陳 達(dá),俞小彤,廖迎娣,王琴芬,汪 嘯

(河海大學(xué) 港口海岸與近海工程學(xué)院,江蘇 南京 210098)

混凝土硫酸鹽侵蝕研究進(jìn)展

陳 達(dá),俞小彤,廖迎娣,王琴芬,汪 嘯

(河海大學(xué) 港口海岸與近海工程學(xué)院,江蘇 南京 210098)

道路工程；混凝土；硫酸鹽腐蝕；力學(xué)性能

1 混凝土硫酸鹽腐蝕的試驗(yàn)研究

目前關(guān)于混凝土硫酸鹽腐蝕的試驗(yàn)研究主要從環(huán)境因素、混凝土材料因素以及結(jié)構(gòu)承載等方面展開(kāi),研究成果對(duì)評(píng)估硫酸鹽腐蝕、預(yù)防硫酸鹽腐蝕等都具有一定的指導(dǎo)意義。

1.1 環(huán)境因素對(duì)硫酸鹽侵蝕的影響

1.1.1 濃度的影響

1.1.2 陽(yáng)離子的影響

硫酸鹽種類(lèi)對(duì)硫酸鹽侵蝕的影響也引起了學(xué)者們的廣泛關(guān)注?？傮w而言,硫酸鹽種類(lèi)對(duì)混凝土侵蝕的影響研究分為可溶性離子(如Na+,K+)和難溶性陽(yáng)離子(Mg2+)兩類(lèi)。Na+，K+等可溶性陽(yáng)離子存在時(shí),混凝土發(fā)生石膏結(jié)晶型和鈣礬石結(jié)晶型侵蝕[9]。堿式硫酸鹽包括Na2SO4和K2SO4,因?yàn)槿芙庑愿?故Na2SO4常用于硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)；然而,基本上沒(méi)有使用硫酸鉀的硫酸鹽進(jìn)行侵蝕研究。

1.1.3 pH值的影響

環(huán)境pH值對(duì)混凝土硫酸鹽侵蝕也具有重要影響。當(dāng)pH值小于 12.5 時(shí),水泥漿體孔隙溶液堿度降低,其凝膠性水化產(chǎn)物失去穩(wěn)定性以致混凝土彈性模量、強(qiáng)度等性能降低[15]。H.T.Cao等[16]的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：隨著侵蝕溶液 pH 值的減小,C-S-H脫鈣更嚴(yán)重,試件的膨脹減少；P.Brown[17]發(fā)現(xiàn)膨脹在溶液pH值降低時(shí)發(fā)生的更早。酸性環(huán)境下硫酸鹽對(duì)混凝土具有更加強(qiáng)烈的分解性侵蝕,H+離子大量消耗水泥中的Ca(OH)2以致其堿性降低,硫酸鹽侵蝕加劇[9,18]。

1.1.4 溫度的影響

溫度會(huì)影響硫酸鹽侵蝕速率和反應(yīng)產(chǎn)物種類(lèi),進(jìn)而影響混凝土的力學(xué)性能。M.Santhanam等[20]研究發(fā)現(xiàn)，升高溫度會(huì)加劇硫酸鹽侵蝕。但是,方祥位等[3]認(rèn)為硫酸鹽侵蝕存在臨界溫度,當(dāng)溫度低于該臨界值時(shí),力學(xué)性能衰減隨著溫度升高而加?。粶囟瘸^(guò)該臨界值后,因硫酸鹽腐蝕產(chǎn)物的溶解量增加,混凝土力學(xué)性能的劣化反而有所減緩。低溫條件下硫酸鹽侵蝕沒(méi)有明顯的規(guī)律性[14,21],6 ℃ 左右的溫度促進(jìn)了混凝土中 C-S-H 向碳硫硅鈣石轉(zhuǎn)變,且生成的碳硫硅鈣石在不同溫度下均穩(wěn)定存在,進(jìn)而導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度喪失以致潰散?？梢?jiàn)關(guān)于硫酸鹽侵蝕的臨界溫度、低溫條件下的硫酸鹽侵蝕特征及機(jī)理等都還有待進(jìn)一步深入研究。

1.1.5 陰離子的影響

1.1.6 干濕循環(huán)的影響

在多孔構(gòu)造的混凝土內(nèi)部,孔隙溶液中的硫酸鹽通過(guò)干燥作用變成結(jié)晶析出導(dǎo)致混凝土物理性質(zhì)的破壞,這種作用機(jī)理在潮間帶中經(jīng)常遇到[25]。處于硫酸鹽溶液干濕交替作用下，混凝土同時(shí)遭受硫酸鹽化學(xué)侵蝕和物理鹽結(jié)晶侵蝕的雙重作用,其力學(xué)性能的變化也引起了研究者的廣泛關(guān)注。干濕循環(huán)現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生。郭鐘群[26]發(fā)現(xiàn)干濕交替的硫酸鹽環(huán)境將快速引起混凝土力學(xué)性能劣化。作者認(rèn)為干濕循環(huán)產(chǎn)生的鹽結(jié)晶會(huì)產(chǎn)生壓力以致混凝土膨脹開(kāi)裂,而開(kāi)裂后的混凝土其硫酸鹽侵蝕速率明顯加快；且干燥條件下的高溫加劇化學(xué)侵蝕作用,從而使混凝土的硫酸鹽侵蝕破壞顯著加劇。但已有的干濕交替硫酸鹽侵蝕研究中采用的干燥條件和時(shí)間相差明顯。牛全林[27]采用 80 ℃烘干6 h；M.T.Bassuoni等[28]采用40 ℃ 干燥48 h；金祖權(quán)[29]采用60 ℃烘干48 h。當(dāng)溫度升高到32.4 ℃ 時(shí)Na2SO4·10 H2O晶體將轉(zhuǎn)化為Na2SO4晶體；當(dāng)溫度升高到 70 ℃ 時(shí),鈣礬石中 AF t相將轉(zhuǎn)化為 AF m相,侵蝕機(jī)理將發(fā)生變化。I.R.De-Almeida[30]認(rèn)為混凝土的力學(xué)性能由混凝土的孔隙率及毛細(xì)管吸水性決定,干濕循環(huán)加劇硫酸鹽侵蝕主要因硫酸鹽離子快速侵入混凝土的空隙及其相應(yīng)的變化所致,并不是由生成的硫酸鈣和鈣礬石造成。由此可見(jiàn),干濕交替會(huì)顯著加劇混凝土的硫酸鹽侵蝕,但關(guān)于其加劇硫酸鹽侵蝕的機(jī)理尚需要進(jìn)一步深入研究。

1.2 材料因素對(duì)硫酸鹽侵蝕的影響

材料因素主要包括制備混凝土的配合比、原料及添加料等因素。材料因素影響混凝土的密實(shí)度、C-S-H和Ca(OH)2的含量等,進(jìn)而對(duì)混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能產(chǎn)生影響。

1.2.1 水灰比的影響

硫酸鹽入侵是由濃度梯度驅(qū)動(dòng)擴(kuò)散現(xiàn)象,試件的低滲透性將阻礙這一過(guò)程,故低水灰比(W/C)的試件能更好抵抗硫酸鹽侵蝕。高潤(rùn)東[4]發(fā)現(xiàn)W/C較低的混凝土在硫酸鹽侵蝕條件下存在較長(zhǎng)的強(qiáng)度增長(zhǎng)期；隨著 W/C 的增加強(qiáng)度增長(zhǎng)期明顯縮短；當(dāng)W/C增加到 0.57 時(shí)混凝土不再出現(xiàn)明顯的強(qiáng)度增長(zhǎng)期。降低 W/C 能夠有效減緩硫酸鹽侵蝕,因此 CECS207—2006《高性能混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》[31]中規(guī)定抗硫酸鹽侵蝕混凝土的最大水灰比 ≤ 0.45。

1.2.2 水泥種類(lèi)的影響

為了從原料上解決硫酸鹽侵蝕問(wèn)題,學(xué)者們研究了水泥熟料中各種成分對(duì)硫酸鹽腐蝕的影響。M.A.González等[32]研究了低C3A 含量水泥漿體受 Na2SO4溶液侵蝕的情況,研究表明劣化可分為3個(gè)階段：誘發(fā)期、石膏生成、延遲鈣礬石生成,石膏對(duì)鈣礬石生成有延遲作用。K.E.Kurtis等[33]模擬野外條件研究了8種不同C3A，C2S和C3S 含量的水泥抵抗硫酸鹽侵蝕的能力；高禮雄[21]也對(duì)C3A 和 C3S 的含量不同的水泥進(jìn)行了硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)。普遍認(rèn)為水泥抗硫酸鹽侵蝕性能取決于水泥熟料的礦物組成及其相對(duì)含量,C3A 和C3S的含量及C3S/C2S比值對(duì)水泥基材料抗硫酸鹽侵蝕具有重要意義,C3A 是形成鈣礬石的先決條件,限制C3A的含量就相當(dāng)于減少了形成鈣礬石的可能性,C3S，C2S在水化過(guò)程中析出大量 Ca(OH)2,而Ca(OH)2是形成鈣礬石和石膏的必要條件[34]。適當(dāng)減少水泥熟料中 C3A 和 C3S 的含量,將會(huì)改善混凝土受硫酸鹽侵蝕后力學(xué)性能的劣化情況。

1.2.3 摻合料的影響

1.3 荷載作用對(duì)硫酸鹽侵蝕的影響

工程中混凝土結(jié)構(gòu)往往承受環(huán)境與荷載的雙重作用。為了盡可能的模擬實(shí)際混凝土結(jié)構(gòu)的劣化過(guò)程,不少學(xué)者關(guān)注到混凝土在各種應(yīng)力作用下的抗硫酸鹽腐蝕性能演變。

1.3.1 拉、壓應(yīng)力的影響

U.Schneider等[47]研究表明當(dāng)壓應(yīng)力低于混凝土抗壓強(qiáng)度的0.275 時(shí),壓應(yīng)力會(huì)抑制混凝土硫酸鹽侵蝕；當(dāng)壓應(yīng)力高于混凝土極限抗壓強(qiáng)度的0.65 時(shí),應(yīng)力導(dǎo)致的微裂紋加速了硫酸鹽離子的侵蝕；當(dāng)達(dá)到或超過(guò)極限抗壓強(qiáng)度的0.8 時(shí)混凝土抗侵蝕性能顯著降低；曹健[48]研究了壓應(yīng)力與干濕交替硫酸鹽侵蝕作用下混凝土的力學(xué)性能變化,發(fā)現(xiàn)隨著壓應(yīng)力增加混凝土的抗壓強(qiáng)度、初始彈性模量等逐漸降低,但峰值應(yīng)力處的應(yīng)變卻明顯增加,其應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)具有一定的延性特征；薛耀東等[49]采用加速硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)方法進(jìn)行了受力狀態(tài)下混凝土試件在干濕交替循環(huán)硫酸鹽侵蝕環(huán)境下的耐久性試驗(yàn),認(rèn)為混凝土性能劣化與硫酸鹽干濕交替循環(huán)侵蝕環(huán)境下試件的應(yīng)力狀態(tài)存在一定的關(guān)系,拉應(yīng)力加快了混凝土硫酸鹽侵蝕的速度,且拉應(yīng)力越大,硫酸鹽侵蝕速度越快,壓應(yīng)力減緩了混凝土硫酸鹽侵蝕的速度,壓應(yīng)力越大,硫酸鹽侵蝕速度越小。

1.3.2 其他荷載的影響

研究表明彎曲荷載顯著降低混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能。關(guān)博文[12]對(duì)比了持續(xù)和交變彎曲荷載作用下硫酸鹽侵蝕后混凝土的力學(xué)性能,發(fā)現(xiàn)應(yīng)力介于20 %～40 % 的極限彎曲荷載時(shí),持續(xù)荷載對(duì)混凝土破壞加速作用比交變荷載作用更加明顯；當(dāng)應(yīng)力增加至40 %～60 % 極限彎曲荷載時(shí),交變荷載作用下混凝土的硫酸鹽侵蝕更加明顯。鄭丹等[50]研究了混凝土在持續(xù)荷載下的強(qiáng)度,認(rèn)為荷載水平越高,其破壞時(shí)間越短；抗壓強(qiáng)度越大,長(zhǎng)期荷載強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度的比值越高。

荷載和硫酸鹽侵蝕共同作用下的混凝土,其本質(zhì)是荷載影響混凝土的細(xì)觀結(jié)構(gòu),硫酸鹽侵蝕導(dǎo)致微觀損傷擴(kuò)展和發(fā)展,荷載與硫酸鹽侵蝕相互促進(jìn)加劇混凝土損傷的發(fā)展[12]。目前為止,關(guān)于荷載作用下混凝土硫酸鹽侵蝕研究還處在定性階段,定量分析荷載與硫酸鹽侵蝕間的關(guān)聯(lián)還有待進(jìn)一步加強(qiáng)。

2 混凝土硫酸鹽侵蝕的理論研究

由于實(shí)驗(yàn)研究容易受到實(shí)驗(yàn)方法、測(cè)試手段、試樣數(shù)量等因素限制,不利于掌握混凝土硫酸鹽侵蝕的規(guī)律性。近年來(lái),部分學(xué)者以統(tǒng)計(jì)理論和相關(guān)力學(xué)理論為基礎(chǔ)開(kāi)展了混凝土硫酸鹽腐蝕的統(tǒng)計(jì)模型或本構(gòu)模型研究,相關(guān)研究為預(yù)測(cè)硫酸鹽環(huán)境中混凝土結(jié)構(gòu)的壽命等提供了新的思路。

2. 1 統(tǒng)計(jì)模型

曹雙寅[43]在假定受硫酸鹽侵蝕的混凝土強(qiáng)度損失與腐蝕時(shí)間和濃度成正比的基礎(chǔ)上,提出了腐蝕介質(zhì)對(duì)混凝土強(qiáng)度影響的統(tǒng)計(jì)模型,即蝕強(qiáng)模型：

fcd/fc(t)=ckd(t-t0)

(1)

式中：fcd/fc(t)為蝕強(qiáng)率,即強(qiáng)度損失fcd與同等條件下未腐蝕混凝土的強(qiáng)度f(wàn)c(t)之比；c為腐蝕介質(zhì)的重量百分比濃度；t為腐蝕持續(xù)時(shí)間；t0為強(qiáng)度開(kāi)始降低的時(shí)間；kd為強(qiáng)度損失占未腐蝕混凝土強(qiáng)度的比例系數(shù),該值取決于介質(zhì)的類(lèi)型和混凝土的組成。

陳元素[51]認(rèn)為混凝土在硫酸鹽腐蝕過(guò)程中其抗壓強(qiáng)度的損失與腐蝕時(shí)間呈對(duì)數(shù)關(guān)系?；谠囼?yàn)結(jié)果對(duì)蝕強(qiáng)模型進(jìn)行了修正,修正后的模型可根據(jù)已有侵蝕混凝土的強(qiáng)度資料回歸得到適用于該結(jié)構(gòu)的相關(guān)參數(shù),然后再預(yù)測(cè)該混凝土的力學(xué)性能演變規(guī)律。

以上研究均基于試驗(yàn)結(jié)果建立純數(shù)理統(tǒng)計(jì)模型,其模型相對(duì)簡(jiǎn)單。對(duì)于實(shí)際工程問(wèn)題需進(jìn)行相應(yīng)的試驗(yàn)以確定模型參數(shù),此類(lèi)模型的通用性有待驗(yàn)證。

2.2 本構(gòu)模型

根據(jù)力學(xué)理論和混凝土材料性能參數(shù)建立本構(gòu)模型，在研究硫酸鹽侵蝕方面近年來(lái)也有長(zhǎng)足發(fā)展。

吳政[52]根據(jù)Weibull統(tǒng)計(jì)分布理論和唯象學(xué)的方法,從損傷研究入手推導(dǎo)出了混凝土在單向荷載作用下的損傷模型及其拉、壓全過(guò)程本構(gòu)模型,認(rèn)為同種形態(tài)的材料在相同的實(shí)驗(yàn)條件下,其應(yīng)力應(yīng)變過(guò)程曲線(xiàn)是唯一的,只取決于其損傷形狀參數(shù)m。

m= 1 / ln(Eεpk/σpk)

(2)

式中：E為混凝土彈性模量；εpk為混凝土峰荷應(yīng)變；σpk為混凝土的強(qiáng)度峰值。

黃河[53]認(rèn)為混凝土具有一定塑性性能,在達(dá)到單軸受壓峰值應(yīng)力后,有一個(gè)應(yīng)變不斷增大的軟化階段,其極限應(yīng)變是峰荷應(yīng)變的數(shù)倍,對(duì)吳政[51]建立的混凝土單軸受壓損傷本構(gòu)模型下降段作了修正；翟運(yùn)瓊[54]建立了既考慮了腐蝕對(duì)于混凝土應(yīng)力—應(yīng)變曲線(xiàn)形狀的影響,又考慮了腐蝕混凝土強(qiáng)度的損傷積累的兩段式的腐蝕混凝土單軸受壓本構(gòu)模型,并將其應(yīng)用到腐蝕鋼筋混凝土構(gòu)件的有限元分析中。結(jié)果表明隨著混凝土腐蝕程度的加深,該本構(gòu)模型計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果值相差越小。

汪俊華[55]分別對(duì)硫酸鹽腐蝕后的混凝土梁、板進(jìn)行了抗剪、抗彎試驗(yàn)研究,利用有限元軟件ABAQUS 的塑性損傷模型進(jìn)行了混凝土的非線(xiàn)性模擬分析,認(rèn)為其能很好地揭示混凝土腐蝕后力學(xué)性能的退化規(guī)律。模擬發(fā)現(xiàn)隨著腐蝕程度的增大,板的承載力下降約3 %～5%,延性下降約19 %～28 % ,剛度降低9.96 %～ 19.43 %,而跨中撓度逐漸增大,這與試驗(yàn)結(jié)果一致。在模擬中通過(guò)選取合理的參數(shù)以及對(duì)諸如初始增量步大小、加載值大小的選取和模型的簡(jiǎn)化處理等手段可以得到合理的結(jié)果。

隨著對(duì)混凝土認(rèn)識(shí)的增加,其相關(guān)材料參數(shù)將越來(lái)越豐富,借助的本構(gòu)模型,可很大程度上加深對(duì)混凝土硫酸鹽侵蝕的理解。

3 研究展望

目前對(duì)于混凝土的硫酸鹽已進(jìn)行了大量研究,豐富了對(duì)硫酸鹽侵蝕機(jī)理和規(guī)律的認(rèn)識(shí),但在如下方面仍有待進(jìn)一步加強(qiáng)：

1)當(dāng)前關(guān)于硫酸鹽侵蝕的研究多采用砂漿試樣,忽略了混凝土中粗骨料的影響,而粗骨料的存在會(huì)形成新的孔隙結(jié)構(gòu),其與凝膠相間的界面為侵蝕產(chǎn)物易聚集的區(qū)域,因此研究中應(yīng)盡可能采用實(shí)際混凝土材料。

2)實(shí)驗(yàn)室采用模擬硫酸鹽侵蝕方法與混凝土實(shí)際服役環(huán)境相差顯著,尤其是鹽湖類(lèi)硫酸鹽侵蝕嚴(yán)重的復(fù)雜環(huán)境。應(yīng)深入研究試驗(yàn)?zāi)M環(huán)境與實(shí)際工程背景的相關(guān)性,將由加速試驗(yàn)得出的研究成果有效應(yīng)用到實(shí)際工程的耐久性設(shè)計(jì)與評(píng)估中。

3)目前主要通過(guò)單軸抗壓強(qiáng)度表征硫酸鹽腐蝕混凝土的力學(xué)性能,而實(shí)際混凝土結(jié)構(gòu)、尤其是大體積混凝土處于三維受力狀態(tài),多軸狀態(tài)下腐蝕混凝土的力學(xué)性能的變化對(duì)結(jié)構(gòu)耐久性也將產(chǎn)生重要的影響?？紤]多軸狀態(tài)下各種荷載水平組合對(duì)混凝土性能的影響,研究硫酸鹽侵蝕混凝土多軸破壞準(zhǔn)則和本構(gòu)關(guān)系具有重要的工程意義。

4)實(shí)際的混凝土結(jié)構(gòu)往往承受著各種動(dòng)態(tài)荷載,已有的關(guān)于荷載與硫酸鹽侵蝕協(xié)同作用下混凝土性能演變的研究主要以靜力荷載為主,動(dòng)態(tài)荷載條件下的硫酸鹽侵蝕特征則相對(duì)較少涉及,因而對(duì)動(dòng)態(tài)荷載作用下硫酸鹽侵蝕混凝土的性能應(yīng)進(jìn)一步深入研究。

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Progress of Study on Sulfate Attack on Concrete Materials

CHEN Da,YU Xiaotong,LIAO Yingdi,WANG Qinfen,WANG Xiao

( College of Habour,Coastal and Offshore Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,Jiangsu,P. R. China)

road engineering; concrete; sulfate attack; mechanical property

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.02.07

2015-01-27；

2015-04-22

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51137002)

陳 達(dá)(1978—),男,福建福清人,博士,教授,主要從事港口航道工程方面的研究。E-mail:chenda@hhu.edu.cn。

俞小彤(1993—),女,江蘇淮安人,博士研究生,主要從事近海工程混凝土結(jié)構(gòu)耐久方面的研究。E-mail:yuxiaotongc@163.com。

TU528.01

A

1674-0696(2016)02-024-07