加，德增翔幅度未超过一个数量级。滗凝士的渗透稳定往剜表 觋为渗透暴数会浚渗透辩阀增加露减小，减，l 的趋势是越秘戆4 0 一- 6 0 小时内f 簿 最快，其后愈来愈平缓，其规律可用公式k = ( a + e t ) ( 1 + b t ) 来表示。 带有裂缝试件东豹渗透试验表明：单位时间通过裂缝的渗透水量会随着渗透 时糍增加纛减枣，在渗遴实验野始懿兰题痰域，l 、睡菠最大，其基趋缓。水力禚度、 裂缝宽度、渗流时间、试件品种均对自愈程度有比较大的影响。对试件裂缝中沉 积的白色物质做s e m 、x r d 分析得出其成份主要为c a c 0 3 ，c a c 0 3 堵塞裂缝应 泼怒学 起爨愈瑰蒙翦主要聚嚣；c a c 0 3 戆生戏惫捶袭覆反旋程扩毅反应蘧个狳段， 这在一定攫度上解释了自愈现象先快厢慢和自愈幅度砂浆 混凝 净浆。 外部弯曲应力会加速水泥丽和水泥砂浆的碳化过程，这可能与受手立区域碳化 收缩受到羧刹舂关；夸藏应力俸焉下窳涯石鞠东混砂浆静碳纯动力学逡程霹舔式 x = c 。e “t 。描述。根据渗透实验、孔结构分析的结果可以褥出：碳饯降低了水 泥石和水泥砂浆总孔隙率并细化了孔径，其原因是国于碳化生成的碳酸钙在嘏细 孔中沉积，将大的毛细孔分割成小孔所致。融既碳化将会降低水泥石和水泥砂浆 鲍渗透性，渗透热浆降低与水获毙套关，东灰 e 越大其隆低懿蠖度也越大。 关键词：水泥基材料耐久性应力裂缝渗透皇愈碳化 a b s t r a e t t h ed u r a b i l i t yo f c o n c r e t ei so n eo f t h ek e yp r o b l e m si nc e m e n ta n d c o n c r e t ef i e l d t h a tm a n ys c h o l a r sa r ec o n c e m e dw i t h i nr e c e n ty e a r s ，t h ef o c u so f d u r a b i l i t yr e s e a r c h i st r a n s f e r r e df r o ms i n g l ed e g r a d a t i o nf a c t o rt om u l t io n e s a sw ek n o w , c o n c r e t e s t r u c t u r e si nr e a l i t ya r ea l w a y su n d e rv a r i o u ss u e s s e so rw i 血m i c r o c r a c k so fd i f f e r e n t w i d t h s oi nt h i sp a p e r c o m p r e s s i v es t r e s s 、t e n s i l es t r e s sa n dm i c r o c r a c k sa r e i n t r o d u c e di n t ow a t e rp e r m e a b i l i t ya n dc a r b o n a t i o ne x p e r i m e n t ，w i t ht h eo b j e c tt o s t u d yt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h o s ef a c t o r sa n dd u r a b i l i t yi n d e x e s s e m 、x r da n d m i pm e t h o d sw e r ea l s ou s e dt os t u d yt h er e l e v a n tm e c h a n i s m s t h er e s u l t sf r o mw a t e rp e r m e a b i l i t yt e s ti n d i c a t e dt h a tt h e p e r m e a b i l i t y c o e f f i c i e n to fc o n c r e t ew a ss i g n i f i c a n t l yd i f f e r e n tw i t ho rw i t h o u tc o m p r e s s i v es t r e s s t h ep e r m e a b i l i t yc o e f f i c i e n t ( 固d e c r e a s ew 池t h ei n c r e a s eo fs t r e s sw h e nt h es t r e s si s b e l o w6 0 o ft h eu l t i m a t ec o m p r e s s i v es t r e n g t h ，a n dt h ed e c r e a s i n gt r e n dc a nb e e x p r e s s e db yt h ef u n c t i o nk = k 0 e 一虮w h e nt h es t r e s sa c t e do nc o n c r e t es p e c i m e n s e x c e e d6 0 o fu l t i m a t ec o m p r e s s i v e s t r e n g t h t h ec o e f f i c i e n t ( k ) w i l li n c r e a s e o b v i o u s l yb u t t h el a r g e s tc h a n g ei ss t i l lw i t h i nt h eo r d e ro f10 一c m s t h e t i m e d e p e n d a n tc h a r a c t e r i s t i cc a l lb ee x p r e s s e db yt h ef u n c t i o nk = ( a + c t ) “1 + b t ) t h e c o e f f i c i e n tkd e c r e a s e ds i g n i f i c a n t l yi nt h ef i r s t4 0 - 6 0h o u r so f t h ew a t e rp e r m e a b i l i t y t e s t ，a n dt h ed e c r e a s i n gr a t eb e c a m es l o wa st h et i m eg o e so n t h ep e r m e a b i l i t yb e h a v i o u ro fs p e c i m e n s ( c o n c r e t e ，m o r t a ra n dp a s t e ) w i t h m i c r o c r a c k ( o 1 0 3 5 m mw i d t h ) i sd i f f e r e n tf r o mt h o s ew i t h o u tm i c r o c r a c k s w a t e r v o l u m ef l o w i n ga c r o s sm i c r o e r a c kp e rh o u rw i l lr e d u c ew i t ht h ei n c r e a s eo f p e r m e a t i n gt i m ea n dt h er e d u c i n gi sm o s ts i g n i f i c a n ti nt h ef i r s tt h r e ew e e k s i n a d d i t i o n ，w a t e rg r a d i e n t s ，c r a c kw i d t h ，p e r m e a b i l i t yt i m e ，s p e c i m e n sk i n d sc a na l s o i n f l u e n c et h es e l f - s e a l i n gd e g r e e x r da n ds e ma n a l y s i ss h o w e dt h a tt h em a i n c o m p o s i t i o no f t h ew h i t es u b s t a n c ew h i c hf o r m e di nc r a c k si sc a c 0 3 ，w h i c hc a nb l o c k c r a c k sa n di sp r o b a b l yt h em a i nc a u s eo fs e l f - s e a l i n g t w op r o c e s s e sw h i c hc a l l e d s u r f a c er e a c t i o np r o c e s sa n dd i f f u s er e a c t i o np r o c e s sa r ed e f i n e di nt h ef o r m a t i o n p r o c e s so fc a c 0 3 ，t h ep h e n o m e n o n si ns e l f - s e a l i n ge x p e r i m e n tc a r lb ee x p l a i n e db y t h o s et w o p r o c e s s e s t e n s i l es t r e s sw i l la c c e l e r a t et h ec a r b o n a t i o no fp a s t ea n dm o r t a r , w h i c hc a nb e e x p l a i n e db yt h er e a s o nt h a ts h r i n k a g eo fc a r b o n a t i o ni sc o n f i n e db yt e n s i l es t r e s s ，a n d t h ef u n c t i o nx = q p “t 6c a l ld e s c r i b et h i sp r o c e s s c a r b o n a t i o nc a nl o w e rt h et o t a l p o r o s i t ya n d l e s s e nt h ea p e r t u r ei nt h ec e m e n tp a s t e i tm a yb et h ed e p o s i t i o no fc a c 0 3 i nc a p i l l a r yt h a td i v i d et h el a r g ec a p i l l a r yi n t os m a l lo n e 。c a r b o n a t i o ne a r la l s ol o w e r t h ew a t e rp e r m e a b i l i t yo fs a m p l e s t h eb i g g e rt h ew cr a t i o ，t h el a r g et h ed e c r e a s er a t e o f p e r m e a b i l i t y k e yw o r d s ：c e m e n t - b a s e dm a t e r i a l ，d u r a b i l i t y , s t r e s s ，c r a c k , p e r m e a b i l i t y , s e l f - s e a l i n g ，c a r b o n a t i o n 河海大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 闯题的提墩 自从1 8 世纪2 0 年代发明p o r t l a n d 水泥以来，水泥基材料已成为使用最为 广泛的工程榜籽。毽由于戬筏对永混基材料的耐久性认识不够，由此葶l 起的耐久 性蕊不足已绘许多国家楚莫发达藿豢造或了巨大撰失，露且这皴揍失锯呈吕麓上 升之势，因此混凝土的耐久性也成为了目前水泥混凝土科学界和工程界最为关 注的问题之一，世界各阔都对混凝土的耐久性给予了足够的重视，投入大量人力 锈力稠财力进学磺变，以期不叛提裹混凝结棱弱臻久瞧，延长湿凝主工程浆运 行寿命，确保混凝土结构在设计使用年限内良好的使用性和安全性。混凝土结构 设计的原则也从安全、经济转变为安全、耐久、缀济并爨，按耐久性使用年限设 计混凝终秘也已弓| 越久翻豹广泛鬃褫【2 l 。和发达嚣家稷魄，我国是一个在建秘 待建工程数量巨大的发展中国家，如何避免来来的工程产生耐久性问题成为最为 紧追的问题之一。 浞凝主静_ 赫 久毪怒螽滢凝主在羧诗疆瘸年黻海绦掩蒺良好注麓瓣戆力，它 是出所在环境和材料本房性质所决定的。裂缝、豢量损失、变质、强度下降嚣都 是耐久性f 降的液现。影响耐久性的因素概括起来有以下几种：1 ) 酸碱盐侵蚀、 求靛溶镪、藏督料反应、碳纯及电仡学律舔雩l 起韵钢簦瘸蚀、鸯害气体鹃侵镶等 化学作用，2 ) 缘融循环、水豹渗透、荷载、干缕、徐变、磨损等物理作用。 对于上述各种单一因素作用下混凝土耐久性问题，国内外开展的研究正作 已经取得大量成果，箕中许多结论帮经验公式已经在学术赛达成共识，并在蜜际 工耧中缮到缀好的验谨靼应用。许多圜家邦露定了括业或者国家躲耐久性试验援 范，用以评价混凝土在单一因索作用下的耐久性能。关于混凝土耐久性的论文、 报街、著作更是不计萁数f 3 “1 。 然囊王程实际中的混凝劳苓怒在攀一因素下王作戆，般郡承受嚣静或 两种以上的因素拱同作用。比如坝工混凝土受荷载、水的渗透、冻融、气蚀、冲 磨的作用；海工混凝土则受荷裁、氯离子和其它赫类侵蚀、冻融等的作用；即使 联缝嚣壤跑较漫秘豹氐瘸建筑瞧受懿载、碳曩：懿共嚣露瑗。多释羧素共弱佟震翼重， 对混凝土的损伤作用并不是各单一因素作用的简单叠加，各因豢产生的交互作用 使褥实际服役过程中的混凝土破坏过程复杂化，因此以往根据单一因素作用条件 河海大学硕士学位论文 下研究所得的结论和经验公式有一定局限性，用来分析实际工程混凝土耐久性显 得町靠性研i 足。为此，近年来一些混凝土科学工作者逐步开展了多因素作用下混 凝土耐久性的研究，取得了一定的成果，但现有结果仅是初步和零星的，其正确 性也有待于实际工程的检验。 1 2 相关耐久性研究现状 在多因素作用下混凝土耐久性的研究工作中，如何将各破坏因素定量化以 及如何选取组合各种因素，使其更符合实际使用环境是卟非常系统和复杂的问 题。因此在现阶段大部分研究主要还是盐类侵蚀、荷载作用、冻融循环等一些最 常见的凼素的组合实验，而且大部分结果只是定性化的，定量化的极少，由于各 种研究的实验条件等的不同，即便类似的研究结果差别还是比较大【6 7 。8 1 。 上述此类研究其中有不少涉及了荷载与其它因素共同作用下混凝土的耐久 性。事实上在实际工程中，几乎所有混凝土都会承受不同类型的荷载作用，而荷 载往往是引起混凝土中微裂缝产生扩展及导致混凝土破坏的重要原因之一，而且 微裂缝也是务种侵蚀因素对混凝土渗透破坏的一个重要途径，例如外部拉应力的 存在会加速硫酸盐对混凝土的侵蚀已被许多实验证明，因此进行此类研究具有一 定的意义和实际应用价值。下面对近来和本论文研究内容相关的耐久性研究现状 作一些简币的介绍。 1 2 1 抗渗性的研究 由j 二混凝土是一种多孔物质，在存在压力差的情况下，必然存在液体或者 气体从高压处向低压处迁移渗透的现象，这种现象称为混凝土的渗透性【9 l 。混凝 上的抗渗性是指混凝土抵抗各种流体介质及化学物质渗透的能力。由于混凝土耐 久性问题的出现包括氯离子侵蚀、水的渗透溶蚀、碱集料反应、碳化和钢筋锈蚀、 冻融循环破坏等都与渗透性密切相关，可以说抗渗性是保证许多重要工程安全、 删久的必要条件，比如大坝、隧道、污水处理设施、核电站等都对混凝土抗渗性 能提出了很高的要求。 1 2 1 1 混凝土的孔结构与抗渗性 2 河海大学硕上学位论文 混凝土的形成过程导致了其固有的多孔性，水泥石和集料都含有各种大小 的孔隙和裂缝。影响渗透性的最主要因素并不是孔隙率，而与孔隙的尺寸和孔径 分布及连通孔的比例有关。骨料一般渗透性不大，因此水泥石的孔结构很大程度 上决定了混凝土的渗透性。概括来说，水泥石中的孔隙主要为凝胶孔、毛细孔和 大孔i 部分一l 。凝胶孔会随水泥不断水化和水分蒸发而不断增加，一般孔径在 1 0 n m 以下，但凝胶体本身渗透系数很小，凝胶孑l 也基本属于无害孑l ；毛细孔则 是水泥馒化到一定阶段形成的，其数量和平均孔径会随着水泥水化的发展有所下 降，并且与水次比关系比较大，水灰比越大则水泥石的毛细孔也就越大，毛细孔 的孔径小的在0 1 m 以下，大的在0 1 1 0 n 之间，其体积一般可占据水泥石总体 积的4 0 ：犬孔一般是指水泥石内部缺陷和微裂缝，在混凝土凝结过程中砂石骨 料的沉降孔和由于砂浆骨料变形不一致或因骨料表面失去水分而形成的接触孔 等连通的孔也属于这类。但浆体和集料间的界面对渗透性影响的机理目前还不是 很清楚，v a l e m a 等学者研究认为界面对渗透性的影响比较大：但s k a l n y 、m i n d e s s 、 w a k e l e y 、r a y 等学者认为界面不是混凝土渗透性的决定因素：r o s e 的观点认 为凝胶孔和层问水对渗透系数影响不大，而毛细孔和大孔应该对水的渗透过程有 较大影响i ，即便对于使用多孔集料的轻质高强混凝土来说，渗透性也只与砂浆 部分囱天 ”j 。另外水泥水化产生的内外温差、混凝土内部水分蒸发引起的干缩、 承受荷载等引起的微裂缝也是混凝土渗水的一个主要原因。 在水压力试验中得到的渗透系数k ，对于持续湿养护下水狄比在o 3 0 7 的 硬化水泥浆体来说，渗透系数一般为0 1 1 0 4 2 1 2 0 x 1 0 。2 c m s ：对于普通集料来 院，渗透系数为1 7 l o 一一3 5 1 0 0 3 c m s ：对水化比较完全质量较好的普通混凝土 求醴渗透系数在l 1 0 。m s 左右，但实验方法不同，得出的结果相差较大，不具 有横向j 比性。 i 2 1 2 荷载及裂缝对渗透性的影响 j l 乎所有混凝土都有裂缝存在，浇捣过程会产生捣实孑l 和泌水腔，凝结硬化 过程会产生热致裂缝及化学收缩、毛细收缩等裂缝，于燥状态下会产生千缩裂缝， 最后外部荷载会使得裂缝继续发展并产生新裂纹。裂缝引起的混凝土劣化可以用 以f 链式反应表示：劣化一裂缝产生并发展一渗透性更大的混凝土一更加劣化 口。这i 瞳主要讨论的是由于荷载作用而产生的裂缝。 河海大学倾士学位论文 混凝土中微裂缝会对渗透性产生影响，如何定量化这种影响是许多学者研究 关注的目标之一。从理论上来说，水流流经光滑平行面的裂隙，可以用著名的 p o i s e u i l l e 理论来描述川： q 0 = p b w 3 1 2 ，1 d ( 1 1 ) qo 一理想化的光滑裂隙中的水流量，m 3 s e c ；p 一流入和流出裂隙的水压力差， n m 2 ：b 一裂隙的长度，m ；w 一裂隙的宽度，m ；( 卜- 渗流通道的长度，m ；n 一水 的绝对粘度，n s l a 2 ：公式表明在体积不受应力等影响而变化的不变形体中，裂 纹是水渗透的主要原因，并且与裂纹宽度的立方成j f 比。但混凝土远非这样的理 想体，因此流量要比公式计算出的小的多，流量减小的原因有以下几个：1 ) 裂 隙表面的粗糙不平；2 ) 沿水流流向的裂纹宽度和长度是变化的：3 ) 裂纹的扩展 分支：4 ) 物理上的粘聚与附着效应。因此一般通过的流量只有理想状态的六分 之一甚至更少。c l e a r r i p p h a u s e n 等【2 l j 根据试验结果在p o i s e u i l l e 公式之前加了修 j e 系数t ，根据不同条件，e 取值在o 0 3 0 5 3 之问变化。 上述实验中均需要制各带有一定宽度裂缝的试件，此类试件的裂缝一般都是 通过f e e d b a c kc o n t r o l 方法或对试件施加应力来得到的，前一种方法通过事先设 臂的于分表，可以比较精确的得出不同宽度的裂缝，后种方法则是事后用读数放 大镜读取裂缝宽度。但是随后的渗透试验大多数是在卸载后来进行的，必然其中 裂缝会部分闭合，而且不能很好模拟持续荷载下裂缝的不断产生和发展。 c m a 1 d e a 等1 2 2 j 通过f e e d b a c kc o n t r o l 方法在混凝土试件中引入5 0 3 5 0 9 i n 不等的裂缝，并且在3 0 c m 水头高度的低水压情况下进行水渗透试验。结果表明： 对于瞥通混凝土来说，大于1 0 0 1 - t m 的裂缝对渗透系数的影响很大；而1 0 0 1 以下 的裂缝则影响很小：作者还认为试件的厚度对渗透系数的影响不大。g e r a r d 对由 荷载引入的宽度在1 0 1 0 0 1 a m 的试件实验，表明裂缝宽度对水的渗透影响最大。 k e j i nw a n g 等【2 0 的研究表明：5 0 帅以下裂缝对水渗透影响很小，裂缝宽 度从5 0 2 0 0 1 t m 之间变化，水的渗透量会持续显著增长，但大于2 0 0 t a m 后增长率 又会变小。对于3 0 0 - - 4 0 0 r t m 之间的裂缝，混凝土的渗透系数会增加到1 0 - 31 0 4 c r n s 。 而普通未开裂的混凝士渗透系数仅为1 0 。o 1 0 母c m s 。 m i t s u r us a i t o 等【2 3 j 则对试件施加一定比例的轴向压力后进行渗透试验，结果 表明：当对试件所加荷载达到抗压强度的9 0 时候，其氯离子渗透量和未加荷载 4 河海大学硕上学位论史 的试件相比相差不大，甚至达到抗压强度以后的渗透量也只是有很小的增加，这 表明由轴向压力导致的微裂纹对混凝土氯离子的渗透影响很小。但最大达到6 0 抗压强度的循环荷载却能使氯离子渗透量增长很快。 夏爿初等1 27 j 利用测定岩石渗透系数的三轴试验缸进行了不同应力水平下混 凝土的水渗透试验。试验采用的是瞬态法，轴压计算为减去有效围压后的轴压， 试验结果表明渗透系数随轴压加大减小，减小幅度高达5 1 0 倍，只有少部分试 件因为产生污导裂隙而使渗透系数增加。 l - 1 本学者掘口至等【2 8 】对受压荷载的环型试件进行渗水试验，根据试验结果 作者认为在应力水平低于4 5 抗压强度情况下，素混凝土渗透性会比较明显降 低，但应力水平超过4 5 抗压强度以后，渗透性会略有提高。 h a n ir s a m a h a 等的氯离子渗透实验表明：混凝士所受压力在7 5 抗压强度 以下氯离子渗透没有明显增加。所受压力在7 5 抗压强度时试件抗氯离子渗透能 力最强。当试件所受压力接近抗压强度极限时，氯离j ：渗透量- 4 1 比不受压的高 1 5 一：o | 8 1 。而k e r m a n i 等对压应力f 水的渗透试验得出结沦，压应力超过极 限厦力4 0 的时候便会使混凝土的渗透系数显著增加。 由1 i 在荷载较小时候裂缝仅仅在集料和浆体的界面之间产生，而联结这些裂 纹的迩足毛细管，所以渗透性还是由水流在毛细管的流动过程来决定的。只有在 荷载超过抗压强度7 5 时候，微裂纹才会扩展至浆体中，裂纹相互联结贯通，导 致渗流量增加。h a n ir s a m a h a 的试验表明外荷载引起的微裂缝可以显著的增加 混凝上的孔隙率，对于部分加载和满荷载的试件来说，其总孔隙率可以增加1 1 庄右博j 。但总孔隙率只是影响混凝土强度，而渗透性却是由整个孔分布结构中孔 的形状、尺寸和是否贯通来决定的。 上述研究者得出的结论可以说千差万别，只能解释各自试验所得结果和对 同等条件的试验进行纵向对比，因此在如何统一试验方法以利于横向比较上，还 有很多l 作要做。 1 2 1 3 裂缝状态下的渗透和自愈现象的研究 在水压力试验法中，会观察到渗透系数一开始比较高，然后会随渗流时间 的增加而减少的现象，这种现象对于无明显裂缝或带有裂缝的混凝土均表现得很 明显我们一般称之为混凝土的自愈现象。自愈现象一般认为可能由以下原因造 河海大学碗士学位论文 成：1 ) 空气在混凝土中的存在，这主要是混凝土孔隙中存在的空气以及渗透水 中溶解的空气；2 ) 水泥石的膨胀：3 ) 持续水化和一些可溶性物质如氢氧化钙沿 水流通道结晶：4 ) 水中夹杂的碎颗粒随水流在一些部位沉淀堵塞；5 ) 渗透压力 的变化。很多学者晶倾向于把这一现象归结为持续水化的作用，但鲜有试验和理 论的证据来证实这个假设【2 斟。 p o w e s 、m i n d e s s 等人对水泥浆体渗透的实验研究都发现了渗透系数会随时 间而降低，但下降仅限于低龄期的试样。h e a r n 研究了2 6 a 龄期潮湿状态下的混 凝土渗透性结果表明这些试件的渗透量是稳定的：但对于干燥状态下的混凝土 试件，实验还是显示了渗透随时间下降的现象。n a t a l i y ah e a m 等对龄期2 6 a 的 试样研究表明，对于干燥状态下的试件，尽管在背散射电子扫描图象中已显示试 样己无术水化颗粒，但在水渗透实验中自愈现象还是发生了，作者认为氢氧化钙 的溶解和沉淀及碳酸钙的形成可能是这种现象的主要原因1 2 5 。c o r i n a m a r i a a l d e a 等的研究也得出了同一结论1 2 6 1 。 c a r o l ae d v a r d s e n 2 1 】对带有裂缝的混凝土试件渗透得出结论，自愈现象最显 著的是在渗流3 5 天内，根据裂缝宽度和水压力不同，其后的渗流量只有起初的 l 一2 0 ；自怠程度只与裂缝宽与水压力有关，而与所用水泥、集料、渗流水无关。 但也有学者的研究认为是在渗流的2 0 - - 4 0 小时内自愈现象最明显【2 5 】 c a r o l a e d v a r d s e n 对裂纹宽度为0 1 、0 2 、o 3 m m 进行了渗透试验。对于裂纹 宽度为0 2 m m 的试件，结果5 0 的试件在2 5 m 水头高度的渗透试验中于七周以 内裂缝j e 全愈合，而在1 0 m 水头高度的情况下，有2 5 的试件完全愈合。对于 o 3 m m 裂缝的试件的愈合程度则渗流时间占据了主导地位。并且给出了由试验数 据得末的一个简化的回归公式： q t q = 6 5 w m - 0 1 s t ( 1 3 + 4 w ) 一1 0 5 w m 5 8 ( 1 2 ) 其中qz 一经历时间t 时单位时间水的渗流量：q o 一试验初始水渗流量；w 。一 裂缝平均宽度：卜渗流时间。公式未考虑水力梯度的影响，而仅仅考虑了裂纹 宽度和渗流时间对渗流量变化的影响。但作者给出的数据则表明水力梯度很大程 度上影响了自愈的过程，对于4 0 m m 水力梯度下o 2 0 2 5 m m 宽度的裂缝，即使 渗流了数周后自愈也不足1 0 。许多渗透试验的水力梯度要比这大的多，因此必 须考虑水力梯度对自愈现象的影响。 6 河海大学砸上学位论文 自愈的速度和初始的裂缝宽度有关，c l e a r 等的研究得出的结论是：5 0 m 以 下宽度的裂缝在2 4 h 内可以愈合为2 0 p - m 宽；初始裂缝宽度在5 1 0 0 阳之间的裂 缝可以在大约7 d 内愈合为2 0 】a r a 宽度。e d v a r d s e n 的研究则表明：即使2 0 0 1 t m 宽 度的裂缝在5 7 周内亦可以完全愈合，但这些愈合的前提必须在较小的水力梯度 下【2 6 j 。 许多方法被用来评价自愈程度。其中许多研究围绕裂缝之间的水化和沉淀的 产物利用光学显微镜、扫描电子显微镜、x 射线衍射分析、或者化学分析来观 察和分析这些产物。另外对于自愈现象对混凝土材料耐久性的影响还争议比较 大。 1 2 2 碳化现象的研究 上木水利工程中的碳化是指水泥基材料中的c a ( o h ) 2 与大气中的c o ! 产生 反应，从而使得材料p h 值降低的现象。碳化会产生收缩裂缝，对素混凝土、砂 浆等材料危害不大，反而会一定程度提高其强度，但对于钢筋混凝土来说，由碳 化引起的钢筋锈蚀会使其耐久性大大降低而产生严重的工程隐患。这是因为在正 常情况f ，混凝土中的p h 值在1 2 5 以上，在这种高碱性环境下，钢筋表面会生 成一层钝化膜从而保护钢筋免受腐蚀，但碳化导致的中性化可以使混凝土的p h 值低于q ，钝化膜在这种状态下被破坏，此时钢筋的锈蚀就不可避免了。 1 2 2 1 混凝土碳化的基本原理和影响因素 混凝土的碳化是空气中的c 0 2 气体通过孔隙、裂缝向混凝土内部扩散，溶 解于孔隙内的液相，与各水化产物发生反应的复杂的物理化学过程。c o ，主要与 混凝t 中的c a ( o h ) 2 发生中性化反应，但水化硅酸钙以及未水化的硅酸三钙和硅 酸二钙也要消耗c 0 2 气体，主要的化学反应方程如下【2 9 】： c a ( o h ) 2 + h 2 0 + c 0 2 一c a c 0 3 + 2 h 2 0 3 c a o 2 s 1 0 2 3 h 2 0 + 3 c 0 2 3 c a c 0 3 + 2 s i 0 2 + 3 h 2 0 影n 向碳化的因素众多，其中混凝土自身的因素有水泥品种、水灰比、水泥用 量、孔结构分布和尺寸、养护时间等；外部因素则有环境湿度、环境温度、c 0 2 的浓度等等。 水泥用量大则混凝土碱储备量大，抗碳化能力强：水灰比小则混凝土密实， 孔隙率小且有害孑l 少，抗碳化能力相应也强：在等量取代条件下，粉煤灰取代水 河海大学硕士学位论文 泥量越大，抗碳化能力就越弱。养护时删对混凝土抗碳化能力影响也很大，根据 文献l 如j 的研究成果养护时间对碳化深度的影响要大于水泥品种对碳化深度的影 响。 湿度、浓度和温度对混凝土抗碳化能力影响也很大。相对湿度大于8 0 环境 下，混凝土毛细孔处于平衡含水率或饱和状态使得气体很难渗透，碳化速度也 随之降低或停止：在相对湿度为0 , - 4 5 的条件下，混凝土含水量很低，c 0 2 无法 溶解在毛细管水中，因此碳化也无法进行；但在相对湿度为5 0 7 0 的环境中， 试验表明碳化速度最快。总的来说，c 0 2 的浓度越高，压力越大，温度越高，干 湿交替越频繁的环境，碳化深度也越大。 另外文献卧3 2 】还提出了部分碳化区的概念所谓部分碳化区是指口h 值在 9 1 1 5 之问的区域，研究表明这一区域对钢筋锈蚀有很大的影响。 1 2 2 2 碳化深度预测的研究 对j 二碳化深度预测的研究分两大类：理论推导和试验得出的经验公式。 理论推导一般是基于c 0 2 气体在混凝土中的扩散服从f i e k 第一定律出发得 出的，其微分方程为： d m = d f ( c o - c ) l d t ( 1 3 ) d m 一在d t 时间内c 0 2 气体透过试件表面的数量 d c 0 2 有效扩散系数 f c 0 2 透过试件的表面积 c 。，一试件表面c 0 2 的浓度 c 一吸收区c 0 2 的浓度 l 一混凝土碳化层厚度 在时i 嘲段d t 内，混凝土吸收c 0 2 气体的量为： d m = m o f d l ( 1 4 ) r n o 单位体积混凝土吸收c 0 2 气体的量 根据l _ 3 、1 4 式可得m f d l = d f ( c o c ) l d t ，其边界条件为l = o l t = 0 。这样 得到微分方程解为l = 4 2 d ( c 。一c ) m r ，我们可以将其简化为l = x f 。 理论推导公式以英国学者p a r r o t t d 3 1 、前苏联学者阿列克谢耶夫f 3 4 1 和希腊学 者p a p a d a k i s 3 5 】建立的碳化模型最具有代表性，同济大学的蒋利学 3 6 】在p a p a d a k i s 河海大学顺士学位论文 模型基础上，又通过数值分析求解出了碳化区的物质含量及p h 值。河海大学的 蒋林华”1 也建立了预测大掺量粉煤灰混凝土碳化深度的数学模型。 经验公式出于各学者考虑的影响因素不同而为数众多，主要体现在碳化深度 预测公式d = at o 中碳化系数n 的不同上。对于其耿值，有代表性的如中国建筑 科学研究院【3 8 】提出 d = r l1 q 2 r 1 3 - q 4 r 1 5 1 1 6 a - t o 3 ( 1 5 ) 其中1 1 i 为水泥用量影响系数；r 1 2 为水灰比影响系数：r 1 3 为粉煤灰取代量影 响系数；_ n 。为水泥品种影响系数；r 1 5 为集料品种影响系数；r 1 6 为养护方法影响 系数。另外国内还有同济大学1 、西安建筑科技大学4 0 1 、上海建材学院【4 1 】等许 多科研机构提出了自己的经验公式。此外还有文献利用神经网络【4 2 1 、灰色理论 f 4 3 】、有限元分析删等数学工具来预测碳化深度。 1 2 2 3 应力状态下碳化的研究 应力状态下混凝土碳化特性的研究见诸于报道的很少，因此无论从试验方 法、实验取得的样本数量等方面来看几乎还是空白。但值得一提的是，许多科研 机构积累的调查资料，却都是从受各种应力作用f 的实际工程建筑物上取得的。 浊旧学者a c a s t e l 4 5 l 对1 5 c m x 2 8 c m 3 0 0 c m 的钢筋混凝土构件长达1 3 年的 试验发现，承受正常使用荷载( 为弯矩) 的梁，其受拉部分的碳化深度要比不承 受荷载的大。碳化深度与应力存在如下关系： c 帅扣c d o 卜( 字) 3 1 e ， 1 6 式中c d o 为受试构件应力为o 截面上混凝土碳化深度，c d 为应力瓯处截 面混凝上碳化深度，h 为试件与受力方向平行面( 侧面) 高度，d 为有效深度， c c 为经验常数。 袁承斌 4 6 4 7 】采用受拉杆对试件加载产生弯曲应力以及通过预应力对试件 加载压应力的方法，研究了压应力和拉应力作用下混凝土的碳化特性，发现在压 应力小于0 7 f c 范围内，应力的增加会降低混凝土碳化速率。当拉应力大于0 3 f i 时，混凝t 的碳化速率随名义应力水平的增大而增大。压( 拉) 应力状态下的碳 化综合系数k ( k 。) 与无应力状态下的碳化综合系数k 的关系为： k 。= k - - 0 0 3 11 2a 。一0 0 0 2 1 5o c 2 河海大学硕士学位论文 k t i = k o 2 0 5 1 2 吼+ 0 3 1 4 1 8o ，( 1 7 ) 其中a 。和q 分别为名义压应力和名义压应力。 两位研究者的研究结果均定性地证实了拉应力的存在会加速混凝土的碳 化。然而混凝土是一种非均质体，影响碳化的因素又很多，因此碳化深度的经时 变化舰律也只能是一个统计意义上的概念。由于实验过程的复杂性，两位研究者 所得荷载( 应力) 与碳化深度( 碳化系数) 的定量关系式均是建立在少数实验数 据基础【：，具有相当大的局限性。式( 1 7 ) 所示的多项式中的系数的物理意义 也无法作出合理解释。此外，荷载对混凝土结构的影响是和应力水平( 荷载与极 限强度的比值) 相关，而不仅仅是应力值，荷载对混凝土碳化速度的影响显然也 与应力水平相关。两位研究者均仅给出了碳化深度( 碳化系数) 与应力值的关系， 不能不浣是一个缺憾，其原因也是由于实验数据不足以建立碳化深度( 碳化系数) 与应力水平的关系。 另外朱元详等【4 8 】还对结构裂缝处的碳化做了分析，作者提出的估算式为 y = a 。，b 川th ( 1 8 ) y 为混凝土开裂处碳化深度；b 为裂缝宽度：t 为碳化时间；a 。，则为将所有 对碳化商影响的不确定的因素综合为单一的裂缝处混凝土碳化速度系数，并需对 该随机变量直接寻求其统计特征。使用式( 1 _ 8 ) 可对以后若干年某一裂缝处混 凝土碳化深度值进行预测。 1 2 2 4 碳化对混凝土结构和性能的影响 日 i 碳化对于混凝土等水泥基材料结构和性能的影响一般表现为以下几 点：1 ) 碳化可以提高混凝土的强度，但混凝土的变形能力有所降低；碳化能降 低水泥基材料的吸水率，一般认为这是因为碳化产生的碳酸钙其体积大于氢氧化 钙使材料变密实所致；2 ) 碳化会导致混凝土p h 值降低而引起钢筋锈蚀，这方 面的研究成果最多最普遍：3 ) 碳化可以降低混凝土的总孔隙率。这一观点许多 研究者是看法一致的，但对于降低最显著的孔径分布在什么范围，各学者观点还 不完全一致。为减小误差孔径分布研究一般都是围绕净浆和砂浆展开的。例如 v t n a g a l a 等【4 9 1 的实验得出对于掺加3 0 粉煤荻和6 0 矿渣的水泥浆体碳化后， 其3 0 r t m 以上的孔会显著增加：d e w a e l e ，p j 等5 0 1 对完全碳化水泥浆体分析得出 2 3 n m 左右孔径的孔显著增加：而b j o i nj o h a l l f l e s s o n 等川的实验结论为对于完全 河海大学硕士学位沦史 碳化的水泥砂浆2 0 7 0 r i m 的孔显著增加。4 ) 由于碳化会引起孔径分布和孔隙 率变化，因此对水泥基材料渗透性的影响比较大，但碳化对渗透性影响程度许多 学者都有不同的实验结果和观点。如南京水科院【5 2 j 实验表明混凝土在碳化后渗透 性会提高；v t n a g a l a 等的实验也得出类似结论；但c l a i s s e ，p e t e ra 【5 3 l 的研究则 表明碳化能使混凝土渗透性明显降低，对于水灰比大或者养护差的混凝土尤其明 显；d e w a e l e ，p j 等的研究也表明碳化后的水泥浆体渗透性会明显降低。 对于碳化后的水泥基材料孔径分布和渗透性各学者研究成果之所以差别很 大，应浚与所研究试件的配合比、实验方法、取样是否有代表性密切相关的，各 研究成果仅仅在该条件下成立。 1 3 本文的主要研究内容 l 述文献中部分学者对应力作用和裂缝存在下水泥基材料的耐久性研究已 经取得了一定的成果，但由于缺乏相关试验标准而存在诸多不完善之处。例如实 际 程中一些外部荷载对构件是持续作刷的，但由于在受持续荷载情况下的渗透 和碳化等试验无标准设备，设计操作有一定难度，因此很少有学者做这方面工作； 另外大多数学者仅仅利用混凝土试件开展实验，但混凝土试样却不是很适合用来 做x r d 和m i p 分析：碳化研究中围绕碳化深度的预测等问题研究的比较多，而 碳化对混凝土微观结构和性能影响的研究相对比较少。 i x i l j ：l 本文选取了外荷载引起的压应力、弯曲应力对普通混凝土、砂浆、净 浆渗透性和碳化的影响以及在裂缝状态下水泥基材料的渗透和自愈现象丌展了 部分实验研究，同时通过对混凝土、砂浆及净浆系列试件的碳化和渗透实验比较 和借用物相分析手段，对碳化和渗透、自愈现象的一些机理也做了初步研究，具 体所做f ：作如下： 1 没计了能使试件处于持续外部压应力作用并在该状态下进行渗透性实 验的装置，并对混凝土试件在不受外部压应力及受不同水平外部压应力 作用下的渗透性开展试验研究。 2 对劈裂得到的不同裂缝宽度的试件( 混凝土、砂浆、净浆) 进行不同水 力梯度下的渗透试验，对所谓的自愈现象进行了初步研究，并分析了裂 缝宽度和水力梯度对自愈过程的影响。 河海大学硕上学位论文 3 对处于持续外部弯曲应力作用下的砂浆、净浆试件进行碳化试验，并分 析了不同应力水平对碳化深度的影响。 4 对渗透和碳化试件进行包括s e m 、能谱、x r d 、m 口实验在内的微观 分析，并从微观的角度解释了试验结果。 河海大学硕士学位论文 第二章原材料及试验方法的研究 一般围绕混凝土、砂浆等水泥基材料开展的耐久性实验均为标准实验，相 关规范对实验程序均作了详细描述，但本文所涉及的大部分实验均为非标猴实 验，游要凌诗特定魏试验装置黪建立试验方法，疆赣麓取缮其鸯一定徐馕载戒莱。 本章即叙述了实验方法和实验装置设计的详细内容。 2 1 试验原材料 本论文试验采用原材料为：南京龙潭水泥厂生产的3 2 5 级酱通硅酸盐水混， 其部分指栎冤表2 。l ；鬻京熬毫厂戆嚣缀耪潆获，茭帮分撩标冕表2 ，2 ；缩旨瓣为 惠寨产天然河砂。细度模数2 5 ：耀嚣料为您哀产衰武岩，最大牲径必1 0 r a m ； 外加剂采用f d n 减水剂。 袭2 i 承淀部分性蘸参数 表2 2 糖煤灰郝分性黥参数 2 2 渗透试验设计 2 2 1 压应力状态下混凝土渗透试验 2 2 。1 1 渗透试件鬣合比 本项试验渗透试件铡终慕愿