Deterioration mechanism of sulfate attack on concrete under freeze-thaw cycles

The experiments of concrete attacked by sulfate solution under freeze-thaw cycles were investigated. The sulfate solution includes two types of 5% Na2SO4 and 5% MgSO4. Through the experiment, microstructural analyses such as SEM, XRD and TGA measurements were performed on the selected samples after freeze-thaw cycles. The corrosion products of the concrete were distinguished and quantitatively compared by the thermal analysis. Besides, the damage mechanism considering the dynamic modulus of elastically of concrete under the coupling effect was also investigated. The experimental results show that, under the action of freeze-thaw cycles and sulfate attack, the main attack products in concrete are ettringite and gypsum. The corrosion products exposed to MgSO4 solution are more than those to Na2SO4 solution. Furthermore, the content of gypsum in concrete is less than that of ettringite in test, and some of gypsum can be observed only after a certain corrosion extent. It is also shown that MgSO4 solution has a promoting effect to the damage of concrete under freeze-thaw cycles. Whereas for Na：SO4 solution, the damage of concrete has restrained before 300 freeze-thaw cycles, but the sulfate attack accelerates the deterioration process in its further test period.     

硫酸盐侵蚀下混凝土灌注桩的损伤效应

为分析外部硫酸盐腐蚀对混凝土灌注桩截面损伤和承载力的影响,研究了硫酸根离子在混凝土灌注桩中的扩散反应规律并探讨了桩身结构性能退化的影响因素.基于Fick第二定律建立了柱坐标下硫酸根离子的非稳态扩散反应方程,采用数值方法得到了扩散方程求解的有限差分格式,并通过相关试验结果验证了理论模型与计算方法的正确性.根据化学反应生成的膨胀产物计算膨胀应变,并通过损伤演化函数计算桩身截面损伤和承载力,建立了桩基损伤度与桩身承载力的相关关系,对比分析了不同腐蚀因素和腐蚀时间对桩基损伤与桩身承载力的影响.研究结果表明:内膨胀应变和损伤在表层的发展速度比内层发展更为迅速,增大桩半径能显著提高桩基的耐久性和承载能力,而水灰比大于0.4时,桩基损伤增长幅度最大.因此,合理增加桩半径并采用较小的水灰比能有效减小桩身混凝土损伤,提高桩基的耐久性并减少桩身承载能力的损失.     

硫酸盐侵蚀下轴心受压钢筋混凝土柱应力时变过程的数值分析

针对荷载和硫酸盐耦合作用过程中钢筋混凝土柱的应力分析问题,在已有混凝土内硫酸根离子扩散反应模型的基础上,进一步给出了硫酸盐侵蚀引起的混凝土损伤程度与硫酸根离子浓度及腐蚀时间之间的关系,建立了与损伤程度相关的混凝土腐蚀本构模型及轴压混凝土柱截面应力的计算方法,并通过数值模拟分析了柱截面内硫酸根离子传输、腐蚀损伤程度变化、截面应变和应力分布规律。结果表明：硫酸根离子浓度和混凝土损伤程度在柱截面内呈梯度分布,且受二维交互效应的影响明显;随腐蚀时间的增加,截面损伤区逐渐向内移动且其宽度增加,而混凝土应力在损伤区呈先增加后逐渐降低、在未损伤区基本呈线性增加的趋势。硫酸盐侵蚀过程中,轴压混凝土柱截面应力发生了明显的重分布现象。     

Application of image analysis based on SEM and chemical mapping on PC mortars under sulfate attack

The degradation mechanisms of cementitious materials exposed to sulfate solutions have been controversial, despite considerable research. In this paper, two methodologies of image analysis based on scanning electron microscope and chemical mapping are used to analyse Portland cement mortars exposed to sodium sulfate solution. The effects of sulfate concentration in solution and water to cement ratio of mortar, which are considered as the most sensitive factors to sulfate attack, are investigated respectively by comparing the macro expansion with microstructure analysis. It is found that the sulfate concentration in pore solution, expressed as sulfate content in C-S-H, plays a critical role on the supersaturation with respect to ettringite and so on the expansion force generated.     

高渗透压-硫酸盐侵蚀下混凝土时空劣化

为了模拟研究混凝土海水环境下的侵蚀损伤及劣化规律,采用质量分数10% Na₂SO₄溶液对混凝土试样进行不同渗透压和不同时长下的室内侵蚀试验. 结合微米压痕试验、CT扫描试验和电子显微镜扫描试验,对高渗透压-硫酸盐耦合侵蚀作用下混凝土的侵蚀损伤及微观力学性能进行研究. 试验结果显示,渗透压加速了离子迁移,主要起到了促进化学侵蚀作用. 渗透压越大,混凝土化学损伤速率越快,侵蚀深度越深;骨料与砂浆胶结处是易侵蚀、易破坏的薄弱点;混凝土内部孔隙易生成水化产物,高渗透压下容易生成大量短柱状石膏晶体及细密的针状钙矾石晶体.     

干湿交替环境下混凝土受硫酸盐侵蚀劣化机理

通过试验模拟干湿循环作用下混凝土受不同质量分数硫酸钠的侵蚀特点,从不同侵蚀时间后混凝土的表观特征、质量经时变化规律、混凝土中硫酸根离子分布、侵蚀深度、混凝土轴心抗压强度、劈裂抗拉强度经时退化规律、变形经时变化规律等方面全面衡量混凝土的硫酸盐侵蚀损伤特征;讨论硫酸盐溶液质量分数、侵蚀龄期对混凝土损伤累积规律的影响;根据SEM图像分析受蚀混凝土的微观结构特征,揭示了干湿循环和硫酸盐侵蚀共同作用下,不同侵蚀时期后混凝土损伤的演变机理.试验结果表明,在干湿循环作用下硫酸钠对混凝土的侵蚀损伤是侵蚀产物与硫酸盐结晶膨胀共同作用的结果;在侵蚀初期由于晶体的填充密实作用,使得受蚀混凝土的质量、强度与延性增大;随着侵蚀时间的延长,混凝土不仅受到钙矾石、石膏等侵蚀产物的膨胀损伤作用,而且叠加了干湿循环过程中Na2SO4·10H2O的结晶膨胀作用,使得混凝土损伤反复进行并不断累积,加速了混凝土的受蚀劣化速度,质量、强度逐渐降低,脆性变大;由于拉应力的叠加效应,混凝土劈裂抗拉强度对硫酸盐侵蚀损伤更敏感.     

硫酸盐侵蚀环境下混凝土双K断裂参数试验研究

为了评估硫酸盐侵蚀环境下混凝土的工作性能并为断裂分析提供依据,采用三点弯曲梁试验方法,研究在硫酸盐侵蚀和干湿循环双重作用下混凝土双K断裂参数等断裂性能的劣化规律.基于断裂力学理论,通过在裂缝尖端表面粘贴应变片来监测裂缝的起裂、扩展和失稳断裂情况,得到在不同硫酸盐侵蚀龄期下试件的P-CMOD曲线.以侵蚀系数为评价指标,采用混凝土双K断裂准则计算构件的失稳韧度和起裂韧度.结果表明:起裂荷载与最大荷载的比值PQ/Pmax大致分布在0.55～0.90,失稳韧度和起裂韧度在侵蚀初期均有较明显的增大,转折点分别为60和30d,之后随侵蚀龄期不断缓慢减小.与失稳韧度相比,起裂韧度受硫酸盐侵蚀因素的影响较敏感.     

胶凝材料组成对混凝土TSA硫酸盐侵蚀的影响

研究不同水泥品种、矿物掺合料对混凝土抗TSA侵蚀性能的影响规律,采用掺30%石灰石粉填料的胶砂件,测试各砂浆在5±1℃的2%MgSO4溶液中浸泡1年后的外观破损与强度损失情况,通过X-射线衍射仪分析各砂浆的矿物成分.结果表明:不同品种水泥的抗TSA侵蚀能力由高到低依次为:硫铝酸盐水泥 硅酸盐水泥复合>硫铝酸盐水泥>抗硫酸盐水泥>普硅水泥.掺硅灰和矿渣细粉均能明显改善混凝土抗TSA侵蚀性能,且矿渣粉掺量越大效果越明显.由于粉煤灰活性低,掺量较少时可在一定程度上减缓TSA侵蚀过程,但掺量过多时反而产生不利影响.     

成型压力和浸泡时间对混凝土抗硫酸盐侵蚀性能的影响

在不同的试验条件下对抗硫酸盐侵蚀进行试验,研究了成型压力和浸泡时间对混凝土抗硫酸盐侵蚀性能的影响．结果表明：按现有规范规定的成型压力取得的试验结果偏大,对评价侵蚀性能不利,采用振动成型更接近实际情况;随着浸泡时间的延长,混凝土的耐腐蚀性均有所下降,建议延长浸泡时间评价混凝土的抗腐性能．     

氯盐与硫酸盐复合侵蚀下钢筋混凝土锈裂行为

为评估海洋、盐湖等环境中钢筋混凝土结构耐久性,通过试验与理论相结合探究氯盐与硫酸盐复合侵蚀下钢筋混凝土锈裂特性。通电腐蚀5%(质量分数)NaCl、5%NaCl+5%Na₂SO₄溶液中钢筋混凝土试件,对比分析混凝土表观形貌、钢筋锈蚀特征。设计伴随的混凝土腐蚀试验,类比保护层腐蚀劣化,分析混凝土力学性能。结果表明：硫酸盐的存在改变胀裂前混凝土形貌,使得单一氯盐侵蚀下的“白须”消失,表面粉化并出现盐结晶,延长胀裂时间;复合侵蚀下钢筋锈蚀率低于单一氯盐侵蚀,二者均显著低于法拉第定律理论值;锈胀裂缝宽度与钢筋锈蚀率线性相关,硫酸盐的存在增大裂缝随钢筋锈蚀发展的速率;通电环境中,受腐蚀混凝土的抗压强度先升高后降低,劈裂抗拉强度不断降低。提出受腐蚀混凝土的抗拉强度演化经验公式。在经典锈胀模型的基础上考虑锈蚀产物对裂缝的填充作用,并将硫酸盐的影响考虑至混凝土抗拉强度、钢筋腐蚀电流密度中,建立复合侵蚀下钢筋混凝土胀裂时间预测模型,并验证了模型的有效性。     

荷载对混凝土在腐蚀-冻融作用下强度的影响

为研究混凝土的多因素耐久性,采用高浓度腐蚀介质,测定普通混凝土(OPC)、高强混凝土(HSC)、高性能混凝土(HPC)、钢纤维增强高强高性能混凝土(SFRHPC)和高强高模聚乙烯纤维增强高强高性能混凝土(HEMPFRHPC)在(化学腐蚀+冻融循环)双重破坏因素(DDF)和(弯曲荷载+化学腐蚀+冻融循环)多重破坏因素(MDF)作用下的强度变化.结果表明:在1500次DDF和1600次MDF作用下,混凝土的抗压强度均存在不同程度的下降,弯曲荷载比对混凝土在MDF作用下抗压强度的降低作用存在一个阈值:HSC和HPC为40%,PFRHPC为20%,SFRHPC65%.掺加矿物掺合料有利于稳定高强度等级混凝土在MDF作用下的抗压强度,进一步掺加钢纤维还能够确保混凝土抗折强度的持续增长.     

硫酸盐环境下再生混凝土的损伤演化研究

在干湿交替环境下,再生混凝土的硫酸盐侵蚀不仅会引发其外观上的损伤,而且对再生混凝土材料的耐久性也会产生严重的影响。采用硫酸盐-干湿循环试验,研究了3％、5％、10％Na2SO4溶液下全再生混凝土材料性能的衰减退化规律,以及5％Na2SO4溶液下不同再生粗骨料取代率混凝土材料性能的衰减退化规律。试验结果表明：在5％Na2SO4溶液侵蚀作用下,再生混凝土的线膨胀率△L随再生粗骨料取代率r的增加而增大,相对动弹性模量Er达到最大值Emax（r）时所需的干湿循环次数随r的增大而减少,Er的衰减速率随r的增大而增大;全再生混凝土Er的衰减速率和△L都将随Na2SO4浓度水平的升高而增大;Emax（r）／Er约为1．07。     

冻融环境下混凝土力学性能试验及损伤演化

在我国西部寒区,冻融作用往往是导致混凝土破坏的主要因素之一。通过对饱水状态下的多组混凝土试样进行冻融循环试验,并对试验后的试样进行了单轴压缩试验,从损伤和能量耗散的角度对试样进行了力学性能的分析;运用CT细观试验的方法初步对经历不同冻融循环次数下的试样进行了细观结构分析。通过试验研究,得到了饱水状态下混凝土材料的冻融破坏特征,以及不同冻融循环次数下试样质量、单轴应力-应变全过程曲线、抗压强度、能量耗散和细观结构的变化特征,系统研究了冻融循环下混凝土主要物理力学性能及损伤演化规律,为寒区重大工程冻融灾变预测提供较可靠的基础依据。     

Form and mechanism of sulfate attack on cement-based material made of limestone powder at low water-binder ratio under low temperature conditions

The development of strength and the form of attack of cement-based material made of limestone powder at low water-binder ratio under low-temperature sulfate environment were studied. The results indicate that when water-binder ratio is lower than 0.40, the cement-based material with limestone powder has insignificant change in appearance after being soaked in 10% magnesium sulfate solution at low temperature for 120 d, and has significant change in appearance after being soaked at the age of 200 d. Expansion damage and exfoliation occur on the surface of concrete test cube at different levels. When limestone powder accounts for about 28 percent of cementitious material, with the decrease of water-binder ratio, the compressive strength loss has gradually decreased after the material is soaked in the magnesium sulfate solution at low temperature at the age of 200 d. After the specimen with the water-binder ratio of less than 0.4 and the limestone powder volume of greater than 20% is soaked in 10% magnesium sulfate solution at low temperature at the age of 200 d, gypsum attack-led destruction is caused to the concrete test cube, without thaumasite sulfate attack.     

川藏铁路石灰石粉–水泥基材料抗低温硫酸盐侵蚀研究

为研究川藏铁路掺石灰石粉混凝土抗低温硫酸盐侵蚀性能,通过对低温硫酸盐溶液浸泡侵蚀和电脉冲低温硫酸盐侵蚀作用下掺不同石灰石粉的水泥基材料的外观侵蚀变化等级、质量评价参数、抗压强度评价参数、孔隙特征以及侵蚀产物的测试,研究了低温环境下石灰石粉掺量对水泥基材料硫酸盐侵蚀行为的影响规律,并建立非单调Wiener随机过程模型对低温环境下石灰石粉-水泥基材料硫酸盐侵蚀服役寿命进行了预测。结果表明:（1）低温环境下硫酸盐浸泡侵蚀反应缓慢,侵蚀周期内,石灰石粉-水泥基试件外观未出现可见剥落、质量持续增加;强度先提高后降低,在侵蚀120d时出现转折;孔隙先细化后劣化,在侵蚀90d时出现转折;在侵蚀180d时有少量碳硫硅钙石生成。（2）电脉冲加速了低温环境下石灰石粉-水泥基硫酸盐侵蚀反应,电脉冲低温硫酸盐侵蚀60d时,试件表面开始剥落,质量和强度下降,内部孔隙劣化。石灰石粉掺量越多,碳硫硅钙石侵蚀破坏就越严重,石灰石粉掺量为40%的试件在侵蚀60d时就有碳硫硅钙石生成,而石灰石粉掺量为10%、20%的试件在侵蚀90d才生成碳硫硅钙石。（3）基于Wiener随机过程的可靠性寿命退化分析表明,电脉冲低温硫酸盐侵蚀作用下掺10%、20%和40%石灰石粉-水泥基材料室内加速侵蚀寿命分别为265d、130d及105d。     

硫酸盐与冻融环境下混凝土本构关系研究

为了研究硫酸盐与冻融环境下混凝土单轴受压应力—应变关系,对水中和质量分数为5%硫酸钠、5%硫酸镁溶液中冻融作用下的混凝土进行单轴受压试验,分析了硫酸盐溶液与冻融循环对混凝土峰值应力、峰值应变、弹性模量及单轴受压应力—应变全曲线的影响,并对损伤层混凝土的力学性能进行分析。结果表明：混凝土应力—应变曲线随冻融时间增加逐渐趋扁平,整体右移,硫酸盐溶液中冻融300次后的混凝土应力—应变曲线上升段轻微上扬,并出现下凹现象。随着冻融次数增加,混凝土峰值应力、弹性模量不断下降,峰值应变逐渐增加,硫酸镁溶液中混凝土表现更明显,混凝土抗冻性最差。通过回归分析,建立了硫酸盐与冻融循环作用下混凝土单轴受压应力—应变全曲线方程,并得到了不同冻融次数下损伤层混凝土峰值应力的确定方法。     

Effect of fly ash and early strength agent on durability of concrete exposed to the cyclic sulfate environment

The effect of fly ash and early strength agent on resistance of concrete to the cyclic sulfate environment was studied. Concrete specimens made with ordinary portland cement or ordinary portland cement incorporating fly ash with the replacement of 10% or 20%, or 1% early strength agent and fly ash with the replacement of 20%, were made and subjected to 250 cycles of exposure to the cyclic sulfate environment. Concrete properties including loss of mass, chloride ion diffusion coefficient, compressive strength and flexural strength were measured. Microstructure and chemical component of samples were determined by means of X-ray diffraction, scanning electron microscopy and energy dispersive spectroscopy. The experimental results indicated that effect of fly ash on the cyclic sulfate resistance of concretes was mostly dependent on the amount of fly ash. Early strength agent improved performances of concrete with 20% fly ash exposed to cyclic sulfate environment.     

热振加载条件下电子封装结构的疲劳寿命分析

以包括塑料球栅阵列封装和单电源电平转换芯片封装结构的某基板为研究对象,为了计算其在热振耦合加载条件下的疲劳寿命,基于递增损伤叠加法提出了一种改进的热振耦合载荷作用下的疲劳寿命计算方法。该方法应用Anand统一粘塑性理论描述焊点材料在热循环加载条件下的力学行为,并基于热循环载荷频率修正后的Coffin-Manson方程计算热循环寿命。计算出不同温度环境中的随机振动损伤,以各温度在热循环载荷中所占的时间分数为权对各个随机振动损伤进行平均,将随机振动平均损伤与热循环损伤进行叠加,得到总损伤,进而得出疲劳寿命。研究结果表明,在一定的热振载荷加载条件下,研究对象的疲劳寿命满足使用要求。     

基于均匀设计及BP神经网络的大体积混凝土热学参数反分析

为了解决桥梁工程大体积混凝土热学参数失真的问题,提出一种基于均匀设计理论与BP神经网络的大体积混凝土热学参数反分析方法.该方法通过BP神经网络建立大体积混凝土温度场与热学参数的非线性关系;BP神经网络的训练样本由均匀设计方法确定;在BP神经网络训练阶段,采用附加动量法对网络结构进行优化;对优化前后的误差曲线及多次训练过...     

火电厂RC框排架结构主厂房震害分析与设计建议

RC(钢筋混凝土)框排架结构是火电厂主厂房一种常用的结构型式,因承载的设备种类繁多,运行参数复杂,使其整体布置不规则,空间性能差,质量、刚度分布不均匀,导致结构体系的抗震性能较差.通过分析大震中RC框排架结构主厂房震害特征的共性,提出加强主厂房抗震设计的建议.