混凝土應(yīng)力腐蝕研究現(xiàn)狀*

王大富 施養(yǎng)杭 黃慶豐

所謂混凝土結(jié)構(gòu)耐久性,是指混凝土結(jié)構(gòu)在自然環(huán)境、使用環(huán)境及材料內(nèi)部因素的作用下,在設(shè)計要求的目標使用期內(nèi),不需要花費大量資金加固處理而保持其安全、使用功能和外觀要求的能力[3]?，F(xiàn)階段我國還主要研究混凝土結(jié)構(gòu)在單因素作用下的耐久性問題,但現(xiàn)實生產(chǎn)生活中的各種建筑結(jié)構(gòu)往往處于雙因素或者更多因素的協(xié)同作用下,研究荷載作用下混凝土結(jié)構(gòu)的抗腐蝕耐久性問題就顯得非常有意義。

1 應(yīng)力腐蝕研究現(xiàn)狀

混凝土的應(yīng)力腐蝕可定義為:混凝土在各種應(yīng)力(包括拉應(yīng)力、壓應(yīng)力、彎曲應(yīng)力等)作用下同時受到各種腐蝕介質(zhì)(氯鹽、硫酸鹽、二氧化碳等)的影響所引起的腐蝕,稱之為混凝土的應(yīng)力腐蝕[4]。1984年,Schneider率先提出混凝土同其他材料一樣也可能發(fā)生應(yīng)力腐蝕以來,相關(guān)的專家學(xué)者逐漸意識到評價混凝土的抗腐蝕性與耐久性時必須要同時考慮應(yīng)力的影響。因而,研究混凝土的應(yīng)力腐蝕是非常有必要的[5]。

1.1 氯離子(Cl-)作用下混凝土的應(yīng)力腐蝕

林毓梅、吳相豪通過浸泡在pH=2的鹽酸溶液中的混凝土梁(10 cm×10 cm×40 cm)受彎試驗,來探討應(yīng)力下混凝土梁的力學(xué)性能和內(nèi)部孔洞變化[7]。試驗指出,經(jīng)鹽酸溶液(Cl-)應(yīng)力腐蝕的混凝土梁,其抗折強度和變形均明顯降低,且隨荷載水平提高和作用時間延長,應(yīng)力腐蝕效應(yīng)愈加顯著。

邢鋒、冷發(fā)光等通過試驗研究了長期持續(xù)荷載作用下素混凝土Cl-滲透性[8]。試驗中采用56 d齡期破壞荷載的30%和50%進行加載,通過測試混凝土的滲透深度來表達Cl-滲透性。得出在荷載作用下的素混凝土受彎構(gòu)件,其受拉區(qū)的氯離子滲透性隨荷載的提高而增大,荷載較小時,增長幅度也小,當荷載進一步提高后,增長幅度也相應(yīng)提高。

余紅發(fā)、孫偉等探討了鹽湖鹵水環(huán)境中混凝土的應(yīng)力腐蝕[9],提出了混凝土的強度等級越高,應(yīng)力腐蝕對混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕后抗壓強度的影響也就越大:混凝土的應(yīng)力腐蝕抗壓強度同無應(yīng)力狀態(tài)之間具有顯著的冪函數(shù)關(guān)系。

何世欽、貢金鑫考慮了彎曲荷載對混凝土中Cl-擴散的影響[10]。另外,趙尚傳、貢金鑫等進行了彎曲荷載下水位變動區(qū)混凝土中Cl-擴散規(guī)律的試驗研究[11],同樣得出隨著荷載的作用,加快了Cl-在混凝土中的擴散速度等。此外,林毓梅、馮琳還做了海水中混凝土應(yīng)力腐蝕的試驗研究[12]。

荷載(拉應(yīng)力)作用下,早先存在的混凝土微裂縫隨著加載時間的延長和應(yīng)力水平的提高,微裂縫不斷發(fā)展、擴大乃至貫通,使得應(yīng)力作用下Cl-的滲透性增強、擴散速度加快,加劇混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕破壞。為了減少這種混凝土內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的影響,通過在混凝土結(jié)構(gòu)表面刷涂層可以有效提高混凝土結(jié)構(gòu)抗氯離子侵蝕能力,增加刷涂層的次數(shù),提高效果愈發(fā)顯著[13]。

1.2 硫酸鹽溶液()作用下混凝土的應(yīng)力腐蝕

張志興、張根亮等人通過試件在5%硫酸銨溶液中對比應(yīng)力與非應(yīng)力狀態(tài)下混凝土抗腐蝕性[14]。試驗中對試件施加50%的彎曲應(yīng)力,發(fā)現(xiàn)混凝土強度降低速率大大加速,120 d齡期時,混凝土全部斷裂;150 d時,混凝土抗壓強度大概降至浸泡前的30%。表明了應(yīng)力對腐蝕具有加速作用。

河海大學(xué)的林毓梅等采用混凝土小梁(9 cm×10 cm×40 cm),試驗研究了在硫酸鹽溶液中混凝土的應(yīng)力腐蝕,并同處于水中的混凝土試梁作了平行對比[15]。指出應(yīng)力因素促進了腐蝕介質(zhì)下混凝土的體積膨脹:起始發(fā)展快、后期速度減緩;混凝土遭受硫酸鹽類的應(yīng)力腐蝕,即使在混凝土結(jié)構(gòu)密實度有所提高的情況下,也存在有內(nèi)部損傷和外部應(yīng)力的負面效應(yīng)。

東南大學(xué)的慕儒等則關(guān)注了高強混凝土在荷載下的抗硫酸鹽侵蝕的能力[16]。得出硫酸鹽溶液侵蝕下,混凝土性能指標隨應(yīng)力比增大而下降,不受硫酸鹽侵蝕的混凝土其性能似與應(yīng)力無關(guān)。

長安大學(xué)的陳拴發(fā)等為了增強混凝土在應(yīng)力狀態(tài)下抗硫酸鹽腐蝕的能力,進行了粉煤灰混凝土的應(yīng)力腐蝕特性試驗研究[17],發(fā)現(xiàn)混凝土中摻加粉煤灰等量取代部分水泥,可明顯改善混凝土的工作性能和水化特征,并可有效地提高混凝土的抗應(yīng)力腐蝕性能。

1.3 二氧化碳作用(碳化)下混凝土的應(yīng)力腐蝕

東南大學(xué)的涂永明、呂志濤考慮了應(yīng)力狀態(tài)、水灰比和保護層厚度等影響,進行了應(yīng)力作用下的混凝土碳化試驗研究[18]。試驗中通過拉壓應(yīng)力狀態(tài)的對比,表明拉應(yīng)力加快了混凝土的碳化速度,壓應(yīng)力的效果正好相反。且還繼而提出了應(yīng)力狀態(tài)下混凝土碳化的數(shù)學(xué)模型。但該數(shù)學(xué)模型的內(nèi)部因素自調(diào)節(jié)能力較強,而外部因素自調(diào)節(jié)能力則較弱。

解放軍理工大學(xué)的蔡傳國著重研究了應(yīng)力作用下高齡混凝土表面的碳化規(guī)律[19-21]。通過對南京一些在役80年的混凝土建筑物進行現(xiàn)場檢測和室內(nèi)試驗,結(jié)果表明混凝土表面的碳化速度同結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)密切相關(guān),只有處于低應(yīng)力狀態(tài)下的混凝土結(jié)構(gòu)才能達到理想的服役年限。無應(yīng)力混凝土在常規(guī)的大氣環(huán)境下至少可以保持80年的壽命。

1.4 凍融等因素作用下混凝土的應(yīng)力腐蝕

慕儒、嚴安等研究了荷載作用下高強混凝土的抗凍性[22]:荷載和凍融循環(huán)同時作用下,混凝土試件所能經(jīng)受的凍融循環(huán)次數(shù)隨荷載比例的增大而減小。此外,他們進而通過改變混凝土基體,采用高性能混凝土研究了其在凍融和荷載共同影響下的損傷及損傷抑制[23]。慕儒還系統(tǒng)的考慮了凍融、荷載及鹽溶液復(fù)合作用下混凝土腐蝕狀況[24]。

陳拴發(fā)等引入應(yīng)力腐蝕因子和介質(zhì)腐蝕因子的概念,通過腐蝕介質(zhì)強度損失百分率與應(yīng)力腐蝕強度損失率較好的評定了高性能混凝土的應(yīng)力腐蝕破壞[25],并對影響其應(yīng)力腐蝕的因素進行了顯著性分析[26]:水灰比對應(yīng)力腐蝕具有較強的影響,其中粉煤灰摻量、腐蝕溶液對高性能混凝土的應(yīng)力腐蝕也都具有顯著性,而應(yīng)力水平僅對混凝土應(yīng)力腐蝕具有較強的顯著性。此外,陳拴發(fā)還對高性能混凝土的腐蝕疲勞特性開展了一定的研究工作[27]。指出疲勞荷載會加速腐蝕介質(zhì)的滲透,加快混凝土的損傷,降低結(jié)構(gòu)的抗疲勞性。

貢金鑫、王海超等用120 mm×200 mm×1700 mm鋼筋混凝土梁研究了腐蝕環(huán)境下的應(yīng)力腐蝕[28]。相應(yīng)地,何世欽、王海超、貢金鑫用同樣尺寸的鋼筋混凝土梁研究了它的抗彎性能[29]。

2 結(jié)論及展望

混凝土是人類社會建設(shè)工程中不可或缺的材料,鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)依然是我國現(xiàn)階段最主要最常見的建筑結(jié)構(gòu)類型。各種結(jié)構(gòu)物所處的實際環(huán)境是極其復(fù)雜的,影響鋼筋混凝土耐久性的因素并不是單一作用,同時也不可能是兩種乃至多種因素的簡單疊加。研究多種因素共同作用,特別是應(yīng)力狀態(tài)下多因素耦合作用下混凝土結(jié)構(gòu)或鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕特性,以便人們能夠較好地采取防護措施,達到理想的耐久性年限。

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