基于高性能混凝土應(yīng)力腐蝕機(jī)理分析

張義祥 任小敏

摘要：高性能混凝土是按耐久性設(shè)計(jì)的混凝土，但其在使用過程中，經(jīng)常會(huì)因周圍環(huán)境侵蝕性介質(zhì)的浸入而逐漸劣化。產(chǎn)生這種劣化的潛在因素是混凝土中的化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)，外部條件是環(huán)境介質(zhì)和水的存在，必要條件是外部侵蝕性介質(zhì)和水能逐漸進(jìn)入混凝土內(nèi)部。水泥混凝土結(jié)構(gòu)物很少是在理想環(huán)境中存在的，混凝土作為一種結(jié)構(gòu)材料不但其存在環(huán)境惡劣，而且大多承受荷載作用，像公路結(jié)構(gòu)物等還要承受頻繁的交通荷載作用。因此，混凝土結(jié)構(gòu)物也同時(shí)遭受力學(xué)、物理和化學(xué)的綜合作用。下面筆者探討了高性能混凝土應(yīng)力腐蝕機(jī)理。

關(guān)鍵詞：高性能混凝土；應(yīng)力腐蝕；機(jī)理

一、高性能混凝土孔結(jié)構(gòu)和過渡區(qū)結(jié)構(gòu)

1、高性能混凝土的孔結(jié)構(gòu)

水泥熟料礦物成分和外加的粉煤灰摻合料遇到水后發(fā)生水化反應(yīng)，生成大量棒針狀的鈣礬石和細(xì)小的纖維狀水化硅酸鈣，并填充于原先為水所占的空間。隨時(shí)間增長，生成的水化產(chǎn)物越來越多，晶體長大，水泥混凝土產(chǎn)生收縮。當(dāng)水泥石的抗拉強(qiáng)度小于收縮應(yīng)力時(shí)，在水泥石內(nèi)部形成許多比較明顯的收縮裂縫，這些裂縫的存在，使水泥混凝土的本體強(qiáng)度通到極大破壞，也導(dǎo)致混凝土宏觀強(qiáng)度遠(yuǎn)低于本體強(qiáng)度。更為嚴(yán)重的是，這些裂縫在未來的使用環(huán)境中，給外界腐蝕介質(zhì)的侵入提供了順暢的通道，并使得混凝土抗應(yīng)力腐蝕特性嚴(yán)重降低。

2、高性能混凝土的過渡區(qū)結(jié)構(gòu)

新拌混凝土漿體在重力作用下，水泥顆粒向下運(yùn)動(dòng)，水向上運(yùn)動(dòng)，集料對這種水的運(yùn)動(dòng)起到阻礙作用，使水在集料下面形成水囊，并形成明顯的內(nèi)分層同樣，水泥熟料顆粒水化放出了大量的Ca2+并由水帶到集料一下面，在集料下面富集，形成了界面過渡區(qū)。這樣，當(dāng)集料表面存在法向拉應(yīng)力、切向剪應(yīng)力或者兩者同時(shí)存在時(shí)，裂縫極易在這一定向結(jié)晶層內(nèi)形成并擴(kuò)展

二、高性能混凝土應(yīng)力腐蝕的影響因素

1、腐蝕介質(zhì)對應(yīng)力腐蝕的影響

混凝土受腐蝕介質(zhì)的侵蝕隨介質(zhì)化學(xué)性質(zhì)的不同而不同。

（1）Na 2SO4，MgSO4，MgCI2腐蝕

在硫酸鹽腐蝕中，Na 2SO4是最為常見的兩種腐蝕介質(zhì)，能同時(shí)腐蝕水泥水化產(chǎn)物氫氧化鈣、水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣。

Na 2SO4腐蝕的反應(yīng)式為：

Na 2SO4+Ca（OH）2+2H2O=CaSO4 ·2H20+2NaOH

MgSO4腐蝕的反應(yīng)式為：

MgSO4+ Ca（OH）2+2H2O= CaSO4 ·2H2O +Mg （OH）2

MgCI2腐蝕：

在地下水、海水中，鎂離子、抓離子、硫酸根離子普遍存在，氯化鎂與水泥的水化產(chǎn)物Ca（OH）2，有以下反應(yīng)過程：

MgCI2+ Ca（OH）2=CaCI2+ Mg （0H）2

從Na 2SO4，MgSO4，MgCI2與水泥水化產(chǎn)物的反應(yīng)可以看出，混凝土劣化的主要原因或根源是Na 2SO4，MgSO4，MgCI2與水化產(chǎn)物形成鈣礬石、石青導(dǎo)致的膨脹開裂及硫酸鎂導(dǎo)致C-S-H凝膠處于不穩(wěn)定狀態(tài)，分解出Ca（OH）2，破壞了C-S-H的凝膠性。另外，在硫酸鹽腐蝕早期，與水泥水化產(chǎn)物生成大量AFt ，鈣硅石等大分子晶體。這些大分子晶體相互搭接，填滿原來由水所占據(jù)的空間固體粒子逐漸靠近，使得混凝土內(nèi)部變得密實(shí)，強(qiáng)度有所提高，在應(yīng)力腐蝕早期，應(yīng)力的作用，會(huì)擴(kuò)展、加大混凝土內(nèi)部的孔隙，給大分子晶體生長提供空間，有利于早期強(qiáng)度的提高，這也是應(yīng)力腐蝕試件強(qiáng)度衰減較慢的原因。但隨著時(shí)間的延長，混凝土內(nèi)部剩余空間變少，不斷生成的AFt， Ca（OH）2等相沒有生長的空間，只能在原空間反復(fù)疊加生長，當(dāng)達(dá)到一定程度時(shí)，就會(huì)在混凝土構(gòu)件內(nèi)部產(chǎn)生體積膨脹，使得水泥石與集料分離，而外加應(yīng)力的存在，更加大了這種分離，引起更多的殘余塑性變形，使混凝土密實(shí)性變差，強(qiáng)度大大降低，也就使得其抗變形能力降低，即表現(xiàn)為極限彎拉應(yīng)力降低，在應(yīng)力腐蝕早期，施加的高應(yīng)力擴(kuò)大了內(nèi)部空間，產(chǎn)生較多微裂縫，有利于AFt相的介入，使得混凝土內(nèi)部密實(shí)，同基準(zhǔn)強(qiáng)度相比強(qiáng)度反而提高；施加低應(yīng)力時(shí)，相對產(chǎn)生微裂縫較少，與高應(yīng)力作用一樣，硫酸鈉的介入及AFt相的生長是同程度的，相對來說這時(shí)AFt相生長空間受到限制，產(chǎn)生一定的內(nèi)部擴(kuò)張，使水泥石與集料有所分離，同基準(zhǔn)強(qiáng)度相比強(qiáng)度有所下降。

（2）清水腐蝕

當(dāng)混凝土處于流動(dòng)的水中時(shí)，特別是有水壓、沖刷、滲流等作用下，水不斷滲透過混凝土，幫助混凝土液相中的Ca（OH）2向濃度更低的環(huán)境水中擴(kuò)散，導(dǎo)致固相游離Ca（OH）2溶解以恢復(fù)到被破壞的濃度平衡持續(xù)下去，固相游離Ca（OH）2被全部溶解，水泥石液相中Ca（OH）2濃度因得不到補(bǔ)充而開始降低，當(dāng)?shù)陀谒嗨a(chǎn)物穩(wěn)定存在的極限濃度時(shí)，膠凝物質(zhì)發(fā)生分解。

2、干濕循環(huán)對應(yīng)力腐蝕的影響

混凝土在自然環(huán)境干濕條件下，腐蝕最容易發(fā)生和發(fā)展。尤其作為公路工程用混凝土，許多長期處于水、土與大氣交界面部位，是腐蝕破壞最突出的地方。在海水、鹽堿地一帶，干濕交替還容易發(fā)生鹽的濃縮、結(jié)晶過程，對混凝土的腐蝕非常嚴(yán)重，導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)、水泥混凝土路面的耐久性降低，水泥混凝土表面3到5年就斑駁粉化。

三、混凝土應(yīng)力腐蝕機(jī)理

1、滲透性

滲透性是評(píng)價(jià)混凝土耐久性能的一個(gè)綜合指標(biāo)、它是指氣體、液體或者離子受壓力、化學(xué)勢或者電場的作用，在混凝土中滲透擴(kuò)散或遷移的難易程度?；炷翝B透性與耐久性間有著密切關(guān)系，混凝土獲得高耐久性與長壽命的關(guān)鍵是提高混凝土的抗?jié)B性。例如，混凝土發(fā)生硫酸鹽腐蝕的必要條件是水及腐蝕離子進(jìn)入混凝土內(nèi)部，鋼筋發(fā)生銹蝕破壞需要離子去破壞鋼筋鈍化膜或者二氧化碳?xì)怏w破壞混凝土的高堿性環(huán)境，以及水分和氧氣參與，碳化反應(yīng)需要二氧化碳和水分的參與等。如果混凝土抗?jié)B性好，水分及有害離子滲透不到混凝土內(nèi)部就不致造成其損傷破壞。因此，混凝土要獲得高性能長壽命，必須具有高的抗?jié)B透性.

2、混凝土應(yīng)力腐蝕機(jī)理

混凝土屬于多孔聚集體其中的孔、縫既是主要組分，也是必需成分。在飽和的腐蝕介質(zhì)溶液中，腐蝕介質(zhì)及其與水泥水化產(chǎn)物的反應(yīng)產(chǎn)物以各種形態(tài)，充滿了混凝土的孔隙和粘結(jié)裂縫。受到荷載作用時(shí)，混凝土內(nèi)部的孔隙、裂縫形態(tài)和數(shù)量發(fā)生變化，失去原有的平衡狀態(tài)，使得混凝土中微粒表面或裂縫中的水膜變薄，如果要恢復(fù)到原有厚度，外面的水膜需不斷進(jìn)入。而水膜增厚的過程，必然使混凝土微粒散化，削弱相互間的作用力。同時(shí)，使混凝土中裂縫逐步脹裂，膠結(jié)作用受到破壞，形成腐蝕溶液的“楔入作用”。而腐蝕產(chǎn)物的膨脹應(yīng)力、外加應(yīng)力的作用，會(huì)加速這種“楔入作用”的發(fā)生。這些作用反復(fù)交叉，相互影響，使混凝土出現(xiàn)過早破壞。

四、結(jié)語：

以上筆者粗略分析了高性能混凝土應(yīng)力腐蝕機(jī)理，經(jīng)過實(shí)踐表明，在混凝土中適量的摻入粉煤灰可以明顯改善混凝土的抗應(yīng)力腐蝕。由于篇幅和水平有限，還有許多內(nèi)容沒涉及到，比如：高性能混凝土腐蝕疲勞特性等，在今后工作中筆者將繼續(xù)高性能混凝土應(yīng)力腐蝕進(jìn)行研究。

參考文獻(xiàn)：

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