《Modeling of frost salt scaling盐剥离机理翻译》由会员分享，可在线阅读，更多相关《Modeling of frost salt scaling盐剥离机理翻译（16页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、1Mechanism for Salt ScalingJohn J. Valenza II* and George W. Scherer在过去 60 年里，处在寒冷环境中的混凝土基础设施由于“盐剥离”已经发生了劣化。“盐剥离”是由于盐溶液的存在，而在冻结过程中导致的混凝土表面的破坏。 “盐剥离”降低了混凝土的力学完整性，因此要花费大量的费用来维修和替换。我们可以通过对浸泡在溶液中的混凝土试块进行冻融循环实验来展示“盐剥离”现象。盐剥离最显著的特征如下：当溶液为纯水时，不会发生盐剥离现象;当溶液浓度很低时，盐剥离变的严重；当溶液浓度超过 6%时，盐剥离破坏停止。尽管有着大量的研究，但是能够合理解
2、释盐剥离破坏的机理直到最近才被确定。在这篇文章中，我们将证明盐剥离是冰的断裂行为导致的结果。由于冰和混凝土热膨胀系数的差异将导致应力上升，当温度降低时，这种应力会使冰处于受拉状态。考虑到冰的力学和弹性性能，热膨胀系数的差异将不会使纯冰产生裂缝，但是在合适的溶液浓度中将易于产生裂缝。结冰盐上的裂缝扩展到基底，导致混凝土表面破坏。浓度很高时，冰不会形成具有足够刚度的结构而产生很大的应力，因此不会发生破坏。通过断裂力学可以预测裂缝的形态。1 引言混凝土是世界上应用最广泛的材料。它的原材料来源广泛，所以价格相对便宜，但是它构成了大量的耐久性问题，导致维修费用很高。The National Resear
3、ch Council 估计美国每年用于基础设施维修的费用将近 500 亿美元，而每年用于新建的道路、桥梁和枢纽的费用在1000 亿美元。显而易见的，提高混凝土的耐久性具有巨大的社会和经济影响。盐剥离是指由于水泥基体表面的盐溶液冻结而产生的混凝土表面破坏。盐剥离是由小碎片和鳞片的逐渐脱落组成。这些性质于 20 世纪 50 年代在实验室试验中第一次被发现的，并且随后在现场试验中被得以证实。在中度向极端条件发展的情况下，粗骨料的暴露表示劣化的最终形成。寒冷气候下，盐经常被用来除去公路与人行道上的积雪。因此在这种气候下，盐剥离是水泥基体材料所要面临的主要的耐久性问题。尽管单纯的盐剥离不会使结构失效，但
4、它能加速诸如一些氯化物侵蚀，及加速增加饱和溶液浓度。前者致使钢筋易受侵蚀，而后者使混凝土因内部冻结作用而引起强度丧失。这些决定着混凝土的服役寿命。大量的室内实验和现场实验的研究已明确了混凝土表面盐剥离的特性，但是却解释不了造成盐剥离的原因。众所周知的一个特性就是盐的含量在某个量时所发生的破坏最为严重。被广泛接受的是溶质浓度在 3%时发生的盐剥离最严重，与所使用的溶质无关。已提出了若干盐剥离的机理，但是直到目前为之，没有一个机理能够解释观察到的所有特性。在下一节里，我们将总结盐剥离的特性，并提出一个能够说明所有现象的解释。2 现象图（2）是盐剥离的一个最经典的的研究结果，证实了最劣浓度的存在。
5、把混凝土试块浸泡在不同的溶质浓度的溶液中，然后进行冻融循环试验。这个试验 最引人注目的结果是溶质为中等浓度时，破坏最为严重，而且和溶质的种类无关。同时也证实了在冻结之前如果试样没有被溶液完全浸泡，那么就不会发生盐剥离破坏。 稍后的其他实验也证实了最劣的浓度在 3%左右，抵抗剥离的标准试验方法也采用的是 3%浓度的溶液。一种标准的试验方法是 ASTM 的 C672 标准。把大于等于 75mm 厚的试样表面覆盖 6mm深的溶液，在 17.82.8 C 的温度下冷冻 1618 h，然后再把试件放在 233 C 下解冻 268 h。通过观察破坏的数量变化，把盐剥离分为 5 个等级：0=没有剥离，5=
6、严重剥离。欧洲的标准用的是同样的循环温度，不同处在于它通过不同冻融循环次数掉下来的碎片的质量来评定破坏程度。这里引用的大多数研究是使用后面的一种改进的方法。大量的试验揭示出了盐剥离的如下特征：1. 盐剥离是由小碎片和鳞片的逐渐脱落组成。2. 溶质浓度在 3%时发生的盐剥离最严重，与所使用的溶质无关。3. 当混凝土表面处于无溶质的溶液池时不会发生盐剥离。4. 最低温度在-10C 以上 时，不会发生盐剥离。当最低温度低于10 C 时，随着温度的降低以及在这个温度下所处的时间越长盐剥离的损坏程度越大。5. 引气可改善混凝土的抗盐冻性。6. 混凝土表面的实验池盐浓度比混凝土孔隙内溶液的浓度更重要。7.
7、 混凝土对盐剥离的敏感性与对内部冻结作用的敏感性无关。8. 混凝土的表面强度决定着水泥基体材料抵抗盐剥离的能力。前面对盐剥离的解释中引入了空隙化学(pore chemistry)(见侧栏 2)或者把破坏归结于与内部冻融破坏相同的原因(见侧栏 3)。然而以上任何一种解释都不能完全说明上面列举的所有特征。在本文的剩下部分，我们将阐述胶剥落机理是如何解释盐剥离的所有特征的。在下一章，我们将描述盐剥离机理。在第四章，我们将讨论结盐水冰的力学性能和粘弹性性能。在第五章，我们将展示粘弹性应力计算的结果，这个结果能说明为什么在溶质浓度为 3%时是最劣浓度。在第六章里我们将讨论盐剥离的断裂力学，它能够解释破坏
8、的深度和形态。在第七章和第八章，我们将通过试验证明当盐溶液在水泥表面冻结时胶剥落机理是有效的。第九章将会总结这些结果。3 胶剥落机理胶剥落技术是用来雕饰玻璃表面。胶剥落的程序包括在喷砂的玻璃表面撒环氧树脂，为了使环氧树脂固化，降低复合材料的温度。在冷却过程中，由于热膨胀系数的差异而产生的应力将使环氧树脂碎裂成很多小岛。由于环氧树脂相对于基板的收缩，沿这些小岛的周边，玻璃上形成一层拉力。这些应力使玻璃表面的裂缝扩展，最后使得玻璃薄壳和岛状物的滑落。在 1982 年 Gulati and Hagy 分析了暴露在均匀温度变化下的环氧树脂玻璃复合材料的应力，并进行了有限元计算，确定了他们的分析解决方案
9、。由于热膨胀的差异产生的应力和环氧树脂的拉伸应力而导致的在玻璃表面的胶剥落应力近似于弹性分析。（3）)1(1eggs eETE是平行于 X 轴的应力，E 是弹性模量， 是泊松比， 是热膨胀差异， 是温geT度变化，g 和 e 分别代表玻璃和环氧树脂。 是环氧树脂的应力， 是玻璃的应力。e（4） egeeggge tt Tt )1/()(/(5.0/. 3（5）)(2ggett 是各组分的厚度，从式（3）（5）可以得出 gs同样的分析可以应用于水泥质材料表面的混合冰（CM=水泥浆，砂浆，混凝土） ，冰的作用类似于环氧树脂。从剥离试验常用的尺寸以及冰和水泥浆的性能，我们可以得出温度均匀变化 时，胶
10、剥落的应力为 。此时的应力能够引起 CM 表面的破坏，CT20MPgs6.2尤其是当外表面由于暴露而被弱化或者粗骨料可见的时候，因为粗骨料和水泥浆之间的 ITZ是最薄弱的部位。4 盐水冰的性质在图（5）是液相的 NaCI-H2O 溶液。当盐溶液结冰时，没有溶质进入晶格，所以先前溶液中的离子被排挤到剩余的盐水中。我们可以得到在给定的冷却温度 下的杠杆原理(the Tlever rule)：(6)， 是原来溶液的浓度， 是液相的浓度， 是冰的体积分数。LWO10 LW任意 NaCl 和 H2O 的两相混合物，在低于融点温度时，将包含共晶温度以上（ ）的CT21盐水。图 5 指出这些盐水包含在被冰包
11、围的袋子里。在剥离的经典研究中，其他的溶质估计有着相同的行为，因为他们的融点都会因为浓度的作用而降低。最劣浓度可以通过考虑盐水袋对盐水冰的力学性能的影响来解释。冷冻中等浓度的溶液将会产生存在缺陷的盐水袋，盐水袋使冰弱化，导致冰层易于产生裂缝。裂缝扩展到表面，导致剥离。冷冻浓度更高的溶液，将会产生很大体积的没有强度的盐水冰，所以就不会产生足够的应力而导致 CM 的破坏。Weeks(9)冷冻不同浓度的 NaCI 溶液并测得他们的抗拉强度 。他发现取决于冰的体积分T数 有如下经验公式：（7）15.472aMPT从式（7）可以看出，当冰的体积分数低于 时，盐水冰的强度为零。在盐剥离试验的%最低温度（
12、） ，和冰接触的盐水的 （图 5） 。把这个值带入式（6） ，设C02LW，解出 W0，可以得出当 时，在盐剥离的温度范围内不会产生强度。假设在%60时 ，通过相同的计算可以知道，当盐溶液浓度 时不会产生强度。因1014L 30此，高浓度的溶液（ ）不会引起剥离。通过考虑盐水袋对盐水冰强度的影响，我们60能够解释当温度在 以上时，为什么不会引起破坏。CT为了估计冰层的应力差和预测当 时可能产生的裂缝，我们有必要知道冻结层的%60W弹性模量 。盐水冰是一种两相的异质材料，冰和孔隙（袋子）被盐水填满。界限模量可以fE4利用 Hashin 和 Shtrikman 复合理论 (60)来进行估计，该理论
13、仅通过考虑组成材料的体积分数和力学性能来给出最可能的界限。3D 解决方案是一个包含随机分布的、形状不规则的夹杂物的载体。当冰晶通过盐水蔓延形成一个被剩余盐水填充饱和的孔隙网时，这个结论是适用的。2D 的解决方案确切的来说更像是在平面上的冰球（在 3D 是成排的筒） ，并将最精确的由单向冻结形成盐水冰，单向冻结将会在盐水中形成平行的渠道。这表明，以前的界限（2 -或 3 - D）是一个很好的近似的盐水冰的弹性模量数据。冰展示出快速的徐变，因此冻结界面的应力最主要取决于冰的粘弹性参数。徐变应变率 和立方体的应力 是成比例的x&x(8)3xCrxJ徐变的温度依赖性最初适合于小范围的温度，但是我们发现
14、 VogelFulcherTammann 公式提供了在全部温度范围内的适用性。(9)38.27118.ep(Cr TJ5 冰层的应力当人行道结冰时，冰层的应力是双向的并且由于冰层的厚度和混凝土相比是很小的 ，cft所以在混凝土中的应力是可以忽略的。在这种情况下，冰层的弹性应力在下面给出：（10）ffxBTE1其中： 是热膨胀系数差异cf是热应变差f是双轴模量)1/(fffEBf 和 c 分别代表结冰层和 CM通过表 1 中冰和水泥的性质，设 等于冰的抗拉强度（2.5MPa） (59)。由（10）可知，纯x冰在 时会产生裂缝。如果是这种情况，我们将会得出纯冰将会产生剥离破坏，这与CT4经验观察的
15、情况不符合。这种明显的差异是由于我们在计算应力时忽略了徐变。考虑上徐变，应力替换成下式（11）dTJBTmxCrfx)(3由于徐变应变取决于立方体的应力，应力分析的方法是不行的，所以必须反复计算这个应力。对于盐溶液，这个计算完全是通过这个事实：当温度降低时，冰的体积分数增加（图 5） 。当温度每变化一个台阶后，新形成的冰的应力是自由的，现存的冰的应力的不同是基于他们形成的时候。冰层的对应的应力通过加权平均应力计算：（12）)(31)()(1TJdBnxCrnnxfx 5在括号中的上标表示温度的变化量dT的次数。这里介绍的计算，比 Valenza and Scherer的计算有了改进，因为根据式
16、（7）这里的应力只有在冰的体积分数高到允许出现非零强度的时候才出现。通过式（9）和（12）可以计算不同浓度的NaCI溶液在均匀线性变化的温度下3个小时的应力。冰层的双轴模量可以通过HashinShtrikman 界限，利用表一中冰的性质和如下的盐水的性质：G 1=0和K 1=2.18GPa来计算。通过（6）式杠杆原理可以确定冰的体积分数。在（6）式中，初始的溶液浓度W 0是确定的，该均衡冰溶液浓度W L是不断增长的直到达到共晶浓度。相应的温度通过与三阶多项式对应的数据， NaCl水溶液的融点的降低计算。为了对比，弹性应力也通过式（10）计算。图6-9显示的是0至3浓度的氯化钠溶液模拟的结果。结果显示，当路面上的纯水或者1%的氯化钠溶液冻结时，徐变限制冰层的应力低于强度值。相比之下，当2%
