4月混凝土与水泥制品
悦匀陨晕粤悦韵晕悦砸耘栽耘粤晕阅悦耘酝耘晕栽孕砸韵阅哉悦栽杂圆园20晕燥.4April多因素作用下地下粉煤灰混凝土抗压强度灰熵分析及微观结构渊江苏科技大学土木工程与建筑学院袁镇江212000冤
摘要院通过强度试验袁运用灰关联熵分析方法袁以水压力尧荷载尧硫酸盐尧氯盐与侵蚀时间作为影响因素袁研究地下粉煤灰混凝土抗压强度变化情况及其关联程度袁结合SEM尧XRD分析了不同工况下混凝土内部结构的微观变化遥结果表明院灰关联熵分析方法可以有效区分多种因素的主次关系袁在选取的五种因素中袁硫酸盐与混凝土强度退化灰关联熵值最大曰无水压力时袁Cl-会先进入混凝土内部与水泥水化产物生成Friedel爷s盐遥有水压力时袁水压力加速硫酸根离子侵蚀混凝土试块袁Cl-结合能力减弱并且多以自由离子形式存在于粉煤灰混凝土中曰随着侵蚀时间增加袁多因素作用下粉煤灰混凝土生成产物石膏越来越多袁内部结构越来越稀疏袁使得抗压强度下降速率大于单因素与双因素作用下粉煤灰混凝土抗压强度下降速率遥
关键词院粉煤灰混凝土曰抗压强度曰灰关联熵曰影响因素曰微观结构中图分类号院TU528.45
文献标识码院A
doi:10.19761/j.1000-4637.2020.04.014.06
杜辉袁纪荣健袁胡杰GreyEntropyAnalysisandMicrostructureofCompressiveStrengthofUndergroundFlyAshConcreteunderMulti-factorAction(JiangsuUniversityofScienceandTechnology,Zhenjiang,212000,China)
DUHui,JIRong-jian,HUJie
chlorideanderosiontimeasinfluencingfactors,thevariationofcompressivestrengthofundergroundflyashconcreteand
Abstract:Throughstrengthtestandgreyrelationentropyanalysismethod,takingwaterpressure,load,sulfate,
itscorrelationdegreewerestudied.MicroscopicchangesofsoilinternalstructureunderdifferentconditionswasanalyzedbySEMandXRD.Theresultsshowthatthegreyrelationalentropyanalysismethodcaneffectivelydistinguishtheprimaryandsecondaryrelationshipsofvariousfactors.Amongthefiveselectedfactors,thegreyrelationalentropyofstrengthdegradationofsulfateandundergroundflyashconcreteisthelargest.Underanhydrouspressure,chlorideionsfirstenteracceleratessulfateiontoerodeconcreteblocks,andchlorideionbindingabilitydecreases,andmostofthemexistinflycompressivestrengthofflyashconcreteisgreaterthanthatofflyashconcreteundertheactionoftwofactors.
ashconcreteintheformoffreeions.Withtheincreaseoferosiontime,moreandmoregypsumisproducedinconcreteof
theconcreteandcementhydrationproductstoformFriedel忆ssalt.Whenthereiswaterpressure,thewaterpressureflyashconcreteundertheactionofmultiplefactors.Asthestructurebecomesmoreandmoresparse,thedeclinerateof
Keywords:Concretewithflyash;Compressivestrength;Greyrelationentropy;Influencingfactor;Microstructure
0前言
筑结构[1]遥目前袁学者们对粉煤灰混凝土的耐久性也
粉煤灰作为一种矿物掺合料已大量应用于建
且进行了混凝土寿命预测袁发现粉煤灰混凝土比普通混凝土寿命要长30年遥相较于地上结构混凝土离子的入侵袁并且处于荷载尧水压力或土压力的共同缺陷发生变化袁最终使地下结构混凝土性能劣化[5]遥江涛[6]进行Cl-在与荷载耦合作用下粉煤灰高性能混凝土性能研究袁得到了压应力使粉煤灰混凝土抗Cl-侵蚀能力提高袁拉应力则降低了混凝土抗Cl-侵蚀能力遥宋洋[7]研究了硫酸盐与荷载耦合作用下粉煤灰作用袁导致混凝土本身存在的细微裂隙和裂纹等微耐久性研究袁地下结构混凝土不仅仅受到Cl-尧SO42-等
开展了丰富的研究遥李观书[2]尧解国梁[3]通过研究得出了掺和适量粉煤灰增强了混凝土抗硫酸盐侵蚀能力袁强度损失率小于普通混凝土强度损失率的结论遥PHILIP[4]研究了粉煤灰混凝土的Cl-扩散性能并
基金项目院国家自然科学基金渊51408268冤曰江苏省自然科学基金渊BK20141294冤遥
-14-
杜辉袁纪荣健袁胡杰多因素作用下地下粉煤灰混凝土抗压强度灰熵分析及微观结构
混凝土性能研究袁得出外界应力对混凝土结构破坏作用及腐蚀产物产生的膨胀应力使得裂缝随时间增长而增多遥虽目前学者对地下结构混凝土耐久性问题已有部分研究袁但还存在一些问题院淤由于室内研究的局限性造成了与实际工程不符袁室内研究并不能真实反映地下结构混凝土服役环境袁使得地下结构混凝土耐久性研究仍未得到共识曰于在研究内容上袁人们研究多是基于混凝土材料性能尧水土荷载与侵蚀环境作用下的地下结构混凝土力学性能以及离子扩散规律研究袁却很少分析各影响因素与力学性能变化和离子扩散规律的主次关系曰盂在研究病害防治上袁人们提出了关于复杂环境作用下的地下结构生命周期预测袁并且在给定的生命周期预测模型下进行加固与维护袁但这样不可避免会造成大量资金投入与重复的资金投入遥所以有必要采取更有针对性的防治措施袁对地下结构混凝土影响最为显著的因素进行针对性病害防治袁从而延长地下结构混凝土使用寿命并减少安全事故发生遥
本文利用灰色理论分析方法袁探讨多因素作用下地下粉煤灰混凝土强度退化与硫酸盐尧氯盐尧荷载尧水压力及侵蚀时间的关联程度袁并且采用SEM和XRD对不同工况试块微观结构进行分析袁以便为地下粉煤灰混凝土病害防治提供参考遥11.1
试验过程水泥试验院原采用材料
镇江鹤林生产的P窑O42.5R级水泥曰
粉煤灰院镇江谏壁电厂生产的玉级粉煤灰袁粉煤灰掺量为30%曰粗骨料院粒径5耀31.5mm的连续级配碎石曰细骨料院天然中砂曰水院自来水遥试验中混凝土的1.2
设计配合比见表1遥混凝土试件强度等级为C30遥本文试验以抗设计
压强度为测试指标袁考虑地下粉煤灰混凝土外界侵蚀的五个因素袁选择硫酸盐尧氯盐尧水压力尧荷载和侵蚀时间这5个指标作为影响因素遥
本试验Na2别为0尧5%尧SO4的浓度分别为0尧5%曰NaCl的浓度分10%曰水压力分别为0尧0.3MPa尧0.5MPa曰持续30荷载d尧分别90为d0遥尧拟50定kN15尧100组试kN验工曰侵蚀况袁如时间表2分所别示为1.3
试60验d尧方案
遥1.3.1
试试件件为制作
圆台和棱柱体结合的组合体遥上部为
表1混凝土设计配合比
kg/m3水泥水砂石子水灰比减水剂/%38717463211750.450.1表2试验工况
工况硫酸氯化水压
荷载腐蚀时试块数编号钠/%钠/%/MPa间/d量/个B1A00/kN3B25000090903B3503B4555
0003B5500303B651000903C15100030603C25103C3550.30500
90903C4553C55550.510050603C65510090C7550.3010060603C85550.503050.30.55009033033200径175mmmm伊200袁上mm底直径伊200mm165的mm立袁方高体袁150下部mm为下的底直
渊圆台
地根据下结构抗渗混凝试验土装置边界的大条件小调相似整袁冤袁在具体试件见制作图1完遥为成与并养护完成后袁将侧面密封袁然后进行野水压-应力冶盐侵蚀1.3.2
试验无试遥水压力验装置
时袁采用图2渊a冤所示容器浸泡曰有水
压力时袁采用图2渊b冤所示加载装置袁下部为抗渗试验机袁上部为简易持续加载装置袁结合人工气候环境室控制温度和湿度袁通过传感器加荷载袁先将传感器放置于钢板中间袁显示到相应荷载大小袁立即停止加载袁这样荷载就顺利施加到试块侧面袁试块持续加载完成后袁将下部圆柱体部分插入抗渗试验机1.3.3
的接口试部分验方袁法
通过试验机控制水压大小遥不同工况下的试块达到腐蚀龄期后袁将试块切
除组合体的圆台袁通过混凝土压力试验机对同一工
200.0
165.0
200.0
175.0
图1试件几何尺寸渊单位院mm冤
-15-
圆园20年第4期混凝土与水泥制品总第288期试件
混合溶液
渊a冤浸泡示意图
试件
力传感器
攻丝加载杆持载续框架
荷抗渗试验机
渊b冤加载装置示意图图2加载装置
况下的3个立方体试块进行承载力检测袁以抗压强度平均值作为该工况下混凝土试块的抗压强度试验值遥通过双因素作用与多因素作用下粉煤灰混凝土抗压强度变化袁分析得到多因素作用下地下粉煤灰混凝土抗压强度变化规律曰采用灰色理论分析方法袁计算得到多因素作用下地下粉煤灰混凝土抗压强度灰关联度袁分析粉煤灰混凝土抗压强度变化的主次关系曰将腐蚀龄期试块研磨成粉袁采用X射线衍射仪进行XRD产物分析袁比较衍射强度与标准衍射数据袁确定多因素作用下粉煤灰混凝土中存在的物相曰将腐蚀龄期试块敲碎袁选取上下面均较为平整的薄块袁采用NovaNanoSEM450型场发射环境扫描电子显微镜进行微观扫描测试袁分析试块内部腐蚀状况袁观察内部结构形貌遥22.1
结果与讨图抗压强度论3为不同分工析
2.1.1
况下混凝土抗硫酸盐硫酸盐压强度试验结果遥腐蚀尧氯混凝盐共土同作用
分为两个阶段遥第一阶段袁硫
酸根离子进入混凝土中袁与水泥水化产CaSO渊氢氧4窑化2H钙2O冤渊石膏和C-S-H冤遥第二渊阶段水化袁硅酸生成产钙冤物物反Ca(OH)石膏应生与硫
成
2酸根离子继续反应渊此次反应被称为二次反应冤袁生成产物为AFt渊钙矾石冤遥氯盐则与粉煤灰混凝土水化10H产物反应生成Friedel爷s盐渊3CaO窑Al22O冤遥工况B1尧工况B3尧工况B6下的抗O压强度3窑CaCl见
2窑
图-316渊a冤遥-
由图可知袁工况B3比工况B1的抗压强度40302027.3
33.6
32.2
403033.6
26.4
2025.6
10
100B1渊B3a冤
B60B3C1
40渊b冤
C4
3033.6
4033.2
20
19.3
301016.4
2017.5
0
10B3
渊c冤
C6
C7
0
A
渊d冤
C3
图3不同工况下混凝土抗压强度
增加了6.3MPa袁提高了23.1%袁工况B6比工况B3的抗压强度减小了1.4MPa袁降低了4.2%遥说明一定浓度氯盐可以抑制硫酸盐腐蚀混凝土袁但氯盐浓度过多时会削弱抑制硫酸盐腐蚀混凝土的能力遥这是因为一定浓度的氯盐一方面降低了粉煤灰混凝土中pH值袁溶解了硫酸盐反应的腐蚀产物袁另一方面氯盐与水化产物反应生成的Friedel爷s盐填充了混凝土袁使得内部结构更为致密袁降低了硫酸盐离子进入混凝土的速率遥而浓度过高的氯盐与水化产物反Friedel应生爷成s盐大分量解Friedel并且向爷sAFt盐袁转硫酸盐化袁导可致以了使混凝过量土的部AFt增多袁降低了混凝土密实度袁使得混凝土抗内
压强度减2.1.2
工硫酸盐小遥况B3尧尧工氯况盐C1与荷载尧工况共C4同作用
下混凝土的抗压强
度见图3渊b冤遥由图可知袁工况C1比工况B3的抗压强度减小了7.2MPa袁降低了21.4%袁工况C4比工况B3的抗压强度减小了8MPa袁降低了23.8%遥粉煤灰混凝土相较于普通混凝土袁微裂缝较少袁但在荷载作用下袁使得微裂缝慢慢扩展尧连接袁SO42-与Cl-可以在裂缝中扩散并且与水化产物反应袁加剧了粉2.1.3
煤灰混凝工硫酸盐土性能况B3尧尧工氯劣化遥
况盐C6与水压力尧工况C7共同作用
下混凝土的抗压强
度见图3渊c冤遥由图可知袁工况C6的抗压强度比B3减小了14.3MPa袁降低了42.3%袁工况C7比B3的抗压强度减小了17.2MPa袁降低了51.2%遥说明水压力对粉煤灰混凝土作用明显袁使得抗压强度下降速率远大于硫酸盐尧氯盐共同作用以及硫酸盐尧氯盐与
杜辉袁纪荣健袁胡杰多因素作用下地下粉煤灰混凝土抗压强度灰熵分析及微观结构
表3参数序列与比较序列
序号123456781011121314159
硫酸钠氯化钠/%0555555555555550.9970.9960.9950.9940.9930.992
1
2
3影响因素
荷载共同作用下的混凝土抗压强度下降速率遥这是因为粉煤灰混凝土相较于普通混凝土袁抗渗性能有所提高袁但是水压力的作用提高了硫酸根与氯离子的扩散系数袁离子能够快速扩散到混凝土内部与水化产物反应袁使得混凝土内部结构稀疏袁无法对抗2.1.4
压强度提供支持遥
多因素共同作用
X1X2/%005101010555555555
水压00000000.30.50.30.50.30.500
X3/MPa荷载/kN000000501001001000050500
X4蚀时间抗压强909030903060909060906030609030/d度/MPa33.227.328.733.633.833.332.226.424.317.525.623.819.316.420.7X5腐X0渊d冤所示遥由图可知袁工况C3比工况A抗压强度减小了15.7MPa袁减小了47.2%遥随着腐蚀时间的增
工况A尧工况C3下混凝土的抗压强度如图3
加袁多因素作用下的粉煤灰混凝土抗压强度下降幅度较大遥荷载作用与水压力的劈裂作用使得混凝土内部微裂缝连接尧贯通袁裂缝由微裂缝变为小裂缝到贯通的大裂缝袁硫酸根与Cl-在混凝土中传输速度加快袁造成了大量的腐蚀产物生成袁而稀疏的混凝土内部又加剧了离子通过袁形成恶性循环袁使得混凝土抗压强度加剧下降遥2.2
本文分别以硫酸盐尧氯盐尧荷载尧水压力与侵蚀灰色关联熵分析
时间建立灰熵分析比较序列袁以不同工况下粉煤灰混凝土抗压强度建立灰熵分析参考序列袁研究地下粉煤灰混凝土抗压强度与各影响因素之间的灰关联度[8-11]遥建立的参数序列与比较序列见表3遥
将计算得到的各种因素对粉煤灰混凝土抗压
X1
X3
X2
X44
5
X5
强度灰熵关联度绘制成图袁如图4所示遥基于灰熵关联准则袁由图4可知袁对地下结构混凝土强度退化影响大小排序是院硫酸盐>侵蚀时间>水压力>氯盐>荷载遥在病害防治上袁应当以硫酸盐腐蚀与水压力作用为主要防治对象遥但是总体上来说袁五种影响因子与粉煤灰混凝土强度退化的灰熵关联度较为接近遥2.3
XRD分析
图4粉煤灰混凝土以抗压强度为参考序列各影响因素灰
熵关联度
C8袁进行XRD检测遥三种工况下混凝土的XRD图谱
见图5遥总体来看袁工况C1尧工况C3与工况C8的
SiO2
AFt
C-S(A)-H
SiO2
选择三种工况试块袁工况C1尧工况C3尧工况
CaSO窑Friedel爷s盐42H2OAFt
C-S(A)-H
CaCO3
CaSO4窑2H2O
XRD主要特征峰位置基本一致袁即主要为水化产
CaCO3
CaSO4窑2H2OAFt
C-S(A)-H
SiO2CaCO3
工况C8
Friedel爷s盐
工况C1
工况C1
工况C3
10
20
30
40
50
60
70
8010
20
30
40
50
60
70
8010
20
30
40
50
60
工况C370
80
渊a冤
2兹/毅2兹/毅
图5不同工况下试块XRD图谱
渊b冤渊c冤
2兹/毅
-17-
圆园20年第4期混凝土与水泥制品总第288期物C-S(A)-H尧腐蚀产物钙矾石尧石膏等遥钙矾石在每个样本均有出现袁但生成的峰值强度不高袁对应出现的峰也较少曰各分组石膏出现的峰很多袁峰的强度也高遥说明粉煤灰混凝土水化产物相较于普通混凝土氢氧化钙和水化硅酸钙较少袁在5%高浓度硫酸盐溶液中袁硫酸盐侵蚀裂化以石膏型硫酸盐侵蚀为主遥
从图5渊a冤可以看出袁无水压力的工况C1中出现了Friedel爷s盐袁Friedel爷s盐可以填充混凝土内部空隙袁能够有效的阻止硫酸盐进一步腐蚀混凝土遥因为Cl-在混凝土中的扩散速率比硫酸根离子在混凝土中扩散速率快袁Cl-能够率先进入混凝土内部袁与水泥的水化产物反应生成Friedel爷s盐遥如图5渊b冤所示袁对比工况C1与工况C3袁在有水压力工况下袁并未检测出Friedel爷s盐的生成遥说明水压力加速了硫酸根离子在混凝土内部的扩散速率袁硫酸根离子率先与水泥的水化产物反应生成钙矾石尧石膏等遥也说明了水压力降低了粉煤灰混凝土中氯离子结合能力袁在混凝土内部中氯离子多以自由离子形式存在遥图5渊c冤中对比了工况C3与工况C8袁工况C3试块的侵蚀时间是90d袁工况C8试块的侵蚀时间是30d袁C3试块的石膏晶体[特别是28.5渊2兹冤毅]C-S(A)-H特征峰对应的的峰强度高和和面积面也积比C8试块高袁水化产物
的水头差作用下袁荷载对粉煤灰混凝有减少遥说明土抗在大压强度小相同影响相对较小袁而随着腐蚀时间越长袁产生的石膏晶体越多袁使粉煤灰混凝土的腐蚀程度增加袁削弱粉煤灰混凝2.4
SEM土的分析
强度遥选择三种工况试块袁工况C1尧工况C8尧工况C3进行电镜扫描遥三种工况的SEM如图6所示遥
由图6渊a冤看出袁水压力为0时袁粉煤灰混凝土试块内部在扫描电镜下较致密遥原因为加入的粉煤灰继续水化袁毛细孔很少袁硫酸盐尧氯盐作用下的腐蚀产物填满内部孔隙袁内部虽有很少的微裂缝袁但不容易继续扩展袁整体呈现填充尧积累尧黏结的过程遥当水压力为0.5MPa时袁如图6渊b冤所示袁可以看出粉煤灰混凝土试块中未密实空隙内出现针状或条块状的石膏晶体袁内部分布稀疏遥分析其原因为水压力作用下袁对混凝土产生劈裂作用袁加剧了硫酸根离子进入混凝土内部袁致使腐蚀混凝土遥这也与XRD分析结果一致遥当侵蚀时间达到90d时候袁如图6渊c冤所示袁可以看出粉煤灰混凝土试块中充满了针状腐蚀产物袁表面已经很难看到致密的空间袁与-前18面-几张图比较袁腐蚀情况最为严重遥原因为随渊a冤工况C1
渊b冤工况C8图6不同工渊c况冤工下况试C3块电镜扫描图
着腐蚀龄期增加袁多因素作用下的粉煤灰混凝土内部结构加速稀疏袁加速混凝土性能裂化遥这也与抗压强度分析结果一致遥3结论
度退渊化1冤影对基于灰响因素进熵行定关联量分化析描的地述袁下并结构对影混凝响因土素强
进
行了排序袁得出袁硫酸盐是对地下粉煤灰混凝土强度退化影响最大的因素袁荷载对地下粉煤灰混凝土强度退化影响最小遥该方法计算过程简单袁适用于实际工程遥在病害防治上袁应当以硫酸盐腐蚀与水压力作用作为与水泥水渊2冤水压力主化产物为要防治生0成时Friedel袁对氯象盐遥
爷会s盐先袁进填入充混凝混凝土土内内部
部孔隙袁使得在适量的氯盐存在时袁混凝土抗压强度
略有增加遥当有水压力时袁XRD未检测到Friedel爷s盐袁粉煤灰混凝土Cl-结合能力下降袁Cl-以自由离子
渊下转第23页冤
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于20MPa和12MPa袁弹性模量大于40GPa袁完全满足现行国家标准GB/T31387要2015中等级RPC120的力学性能的要求遥
渊2冤海砂UHPC具有较好的抗冻性能和抗氯离
子渗透性能袁对应的抗冻等级及电通量指标也分别满足现行国家标准GB/T31387要2015中抗冻性能逸F500和电通量臆100C的要求遥
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龄期有关袁总Cl-含量越高袁Cl-的固化率越低曰养护龄期越长袁Cl-的固化率越高遥
渊3冤UHPC对Cl固化性能与总Cl含量和养护
-淡化海砂尧自来水配制的UHPC在进行40次浸烘循环后袁锈蚀风险较低遥
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