硫酸鹽環(huán)境中隧道襯砌化學(xué)—應(yīng)力耦合作用機(jī)理研究

彭彰林 徐林生

摘 要：文章對服役于硫酸鹽環(huán)境中混凝土結(jié)構(gòu)物的性能退化機(jī)理進(jìn)行研究探討，分別闡述了三大不同類別硫酸鹽侵蝕破壞的作用機(jī)理，著重分析了化學(xué)場、應(yīng)力場兩場耦合作用對混凝土材料性能造成的影響，并探討了不同拉應(yīng)力水平作用下材料抗壓強(qiáng)度、相對動(dòng)彈性模量的時(shí)變規(guī)律。

關(guān)鍵詞：多場耦合；硫酸鹽侵蝕；材料性能；劣化機(jī)理

中圖分類號：U455.91 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）10-0058-02

Abstract： In this paper， the mechanism of performance degradation of concrete structures serving in sulphate environment is studied， and the action mechanism of three different kinds of sulphate erosion and destruction is expounded respectively. The influence of the coupling of chemical field and stress field on the properties of concrete is analyzed emphatically， and the time-varying law of compressive strength and relative dynamic elastic modulus of the material under different tensile stress levels is discussed.

Keywords： multiple field coupling； sulfate erosion； material properties； degradation mechanism

1 概述

硫酸鹽作用下混凝土的劣化破損研究已展開一百余年，但其機(jī)理仍未完全揭曉，地層中較常見的硫酸鹽有Na2SO4、K2SO4、MgSO4、（NH4）SO4，等，雖然整個(gè)劣化過程中包含著化學(xué)腐蝕、應(yīng)力損傷、鹽結(jié)晶破損等作用，但人們常習(xí)慣于將混凝土構(gòu)件的硫酸鹽侵蝕破壞單純的歸結(jié)為化學(xué)侵蝕過程，而常常忽略圍巖壓力即襯砌結(jié)構(gòu)所處應(yīng)力場的影響。隨著硫酸鹽環(huán)境中混凝土腐蝕破損機(jī)理研究的深入推進(jìn)，人們逐漸意識到，混凝土結(jié)構(gòu)服役應(yīng)力場環(huán)境的重要性。

2 硫酸鹽化學(xué)腐蝕機(jī)理簡述

按照致使混凝土結(jié)構(gòu)破壞瓦解的主要因素來分，可將硫酸鹽環(huán)境中混凝土材料的劣化破損分成，物理侵蝕、化學(xué)侵蝕以及化學(xué)物理侵蝕三大類別[1]，現(xiàn)將三者區(qū)別分述如下：

2.1 物理侵蝕破壞

以鹽結(jié)晶膨脹破壞占主導(dǎo)地位的物理性侵蝕劣化，其機(jī)理是混凝土孔融液中鹽的過飽和結(jié)晶，結(jié)晶產(chǎn)生膨脹壓，最后致使材料膨脹開裂發(fā)生破壞，是一種物相上的結(jié)構(gòu)調(diào)整，較常見的是硫酸鈉、硫酸鎂的飽和結(jié)晶破壞。

2.2 化學(xué)侵蝕破壞

以消耗水化膠結(jié)材料C-S-H、CH或生成無膠結(jié)能力物質(zhì)為主要劣化因素的化學(xué)侵蝕，這種破壞幾乎無明顯的外觀變化，連續(xù)布滿試件，整個(gè)劣化破損潛在進(jìn)行，但材料內(nèi)部膠結(jié)力變差，力學(xué)性能耗散嚴(yán)重，正因如此，其后果將更為嚴(yán)重，硫酸鎂的侵蝕作用就屬這類破壞，其反應(yīng)方程式如下：

MgSO4+Ca（OH）2+2H2O→CaSO4·2H2O+Mg（OH）2

xMgSO4+（xCaO·ySiO2·zH2O）+（3x+0.5y-z）H2O→xMg（OH）2+x（CaSO4·2H2O）+0.5y（2SiO2·H2O）

SiO2·nH2O+4Mg（OH）2→4MgO·SiO2·8.5H2O+（n-4.5）

H2O

2.3 化學(xué)物理侵蝕破壞

上述兩種劣化作用均有，相互交織、互相影響，是最常見的硫酸鹽腐蝕劣化，硫酸鈉的侵蝕作用就屬這類破壞，其反應(yīng)方程式如下：

3CaO·Al2O3·6H2O+3Ca2++3SO42-+26H2O→3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O

3 化學(xué)場-應(yīng)力場耦合作用機(jī)理

眾所皆知，混凝土結(jié)構(gòu)如果長期服役于含硫酸鹽的侵蝕性環(huán)境中，則其各項(xiàng)性能均會(huì)出現(xiàn)不同程度的劣化耗散，加之，此時(shí)結(jié)構(gòu)總承受著一定的外界荷載，應(yīng)力場的作用會(huì)對材料內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)造成影響，將會(huì)加劇或是削弱化學(xué)場（本文僅討論含硫酸鹽的化學(xué)腐蝕環(huán)境）對混凝土的侵蝕作用。

3.1 化學(xué)場對應(yīng)力場的影響

混凝土結(jié)構(gòu)若是僅承受同一水平的荷載作用，無硫酸鹽侵蝕，則對混凝土的服役性能影響不大，因?yàn)檎９ぷ髦谢炷两Y(jié)構(gòu)所承受的應(yīng)力，僅僅是有助于其內(nèi)部微小裂紋的擴(kuò)展，若是沒有硫酸鹽的腐蝕作用，這些微小的裂紋很難相互連通，更別說誘發(fā)開裂，其過早的劣化破損應(yīng)歸結(jié)為強(qiáng)度問題[2]。

如若沒有化學(xué)場的存在，那么由外部荷載作用產(chǎn)生的應(yīng)力場分布穩(wěn)定，隨工作時(shí)間的推移變化不明顯，因?yàn)樵谝话悱h(huán)境中服役的混凝土結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定，材料的耐久性優(yōu)良?；瘜W(xué)場的出現(xiàn)會(huì)對混凝土材料產(chǎn)生或大或小的破壞作用，常引起內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致應(yīng)力場自發(fā)調(diào)整，即應(yīng)力重分布。

3.2 應(yīng)力場對化學(xué)場的影響

隨著應(yīng)力場內(nèi)不同部位應(yīng)力屬性（使構(gòu)件受拉、受壓等）的變化，硫酸鹽化學(xué)場的侵蝕作用也會(huì)隨之受到不同的影響，薛耀東等學(xué)者在試驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)，不同應(yīng)力狀態(tài)下的混凝土試件若要達(dá)到相同的破損程度，那么處于較大壓應(yīng)力狀態(tài)下的試件，在侵蝕時(shí)間上要比處于無應(yīng)力狀態(tài)、較小壓應(yīng)力狀態(tài)以及拉應(yīng)力狀態(tài)的試件長得多。也就是說，試件所承受的壓應(yīng)力有利于抵抗硫酸鹽的腐蝕破壞作用，而拉應(yīng)力的出現(xiàn)對混凝土的抗硫酸鹽腐蝕有著不利作用。

這一現(xiàn)象可從微觀層面上來做出解釋，當(dāng)試件處于無應(yīng)力狀態(tài)時(shí)，由多孔材料的特性可知，硫酸鹽可以通過毛細(xì)通道逐步滲透擴(kuò)散至混凝土內(nèi)部，并與那里的水化物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成膨脹性結(jié)晶鹽如AFt或其他侵蝕物質(zhì)，腐蝕由外至內(nèi)逐層破壞，最后使混凝土材料變得疏松而喪失承載能力。若是試件處于拉應(yīng)力狀態(tài)，由于混凝土材料的抗拉強(qiáng)度很低，所以在拉應(yīng)力的作用下更容易產(chǎn)生應(yīng)力損傷，即處于拉應(yīng)力狀態(tài)試件內(nèi)部的“侵蝕通道”比無應(yīng)力狀態(tài)要多，所以其劣化速度更快、破損程度更嚴(yán)重。若是試件處于壓應(yīng)力狀態(tài)，壓力的存在使得混凝土材料內(nèi)部的毛細(xì)孔隙被壓縮，微裂紋減少，有利于結(jié)構(gòu)致密，因內(nèi)部“侵蝕通道”變窄，自然就降低了硫酸鹽的侵蝕速率，所以在相同的時(shí)間里其內(nèi)部生成的侵蝕性物質(zhì)較少，即膨脹應(yīng)力減小，宏觀上表現(xiàn)為抗硫酸鹽侵蝕性能較好。不同部位的隧道襯砌結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)各不相同，所以自然得出：同一混凝土結(jié)構(gòu)，因不同部位應(yīng)力狀態(tài)存在著差異，就算化學(xué)場“場強(qiáng)”處處一致，即外界環(huán)境中蝕性離子分布均勻，其受硫酸鹽腐蝕破壞的程度也會(huì)有很大不同，這與受硫酸鹽侵蝕破壞的實(shí)際工程病害特征分布相符。

4 拉應(yīng)力作用對材料力學(xué)性能的影響

4.1 應(yīng)力比對抗壓強(qiáng)度的影響

已有的試驗(yàn)研究成果表明，其他條件一定，長期承受彎拉應(yīng)力作用下的混凝土試件，其抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律與不受荷載作用時(shí)基本一致，總體來說其變化趨勢均為先增大后減小。只是當(dāng)應(yīng)力比（即實(shí)際彎拉應(yīng)力與極限抗拉強(qiáng)度的比值）較大，如大于0.6時(shí)，混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部出現(xiàn)了應(yīng)力損傷，原有的微觀孔隙結(jié)構(gòu)被改變，出現(xiàn)了較多的微小損傷裂紋，使得環(huán)境中硫酸鹽的滲透入侵速率增大，在孔隙面上快速生成膨脹性結(jié)晶體，但是隨著微裂紋的出現(xiàn)材料的孔隙率也被增大了，所以在腐蝕劣化初期宏觀上表現(xiàn)為應(yīng)力比小的試件強(qiáng)度變化率大。

到了腐蝕劣化的中后期，由于應(yīng)力比較大的混凝土試件受損更為嚴(yán)重，結(jié)構(gòu)體系“松散”，則有應(yīng)力比大的試件強(qiáng)度變化率更大，同時(shí)其強(qiáng)度峰值要稍低而且強(qiáng)度上升期時(shí)間也稍短。董宜森等學(xué)者的研究成果就很好的佐證了上述變化規(guī)律，他們在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，混凝土試件的起裂荷載與其極限強(qiáng)度的比值PQ/Pmax大致分布在0.55～0.90之間，起裂韌度和失穩(wěn)韌度在侵蝕前期均有所增大，下降的時(shí)間轉(zhuǎn)折點(diǎn)分別是第30天和第60天，同時(shí)得出在硫酸鹽的侵蝕作用下，混凝土材料的起裂韌度比失穩(wěn)韌度更敏感。

4.2 應(yīng)力比對相對動(dòng)彈性模量的影響

若混凝土試件處于不同程度的拉應(yīng)力狀態(tài)，那么由于應(yīng)力損傷的存在，應(yīng)力比越大，試件內(nèi)部微損傷裂紋越多，而且這種微小裂紋常與毛細(xì)孔隙連通，加密了侵蝕性離子的“傳輸”通道，極大促進(jìn)了硫酸鹽對混凝土的侵蝕作用，進(jìn)而導(dǎo)致試件的動(dòng)彈性模量下降速率變快，破損越嚴(yán)重。當(dāng)應(yīng)力比較小時(shí)，材料的時(shí)變曲線呈現(xiàn)出明顯的三階段，即初始劣化階段、平穩(wěn)發(fā)展階段、快速破壞階段；若是應(yīng)力比大于0.6，時(shí)變曲線下降的三個(gè)階段已不再明顯，而是以較大的斜率持續(xù)下降[3]。

5 結(jié)束語

研究雙因素甚至是多因素耦合作用下，混凝土結(jié)構(gòu)物的劣化破損機(jī)理，擺脫了傳統(tǒng)從單因素著手研究實(shí)際問題的局限性，這樣有助于揭露事物的本質(zhì)，更好的反映混凝土結(jié)構(gòu)的實(shí)際服役情況。

應(yīng)力場屬性的變化會(huì)對化學(xué)場產(chǎn)生兩種截然不同的影響，因?yàn)榛炷潦且环N抗壓材料，一定壓應(yīng)力的作用有利于材料性能的發(fā)揮，使其內(nèi)部結(jié)構(gòu)更致密，相對而言就“削弱”了化學(xué)場的侵蝕作用；相反拉應(yīng)力的出現(xiàn)，易對材料造成應(yīng)力損傷，使其內(nèi)部微觀孔隙增多，也就“增強(qiáng)”了化學(xué)場的侵蝕作用，而且拉應(yīng)力比越大，材料的抗壓強(qiáng)度、相對動(dòng)彈性模量等性能指標(biāo)下降越嚴(yán)重?；瘜W(xué)場的侵蝕作用會(huì)對應(yīng)力場造成影響，這種影響相較于無硫酸鹽侵蝕情況十分明顯，由化學(xué)侵蝕造成的結(jié)構(gòu)松散、開裂破損，改變了混凝土的材料性能，會(huì)引起應(yīng)力場的自調(diào)整。

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