氯离子扩散系数和混凝土性质实验报告Word格式文档下载.docx
《氯离子扩散系数和混凝土性质实验报告Word格式文档下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《氯离子扩散系数和混凝土性质实验报告Word格式文档下载.docx（17页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
≥C600.80—1.0MPa/S
5）．换算系数：
100×
100（mm）0.95
150×
150×
150（mm）1.00
200×
200×
200（mm）1.05
当混凝土强度等级≥C60时,宜采用标准试件;
使用非标准试件时,尺寸换算系数应由实验确定。
单位:
MPaN/mm2
6）实验设备：
（1）压力实验机
精度（示值的相对误差）应为±
1%，试件的破坏荷载应大于压力机全量程的20%，且小于全量程的80%左右。
实验机上、下压板应有足够的刚度，其中的一块压板应带有球形支座，使压板与试件接触均衡。
（2）钢尺
量程300mm，最小刻度1mm。
7）强度检验：
强度值得确定应符合下列规定：
如两个测值与中间值相差均不超过15%，则以三个试件的算术平均值作为该组试件的抗压强度值。
三个测值中的最大值和最小值中如有一个与中间值得差值超过中间值的15%。
则把最大及最小一并舍除，取中间值作为改组试件的抗压强度值。
如两个测值与中间值相差均超过15%，则该组实验结果无效。
2.混凝土劈裂抗拉强度实验原理.
1.试件尺寸:
100（mm）
2.龄期:
14天
3.加载方式:
见下图一
混凝土劈裂抗拉强度采用直径为150mm的钢制弧型垫条,其长度不短于试件边长.进行劈裂抗拉试验时在垫条与混凝土之间垫一厚3-4mm,宽度为10-20mm的三合板垫层.加荷速度:
0.2-0.8Mpa/S（强度等级低的取0.2-0.5,高的取0.5-0.8Mpa/S）
图一
4.计算：
混凝土劈裂抗拉强度应按下式计算：
式中，fts为混凝土劈裂抗拉强度（Mpa）；
F为破坏荷载（N）；
A为试件劈裂面面积（mm2）。
劈裂抗拉强度计算精确到0.01。
取立方体试件的劈裂抗拉强度为标准值。
用非标准试件测得的强度值均应乘以尺寸换算系数，对100×
100的试件取值为0.85。
数据处理与混凝土抗压强度相同
5.实验设备:
劈裂抗拉实验用的实验机应符合“混凝土抗压强度”中对设备的要求。
（2）垫块、垫条和支架
混凝土劈裂抗拉强度实验采用半径为75mm的钢制弧形垫条，垫块的长度应与试件相同。
进行劈裂抗拉实验时在垫块与试件之间垫以木质三合板垫层，宽度为20mm，厚度为3~4mm，长度不应短于试件边长。
垫层不得重复使用。
支架为钢制支架。
3.混凝土与钢筋握裹强度原理
握裹力是钢筋和混凝土得以共同工作的基础，主要由化学胶结力、摩阻力和机械咬合力三部分组成。
影响混凝土中握裹力的因素很多，例如混凝土的抗压强度，抗拉强度，钢筋的直径、锚固长度和肋部形状，混凝土保护层厚度，混凝土掺合料，外加剂等。
影响混凝土中钢筋握裹力的因素在普通混凝土中和在玎Pc（高性能混凝土）中的行为是不同的。
目前人们对HPC钢筋握裹力的了解远少于对普通混凝土钢筋握裹力的了解。
试件尺寸:
200mm
龄期:
14d试件六个为一组（实际为两个）
加荷速度400N/S
加载时到下面任何一种状况时停止加载
（1）钢筋达到屈服
（2）混凝土发生破裂
（3）钢筋滑动超过0.1mm
试验时采用φ16mm的光圆钢筋,拔至最大荷载时停止实验.
混凝土钢筋握裹力强度计算公式:
其中τ:
钢筋握裹强度
P1:
滑动变形为0.01mm时的荷载（N）.
P2:
滑动变形为0.05mm时的荷载（N）.
P3:
滑动变形为0.1mm时的荷载（N）.
4.混凝土中氯离子扩散系数试验原理：
1）混凝土抗渗透性过程中使用氯离子的原因：
氯离子对混凝土的亲和力较大，可在其表面附近扩散。
另外，混凝土中钢筋锈蚀等耐久性问题与氯离子的浓度及扩散有很大的关系，尤其是在沿海和使用除冰盐的地区，氯离子的扩散性受到特别的重视，因此常用氯离子在混凝土中的扩散系数来评价混凝土的抗渗透性。
2）研究背景
由于现有检验混凝土渗透性的国标已不能满足现代混凝土的要求，无法正确评价高性能混凝土的渗透性，清华大学参照国内外最新研究成果，建立了混凝土的氯离子扩散系数测试方法（简称NEL法），此法适用于C20—C100混凝土渗透性评价。
3）氯离子危害
氯离子引起的钢筋腐蚀是造成海洋环境下混凝土结构性能劣化的主要原因。
在总结国内外经验教训的基础上，对钢筋腐蚀危害及对耐久性的影响要高度重视，是十分必要和意义深远的。
在混凝土设计、施工过程中必须对这一破坏过程足够的重视。
在实际混凝土建设工程中应尽量控制骨料带入的氯离子含量，加强监理和检测力度。
也应考虑外界环境可能提供的氯离子对混凝土的侵害。
混凝土发生氯离子侵蚀破坏的必要破坏条件是:
具有一定浓度的自由氯离子;
需要水分和氧气的存在。
充分了解由氯离子侵蚀引起破坏的机理，并有针对性的采取不同的方法加以防范，尽量降低损失。
尽可能降低混凝土中氯盐含量。
对现有结构物加强检查、评估、监控、管理维护和及时修复等工作。
4）实验原理:
基于Nernst-Einstein方程发展起来的混凝土中氯离子扩散系数测定方法，其实质是通过测定混凝土的饱盐电导率来计算混凝土中的氯离子扩散系数。
若把饱盐混凝土看成是固体电解质，氯离子在混凝土中的扩散系数与混凝土饱盐电导率关系为：
此即著名的Nernst-Einstein方程。
其中Dc1–氯离子扩散系数；
R：
气体常数，为8。
314（J/mol.K）
T:
绝对温度（K）
tc1氯离子迁移数，饱盐混凝土通常取1.0
σ饱盐混凝土电导率（S/CM）
ZC1氯离子化合价,即-1;
F常数Faraday（96500Coul/mol）;
CC1氯离子浓度（mol/m3）
5）不同强度等级的混凝土其氯离子扩散系数如下:
混凝土强度等级氯离子扩散系数
C151×
10－7cm2/s
C30—C405×
10－8cm2/s
C40以上1×
C60以上0.9×
10-8-2×
10-8cm2/s
当掺入掺和料也会使结果偏小，根据以上结果是初步评定混凝土的耐久性的一项指标。
三、实验步骤
混凝土抗压强度:
a）至试件龄期时，从养护室取出试件，应尽快完成实验，避免试件因湿度变化而引起强度的变化，从而影响实验的结果；
b）取出试件，检查其尺寸和形状，相对两面应平行，量出棱边长度，精确至1mm，试件受力截面积按其与上下压面的面积平均值计算，在破型前，保持试件原有湿度，实验前擦干试件；
c）以试件成型侧面为受压面，试件中心与压力机几何对中；
d）按照混凝土规定加荷速度加荷，当试件接近破坏而迅速变形时，应停止调整实验机油门，直至试件破坏，记下试件破坏极限载荷F（N）。
混凝土劈裂抗拉强度：
a）试件从养护地点取出，擦拭干净，测量尺寸，检查外观，在试件中不划出劈裂面位置线，劈裂面与试件成型时顶面垂直，尺寸测量精确至1mm；
b）试件放在球座上，几何对中，放妥垫层垫条，其方向与试件成型时顶面垂直；
c）按照规定加荷速度加载，当上压板与试件接近接触时，调整球座使接触均衡；
当试件接近破坏时，应停止调整油门，直至试件破坏，记录极限载荷。
氯离子扩散系数：
a）将养护到一定龄期的混凝土切割成厚度为50mm的试件；
b）将试件放入到抽真空（-0.08MPa）的装置内抽真空（把混凝土内部的空气抽出），四小时后，注入4M的NaCl溶液，继续抽2小时后取出；
C）将试件装入到测试装置的电极内，进入自动测试系统，取两次测试的平均值为最后结果。
四、实验数据及分析
抗压强度实验：
序号
7天抗压强度（MPa）
28天抗压强度（MPa）
1
26.7
61.6
2
26.41
63.2
3
20.14
64.8
抗压强度值
表一
由于使用的为100×
100的试件，以上数据均乘以了0.95的系数，其中7天的第三个数据无效，因此取第二个数据为其抗压强度值，在这里可以看出26.41MPa比较符合7天抗压强度达到85%以上的要求。
28d的抗压强度值应该已经与混凝土的实际强度值相当接近了。
我们的28d龄期试件为60.00MPa，已经显著超过了38.225MPa的设计强度，我们的混凝土配合比设计是比较失败的。
由于我们在配比过程中进行了错误的调整，又使用了聚羧酸高效减水剂，配制出的混凝土的含水量就比较小，而且加入的粉煤灰的量较多，后期强度发展比较快。
已经从C30到达了C60的强度。
在养护湿度不足的情况下可能就会影响早期的水泥水化。
但是，随着养护的进行，环境中的水分逐渐进入混凝土试件内部，对水泥的水化起到了一定的促进作用，所以后期的强度有了很大的提高。
因此，我们在配制高强混凝土的时候，一定要注意到其早期的水泥水化，以防止混凝土出现原生的缺陷，从而进一步提高混凝土的质量和性能。
混凝土劈裂抗拉强度实验：
实验数据如表二：
劈裂抗拉强度
P1
P2
P3
τ
58KN
60KN
3.18MPa
表二
其中，在标准化时，已经将平均值乘以0.85，即0.85×
fts≈3.18MPa
一般来讲，混凝土劈裂抗拉强度应该只有抗压强度的
，而且随着混凝土强度等级的提高，该比值降低。
在我们组的实验数据中，劈裂抗拉强度大约为抗压强度的
。
影响混凝土劈裂抗拉强度的因素有很多。
一方面，与混凝土本身的强度很有关系，因为混凝土的强度在很大的程度上是决定于混凝土本身的配合比的，这是最为本质的因素，所以要从根本上解决劈裂抗拉强度低的问题，需要改进混凝土的配合比，同时也应该采用一些特殊的措施来提高混凝土的密实度等，减少原生的缺陷。
另一方面，实验时的条件也很有关系，比如在压力机上未放到中间位置，垫层的使用不当等等，都可能对测得的混凝土劈裂抗拉强度产生影响，所以还需要严格遵循实验的规定，使得结果尽量准确。
3、混凝土与钢筋握裹强度实验
测得数据如表三：
握裹力峰值（kN）
40
表三
由于我们的试件在拆模的时候有两块损坏了，只剩下一块，因此这里只有一个数据，偶然误差可能会相对较大一点，代入这个数据算得：
τ=3.18MPa。
正因为握裹力的存在，钢筋混凝土的出现才成为可能，预应力混凝土才得以发明。
所以，握裹力是决定混凝土性能的一大重要因素。
影响混凝土中握裹力的因素很多，例如混凝土的抗压强度、抗拉强度，钢筋的直径、锚固长度和肋部形状，混凝土保护层厚度，混凝土掺合料，外加剂等。
针对这样一些影响因素，我们可以进行相关的改进。
为了提高钢筋握裹力，可以提高混凝土的抗压强度和抗拉强度，防止混凝土和钢筋之间的相对运动，提升对于应力的承受能力。
同时，也应该对钢筋进行一定的处理，尽量避免用光圆的钢筋，因为光圆钢筋的握裹力比较弱。
可以使用带肋钢筋，或是对使用的钢筋进行使用前的冷加工强化，从而提高钢筋握裹力。
4、混凝土中氯离子扩散系数的测定实验
测得数据如下表四：
平均
氯离子扩散系数（cm2/s）
5.17E-8
5.62E-8
5.40E-8
表四
而根据经验，C30混凝土的氯离子扩散系数在5E-8左右，因此上述数据比较符合规定。
抗渗性满足设计要求。
从这里可以看出，我们的混凝土氯离子扩散系数偏大，因此我们认为需要对混凝土配合比进行一定的改进如增大水灰比，增大粉煤灰的用量，减小骨料尺寸等等。
混凝土的抗渗透性对于其耐久性是有很大的影响的。
由于水的入侵，可以再混凝土中循环往复，从而使得温度收缩、干裂收缩等更加强烈，同时，水作为很多侵蚀性离子的载体，也会使得侵蚀性离子进入混凝土体内变得更加容易，从而加剧混凝土的劣化，以及对钢筋混凝土中的钢筋的腐蚀。
可见，抗渗透性比较好的混凝土，其耐久性也比较强。
五、总体误差分析与总结
这次实验是和混凝土配合比设计实验配合来做的，是使用自己在配合比实验中成型的试块来测定混凝土的力学性能和氯离子扩散系数。
这次测定的数据反应着配合比设计的是否合理，而配合比设计又决定这这次实验测得的数据。
通过自己测定自己设计的混凝土，不仅能够让我们学到测定这些指标的方法，而且还能够让我们发现自己在配合比设计中存在的问题。
这样能够启发我们自己去思考，为什么我设计的混凝土的这一项性能不能达到要求，并启发我们去想办法修正我们的配合比设计，使按照配合比设计出来的混凝土能够达到设计要求。
但是，由于操作等原因，例如钢筋握裹强度实验中，我们组只有一个数据可用，这必然会加大偶然误差，而且在抗压的实验中，最小值的数据与中间值相差超过了15%，因而被舍去了，这也反映出我们的操作过程或者由于偶然误差，数据的偏差会比较大。
六、思考题
1、针对实验四混凝土配合比的试验结果从混凝土拌合物性能和抗压强度等方面你如何再提高其性能。
下列因素对混凝土拌合物性能的影响如下（参考张君老师编著的建筑材料）：
1）
用水量和水泥用量：
工作度对用水量很敏感，用水量增加可以增加坍落度，但同时可能减小拌合物的粘聚性；
水泥用量大可以增加拌合物的粘聚性但坍落度可能较小；
一般固定用水量（浆体量），通过掺加外加剂调整流动性。
骨料品种与品质：
卵石配制的混凝土流动性高于用碎石配制的混凝土；
级配好、针片状颗粒含量少的骨料流动性好；
砂的细度模数小，流动性低；
细度模数较大、砂率稍高、水泥浆体量较多的拌合物，工作性综合指标良好。
砂率：
砂率低，砂含量少，不足以填充粗骨料间的间隙，需水泥浆填充，减薄了骨料颗粒表面的浆体层。
砂率高，骨料的表面积增大，需更多水泥浆包裹，减薄了骨料颗粒表面的浆体层。
存在最佳砂率，使工作性最佳，同时胶凝材料用量较少。
外加剂与矿物掺合料：
外加剂对混凝土具有良好的改性作用，掺用外加剂是制备高性能混凝土的关键技术之一。
在混凝土中合理掺加具有减水率高、坍落度损失小、适量引气，质量稳定的外加剂产品能明显改善或提高混凝土耐久性能。
混凝土中掺入少量引气剂后，就等于是每方混凝土中引入数千亿个微小气泡，使混凝土的抗冻融性能大大提高。
掺入一定量的矿物掺和料，可以有效改善和提高混凝土工作性和耐久性。
一般分为活性和非活性两种。
活性的有粒化高炉矿渣、火山灰混合材料、粉煤灰、硅灰等；
非活性混合料仅起填充作用，不能改善水泥性质，如石英砂、石灰石、砂岩、粘土等，我们一般常用粉煤灰及粒化高炉矿渣比较多。
拌合条件：
不同搅拌机械拌合出的混凝土，即使原材料条件相同，工作度仍可能出现明显的差别。
2）
至于混凝土抗压强度方面，各影响因素如下：
水灰比：
W/C决定了水泥硬化浆体的孔隙率，W/C越大，孔隙率越大，浆体强度
越低。
但没有考虑过渡区的作用；
骨料：
骨料的最大粒径Dmax越大，强度越低；
卵石混凝土强度比碎石低；
当混凝土的强度较高时，骨料的强度也会影响混凝土的强度；
外加剂：
减水剂因为可以有效的降低混凝土的水灰比，因此可以提高混凝土各个龄期的强度，调凝剂也可以影响强度的发展；
矿物掺合料：
有些矿物掺合料可以有效地降低基体和过渡区的空隙率，减少微裂纹，从而改善混凝土的各种性能和强度。
2、谈谈你对高性能混凝土如何理解。
高性能混凝土是一种新型高技术混凝土，是在大幅度提高普通混凝土性能的基础上采用现代混凝土技术制作的混凝土。
它以耐久性作为设计的主要指标，针对不同用途要求，对下列性能重点予以保证:
耐久性、工作性、适用性、强度、体积稳定性和经济性。
为此，高性能混凝土在配置上的特点是采用低水胶比，选用优质原材料，且必须掺加足够数量的矿物细掺料和高效外加剂。
高性能混凝土是针对工程需求来的，不同的人有不同的定义。
美国的工程技术人员认为：
高性能混凝土是一种易于浇注、捣实、不离析，能长期保持高强、韧性与体积稳定性，在严酷环境下使用寿命长的混凝土。
美国混凝土协会认为：
此种混凝土并不一定需要很高的混凝土抗压强度，但仍需达到55MPa以上，需要具有很高的抗化学腐蚀性或其他一些性能。
日本工程技术人员则认为，高性能混凝土是一种具有高填充能力的的混凝土，在新拌阶段不需要振捣就能完善浇注；
在水化、硬化的早期阶段很少产生有水化热或干缩等因素而形成的裂缝；
在硬化后具有足够的强度和耐久性。
加拿大的工程技术人员认为，高性能混凝土是一种具有高弹性模量、高密度、低渗透性和高抗腐蚀能力的混凝土。
七、相关知识
1影响混凝土强度的因素
普通混凝土受力破坏一般出现在骨料和水泥石的分界面上，是常见的粘结面破坏的形式。
在普通混凝土中，骨料最先破坏的可能性小，因为骨料强度通常大大超过水泥石和粘结面的强度。
所以混凝土的强度主要决定于水泥石强度及其与骨料表面的粘结强度。
而水泥石强度及其与骨料的粘结强度又与水泥标号、水灰比、及骨料的性质有密切关系。
当水泥石强度较底时，水泥石本身容易受到破坏。
此外混凝土的强度还受施工质量、养护条件及龄期的影响。
（1）水灰比和水泥标号是决定混凝土强度的主要因素
水泥是混凝土中的活性成分，其强度的大小直接影响着混凝土强度的高低。
从混凝土强度表达式：
fcu,0＝Afce（C／W-B）可以看出，在配合比相同的条件下，所用的水泥标号越高，制成的混凝土强度越高。
当水泥相同时，混凝土的强度取决于水灰比。
当水泥水化时所需的结合水，一般只占水泥重量的23％左右。
如果结合水较大（约占水泥重量的40~70％），混凝土硬化后，多余的水分残留在混凝土中形成气泡或蒸发后形成气孔，大大地减少了混凝土抵抗荷载的实际有效断面，可能在空隙周围产生应力集中。
因此，在水泥标号相同的情况下，水灰比愈小，水泥石的强度愈高，与骨料粘结力愈大，混凝土的强度就愈高。
如果加水太少，拌和物过于干硬，在一定的捣实成型条件下，无法保证浇灌质量，混凝土中将出现较多的蜂窝孔洞，混凝土强度也将下降。
（2）粗骨料的影响
粗骨料对混凝土强度也有一定的影响。
当石质强度相等时，决定于骨料的表面粗糙度。
如：
碎石表面比卵石表面粗糙，它与水泥砂浆的粘结力比卵石大；
当水灰比相等或配合比相同时，两种材料配制的混凝土，碎石的混凝土强度比卵石强。
一般混凝土的粗骨料控制在3.2cm左右。
对于砂的质量对混凝土的强度也有一定的影响。
如果砂的含泥量大，含有一定量的有害杂质，也会降低混凝土强度。
因此，通常在施工中使用清水砂。
（3）温度和湿度的影响
混凝土的硬化在于水泥的水化作用。
周围环境温度对水泥水化的速度有显著的影响：
温度升高，水泥水化速度加快，混凝土强度增长加快。
反之，温度降低，水泥水化速度降低，混凝土强度增长缓慢。
当温度降至冰点以下时，则由于混凝土中的水分大部分已结冰，水泥颗粒不能与冰发生化学反应，混凝土的强度停止发展，而且孔隙内水分结冰会引起膨胀（水结冰体积可膨胀约9％），作用在孔隙毛细管内壁，使混凝土内部结构遭到破坏，已经获得的强度（如果在结冰前，混凝土已经不同程度地硬化的话）受到损失。
当气温忽高忽底反复冻融，混凝土内部的微裂逐渐增长、扩大，使混凝土强度逐渐降低，表面出现剥落，甚至混凝土完全崩溃。
周围环境的湿度对水泥的水化作用也有显著影响：
湿度适当，水泥水化进行顺利，混凝土强度增长较快。
如果湿度不够，混凝土因缺水而影响水泥水化作用的正常进行，甚至停止水化。
使混凝土结构疏松，渗水性增大或形成干缩裂缝，影响耐久性。
为了使混凝土正常硬化，必须在成型后一定时间内维护周围环境，保证一定温度和湿度。
当混凝土凝结以后，表面应覆盖草袋等物并不断浇水，防止其发生不正常的收缩。
在夏季应注意浇水，保持必要的湿度；
在冬季注意保温，保持必要的温度。
一般采取综合蓄热法及蒸养法。
（4）龄期的影响
凝土在正常养护条件下，其强度将随着龄期的增加而提高，最初7~14d内强度增长较快，28d以后增长缓慢。
2提高混凝土强度的措施
根据影响混凝土强度的因素分析，提高混凝土强度可以从以下几个方面采取措施：
（1）采用高标号水泥
采用早强水泥，或在混凝土中掺入早强剂，均可提高混凝土早期强变。
（2）尽可能降低水灰比
为使混凝土拌和物中的游离水分减少，采用较小的水灰比，用水量小的干硬性混凝土，或在混凝土中掺入减水剂。
（3）采用湿热处理
①蒸汽养护
将混凝土放在温度低于100℃的常压蒸汽中进行养护。
一般混凝土经过16～20d的蒸汽养护后，其强度即可达到正常条件下养护28d强度的70~80％。
蒸汽养护的最适宜温度随水泥品种而不同。
用普通水泥时，最适宜的养护温度为80℃左右，用矿渣水泥及火山灰水泥时，则为90℃左右。
②蒸压养护
将混凝土构件放在175℃的温度及8个大气压的压蒸锅内进行养护。
在高温的条件下，水泥水化时析出的氢氧化钙，不仅能与活性的氧化硅结合，而且亦能与结晶状态的氧化硅相结合，生成含水硅酸盐结晶，使水泥的水化加速，硬化加快，而且混凝土的强度也大大提高。
对掺有活性混合材料的水泥更为有效。
（4）采用机械搅拌和振捣
机械搅拌比人工拌和能使混凝土拌和物更均匀，特别在拌和低流动性混凝土拌和物时效果更显著。
搅拌时间越长，混凝土强度越高。
但考虑到能耗、施工进度等，一般要求控制在2~3min之间。
利用振捣器捣实时，能提高混凝土拌和物的流动性，使混凝土拌和物能很好的充满模型，排除混凝土中气泡，内部空隙大大减少，提高了混凝土的密实度，从而大大提高了混凝土强度。
3抗渗性
钢指混凝土材料抵抗压力水渗透的能力，它是决定混凝土耐久性最基本的因素。
筋锈蚀、冻融循环、硫酸盐侵蚀和碱骨料反应这些会导致混凝土品质劣化的原因中水能够渗透到混凝土内部都是破坏的前提，也就是说水或者直接导致膨胀和开裂，或者作为侵蚀介质扩散进去混凝土内部的载体。
所以，混凝土的抗渗性对于混凝土的耐久性具有重大的意义。
4提高抗渗性的措施
影响混凝土抗渗性的根本因素是孔隙率和孔隙特征。
混凝土的孔隙率越低，连通孔越少，抗渗性越好。
混凝土中的渗水通道主要是来自水泥浆中多余的水分蒸发而留下的气孔水泥浆泌水所产生的毛细管孔道、内部的微裂以及施工振捣不密实产生的蜂窝、孔洞，这些都会导致混凝土渗水。
当混凝土受压力水作用时，水从其中的孔隙或组成材料本身中通过,若水流孔隙是连续的,则造成混凝土的渗漏。
为了最大程度的降低混凝土的孔隙率，提高混凝土的抗渗性，主要的措施是降低水灰比，旋转好的
升级会员 