鹽類侵蝕環(huán)境下混凝土耐久性研究綜述

嚴雨浩,黃欣然

(河海大學(xué),江蘇 南京 210000)

1 鹽類侵蝕機理

混凝土的鹽類侵蝕,主要包括兩個方面,一是水泥本身具有易被腐蝕的組分,二是水泥本身不致密,侵蝕介質(zhì)容易進入內(nèi)部。水泥水化產(chǎn)物氫氧化鈣CH與硫酸根反應(yīng)生成硫酸鈣,硫酸鈣又與水泥石中的水化鋁酸鈣C3A反應(yīng)生成水化硫鋁酸鈣針狀晶體,即鈣礬石。使得水泥石結(jié)構(gòu)被破壞,內(nèi)部初始微裂縫被迫擴展,一邊通過增加接觸面積加速該過程的進行,一邊導(dǎo)致力學(xué)性能的下降和最終結(jié)構(gòu)的失效。或者在硫酸根濃度過高時,直接生產(chǎn)的二水石膏結(jié)晶破壞水泥石內(nèi)部結(jié)構(gòu),帶來同樣的破壞效果。目前國內(nèi)研究主要包括對溶蝕過程影響因素的探討和該過程中混凝土各項力學(xué)性能退化規(guī)律的研究。

2 混凝土滲透溶蝕影響因素

肖海英[1]研究了侵泡方式對混凝土腐蝕性的影響,結(jié)果表明不同浸泡方式混凝土的彎曲抗蝕系數(shù)對腐蝕性液體的敏感次序為：立式半浸>水平半浸>水平全浸。且在該試驗條件下,距離液面20mm以上的混凝土受到的鹽結(jié)晶膨脹破壞低于鹽的化學(xué)腐蝕作用。楊禮明[2]針對化學(xué)腐蝕、鹽結(jié)晶腐蝕和應(yīng)力腐蝕及其耦合作用對高性能混凝土的耐久性影響展開了研究,運用SEM電鏡掃描、XRD-X射線衍射分析混凝土在腐蝕環(huán)境下的表面剝蝕和損傷失效特點、損傷機理,建立了混凝土損傷演化方程和裂紋密度模型,表明在應(yīng)力腐蝕作用下,化學(xué)腐蝕與鹽結(jié)晶腐蝕的過程都會加劇。李金玉[3]利用自制的加荷架研究了不同應(yīng)力等級下的混凝土硫酸鹽侵蝕性,并觀察不同應(yīng)力狀態(tài)、不同硫酸根離子濃度對混凝土抗硫酸鹽侵蝕規(guī)律的影響。得出：荷載對混凝土侵蝕具有明顯的加速作用,并且隨荷載的增加,破壞加速作用呈遞增趨勢。

徐文雨[4]研究了水泥品種、水灰比、粉煤灰、硅粉盒外加劑等因素對水泥石抗溶蝕性能的影響,及水泥石中氧化鈣溶出量對水泥石孔結(jié)構(gòu)、圍觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成的影響,結(jié)果表明：水灰比越大,水泥石密實性越差,抗溶蝕性能越差；同等條件下,礦渣硅酸鹽水泥抗溶蝕性能高于普通硅酸鹽水泥,漿體結(jié)構(gòu)更密實?；旌喜?尤其是硅粉的摻入,不但改善了混凝土的孔結(jié)構(gòu),提高抗?jié)B性,還改變了水泥水化產(chǎn)物的組成,提高了混凝土的抗溶蝕性能。方祥位[5]也針對水灰比、膠砂比、試件尺寸、預(yù)養(yǎng)方式和溶液濃度、溫度對混凝土硫酸鹽侵蝕速度的影響進行了試驗研究,其中,關(guān)于水灰比和膠砂比的研究結(jié)論與徐文雨研究類似,在其他方面則得到：試件比表面積越大,養(yǎng)護溫度越高、養(yǎng)護時間越短,侵蝕速度越快。溶液濃度和溫度小于一定值時,侵蝕速度隨溫度及濃度的提高而加快；但超過一定值時,侵蝕速度反而隨二者升高而降低。硫酸鈉侵蝕速度比硫酸鎂快,且對于硫酸鈉采用抗折抗蝕系數(shù)合理,但硫酸鎂則需綜合考慮抗折抗蝕系數(shù)和抗壓抗蝕系數(shù)。

姜磊[6]則將研究領(lǐng)域擴展到了混凝土在硫酸鹽+干濕循環(huán)、硫酸鹽+凍融循環(huán)作用下的耐久性問題的范疇,總結(jié)得出了硫酸鹽與干濕循環(huán)、硫酸鹽與凍融循環(huán)下的混凝土損傷劣化規(guī)律；建立了混凝土抗壓強度衰減模型與單軸受壓本構(gòu)模型；建立了硫酸鹽侵蝕環(huán)境下混凝土的損傷破壞準則。在微觀結(jié)構(gòu)變化層面,兩種情況下混凝土的微觀變化均表現(xiàn)出孔隙、微裂縫及界面區(qū)內(nèi)侵蝕產(chǎn)物鈣礬石晶體的膨脹破壞。在劣化規(guī)律層面,先后得出了兩種情況下混凝土質(zhì)量損失與相對動彈性模量、抗壓強度的變化規(guī)律。在侵蝕產(chǎn)物分析層面,得出在侵蝕初期,混凝土內(nèi)已有鈣礬石與石膏生成,但此時侵蝕產(chǎn)物處于填充孔隙的階段,因此該階段混凝土宏觀性能未受太大影響,甚至由于孔隙被填充加固有了密實性的提升。但隨著侵蝕時間的增加,混凝土內(nèi)部裂隙增多,形成損傷層,并能夠從損傷層厚度判斷出混凝土劣化程度。

3 混凝土力學(xué)性能退化規(guī)律

孔祥芝[7]研究了水工大壩混凝土溶蝕初期的強度及剛度衰減規(guī)律。結(jié)果表明振搗密實、養(yǎng)護充分的水工大壩混凝土具有很高的抗?jié)B透溶蝕能力,其人粉煤灰對混凝土的抗?jié)B透溶蝕性能、自愈能力有提升作用。鈣離子濃度及其溶出速率與混凝土中鈣的存在形式、膠材用量、混凝土密實度、滲透水運動速率和滲徑有關(guān),并給出了可以簡單預(yù)測混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命的經(jīng)驗公式。滲透溶蝕作用下,混凝土趨于變脆、剛度降低,且摻火山灰混凝土的性能衰減更快。

方坤河[8]針對混凝土試件滲透溶出物種類及其隨滲透歷時的發(fā)展變化,滲透溶蝕特性的影響因素,穩(wěn)定性和滲透耐久性進行了研究。分析結(jié)果表明,混凝土中凡屬于能溶于水的物質(zhì)均可能隨滲透過程的進行而溶出。主要包括一些溶于水的堿性氧化物,如氧化鈉、氧化鈣等；以及一些可溶性鹽類,如氯化物、硫酸鹽等。此外,研究認為影響混凝土滲透溶蝕的因素主要有：滲透水的石灰濃度及水中其它影響Ca(OH)2溶解度的物質(zhì)含量；混凝土中含極限石灰濃度高的水化產(chǎn)物的多少；混凝土的密實性和不透水性。

隨著滲透時間的延長滲透液的pH值有所降低,且粉煤灰摻量越大的混凝土,滲透液pH值降低越小。混凝土與滲透水之間存在CaO與SiO2的交換,且一般滲透水從混凝土中溶解CaO,混凝土從滲透水中吸收SiO2,粉煤灰的摻量較大時,這一過程將會逆轉(zhuǎn)。并且,在水力梯度低于臨界值且滲透水物化學(xué)侵蝕性時,CaO及SiO2的累積溶出量會趨于穩(wěn)定。同時,少量的積鹽不會對混凝土造成危害,反而有利于提高混凝土的密實性和抗?jié)B性。

馬保國[9]則研究了TSA侵蝕機理及國內(nèi)實例。TSA侵蝕主要發(fā)生在硫酸根與碳酸根共存的低溫環(huán)境中,二者侵蝕產(chǎn)物鈣礬石、石膏及方解石在低溫情況下與過量水反應(yīng),將水化產(chǎn)物CSH水化硅酸鈣凝膠轉(zhuǎn)變?yōu)闊o膠結(jié)性的硅灰石膏,使侵蝕混凝土完全喪失強度。且經(jīng)過組分分析確定來自八盤峽水電廠的混凝土樣品確已發(fā)生了TSA侵蝕,這在國內(nèi)尚屬首次。TSA侵蝕不同于一般鹽類侵蝕,其造成的后果將對混凝土的工作性能帶來毀滅性打擊,并且該研究表明TSA侵蝕已在現(xiàn)有混凝土結(jié)構(gòu)中出現(xiàn),值得引起重視[10,11]。

[1]肖海英,葛勇,張寶生,等.浸泡方式對混凝土腐蝕性的研究[A].沿海地區(qū)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性及其設(shè)計方法[C].中國深圳:中國土木工程學(xué)會,2004．

[2]楊禮明.高性能混凝土的化學(xué)腐蝕、鹽結(jié)晶和應(yīng)力腐蝕及其微結(jié)構(gòu)演變規(guī)律[D].南京:南京航空航天大學(xué)(博士學(xué)位論文),2013．

[3]李金玉,曹建國,林莉,等.水工混凝土耐久性研究的新進展[J].水力發(fā)電,2001,27(4):44-47．

[4]徐文雨,關(guān)英俊,李金玉.大壩混凝土滲漏溶蝕的研究[J].水利水電技術(shù),1990,21(7):43-48．

[5]方祥位,申春妮,楊德斌,等.混凝土硫酸鹽侵蝕速度影響因素研究[J].建筑材料學(xué)報,2007,10(1):89-96．

[6]姜磊.硫酸鹽侵蝕環(huán)境下混凝土劣化規(guī)律研究[D].西安：西安建筑科技大學(xué)(博士學(xué)位論文),2014．

[7]孔祥芝,陳改新,紀國晉.大壩混凝土滲透溶蝕試驗研究[J].混凝土,2013(10):53-56.

[8]方坤河,阮燕,吳玲,等.混凝土的滲透溶蝕特性研究[J].水力發(fā)電學(xué)報,2001,72(1):31-39．

[9]馬保國,高小建,何忠茂,等.混凝土在SO42-和CO32-共同存在下的腐蝕破壞[J].硅酸鹽學(xué)報,2004,32(10):1219-1224．

[10]王倩.混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究[J].江西建材,2017(24):19-21．

[11]趙俊.大體積混凝土裂縫的成因及預(yù)防[J].江西建材,2017(14):76-81．