混凝土硫酸鹽侵蝕研究進展

陳 達,俞小彤,廖迎娣,王琴芬,汪 嘯

(河海大學 港口海岸與近海工程學院,江蘇 南京 210098)

混凝土硫酸鹽侵蝕研究進展

陳 達,俞小彤,廖迎娣,王琴芬,汪 嘯

(河海大學 港口海岸與近海工程學院,江蘇 南京 210098)

道路工程；混凝土；硫酸鹽腐蝕；力學性能

1 混凝土硫酸鹽腐蝕的試驗研究

目前關于混凝土硫酸鹽腐蝕的試驗研究主要從環(huán)境因素、混凝土材料因素以及結構承載等方面展開,研究成果對評估硫酸鹽腐蝕、預防硫酸鹽腐蝕等都具有一定的指導意義。

1.1 環(huán)境因素對硫酸鹽侵蝕的影響

1.1.1 濃度的影響

1.1.2 陽離子的影響

硫酸鹽種類對硫酸鹽侵蝕的影響也引起了學者們的廣泛關注?？傮w而言,硫酸鹽種類對混凝土侵蝕的影響研究分為可溶性離子(如Na+,K+)和難溶性陽離子(Mg2+)兩類。Na+，K+等可溶性陽離子存在時,混凝土發(fā)生石膏結晶型和鈣礬石結晶型侵蝕[9]。堿式硫酸鹽包括Na2SO4和K2SO4,因為溶解性高,故Na2SO4常用于硫酸鹽侵蝕試驗；然而,基本上沒有使用硫酸鉀的硫酸鹽進行侵蝕研究。

1.1.3 pH值的影響

環(huán)境pH值對混凝土硫酸鹽侵蝕也具有重要影響。當pH值小于 12.5 時,水泥漿體孔隙溶液堿度降低,其凝膠性水化產(chǎn)物失去穩(wěn)定性以致混凝土彈性模量、強度等性能降低[15]。H.T.Cao等[16]的試驗發(fā)現(xiàn)：隨著侵蝕溶液 pH 值的減小,C-S-H脫鈣更嚴重,試件的膨脹減少；P.Brown[17]發(fā)現(xiàn)膨脹在溶液pH值降低時發(fā)生的更早。酸性環(huán)境下硫酸鹽對混凝土具有更加強烈的分解性侵蝕,H+離子大量消耗水泥中的Ca(OH)2以致其堿性降低,硫酸鹽侵蝕加劇[9,18]。

1.1.4 溫度的影響

溫度會影響硫酸鹽侵蝕速率和反應產(chǎn)物種類,進而影響混凝土的力學性能。M.Santhanam等[20]研究發(fā)現(xiàn)，升高溫度會加劇硫酸鹽侵蝕。但是,方祥位等[3]認為硫酸鹽侵蝕存在臨界溫度,當溫度低于該臨界值時,力學性能衰減隨著溫度升高而加??；溫度超過該臨界值后,因硫酸鹽腐蝕產(chǎn)物的溶解量增加,混凝土力學性能的劣化反而有所減緩。低溫條件下硫酸鹽侵蝕沒有明顯的規(guī)律性[14,21],6 ℃ 左右的溫度促進了混凝土中 C-S-H 向碳硫硅鈣石轉變,且生成的碳硫硅鈣石在不同溫度下均穩(wěn)定存在,進而導致混凝土強度喪失以致潰散?？梢婈P于硫酸鹽侵蝕的臨界溫度、低溫條件下的硫酸鹽侵蝕特征及機理等都還有待進一步深入研究。

1.1.5 陰離子的影響

1.1.6 干濕循環(huán)的影響

在多孔構造的混凝土內部,孔隙溶液中的硫酸鹽通過干燥作用變成結晶析出導致混凝土物理性質的破壞,這種作用機理在潮間帶中經(jīng)常遇到[25]。處于硫酸鹽溶液干濕交替作用下，混凝土同時遭受硫酸鹽化學侵蝕和物理鹽結晶侵蝕的雙重作用,其力學性能的變化也引起了研究者的廣泛關注。干濕循環(huán)現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生。郭鐘群[26]發(fā)現(xiàn)干濕交替的硫酸鹽環(huán)境將快速引起混凝土力學性能劣化。作者認為干濕循環(huán)產(chǎn)生的鹽結晶會產(chǎn)生壓力以致混凝土膨脹開裂,而開裂后的混凝土其硫酸鹽侵蝕速率明顯加快；且干燥條件下的高溫加劇化學侵蝕作用,從而使混凝土的硫酸鹽侵蝕破壞顯著加劇。但已有的干濕交替硫酸鹽侵蝕研究中采用的干燥條件和時間相差明顯。牛全林[27]采用 80 ℃烘干6 h；M.T.Bassuoni等[28]采用40 ℃ 干燥48 h；金祖權[29]采用60 ℃烘干48 h。當溫度升高到32.4 ℃ 時Na2SO4·10 H2O晶體將轉化為Na2SO4晶體；當溫度升高到 70 ℃ 時,鈣礬石中 AF t相將轉化為 AF m相,侵蝕機理將發(fā)生變化。I.R.De-Almeida[30]認為混凝土的力學性能由混凝土的孔隙率及毛細管吸水性決定,干濕循環(huán)加劇硫酸鹽侵蝕主要因硫酸鹽離子快速侵入混凝土的空隙及其相應的變化所致,并不是由生成的硫酸鈣和鈣礬石造成。由此可見,干濕交替會顯著加劇混凝土的硫酸鹽侵蝕,但關于其加劇硫酸鹽侵蝕的機理尚需要進一步深入研究。

1.2 材料因素對硫酸鹽侵蝕的影響

材料因素主要包括制備混凝土的配合比、原料及添加料等因素。材料因素影響混凝土的密實度、C-S-H和Ca(OH)2的含量等,進而對混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能產(chǎn)生影響。

1.2.1 水灰比的影響

硫酸鹽入侵是由濃度梯度驅動擴散現(xiàn)象,試件的低滲透性將阻礙這一過程,故低水灰比(W/C)的試件能更好抵抗硫酸鹽侵蝕。高潤東[4]發(fā)現(xiàn)W/C較低的混凝土在硫酸鹽侵蝕條件下存在較長的強度增長期；隨著 W/C 的增加強度增長期明顯縮短；當W/C增加到 0.57 時混凝土不再出現(xiàn)明顯的強度增長期。降低 W/C 能夠有效減緩硫酸鹽侵蝕,因此 CECS207—2006《高性能混凝土應用技術規(guī)范》[31]中規(guī)定抗硫酸鹽侵蝕混凝土的最大水灰比 ≤ 0.45。

1.2.2 水泥種類的影響

為了從原料上解決硫酸鹽侵蝕問題,學者們研究了水泥熟料中各種成分對硫酸鹽腐蝕的影響。M.A.González等[32]研究了低C3A 含量水泥漿體受 Na2SO4溶液侵蝕的情況,研究表明劣化可分為3個階段：誘發(fā)期、石膏生成、延遲鈣礬石生成,石膏對鈣礬石生成有延遲作用。K.E.Kurtis等[33]模擬野外條件研究了8種不同C3A，C2S和C3S 含量的水泥抵抗硫酸鹽侵蝕的能力；高禮雄[21]也對C3A 和 C3S 的含量不同的水泥進行了硫酸鹽侵蝕試驗。普遍認為水泥抗硫酸鹽侵蝕性能取決于水泥熟料的礦物組成及其相對含量,C3A 和C3S的含量及C3S/C2S比值對水泥基材料抗硫酸鹽侵蝕具有重要意義,C3A 是形成鈣礬石的先決條件,限制C3A的含量就相當于減少了形成鈣礬石的可能性,C3S，C2S在水化過程中析出大量 Ca(OH)2,而Ca(OH)2是形成鈣礬石和石膏的必要條件[34]。適當減少水泥熟料中 C3A 和 C3S 的含量,將會改善混凝土受硫酸鹽侵蝕后力學性能的劣化情況。

1.2.3 摻合料的影響

1.3 荷載作用對硫酸鹽侵蝕的影響

工程中混凝土結構往往承受環(huán)境與荷載的雙重作用。為了盡可能的模擬實際混凝土結構的劣化過程,不少學者關注到混凝土在各種應力作用下的抗硫酸鹽腐蝕性能演變。

1.3.1 拉、壓應力的影響

U.Schneider等[47]研究表明當壓應力低于混凝土抗壓強度的0.275 時,壓應力會抑制混凝土硫酸鹽侵蝕；當壓應力高于混凝土極限抗壓強度的0.65 時,應力導致的微裂紋加速了硫酸鹽離子的侵蝕；當達到或超過極限抗壓強度的0.8 時混凝土抗侵蝕性能顯著降低；曹健[48]研究了壓應力與干濕交替硫酸鹽侵蝕作用下混凝土的力學性能變化,發(fā)現(xiàn)隨著壓應力增加混凝土的抗壓強度、初始彈性模量等逐漸降低,但峰值應力處的應變卻明顯增加,其應力應變曲線具有一定的延性特征；薛耀東等[49]采用加速硫酸鹽侵蝕試驗方法進行了受力狀態(tài)下混凝土試件在干濕交替循環(huán)硫酸鹽侵蝕環(huán)境下的耐久性試驗,認為混凝土性能劣化與硫酸鹽干濕交替循環(huán)侵蝕環(huán)境下試件的應力狀態(tài)存在一定的關系,拉應力加快了混凝土硫酸鹽侵蝕的速度,且拉應力越大,硫酸鹽侵蝕速度越快,壓應力減緩了混凝土硫酸鹽侵蝕的速度,壓應力越大,硫酸鹽侵蝕速度越小。

1.3.2 其他荷載的影響

研究表明彎曲荷載顯著降低混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能。關博文[12]對比了持續(xù)和交變彎曲荷載作用下硫酸鹽侵蝕后混凝土的力學性能,發(fā)現(xiàn)應力介于20 %～40 % 的極限彎曲荷載時,持續(xù)荷載對混凝土破壞加速作用比交變荷載作用更加明顯；當應力增加至40 %～60 % 極限彎曲荷載時,交變荷載作用下混凝土的硫酸鹽侵蝕更加明顯。鄭丹等[50]研究了混凝土在持續(xù)荷載下的強度,認為荷載水平越高,其破壞時間越短；抗壓強度越大,長期荷載強度與抗壓強度的比值越高。

荷載和硫酸鹽侵蝕共同作用下的混凝土,其本質是荷載影響混凝土的細觀結構,硫酸鹽侵蝕導致微觀損傷擴展和發(fā)展,荷載與硫酸鹽侵蝕相互促進加劇混凝土損傷的發(fā)展[12]。目前為止,關于荷載作用下混凝土硫酸鹽侵蝕研究還處在定性階段,定量分析荷載與硫酸鹽侵蝕間的關聯(lián)還有待進一步加強。

2 混凝土硫酸鹽侵蝕的理論研究

由于實驗研究容易受到實驗方法、測試手段、試樣數(shù)量等因素限制,不利于掌握混凝土硫酸鹽侵蝕的規(guī)律性。近年來,部分學者以統(tǒng)計理論和相關力學理論為基礎開展了混凝土硫酸鹽腐蝕的統(tǒng)計模型或本構模型研究,相關研究為預測硫酸鹽環(huán)境中混凝土結構的壽命等提供了新的思路。

2. 1 統(tǒng)計模型

曹雙寅[43]在假定受硫酸鹽侵蝕的混凝土強度損失與腐蝕時間和濃度成正比的基礎上,提出了腐蝕介質對混凝土強度影響的統(tǒng)計模型,即蝕強模型：

fcd/fc(t)=ckd(t-t0)

(1)

式中：fcd/fc(t)為蝕強率,即強度損失fcd與同等條件下未腐蝕混凝土的強度fc(t)之比；c為腐蝕介質的重量百分比濃度；t為腐蝕持續(xù)時間；t0為強度開始降低的時間；kd為強度損失占未腐蝕混凝土強度的比例系數(shù),該值取決于介質的類型和混凝土的組成。

陳元素[51]認為混凝土在硫酸鹽腐蝕過程中其抗壓強度的損失與腐蝕時間呈對數(shù)關系?；谠囼灲Y果對蝕強模型進行了修正,修正后的模型可根據(jù)已有侵蝕混凝土的強度資料回歸得到適用于該結構的相關參數(shù),然后再預測該混凝土的力學性能演變規(guī)律。

以上研究均基于試驗結果建立純數(shù)理統(tǒng)計模型,其模型相對簡單。對于實際工程問題需進行相應的試驗以確定模型參數(shù),此類模型的通用性有待驗證。

2.2 本構模型

根據(jù)力學理論和混凝土材料性能參數(shù)建立本構模型，在研究硫酸鹽侵蝕方面近年來也有長足發(fā)展。

吳政[52]根據(jù)Weibull統(tǒng)計分布理論和唯象學的方法,從損傷研究入手推導出了混凝土在單向荷載作用下的損傷模型及其拉、壓全過程本構模型,認為同種形態(tài)的材料在相同的實驗條件下,其應力應變過程曲線是唯一的,只取決于其損傷形狀參數(shù)m。

m= 1 / ln(Eεpk/σpk)

(2)

式中：E為混凝土彈性模量；εpk為混凝土峰荷應變；σpk為混凝土的強度峰值。

黃河[53]認為混凝土具有一定塑性性能,在達到單軸受壓峰值應力后,有一個應變不斷增大的軟化階段,其極限應變是峰荷應變的數(shù)倍,對吳政[51]建立的混凝土單軸受壓損傷本構模型下降段作了修正；翟運瓊[54]建立了既考慮了腐蝕對于混凝土應力—應變曲線形狀的影響,又考慮了腐蝕混凝土強度的損傷積累的兩段式的腐蝕混凝土單軸受壓本構模型,并將其應用到腐蝕鋼筋混凝土構件的有限元分析中。結果表明隨著混凝土腐蝕程度的加深,該本構模型計算結果與試驗結果值相差越小。

汪俊華[55]分別對硫酸鹽腐蝕后的混凝土梁、板進行了抗剪、抗彎試驗研究,利用有限元軟件ABAQUS 的塑性損傷模型進行了混凝土的非線性模擬分析,認為其能很好地揭示混凝土腐蝕后力學性能的退化規(guī)律。模擬發(fā)現(xiàn)隨著腐蝕程度的增大,板的承載力下降約3 %～5%,延性下降約19 %～28 % ,剛度降低9.96 %～ 19.43 %,而跨中撓度逐漸增大,這與試驗結果一致。在模擬中通過選取合理的參數(shù)以及對諸如初始增量步大小、加載值大小的選取和模型的簡化處理等手段可以得到合理的結果。

隨著對混凝土認識的增加,其相關材料參數(shù)將越來越豐富,借助的本構模型,可很大程度上加深對混凝土硫酸鹽侵蝕的理解。

3 研究展望

目前對于混凝土的硫酸鹽已進行了大量研究,豐富了對硫酸鹽侵蝕機理和規(guī)律的認識,但在如下方面仍有待進一步加強：

1)當前關于硫酸鹽侵蝕的研究多采用砂漿試樣,忽略了混凝土中粗骨料的影響,而粗骨料的存在會形成新的孔隙結構,其與凝膠相間的界面為侵蝕產(chǎn)物易聚集的區(qū)域,因此研究中應盡可能采用實際混凝土材料。

2)實驗室采用模擬硫酸鹽侵蝕方法與混凝土實際服役環(huán)境相差顯著,尤其是鹽湖類硫酸鹽侵蝕嚴重的復雜環(huán)境。應深入研究試驗模擬環(huán)境與實際工程背景的相關性,將由加速試驗得出的研究成果有效應用到實際工程的耐久性設計與評估中。

3)目前主要通過單軸抗壓強度表征硫酸鹽腐蝕混凝土的力學性能,而實際混凝土結構、尤其是大體積混凝土處于三維受力狀態(tài),多軸狀態(tài)下腐蝕混凝土的力學性能的變化對結構耐久性也將產(chǎn)生重要的影響?？紤]多軸狀態(tài)下各種荷載水平組合對混凝土性能的影響,研究硫酸鹽侵蝕混凝土多軸破壞準則和本構關系具有重要的工程意義。

4)實際的混凝土結構往往承受著各種動態(tài)荷載,已有的關于荷載與硫酸鹽侵蝕協(xié)同作用下混凝土性能演變的研究主要以靜力荷載為主,動態(tài)荷載條件下的硫酸鹽侵蝕特征則相對較少涉及,因而對動態(tài)荷載作用下硫酸鹽侵蝕混凝土的性能應進一步深入研究。

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Progress of Study on Sulfate Attack on Concrete Materials

CHEN Da,YU Xiaotong,LIAO Yingdi,WANG Qinfen,WANG Xiao

( College of Habour,Coastal and Offshore Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,Jiangsu,P. R. China)

road engineering; concrete; sulfate attack; mechanical property

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.02.07

2015-01-27；

2015-04-22

國家自然科學基金項目(51137002)

陳 達(1978—),男,福建福清人,博士,教授,主要從事港口航道工程方面的研究。E-mail:chenda@hhu.edu.cn。

俞小彤(1993—),女,江蘇淮安人,博士研究生,主要從事近海工程混凝土結構耐久方面的研究。E-mail:yuxiaotongc@163.com。

TU528.01

A

1674-0696(2016)02-024-07