師廣財(cái)

銅陵有色設(shè)計(jì)研究院，浙江 銅陵 244000

1 引言

混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性問(wèn)題近年來(lái)一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)。實(shí)際工程中，混凝土碳化、離子的侵蝕均會(huì)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性帶來(lái)不利影響。其中，離子的侵蝕作用一般占據(jù)主導(dǎo)作用，由于涉及到物理、化學(xué)、力學(xué)等眾多因素的耦合作用，危害性較大。

我國(guó)不同區(qū)域的地質(zhì)地貌條件差異較大，沿海及鹽漬土區(qū)域是兩類極為常見(jiàn)的侵蝕環(huán)境，這兩類環(huán)境下的侵蝕性離子會(huì)對(duì)樁身的混凝土結(jié)構(gòu)和內(nèi)部鋼筋造成腐蝕，造成其耐久性能的下降［1］。從現(xiàn)有的研究來(lái)看，國(guó)內(nèi)外學(xué)者更多的集中在海洋或近海區(qū)域氯離子對(duì)樁基的侵蝕研究，而對(duì)硫酸鹽對(duì)樁基侵蝕的研究還較少。鑒于此，本文從硫酸鹽侵蝕機(jī)理、劣化模型等方面出發(fā)分析了硫酸鹽侵蝕環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的劣化機(jī)制，介紹了最新的研究進(jìn)展；基于當(dāng)下的研究成果，提出了今后的研究方向。

2 硫酸鹽侵蝕混凝土劣化機(jī)理分析

硫酸鹽對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的侵蝕過(guò)程可以分為兩個(gè)階段，第一階段是硫酸鹽在混凝土內(nèi)部滲透擴(kuò)散并發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，第二階段是混凝土的開(kāi)裂和膨脹。在實(shí)際環(huán)境中，硫酸鹽對(duì)混凝土的侵蝕是機(jī)理較為復(fù)雜，涉及到各類復(fù)雜因素的耦合作用，通常可分為物理侵蝕和化學(xué)侵蝕兩種類型。

物理侵蝕主要表現(xiàn)為硫酸鹽結(jié)晶后體積膨脹導(dǎo)致混凝土內(nèi)部產(chǎn)生較大的結(jié)晶應(yīng)力使得混凝土開(kāi)裂膨脹，其只涉及到物理過(guò)程，不涉及到硫酸鹽與混凝土內(nèi)部礦物的化學(xué)反應(yīng)。根據(jù)混凝土開(kāi)裂膨脹機(jī)理的不同，目前主要有三種理論可以解釋硫酸鹽的物理侵蝕機(jī)理［2］，其中運(yùn)用最廣泛的是固相體積變化理論，該理論認(rèn)為混凝土的膨脹開(kāi)裂原因是于無(wú)水硫酸鈉吸水后的體積膨脹作用（Na2SO4→Na2SO4·10H2O）；其次是結(jié)晶水壓力理論，該理論認(rèn)為硫酸鹽的侵蝕過(guò)程是固相體積轉(zhuǎn)化過(guò)程產(chǎn)生的壓力導(dǎo)致混凝土開(kāi)裂破壞；最后是結(jié)晶壓力理論，該理論認(rèn)為混凝土孔隙中的鹽溶液在過(guò)飽和時(shí)會(huì)以晶體的形式析出，析出的晶體填充孔隙后會(huì)對(duì)孔隙壁產(chǎn)生壓力使得混凝土發(fā)生侵蝕破壞。

化學(xué)侵蝕是指水泥水化產(chǎn)物氫氧化鈣、水化硅酸鈣等和硫酸鹽反應(yīng)生成膨脹性產(chǎn)物使得混凝土結(jié)構(gòu)的膠結(jié)程度減弱，最終使得混凝土結(jié)構(gòu)失效破壞。依據(jù)破壞機(jī)理的不同，化學(xué)侵蝕可以表現(xiàn)為兩種類型：（1）硫酸鹽與混凝土內(nèi)部膠結(jié)材料（主要為氫氧化鈣）發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成非膠凝產(chǎn)物（氫氧化鎂等），混凝土在失去膠結(jié)材料后自身粘接強(qiáng)度下降而發(fā)生破壞；（2）硫酸鹽與混凝土發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后生成石膏等膨脹性礦物，這類膨脹性礦物會(huì)填充混凝土內(nèi)部的孔隙，造成混凝土內(nèi)部應(yīng)力分布不均勻，最終使得混凝土結(jié)構(gòu)失效破壞。

硫酸鹽對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的侵蝕在微觀層面表現(xiàn)為其內(nèi)部缺陷的累積增加，在宏觀層面表現(xiàn)為強(qiáng)度的下降，在侵蝕達(dá)到一定程度后，混凝土結(jié)構(gòu)會(huì)喪失力學(xué)性能而發(fā)生破壞。目前，國(guó)內(nèi)外已有學(xué)者開(kāi)展了硫酸鹽對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的侵蝕研究，然而大多從微觀角度來(lái)分析其劣化機(jī)理，對(duì)宏觀強(qiáng)度僅進(jìn)行了定性分析［3］，鮮少有研究能夠定量描述宏觀力學(xué)強(qiáng)度的劣化程度。此外，由于硫酸鹽對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)侵蝕的機(jī)理較為復(fù)雜，充滿了不確定性，已有的模型多為經(jīng)驗(yàn)性模型，缺乏嚴(yán)格的理論依據(jù)，故而實(shí)際適用范圍有限。

3 硫酸鹽侵蝕后樁基承載力變化

硫酸鹽的侵蝕在微觀層面上表現(xiàn)為混凝土內(nèi)部組分膠結(jié)程度的減弱，在宏觀層面上表現(xiàn)為混凝土抗壓強(qiáng)度的減弱。由于混凝土樁的豎向承載力大小與樁身混凝土的抗壓強(qiáng)度大小密切相關(guān)，故而硫酸鹽對(duì)樁身混凝土的侵蝕最終會(huì)體現(xiàn)為樁基豎向承載力的變化?，F(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在樁基承載機(jī)理及特性方面的研究已經(jīng)取得了很多有價(jià)值的成果［4］，但卻鮮少有研究涉及硫酸鹽的侵蝕對(duì)基樁承載力的影響。

李鏡培等［5］對(duì)鹽漬土地區(qū)硫酸鹽侵蝕后樁基的豎向承載力演變規(guī)律進(jìn)行了研究，在研究中先假定硫酸鹽侵蝕后的混凝土不能夠承擔(dān)豎向荷載，從樁端及側(cè)摩阻力兩個(gè)方面分析了樁基的承載力變化規(guī)律。結(jié)果表明，即使硫酸鹽侵蝕會(huì)引起樁身混凝土體積的增大，在一定程度上增大側(cè)摩阻力，但考慮到樁身截面的變化，總體來(lái)上說(shuō)側(cè)摩阻力會(huì)隨著侵蝕時(shí)間的增加逐步減??；樁端承載力由于主要依靠樁身混凝土的抗壓強(qiáng)度，在一部分混凝土受侵蝕后失效后，樁端承載力也會(huì)下降。從上述分析可知，長(zhǎng)期處于硫酸鹽侵蝕環(huán)境下的樁基豎向承載力會(huì)逐漸趨于下降。

由于硫酸鹽對(duì)混凝土的侵蝕機(jī)理較為復(fù)雜，因此傳統(tǒng)的理論和數(shù)值分析均無(wú)法真實(shí)反映硫酸鹽侵蝕后混凝土基樁微觀結(jié)構(gòu)及宏觀力學(xué)強(qiáng)度的演變規(guī)律?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究可以同時(shí)考慮到環(huán)境各類因素（溫度、濕度、硫酸鹽濃度等）的綜合作用，是研究硫酸鹽侵蝕后混凝土基樁微觀結(jié)構(gòu)及宏觀力學(xué)強(qiáng)度的演變規(guī)律的可行手段。通過(guò)開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在硫酸鹽侵蝕后混凝土微細(xì)觀結(jié)構(gòu)變化和宏觀力學(xué)性能演化方面取得了一定的成果。然而，現(xiàn)階段的試驗(yàn)方法多采用的是將混凝土直接置于硫酸鹽溶液中進(jìn)行浸泡的方式，其與鹽漬土地區(qū)基樁所處的實(shí)際環(huán)境仍有較大差異。如在實(shí)際環(huán)境中，同一根混凝土樁基位于水面以上和以下部分的侵蝕機(jī)理完全不同。對(duì)于位于水面以下的樁基，由于濃度差的存在，硫酸根離子會(huì)滲入樁基內(nèi)部與混凝土發(fā)生反應(yīng)生成石膏等膨脹性組分，使得樁基發(fā)生侵蝕破壞；對(duì)于處于水面以上的樁基，由于毛細(xì)管作用的存在，硫酸鹽同樣會(huì)被吸附進(jìn)入樁身混凝土內(nèi)部，硫酸鹽一方面會(huì)與混凝土發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成石膏等膨脹性產(chǎn)物，另一方面會(huì)在太陽(yáng)的蒸發(fā)作用下晶體形式析出，析出的晶體會(huì)填充混凝土內(nèi)部的孔隙，使得混凝土內(nèi)部產(chǎn)生較大應(yīng)力而破壞。

4 問(wèn)題與展望

4.1 存在的問(wèn)題

硫酸鹽對(duì)混凝土的侵蝕涉及到物理、化學(xué)、力學(xué)等多方面因素的影響，是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程。從現(xiàn)有的研究成果來(lái)看，尚存在以下問(wèn)題亟待解決：

（1）現(xiàn)有的研究大多從單一因素出發(fā)研究硫酸鹽侵蝕下混凝土的劣化規(guī)律，但在實(shí)際工程中，硫酸鹽侵蝕環(huán)境下樁基的耐久性問(wèn)題涉及到眾多因素的耦合，因此目前的研究成果距離能夠?qū)嶋H指導(dǎo)鹽漬土地區(qū)樁基的耐久性設(shè)計(jì)尚存在很大差距。

（2）目前的研究大多將樁基置于浸泡溶液中，采用電化學(xué)加速的方法來(lái)縮短試驗(yàn)周期，但該法改變了硫酸鹽對(duì)混凝土的腐蝕機(jī)理，無(wú)法真實(shí)反映樁基的劣化規(guī)律。

（3）隨著科技的不斷發(fā)展，SEM、XRD等測(cè)試手段已被運(yùn)用至硫酸鹽對(duì)混凝土的侵蝕機(jī)理研究中，但目前的研究尚不能對(duì)微細(xì)觀結(jié)構(gòu)的變化進(jìn)行定量描述，無(wú)法建立混凝土微細(xì)觀變化與宏觀力學(xué)強(qiáng)度變化之間的關(guān)系。

4.2 研究展望

（1）硫酸鹽侵蝕環(huán)境下樁基的耐久性問(wèn)題是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，建立多種因素耦合作用下混凝土樁基耐久性的變化模型是未來(lái)的研究熱點(diǎn)。

（2）由于硫酸鹽對(duì)樁基的侵蝕是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程，在室內(nèi)找到能真實(shí)模擬硫酸鹽侵蝕環(huán)境且大大縮短試驗(yàn)周期的方法是今后研究的重點(diǎn)之一，可以大大提高試驗(yàn)效率。

（3）混凝土樁基強(qiáng)度的下降的本質(zhì)是其微細(xì)觀結(jié)構(gòu)損傷演變的結(jié)果。對(duì)硫酸鹽侵蝕引起的混凝土微細(xì)觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行定量描述并建立微細(xì)觀結(jié)構(gòu)變化與宏觀力學(xué)強(qiáng)度變化之間的數(shù)理模型是今后的研究重點(diǎn)。