混凝土耐久性研究現(xiàn)狀綜述

張光亮 肖 建 曾 志

（湖南恒德檢測有限公司， 湖南 衡陽 421000）

0 引言

混凝土自1824年被發(fā)明至今已有100 多年的歷史，在過去一個多世紀的生產(chǎn)活動中，混凝土已成為基礎(chǔ)工程建設(shè)當中使用最廣泛的材料。與此同時，混凝土服役環(huán)境中不可避免的存在著諸如硫酸根離子、氯離子、酸等侵蝕性介質(zhì)，由此帶來一系列混凝土耐久性問題?；炷聊途眯允侵富炷猎诜圻^程中抵抗侵蝕介質(zhì)作用并長期保持其使用功能和完整性的特性，主要包括化學侵蝕、碳化、鋼筋銹蝕、凍融以及堿骨料反應(yīng)等。伴隨著混凝土材料的大規(guī)模使用及自然環(huán)境的惡化，混凝土耐久性問題帶來的后果也愈發(fā)嚴重。據(jù)不完全統(tǒng)計，美國在上世紀70年代每年因混凝土耐久性問題帶來的損失高達1000 多億美元，英國英格蘭島中部11 座混凝土高架橋因維修而耗資4500 萬英鎊，是造價的6 倍，我國每年因混凝土耐久性問題帶來的損失約為5000 億人民幣。特別是我國國土面積巨大，自然環(huán)境惡劣，存在著大量影響混凝土耐久性的侵蝕性介質(zhì)，混凝土耐久性問題尤為突出。如青海、天津、山東等地存在著大量的鹽堿地和內(nèi)陸鹽湖，在西北、東北地區(qū)等嚴寒地帶存在著凍融循環(huán)問題，在中東部沿海工業(yè)集中區(qū)存在著因環(huán)境污染帶來的酸雨問題，在沿海地區(qū)大量的海上構(gòu)筑物還面臨著海洋環(huán)境的侵蝕。

盡管混凝土的發(fā)明只有一百多年的歷史，但人們很早就開始關(guān)心并認識混凝土耐久性問題，從最開始不夠重視，到投入大量人力物力進行理論和試驗研究。1925年，為了獲得混凝土腐蝕數(shù)據(jù)，美國開始在富含硫酸鹽的土壤內(nèi)進行長期侵蝕試驗。1951年，前蘇聯(lián)學者貝科夫、莫斯克文等對混凝土薄壁結(jié)構(gòu)和使用高強度鋼制作鋼筋混凝土構(gòu)件的防腐問題做了不少的研究工作，并制定了相關(guān)防腐標準和規(guī)范，為建造具有足夠耐久性的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)提供了科學依據(jù)。相比之下，我國對混凝土耐久性的研究起步較晚。上世紀 60年代初期，南京水科院開展了的鋼筋銹蝕的研究，而后建筑科學研究院和冶金部建筑設(shè)計研究院等科研機構(gòu)對受腐蝕鋼筋混凝土構(gòu)件進行了大量的研究，取得了突破性進展。

1 混凝土耐久性研究現(xiàn)狀

混凝土耐久性是指混凝土在使用過程中抵抗環(huán)境中侵蝕介質(zhì)作用并長期保持其使用功能和完整性的特性，主要包括化學侵蝕、碳化、鋼筋銹蝕、凍融以及堿骨料反應(yīng)等?；炷聊途眯詥栴}比較復(fù)雜，涉及到物理、化學、力學等多種因素的耦合作用。同時，上述反應(yīng)也不是單一發(fā)生的，往往同時伴隨著化學侵蝕、鋼筋銹蝕、凍融等，混凝土耐久性問題帶來的危害十分巨大，下面從上述幾個方面綜述國內(nèi)外相關(guān)研究進展及發(fā)展動態(tài)。

1.1 化學侵蝕

化學侵蝕對混凝土耐久性有非常重要的影響，往往直接降低混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，甚至會造成混凝土結(jié)構(gòu)的破壞，對混凝土結(jié)構(gòu)耐久性影響巨大?；瘜W侵蝕主要包括酸性物質(zhì)侵蝕、硫酸鹽侵蝕、氯鹽侵蝕等。

受工業(yè)化影響，大量含硫、氮的有害廢氣和工業(yè)酸性污水的大量排放造成空氣污染及環(huán)境污染問題，由此引發(fā)酸雨及混凝土在酸性環(huán)境下的耐久性問題。當混凝土處于酸性環(huán)境中時，環(huán)境中的酸性物質(zhì)會與混凝土中的氫氧化鈣等堿性物質(zhì)發(fā)生中和反應(yīng)，一方面反應(yīng)直接消耗了混凝土中的堿性物質(zhì)；另一方面造成混凝土中性化，進一步加劇混凝土腐蝕問題，使得混凝土表面的空隙和裂縫擴大深入，出現(xiàn)明顯的表面腐蝕現(xiàn)象[1]。隨著表面腐蝕的加深，混凝土內(nèi)部的堿性環(huán)境將被破壞，進一步引發(fā)鋼筋的銹蝕問題[2]。

硫酸鹽侵蝕是混凝土劣化病害的主要問題之一，主要包含物理作用和化學作用。在我國西北地區(qū)，存在著大量的鹽堿地及鹽湖地區(qū)，含有大量的硫酸鹽，對混凝土結(jié)構(gòu)具有巨大的危害。硫酸鹽的侵蝕原理是周圍環(huán)境中的硫酸根離子在擴散、對流、滲流等作用下進入混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部，并與混凝土水化產(chǎn)物氫氧化鈣、CSH 凝膠等物質(zhì)反應(yīng)生成二水石膏和鈣礬石等物質(zhì)。一方面反應(yīng)改變了混凝土成分組成，降低了混凝土的粘聚性；另一方面反應(yīng)產(chǎn)物體積較大，能在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生膨脹應(yīng)力，當膨脹應(yīng)力大于混凝土抗拉強度時，會造成混凝土的破壞[3]。劉贊群等從微觀尺度出發(fā)研究了混凝土經(jīng)硫酸鹽侵蝕后的產(chǎn)物形態(tài)，并分析了混凝土試樣在硫酸鹽中劣化的原因。趙順波等在總結(jié)現(xiàn)有測量硫酸根侵蝕深度和濃度的基礎(chǔ)上提出了一種新的測試混凝土中硫酸根離子濃度的方法,為研究硫酸根侵蝕機理提供了新的思路。王志娟等用化學合成的方法人工合成鈣礬石和碳硫硅鈣石，并比較了兩者的穩(wěn)定性。

氯鹽侵蝕是造成鋼筋銹蝕的主要因素，它不僅存在于海水中，還存在于道路除冰鹽、鹽湖、鹽堿地、受污染地下水中，能對混凝土結(jié)構(gòu)造成多方面的危害。首先，氯離子不僅能破壞鋼筋表面的鈍化膜，還是很好的導電介質(zhì)，使得鋼筋極易發(fā)生銹蝕[4]。其次，氯離子還能與混凝土中的水化產(chǎn)物結(jié)合，生成 Friedel 鹽，研究表明 Friedel 鹽也是一種膨脹性物質(zhì)，能對混凝土造成一定的損傷。Suryavanshi 等利用熱重-熱差試驗和X 射線衍射試驗研究了Friedel 鹽在碳化后的混凝土中的穩(wěn)定性，研究表明混凝土碳化越嚴重，F(xiàn)riedel鹽在混凝土中的溶解度越高。何富強等比較了三種不同的硝酸銀顯色法對測量混凝土中氯離子濃度的不同，并指出了影響其變色邊界的因素。Sun 等考慮了氯離子與混凝土水化產(chǎn)物的化學反應(yīng)，在Fick 第二定律的基礎(chǔ)上提出了新的氯離子侵蝕模型。羅睿等從Friedel 鹽和雙電層理論出發(fā)揭示了磨細礦渣混凝土具有良好抗氯離子侵蝕的原因。

1.2 碳化

碳化也被稱為混凝土的中性化，是指空氣或水中的二氧化碳與混凝土中的水化產(chǎn)物反應(yīng)生成碳酸鹽和水的過程，可以使混凝土堿性降低，進而失去 對內(nèi)部鋼筋的保護作用。一般最常見的是大氣中的碳化，也是目前碳化研究的主要方向。元成方等研究了碳化對混凝土試樣微觀結(jié)構(gòu)的影響，指出碳化不僅會降低混凝土的pH 值，還會引起混凝土總孔隙率的降低。鄭永來等研究了碳化對氯離子擴散系數(shù)的影響，指出碳化能有效減小氯離子擴散系數(shù)。李冠穎等研究了二氧化碳在地質(zhì)封存過程中，碳酸水環(huán)境對不同配比混凝土的力學性能、化學成分、微觀結(jié)構(gòu)的影響，并指出碳化初期混凝土力學強度有所增強，但后期由于淋濾作用又使得混凝土試樣強度降低。周輝等研究了混凝土在空氣中、水中和潮濕狀態(tài)下碳化的不同機理，并指出空氣與水環(huán)境下碳化對混凝土的作用有所不同，混凝土在空氣中碳化能減小孔隙率，但水環(huán)境下碳化的混凝土孔隙率有所提高。

1.3 鋼筋銹蝕

鋼筋銹蝕是影響混凝土耐久性的主要因素之一，也是混凝土耐久性研究的熱點?；炷林袖摻畹匿P蝕是在氧和水條件下發(fā)生的一種特定的電化學腐蝕。正常條件下，混凝土中由于氫氧化鈣等堿性水化產(chǎn)物的存在，混凝土內(nèi)部pH 值約為12.5 左右。在這種條件下，鋼筋表面可形成鈍化膜，能有效抑制鋼筋銹蝕。當氯離子進入混凝土內(nèi)部或發(fā)生碳化時，混凝土內(nèi)部堿性環(huán)境會發(fā)生破壞，由此造成鋼筋銹蝕問題。Ary 等研究了裂紋數(shù)量對鋼筋銹蝕速率的影響，指出裂紋數(shù)量越多，銹蝕速率越快。Soylev 等研究了鋼筋-混凝土界面過渡區(qū)對鋼筋銹蝕的影響，指出由于振搗、泌水、不均質(zhì)等原因?qū)е陆缑孢^渡區(qū)存在氣孔，使得界面過渡區(qū)更容易發(fā)生銹蝕。金偉良等考慮了碳化規(guī)律，并將銹蝕后的鋼筋半徑作為變量建立了新的預(yù)測鋼筋銹蝕率的模型。

1.4 凍融破壞

凍融破壞多發(fā)生在嚴寒地帶，其機理主要是由于水在凍結(jié)過程中發(fā)生體積膨脹，引起混凝土內(nèi)部產(chǎn)生拉應(yīng)力，當應(yīng)力大小超過混凝土本身抗拉強度時就會發(fā)生拉破壞[5]。同時，伴隨著溫度升降，將產(chǎn)生凍融循環(huán)，進一步破壞混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)，造成混凝土破壞。目前關(guān)于凍融破壞理論主要有靜水壓理論和滲透壓理論[6]，靜水壓力理論認為在冰凍過程中由于混凝土孔隙中的部分孔溶液結(jié)冰時體積膨脹約 9%，迫使未結(jié)冰的孔溶液從結(jié)冰區(qū)向外遷移，孔溶液在水泥漿體中移動的同時，必須克服粘滯阻力，從而產(chǎn)生靜水壓力，形成破壞應(yīng)力。滲透壓力理論認為由于水泥漿體孔溶液呈弱堿性，冰晶體的形成使孔隙中未結(jié)冰孔溶液的濃度上升，與其它較小孔隙中的未結(jié)冰孔溶液之間形成濃度差。在這種濃度差的作用下，較小孔隙中的未結(jié)冰孔溶液向已經(jīng)出現(xiàn)冰晶體的較大孔隙中遷移，產(chǎn)生滲透壓力。孔溶液的遷移使結(jié)冰孔隙中冰和溶液的體積不斷增大，滲透壓也相應(yīng)增長。滲透壓作用于水泥漿體，最終導致水泥漿體內(nèi)部開裂。

1.5 堿-集料反應(yīng)

堿-集料反應(yīng)是指混凝土中的堿性水化產(chǎn)物與集料中的活性組分之間發(fā)生的破壞性膨脹反應(yīng)，是影響混凝土耐久性主要的因素之一[7]。該反應(yīng)不同于其他混凝土病害，其開裂破壞往往是整體性的，并且目前還沒有有效的修補方法。文梓蕓從化學的角度詳細敘述了堿-硅酸反應(yīng)的四個階段以及導致膨脹的力的來源，并且指出了Ca(OH)2在反應(yīng)中的作用。楊長輝等研究了三類堿礦渣水泥砂漿的堿-集料反應(yīng)引起的膨脹，并指出雖然堿礦渣水泥堿含量較高，但出現(xiàn)堿-集料反應(yīng)的可能性遠低于普通水泥。王玉江通過對比含堿集料在低堿、高堿環(huán)境下試樣的膨脹效應(yīng)，得出含堿集料在低堿環(huán)境下，堿-集料反應(yīng)反而更加嚴重，并對含堿集料在堿性環(huán)境下的析堿機理進行了系統(tǒng)研究。

1.6 復(fù)合侵蝕

混凝土耐久性問題比較復(fù)雜，涉及到物理、化學、力學等多種因素的耦合作用，上述反應(yīng)類型也不是單一發(fā)生，混凝土結(jié)構(gòu)往往同時受上述幾種效應(yīng)的侵蝕作用。

孫昊月等研究了混凝土試樣在含有碳酸氫鹽、氯鹽、硫酸鹽的復(fù)合鹽侵蝕和凍融侵蝕雙重侵蝕因素下的混凝土耐久性。陳曉斌等研究了混凝土在硫酸鹽、氯鹽共同侵蝕條件下的耐久性，并指出了兩種不同鹽類的耦合作用機理。金祖權(quán)等研究了混凝土在氯鹽、硫酸鹽中的損傷過程，并分析了兩者的耦合機理。Hill 等研究了混凝土在酸和硫酸鹽中的耐久性，并探究了硅灰石膏的形成條件。Hekal 等研究了不同配比的混凝土在硫酸鎂溶液中經(jīng)不同條件侵蝕后的耐久性。馬保國等研究了混凝土在碳酸鹽、硫酸鹽中混凝土的侵蝕破壞機理，指出混凝土發(fā)生了硅灰石膏型硫酸鹽破壞的條件。孫偉等討論了混凝土在疲勞、氯鹽、碳化等復(fù)合作用下的劣化，重點論述了碳化、疲勞荷載對混凝土抗氯離子滲透能力的影響。高潤東等研究了干濕循環(huán)作用下混凝土在硫酸鹽中侵蝕劣化機理。Sahmaran 等研究了不同種類混凝土在硫酸鹽、干濕循環(huán)、冷熱循環(huán)等復(fù)合作用下的力學特性、微觀結(jié)構(gòu)劣化規(guī)律及劣化機理。

2 未來的研究方向

綜上所述，混凝土耐久性問題已引起國內(nèi)外學者的足夠重視，針對氯鹽侵蝕、硫酸鹽侵蝕、酸侵蝕、凍融循環(huán)、碳化、鋼筋銹蝕、堿骨料反應(yīng)等做了大量的研究，取得了卓有成效的研究成果?；炷聊途眯詥栴}及其發(fā)生變形破壞的宏觀現(xiàn)象背后隱藏著其微觀機理，即在微觀尺度上微裂紋的萌生、擴展、貫通至破壞的演化過程，從微觀尺度出發(fā)對混凝土微觀結(jié)構(gòu)劣化規(guī)律進行研究是揭示混凝土劣化機理的主要手段。目前針對混凝土微觀結(jié)構(gòu)劣化規(guī)律的研究多集中在硫酸鹽侵蝕、氯離子侵蝕、酸侵蝕、凍融循環(huán)等，對經(jīng)垃圾滲濾液侵蝕后的混凝土微觀結(jié)構(gòu)劣化規(guī)律的研究還處于空白階段。因此，從微觀尺度出發(fā)研究混凝土微觀結(jié)構(gòu)的劣化規(guī)律具有重要意義，將為揭示混凝土滲透特性演化規(guī)律、宏/細觀力學特性演化規(guī)律及混凝土劣化機理提供可靠的依據(jù)。

3 結(jié)語

本文從化學侵蝕、碳化、鋼筋銹蝕、凍融破壞、堿-集料反應(yīng)、復(fù)合侵蝕六個方面對混凝土耐久性的影響機理進行綜合分析。研究表明混凝土耐久性問題宏觀現(xiàn)象已經(jīng)有大量的研究成果，但其背后隱藏著其微觀機理仍未十分明確。建議后續(xù)可以微觀尺度出發(fā)研究混凝土微觀結(jié)構(gòu)的劣化規(guī)律，以為宏/細觀力學特性演化規(guī)律及混凝土劣化機理提供可靠的依據(jù)。