混凝土在不同環(huán)境侵蝕下的劣化探析

步 鶴 （安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001）

0 引言

現(xiàn)在，我國已經(jīng)進(jìn)入了“兩個一百年”奮斗目標(biāo)的歷史交匯期，經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，建筑工程建設(shè)也迎來了新的飛騰。我國東北濱海地區(qū)、華北和西北鹽漬地區(qū)含有較多的氯鹽和硫酸鹽，大大降低了混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命。影響混凝土結(jié)構(gòu)性能的研究一直是國內(nèi)外學(xué)者的重點(diǎn)，大體包括混凝土試件本身性質(zhì)和外界的復(fù)雜環(huán)境等方面的研究。

周茗如等通過一定濃度硫酸鹽溶液和清水溶液分別對混凝土試件進(jìn)行干濕循環(huán)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)硫酸鹽溶液浸泡的混凝土試件表面膨脹開裂比清水溶液浸泡得要嚴(yán)重，且循環(huán)次數(shù)越多，開裂越大。金祖權(quán)等研究發(fā)現(xiàn)，氯鹽和硫酸鹽復(fù)合溶液浸泡混凝土試件，試驗(yàn)前期氯離子的擴(kuò)散速度較慢因?yàn)槿芤褐泻辛蛩岣?，試?yàn)后期相互促進(jìn)增強(qiáng)了氯離子的擴(kuò)散速度。商懷帥等研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)混凝土試件進(jìn)行100次凍融循環(huán)時，抗壓強(qiáng)度下降到?jīng)]經(jīng)過凍融循環(huán)混凝土試件的一半。馮乃謙等調(diào)查發(fā)現(xiàn)，由于復(fù)雜環(huán)境對混凝土結(jié)構(gòu)的影響，山東沿海的橋梁在使用10年左右耐久性能大大降低。李華等對不同配合比的混凝土試件進(jìn)行了硫酸鹽干濕循環(huán)試驗(yàn)，隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，試件的抗壓強(qiáng)度和質(zhì)量先增長后下降。本文總結(jié)了近年來外界因素對混凝土結(jié)構(gòu)的損傷劣化，解釋了作用機(jī)理，并且對混凝土在不同環(huán)境侵蝕下的進(jìn)一步研究做了展望。

1 物理作用對混凝土的損傷劣化

1.1 潤滑作用

長時間的地下水、河水或者海水滲入混凝土內(nèi)部，使得顆粒間的摩擦角減小，從而摩擦力也變小，降低混凝土的性能。

1.2 軟化作用

混凝土在水中浸泡時強(qiáng)度發(fā)生下降稱為混凝土的軟化作用，作用機(jī)理和潤滑作用的很相似，水分子進(jìn)入混凝土內(nèi)部，降低了顆粒之間的內(nèi)黏聚力，與此同時顆粒間的摩擦力也減小，長此以往混凝土物理和力學(xué)性能降低。

1.3 干濕循環(huán)作用

干濕循環(huán)是地球上很常見的物理作用之一，存在較多的工程實(shí)際，比如雨水降落與蒸發(fā)、潮汐現(xiàn)象和水庫水位的變化等等，造成混凝土構(gòu)件和水的接觸面在濕潤和干燥之間反復(fù)，水分不斷浸入和析出混凝土構(gòu)件，長此以往，混凝土構(gòu)件內(nèi)部的開口空隙變得越來越大，混凝土的劣化越來越明顯，損傷是漸進(jìn)性的。Cody等研究表明干濕循環(huán)對混凝土構(gòu)件造成的劣化比完全浸泡水中要嚴(yán)重。孫迎召等通過試驗(yàn)得出混凝土損傷層厚度和經(jīng)歷的干濕循環(huán)次數(shù)呈正相關(guān)。

1.4 凍融循環(huán)作用

混凝土的凍融循環(huán)是指水分通過混凝土毛細(xì)孔滲入內(nèi)部，然后在凍結(jié)溫度下經(jīng)過一段時間混凝土受凍，內(nèi)部含有水分的毛細(xì)孔膨脹，融化后導(dǎo)致表面脫落、破損和產(chǎn)生裂縫。發(fā)生凍融破壞的條件首先要有低溫，在我國北方的嚴(yán)寒地區(qū)建筑物容易發(fā)生凍融破壞。

劉燕等通過試驗(yàn)，引入損失的動彈性模量與損傷的關(guān)系，得出凍融循環(huán)相對于干濕循環(huán)而言對混凝土的破壞更嚴(yán)重，而且凍融-干濕雙循環(huán)對混凝土的破壞遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于凍融循環(huán)加干濕循環(huán)的破壞總和。

2 化學(xué)作用對混凝土的損傷劣化

2.1 氯鹽擴(kuò)散

氯離子滲入混凝土內(nèi)部，在水泥水化產(chǎn)物的參與下，產(chǎn)生F鹽；氯離子還會引起混凝土內(nèi)部鋼筋的銹蝕，氯離子和亞鐵離子反應(yīng)生成氯化亞鐵(含結(jié)晶水)，然后分解形成氫氧化亞鐵，從上述一系列的反應(yīng)也可以看出氯離子只是充當(dāng)催化劑的作用，鋼筋進(jìn)而被銹蝕，混凝土內(nèi)部pH值也減小，所以鋼筋發(fā)生腐蝕的速度會逐漸加快。

2.2 硫酸鹽侵蝕

硫酸鹽對混凝土造成的損傷和氯鹽的不一樣，進(jìn)入內(nèi)部發(fā)生反應(yīng)生成膨脹性物質(zhì)，為大致過程。硫酸根離子會和混凝土中的熟石灰生成石膏，進(jìn)而產(chǎn)生鈣礬石，石膏和鈣礬石填滿內(nèi)部孔隙，然后結(jié)晶進(jìn)而混凝土體積變大出現(xiàn)微裂紋。混凝土的抗壓強(qiáng)度先升高后降低，原因是前期未完全水化的水泥會繼續(xù)水化，孔隙的填滿在一定程度上也增加了自身的密實(shí)性，隨著硫酸根離子的不斷侵蝕，混凝土出現(xiàn)膨脹、脫落和開裂，強(qiáng)度大幅度降低。

3 多重因素下混凝土的損傷劣化

上述都是用單一的因素去思考混凝土的損傷劣化，接下來本文根據(jù)國內(nèi)外學(xué)者對混凝土耐久性方面的研究，進(jìn)行混凝土在多重因素下?lián)p傷劣化的總結(jié)。

首先混凝土在氯鹽和硫酸鹽復(fù)合溶液的條件下，因?yàn)槁入x子的擴(kuò)散速度比硫酸根離子的快，所以氯離子優(yōu)先和水泥水化產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)，生成F鹽，降低了硫酸根離子和水泥水化產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)所產(chǎn)生的鈣礬石，產(chǎn)生的鈣礬石也減緩了F鹽的生成，兩者相互干擾，隨著侵蝕的不斷進(jìn)行，內(nèi)部孔隙不斷變大混凝土也發(fā)生開裂，混凝土損傷越來越大。反應(yīng)前期對混凝土的損傷：氯鹽＞硫酸鹽＞復(fù)合鹽溶液，因?yàn)榱蛩猁}侵蝕產(chǎn)生的膨脹產(chǎn)物比氯鹽的大，密實(shí)性大；反應(yīng)后期：硫酸鹽＞復(fù)合鹽溶液＞氯鹽，因?yàn)榱蛩猁}侵蝕膨脹產(chǎn)物使得混凝土開裂，相比較于氯鹽侵蝕更嚴(yán)重，復(fù)合鹽溶液中的硫酸根雖然前期阻礙了氯離子的擴(kuò)散，但是后期加快了氯離子的擴(kuò)散。

混凝土的循環(huán)機(jī)制不同時，就干濕循環(huán)和凍融循環(huán)而言，前者使得內(nèi)部孔隙緩慢變大，后者使得混凝土膨脹并產(chǎn)生裂縫，后者的損傷要嚴(yán)重一點(diǎn)。凍融-干濕雙循環(huán)條件下，凍融循環(huán)使得混凝土膨脹產(chǎn)生微裂縫，干濕循環(huán)使得水分進(jìn)入得更容易，下一次的凍融循環(huán)內(nèi)部裂縫水結(jié)冰膨脹得越大，混凝土破壞得更快，對混凝土的損傷，凍融-干濕雙循環(huán)大于凍融循環(huán)，凍融循環(huán)大于干濕循環(huán)。

循環(huán)機(jī)制和溶液環(huán)境耦合條件下，干濕循環(huán)由于水分反復(fù)的浸入和干燥，會增加混凝土內(nèi)部的孔隙；凍融循環(huán)由于水分的結(jié)冰使得內(nèi)部體積變大，會讓混凝土產(chǎn)生微裂紋；無論是上面的哪種情況，在鹽溶液的侵蝕條件下，硫酸根離子或者氯離子會更容易擴(kuò)散，都會比單一的鹽溶液來言損傷得更嚴(yán)重，干濕-凍融-鹽溶液＞凍融-鹽溶液＞干濕-鹽溶液。

4 結(jié)語

在我國的東部沿海地區(qū)和西北鹽漬地區(qū)，上述關(guān)于混凝土損傷的問題很常見，國內(nèi)外學(xué)者也研究出了豐碩的成果，對此筆者也做出了一些展望：①在以上研究的基礎(chǔ)上可以探討水溫對鹽溶液中氯離子和硫酸根離子擴(kuò)散的影響；②試驗(yàn)要和實(shí)際的工程相結(jié)合才更加有意義和價值。