混凝土硫酸鹽腐蝕與壓應(yīng)力狀態(tài)實(shí)現(xiàn)方法

李偉浪

(江西理工大學(xué) 土木與測(cè)繪工程學(xué)院，江西 贛州 341000)

0 前 言

國(guó)內(nèi)外專家和學(xué)者針對(duì)應(yīng)力和硫酸鹽腐蝕共同作用對(duì)混凝土強(qiáng)度性能的影響做了相關(guān)研究,關(guān)于應(yīng)力狀態(tài)下硫酸鹽溶液對(duì)混凝土的腐蝕試驗(yàn)研究，多以硫酸鈉和硫酸鎂溶液作為腐蝕介質(zhì)，選用的應(yīng)力主要是彎拉應(yīng)力和軸壓應(yīng)力。相關(guān)資料研究表明，硫酸鹽溶液可與混凝土發(fā)生反應(yīng)使其內(nèi)部結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生改變，且腐蝕時(shí)間越長(zhǎng)，變化越顯著，而應(yīng)力的存在會(huì)對(duì)這一進(jìn)程起到加快或減緩的作用。本文通過(guò)對(duì)近些年國(guó)內(nèi)的研究成果進(jìn)行總結(jié)與歸納，找出其中存在的問(wèn)題并提出解決的方法。

1 應(yīng)力和硫酸鹽腐蝕耦合下混凝土性能研究

混凝土在應(yīng)力狀態(tài)下遭受鹽溶液侵蝕的過(guò)程稱為應(yīng)力腐蝕，其定義為材料因受到應(yīng)力作用和環(huán)境中腐蝕介質(zhì)共同作用時(shí)所引起的腐蝕，這里所說(shuō)的應(yīng)力作用包括壓應(yīng)力、拉應(yīng)力和彎曲應(yīng)力，其通常與金屬、陶瓷、玻璃和聚合物等材料聯(lián)系在一起，當(dāng)然混凝土也同樣存在應(yīng)力腐蝕的問(wèn)題。

通過(guò)查閱大量文獻(xiàn)資料，發(fā)現(xiàn)國(guó)內(nèi)外專家和學(xué)者針對(duì)硫酸鹽應(yīng)力腐蝕進(jìn)行了大量的研究工作,硫酸鹽腐蝕試驗(yàn)的腐蝕介質(zhì)多選擇Na2SO4和MgSO4，少數(shù)研究人員選用硫酸銨溶液，選擇的應(yīng)力種類以彎拉應(yīng)力、軸壓應(yīng)力為主，選用的應(yīng)力水平多基本在極限抗壓/抗拉強(qiáng)度的70%以下，主要集中在50%左右。相關(guān)資料研究表明，硫酸鹽溶液可使混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生改變，且浸泡時(shí)間越長(zhǎng)，變化越大，而應(yīng)力的存在會(huì)加快或減緩這種變化。

張志興等[1]用5%硫酸銨溶液和50%的彎曲應(yīng)力對(duì)混凝土進(jìn)行應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)拉應(yīng)力對(duì)硫酸銨腐蝕有加速作用，混凝土強(qiáng)度降低速率大大增加，同時(shí)也證明在硫酸銨如溶液中存在應(yīng)力腐蝕作用。

安德鋒等[2]通過(guò)試驗(yàn)研究將混凝土試件浸泡于10%的硫酸鹽溶液中，并長(zhǎng)期施加應(yīng)力比為0、0.2、0.3、0.4、0.6的壓應(yīng)力，結(jié)果表明壓應(yīng)力對(duì)混凝土硫酸鹽腐蝕存在抑制作用，壓應(yīng)力比為0.3時(shí)抑制作用最強(qiáng)。通過(guò)微觀分析，在壓應(yīng)力狀態(tài)下混凝土微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，其內(nèi)部空隙和微裂縫受到壓縮而減少，使得混凝土密實(shí)度提高，從而抑制硫酸鹽向混凝土內(nèi)部滲透的速率。

ZIVICA等[3]研究了壓應(yīng)力和硫酸鹽耦合作用對(duì)水泥基復(fù)合材料性能的影響，結(jié)果表明，在應(yīng)力水平不使基體產(chǎn)生微裂縫的前提下，壓應(yīng)力可減緩硫酸鹽對(duì)水泥基復(fù)合材料的腐蝕程度，且隨應(yīng)力水平的提高，抑制效果愈加明顯。

Schneider等[4]研究了不同混凝土在持續(xù)荷載與腐蝕介質(zhì)耦合作用下的力學(xué)性能，結(jié)果表明，應(yīng)力腐蝕對(duì)水泥基材料的性能存在明顯影響，應(yīng)力水平、狀態(tài)和侵蝕齡期均對(duì)化學(xué)侵蝕有不同的影響效果。

曹健[5]研究了軸壓荷載作用下不同環(huán)境對(duì)混凝土長(zhǎng)期性能的影響，試驗(yàn)表明，當(dāng)壓應(yīng)力比為0.15時(shí)，相對(duì)動(dòng)彈性模量在10%濃度硫酸鹽溶液中隨侵蝕齡期一直降低，當(dāng)壓應(yīng)力比為0.3時(shí)時(shí)，相對(duì)動(dòng)彈性模量逐漸減小。

吳駿暉[6]研究了軸壓荷載與硫酸鹽耦合作用及考慮水頭壓力對(duì)混凝土性能的影響，結(jié)果表明，軸壓荷載比為0.3和水頭壓力耦合可抑制硫酸鹽對(duì)混凝土的侵蝕作用。

徐惠[7]研究了硫酸鹽腐蝕對(duì)高性能混凝土力學(xué)性能的影響，研究表明，當(dāng)應(yīng)力比小于0.5時(shí)，應(yīng)力對(duì)高性能混凝土的強(qiáng)度和質(zhì)量變化影響較?。划?dāng)應(yīng)力比大于0.5時(shí)，應(yīng)力對(duì)高性能混凝土的強(qiáng)度和質(zhì)量變化影響較大。

薛耀東[8]通過(guò)混凝土在拉應(yīng)力和壓應(yīng)力狀態(tài)下受硫酸鹽侵蝕干濕循環(huán)試驗(yàn)，表明拉應(yīng)力和壓應(yīng)力分別加快和減緩了硫酸鹽侵蝕混凝土的速率，且應(yīng)力變化越大，硫酸鹽侵蝕速率的改變?cè)酱蟆?/p>

應(yīng)力影響的實(shí)質(zhì)是改變了混凝土的微觀結(jié)構(gòu)，在拉應(yīng)力和彎曲應(yīng)力作用下，隨著加載時(shí)間的延長(zhǎng)和應(yīng)力水平的提高，早先存在的混凝土微裂縫不斷發(fā)展、擴(kuò)大乃至貫通，同時(shí)又會(huì)有新裂縫的產(chǎn)生，使得侵蝕介質(zhì)的滲透性增強(qiáng)、擴(kuò)散速度加快，加劇混凝土結(jié)構(gòu)的破壞。在壓應(yīng)力對(duì)混凝土的影響不是單純正相關(guān)而是存在一個(gè)臨界值，當(dāng)壓應(yīng)力水平低于臨界值時(shí)，混凝土?xí)粔簩?shí)使得孔隙率降低，此時(shí)混凝土結(jié)構(gòu)密實(shí)度提高，侵蝕介質(zhì)向混凝土內(nèi)部擴(kuò)散和滲透的難度增大，壓應(yīng)力的存在對(duì)混凝土起到了一定的保護(hù)作用；當(dāng)壓應(yīng)力水平超過(guò)臨界值時(shí)，應(yīng)力作用會(huì)使混凝土產(chǎn)生新裂縫和加劇原有裂縫的擴(kuò)張，此時(shí)混凝土受到應(yīng)力破壞，侵蝕介質(zhì)向混凝土內(nèi)部擴(kuò)散和滲透的難度降低。實(shí)際上，混凝土建筑在使用的過(guò)程中常遭受物理和化學(xué)的綜合作用，評(píng)估混凝土鹽腐蝕與耐久性等問(wèn)題必須考慮應(yīng)力因素的影響。

2 研究存在的問(wèn)題

通過(guò)查閱大量的國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)資料，發(fā)現(xiàn)當(dāng)前的硫酸鹽應(yīng)力腐蝕研究中主要存在以下三個(gè)主要問(wèn)題。

1)現(xiàn)有的應(yīng)力狀態(tài)下或無(wú)狀態(tài)下的混凝土鹽溶液腐蝕試驗(yàn)，一般均采用鹽溶液或鹽霧進(jìn)行浸泡或干濕循環(huán)進(jìn)行加速腐蝕試驗(yàn)。目前，因耐久性試驗(yàn)規(guī)范沒(méi)有對(duì)混凝土受鹽溶液腐蝕的試驗(yàn)條件做出明文規(guī)定，使得相關(guān)研究人員在進(jìn)行此類試驗(yàn)時(shí)，對(duì)于鹽溶液或鹽霧的濃度、溶液種類和環(huán)境溫度等環(huán)境條件的設(shè)定往往主觀臆斷，使得混凝土受鹽溶液腐蝕的試驗(yàn)環(huán)境條件無(wú)法統(tǒng)一，導(dǎo)致各類試驗(yàn)結(jié)論之間不能相互對(duì)比，而單一因素的試驗(yàn)研究存在局限性，給定量研究鹽溶液腐蝕對(duì)混凝土的影響造成了困難，至今尚未得出普遍適用于各類鹽溶液腐蝕條件下的混凝土蝕強(qiáng)模型。亟需對(duì)該領(lǐng)域內(nèi)的研究出臺(tái)相關(guān)規(guī)范，以期獲得標(biāo)準(zhǔn)化、系統(tǒng)化的研究結(jié)果，更有效地滿足各類實(shí)際工程耐久性設(shè)計(jì)與施工需要。

2)早期研究成果在考慮荷載耦合作用方面的研究較少，有關(guān)荷載方面的研究中，主要集中于彎曲荷載影響的研究，由于加載試驗(yàn)中的高應(yīng)力加載難以實(shí)現(xiàn)，在荷載與環(huán)境耦合作用下的研究還相對(duì)較少，導(dǎo)致軸壓荷載與硫酸鹽耦合作用下混凝土劣化機(jī)理研究還不充分，也使得無(wú)法對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比和規(guī)律的總結(jié)分析，需要對(duì)其進(jìn)行深入研究。

3)實(shí)際工程中多采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，而實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的混凝土快速腐蝕試驗(yàn)多以素混凝土為研究對(duì)象，鋼筋存在對(duì)鹽溶液有一定的促進(jìn)作用，因此，在進(jìn)行此類試驗(yàn)時(shí)，以鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)為主要研究對(duì)象更符合實(shí)際情況。

針對(duì)現(xiàn)有研究中高壓應(yīng)力狀態(tài)難以實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題，通過(guò)不斷思考和鉆研并參考文獻(xiàn)[9]，根據(jù)彈簧加載裝置原理自行設(shè)計(jì)并制作了兩套壓應(yīng)力加載裝置，如圖1所示。

圖1 壓力加載裝置

兩套裝置分別對(duì)應(yīng)兩種壓應(yīng)力水平，區(qū)別在于碟簧型號(hào)不同，可以根據(jù)試驗(yàn)的實(shí)際需要選擇合適的碟簧，同時(shí)也可對(duì)加載裝置的尺寸進(jìn)行改進(jìn)，其中各構(gòu)件的規(guī)格和尺寸如下。

緊固件：12.9級(jí)熱鍍鋅，M24×220 mm(直徑×長(zhǎng)度)螺栓和螺母；承壓板：Q345鋼，150 mm×150 mm×12 mm，孔徑d=25 mm(在鋼板四角處定位打孔，孔徑略大于螺栓直徑，保證螺栓能順利穿過(guò))；裝置1和2中的碟簧型號(hào)和規(guī)格分別是：國(guó)標(biāo)A15，單片最大彈力12 kN，4×4(共4組每組4片，同向放置，理論最大彈力為192 kN)；德標(biāo)HW2122，單片最大彈力25 kN,4×4(同上,理論最大彈力為400 kN)。

碟簧由不耐腐蝕的合金制成，為實(shí)現(xiàn)試塊的全浸泡同時(shí)避免碟簧與硫酸銨溶液發(fā)生直接接觸，在試塊上方放置一個(gè)100 mm×100 mm×50 mm大理石塊，因大理石可能會(huì)與硫酸銨溶液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，故需對(duì)大理石塊做嚴(yán)密的防水處理，防止其對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成干擾，經(jīng)測(cè)試試驗(yàn)所用大理石塊極限抗壓強(qiáng)度平均值可達(dá)80 MPa，其強(qiáng)度遠(yuǎn)高于混凝土試塊，可滿足試驗(yàn)需要，其他金屬器材也均做防銹處理。

該應(yīng)力加載裝置所能提供的應(yīng)力水平高，需用壓力機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)加載，如圖2所示。

圖2 壓力機(jī)加載現(xiàn)場(chǎng)

將試塊和加載裝置組裝好后(將試塊上下面放置在側(cè)面)放入壓力機(jī)中，上方放置一根鋼柱導(dǎo)力，設(shè)置好定荷參數(shù)后啟動(dòng)壓力機(jī)，待荷載值穩(wěn)定后，用扳手分多次少量地?cái)Q緊對(duì)角處螺母，防止出現(xiàn)偏心荷載，然后使壓力機(jī)回復(fù)原位，即可完成加載，在進(jìn)行操作時(shí)，工作人員需格外注意安全，避免發(fā)生事故。碟簧產(chǎn)生的彈力通過(guò)承壓板均勻地傳遞到試塊上，但在使用的過(guò)程中碟簧和緊固件易受濕度影響而出現(xiàn)應(yīng)力損失，為減小應(yīng)力損失造成的影響，進(jìn)行應(yīng)力富余加載，富余加載比例為1.05∶1。根據(jù)試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，該應(yīng)力加載裝置能夠很好地滿足試驗(yàn)要求，當(dāng)需要加載的應(yīng)力水平超過(guò)試件極限抗壓強(qiáng)度的50%時(shí)，立方體會(huì)由于骨料分布不均勻和應(yīng)力集中等原因在邊角處出現(xiàn)裂縫，甚至與直接脫落，無(wú)法滿足試驗(yàn)要求，這種情況下建議采用圓柱形試件。

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