硫酸鹽與外力共同作用下混凝土樁基礎(chǔ)耐久性研究

文/杜祥帥、仇培濤、孫晨、許竟成、沙宇堯、趙祥岍 徐州工程學(xué)院 江蘇徐州 221008

普通混凝土是用水泥作膠凝材料，再加上砂、石、水并按一定比例配合而成。建筑結(jié)構(gòu)是撐起建筑物的骨架，而建筑材料則是影響結(jié)構(gòu)的物質(zhì)基礎(chǔ)?；炷潦悄壳笆褂米顬閺V泛的建筑材料，有著高強(qiáng)度、低成本的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。是樓房、橋梁、公路等建筑物的首選材料?；炷恋膹?qiáng)度也在一步步隨時(shí)代的發(fā)展而增強(qiáng)，到現(xiàn)在已經(jīng)由原來(lái)的低強(qiáng)度發(fā)展到如今的高強(qiáng)度甚至是超高強(qiáng)度，這在一定程度上也滿足了現(xiàn)代工程的需要。但是近年來(lái)，發(fā)生在國(guó)內(nèi)外的混凝土及其建筑物崩塌事件屢見不鮮，尤其在早期，在一些沿?；蛘邇?nèi)湖附近地區(qū)，尤為常見。這種現(xiàn)象的發(fā)生，不是由于現(xiàn)代混凝土的強(qiáng)度未達(dá)標(biāo)，而是混凝土自身的耐久性太弱，特別是在沿海地區(qū)，在物理作用和化學(xué)作用的雙重影響下，加快了混凝土的使用周期，也造成了一定的經(jīng)濟(jì)損失和安全威脅。因此，對(duì)于混凝土耐久性的探究具有極大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)意義，不僅是我國(guó)建筑結(jié)構(gòu)水平的提升，更在學(xué)術(shù)研究上具有重要價(jià)值。

樁基礎(chǔ)是由樁群和承臺(tái)組成的一種結(jié)構(gòu)，具有承載力高、沉降小、穩(wěn)定性能好等優(yōu)點(diǎn)，也是一種古老的承載結(jié)構(gòu)，并有著適用范圍廣的優(yōu)勢(shì)，亦不需要大范圍的開挖。樁基礎(chǔ)最早出現(xiàn)的形式是木樁，當(dāng)然現(xiàn)如今這種形式已經(jīng)很少使用了，現(xiàn)如今使用最多的是鋼筋混凝土樁，具有極高穩(wěn)定性能和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。剛樁隨也極強(qiáng)的穩(wěn)定性，但因其經(jīng)濟(jì)成本太高，也很少在工程上使用。因此，鋼筋混凝土樁被廣泛應(yīng)用在高層建筑、碼頭、橋梁等。其受力作用是將荷載傳至地下土層，在作用上能承載水平荷載和豎值荷載。當(dāng)然，樁基礎(chǔ)的使用對(duì)土層要求較高，需使用在較高硬度的土層上，才會(huì)承受其上部荷載[1]。

樁基礎(chǔ)的侵蝕破壞主要是由于硫酸鹽侵入了其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并與之發(fā)生了一定的反應(yīng)，這是一個(gè)比較復(fù)雜的過(guò)程。新世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)在建筑物的性能上更多的是追求強(qiáng)度，并未過(guò)多考慮混凝土建筑物的耐久性能，加之，我國(guó)提倡降低成本、追求工程造價(jià)的優(yōu)勢(shì)，重點(diǎn)考慮現(xiàn)有的強(qiáng)度，在強(qiáng)度方面已經(jīng)達(dá)到了日本、美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家的發(fā)展水平。但隨著建筑物的長(zhǎng)期使用，據(jù)統(tǒng)計(jì)，在沿海地區(qū)以及內(nèi)湖地區(qū)，曾經(jīng)高強(qiáng)度的建筑，20年后大多數(shù)的建筑物出現(xiàn)了混凝土的損壞、甚至是鋼筋的裸露現(xiàn)狀。

經(jīng)調(diào)查分析可得，混凝土結(jié)構(gòu)同時(shí)受載荷和腐蝕的雙重影響，而抗氯離子滲透性能是影響混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕破壞的主演因素，因此，對(duì)這一研究的探索也顯得尤為重要。除此之外，我們通過(guò)查閱資料調(diào)研發(fā)現(xiàn)添加礦物摻合料是目前提高混凝土抗氯離子滲透性能的有效方法之一。

在海洋或者近海附近地區(qū)混凝土的機(jī)構(gòu)破壞，主要是以鋼筋銹蝕導(dǎo)致的銹脹開裂，但在鹽湖和鹽堿地硫酸鹽侵蝕環(huán)境中，混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性劣化主要是以硫酸鹽結(jié)晶膨脹破壞為主。針對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)侵蝕破壞這一現(xiàn)象，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量有益的研究，也取得了一定的成果。但是，近些年來(lái)混凝土結(jié)構(gòu)的研究主要集中在地面上部結(jié)構(gòu)，而對(duì)于埋于地下的混凝土樁基礎(chǔ)卻鮮有研究，主要原因在于其樁基礎(chǔ)埋于地下，并未引起人們的注意，人們通常認(rèn)為，混凝土樁基礎(chǔ)的耐久性不會(huì)存在問題，因此，這一細(xì)小方面的研究卻幾乎空白。與地面結(jié)構(gòu)相比，樁基礎(chǔ)具有一定的隱蔽性，樁基礎(chǔ)不僅受巖土及地下水的侵蝕作用，還在裸露在大氣中的位置受到其環(huán)境中二氧化碳和氯離子的侵蝕作用，其復(fù)雜程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于地面上的結(jié)構(gòu)。

由于混凝土本上由一些粗骨料和細(xì)骨料摻雜混合攪拌而成，所以難免在澆筑過(guò)程中存在一些裂縫和氣泡等問題，因此，當(dāng)外界的硫酸鹽與混凝土樁基礎(chǔ)接觸后，會(huì)順著流入樁基礎(chǔ)內(nèi)部結(jié)構(gòu)中，與之發(fā)生一系列反映并生成難溶的礦物。一方面導(dǎo)致混凝土樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)膨脹破壞，另一方面會(huì)水化產(chǎn)生氫氧化鈣和膠凝物質(zhì)的分離和溶出，進(jìn)而造成混凝土強(qiáng)度和粘結(jié)性的降低[2]。

混凝土樁基礎(chǔ)的侵蝕主要包含物理和化學(xué)兩種過(guò)程。物理作用主要是硫酸鹽腐蝕混凝土進(jìn)入其內(nèi)部后，在混凝土內(nèi)結(jié)晶膨脹，從而導(dǎo)致其表面剝落破壞，關(guān)于其機(jī)理現(xiàn)如今只有三種觀點(diǎn)：固相體積理論、結(jié)晶水壓理論和鹽結(jié)晶壓力理論。化學(xué)作用主要是指水泥水化產(chǎn)物氫氧化鈣、鈣礬石等等化學(xué)元素發(fā)生一系列反應(yīng)，進(jìn)而引起的破壞機(jī)理，據(jù)當(dāng)前研究所得，主要有：鈣礬石型、石膏型和混合型。

對(duì)實(shí)驗(yàn)室各種樁基礎(chǔ)試樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，利用水化反應(yīng)和腐蝕反應(yīng)驚醒合理簡(jiǎn)化研究，分析其各組質(zhì)量變化方程式，根據(jù)其守恒定理關(guān)系，利用模擬不同環(huán)境不同濃度下混凝土的腐蝕作用的實(shí)驗(yàn)，從而得出混凝土腐蝕耦合作用下樁基礎(chǔ)的力學(xué)性能，進(jìn)而得出其耐久性。

經(jīng)過(guò)大量的查閱資料得知發(fā)現(xiàn)：當(dāng)今對(duì)于硫酸鹽侵蝕的預(yù)防，主要有四種辦法：（1）降低水膠比；（2）使用專用抗硫酸鹽水泥；（3）在混凝土表面涂防腐保護(hù)材料；（4）添加礦物摻合料。但細(xì)細(xì)分析，前兩種方法價(jià)格過(guò)高，不具有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，第三種耐久保持性過(guò)低，周期較短，且施工繁瑣。第四種方法具有一定的價(jià)格和環(huán)保優(yōu)勢(shì)，因此在工程實(shí)踐中得到大量的應(yīng)用，但其摻和量沒有一定的規(guī)定，進(jìn)而可能會(huì)造成混凝土性能的不穩(wěn)定。

經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)得知，影響混凝土性能的因素主要為硅灰、粉煤灰和礦粉的摻和量，會(huì)帶來(lái)一定的利或者弊，因此，進(jìn)行第四種方法添加摻合料時(shí)，應(yīng)慎重選擇，尤其要考慮其對(duì)混凝土性能的影響。

由于目前實(shí)驗(yàn)還未能滿足硫酸鹽腐蝕后性能的變化及多方面因素的控制，因此主要通過(guò)簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)，進(jìn)而查閱資料，根據(jù)相應(yīng)的理論與數(shù)值的推算，得出這一項(xiàng)目的研究目的。