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,研究成果對評估硫酸鹽腐蝕、預(yù)防硫酸鹽腐蝕等都具有一定的指導(dǎo)意義。

1.1 環(huán)境因素對硫酸鹽侵蝕的影響

1.1.1 濃度的影響

1.1.2 陽離子的影響

硫酸鹽種類對硫酸鹽侵蝕的影響也引起了學(xué)者們的廣泛關(guān)注。總體而言,硫酸鹽種類對混凝土侵蝕的影響研究分為可溶性離子(如Na+,K+)和難溶性陽離子(Mg2+)兩類。Na+，K+等可溶性陽離子存在時,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值對混凝土硫酸鹽侵蝕也具有重要影響。當(dāng)pH值小于 12.5 時,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值降低時發(fā)生的更早。酸性環(huán)境下硫酸鹽對混凝土具有更加強(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

溫度會影響硫酸鹽侵蝕速率和反應(yīng)產(chǎn)物種類,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,力學(xué)性能衰減隨著溫度升高而加劇；溫度超過該臨界值后,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?？梢婈P(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)晶會產(chǎn)生壓力以致混凝土膨脹開裂,而開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Na2SO4·10 H2O晶體將轉(zhuǎn)化為Na2SO4晶體；當(dāng)溫度升高到 70 ℃ 時,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,干濕交替會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)動擴(kuò)散現(xiàn)象,試件的低滲透性將阻礙這一過程,故低水灰比(W/C)的試件能更好抵抗硫酸鹽侵蝕。高潤東[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的強(qiáng)度增長期；隨著 W/C 的增加強(qiáng)度增長期明顯縮短；當(dāng)W/C增加到 0.57 時混凝土不再出現(xiàn)明顯的強(qiáng)度增長期。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 水泥種類的影響

為了從原料上解決硫酸鹽侵蝕問題,學(xué)者們研究了水泥熟料中各種成分對硫酸鹽腐蝕的影響。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個階段：誘發(fā)期、石膏生成、延遲鈣礬石生成,石膏對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含量,C3A 和C3S的含量及C3S/C2S比值對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,壓應(yīng)力會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,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)到或超過極限抗壓強(qiáng)度的0.8 時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,持續(xù)荷載對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,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,其破壞時間越短；抗壓強(qiáng)度越大,長期荷載強(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,部分學(xué)者以統(tǒng)計理論和相關(guān)力學(xué)理論為基礎(chǔ)開展了混凝土硫酸鹽腐蝕的統(tǒng)計模型或本構(gòu)模型研究,相關(guān)研究為預(yù)測硫酸鹽環(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)度損失與腐蝕時間和濃度成正比的基礎(chǔ)上,提出了腐蝕介質(zhì)對混凝土強(qiáng)度影響的統(tǒng)計模型,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fc(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)時間；t0為強(qiáng)度開始降低的時間；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程中其抗壓強(qiáng)度的損失與腐蝕時間呈對數(shù)關(guān)系。基于試驗(yàn)結(jié)果對蝕強(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)計模型,其模型相對簡單。對于實(shí)際工程問題需進(jìn)行相應(yīng)的試驗(yàn)以確定模型參數(shù),此類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也有長足發(fā)展。

吳政[52]根據(jù)Weibull統(tǒng)計分布理論和唯象學(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)變過程曲線是唯一的,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于混凝土應(yīng)力—應(yīng)變曲線形狀的影響,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)模型計算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果值相差越小。

汪俊華[55]分別對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。在模擬中通過選取合理的參數(shù)以及對諸如初始增量步大小、加載值大小的選取和模型的簡化處理等手段可以得到合理的結(jié)果。

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

3 研究展望

目前對于混凝土的硫酸鹽已進(jìn)行了大量研究,豐富了對硫酸鹽侵蝕機(jī)理和規(guī)律的認(rèn)識,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)計與評估中。

3)目前主要通過單軸抗壓強(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)性能的變化對結(jié)構(gòu)耐久性也將產(chǎn)生重要的影響。考慮多軸狀態(tài)下各種荷載水平組合對混凝土性能的影響,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,動態(tài)荷載條件下的硫酸鹽侵蝕特征則相對較少涉及,因而對動態(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