多因素耦合對混凝土性能影響的研究現(xiàn)狀分析

侯云芬 司武保

(北京建筑大學(xué)，北京 100044)

1 研究背景及意義概述

混凝土是目前土木工程結(jié)構(gòu)中應(yīng)用最多的材料，其耐久性是關(guān)系土木建筑工程使用壽命和建設(shè)效益的主要因素。當(dāng)前關(guān)于混凝土損傷劣化過程的研究與實際工程所處環(huán)境不符，實際工程的耐久性是在荷載因素與環(huán)境因素雙重和多重破壞因素作用下的混凝土損傷劣化過程。開展有關(guān)混凝土耐久性在多因素作用下劣化機(jī)理的研究已成為當(dāng)今混凝土耐久性研究的一個重點。

實際工程中常見影響因素有:凍融循環(huán)、氯鹽侵蝕、硫酸鹽的侵蝕、應(yīng)力作用等。由于單因素作用下混凝土的耐久性研究已經(jīng)相對成熟，在此不對單因素進(jìn)行考察。本文重點分析多因素耦合作用對混凝土耐久性的影響，其組合形式為:硫酸鹽和氯鹽耦合作用;凍融循環(huán)與鹽耦合作用;荷載與凍融循環(huán)雙因素耦合作用;荷載與鹽侵蝕雙因素耦合作用;荷載、凍融循環(huán)和鹽侵蝕三因素耦合作用。

2 多因素耦合作用對混凝土性能影響的研究現(xiàn)狀

2.1 硫酸鹽和氯鹽雙因素耦合作用

程曉斌［1］研究表明，氯離子與硫酸根離子在混凝土中短期內(nèi)相互牽制，硫酸根離子與水泥水化產(chǎn)物反應(yīng)的生成物以及氯離子生成的Friedel 鹽均會堵塞空隙，延緩離子的擴(kuò)散。

劉惠蘭［3］研究水泥砂漿的腐蝕試驗，認(rèn)為氯鹽雖然減緩了水泥砂漿的硫酸鹽腐蝕程度，但高濃度的氯離子會形成針狀細(xì)小微粒的氯鋁酸鹽，產(chǎn)生較大的膨脹應(yīng)力;此外氯鹽還會導(dǎo)致混凝土溶解破壞和物理腐蝕，從而導(dǎo)致混凝土的損傷加劇。在干濕交替的環(huán)境下，氯鹽的存在，會造成混凝土表面的剝蝕，因為干燥時，鹽類會在孔隙中結(jié)晶進(jìn)而產(chǎn)生足夠大的結(jié)晶壓力，使混凝土崩碎或剝落，其腐蝕速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于環(huán)境水的化學(xué)腐蝕，破壞程度也更加嚴(yán)重。

李鵬［4］研究了硫酸鹽與氯鹽雙因素作用下的混凝土損傷變化，選取5% Na2S04+3.5% NaCl 混合溶液和5% Na2S04+10% NaCl 混合溶液做對比，實驗結(jié)果證實了劉惠蘭的結(jié)論，即氯鹽雖然減緩了水泥砂漿的硫酸鹽腐蝕程度，但高濃度的氯離子會形成針狀細(xì)小微粒的氯鋁酸鹽，產(chǎn)生較大的膨脹應(yīng)力。同時氯鹽還會導(dǎo)致混凝土溶解破壞和物理腐蝕，從而導(dǎo)致混凝土的損傷加劇。

孫偉等［5，6］歸納概括了國內(nèi)外關(guān)于混凝土在氯鹽和硫酸鹽復(fù)合作用下?lián)p傷失效研究的主要成果，建立了復(fù)合因素下混凝土耐久性試驗系列新方法，并以此來模擬我國西部地區(qū)混凝土面臨的耐久性問題。在耐久性試驗研究的基礎(chǔ)上，經(jīng)理論推導(dǎo)和機(jī)理分析研究了混凝土在硫酸鹽-氯鹽復(fù)合作用下的氯離子擴(kuò)散規(guī)律和混凝土損傷劣化及微結(jié)構(gòu)演變過程。結(jié)果表明:在復(fù)合溶液中混凝土腐蝕初期，氯離子擴(kuò)散可視為在等效圓孔和基體構(gòu)成的多孔介質(zhì)中進(jìn)行，而硫酸鹽生成的腐蝕產(chǎn)物填充了混凝土的孔隙，導(dǎo)致混凝土的孔徑變小，在一定程度改變了毛細(xì)管的連通性，從而降低了混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)。在腐蝕后期，氯離子擴(kuò)散可視為在基體-二維裂紋中擴(kuò)散。硫酸鹽腐蝕產(chǎn)生裂紋并導(dǎo)致混凝土裂紋指數(shù)(基體面積/裂紋面積)不斷下降，氯離子擴(kuò)散系數(shù)也隨之上升?；炷猎诹蛩猁}-氯鹽復(fù)合溶液中，其微觀表現(xiàn)為腐蝕產(chǎn)物密實混凝土孔隙并最終導(dǎo)致孔壁開裂;漿體-集料界面區(qū)大量腐蝕產(chǎn)物形成，并導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生;其細(xì)觀表現(xiàn)為裂紋在漿體形成、連通并擴(kuò)展，最后導(dǎo)致集料的開裂并形成連通性大裂紋;宏觀上表現(xiàn)為混凝土長度增加，粗大裂紋在混凝土表面形成，破壞后期出現(xiàn)無粘性剝落。

總之，混凝土無論在單一硫酸鹽溶液還是硫酸鹽-氯鹽復(fù)合溶液作用下，宏觀測試的主要性能表現(xiàn)為:相對動彈模量先上升后下降，重量先增加后下降，體積變化先上升后穩(wěn)定然后繼續(xù)上升。就腐蝕機(jī)理而言，復(fù)合溶液中氯鹽的存在不改變混凝土的硫酸鹽損傷機(jī)理，只是延緩了混凝土的硫酸鹽損傷程度;而硫酸鹽的存在，抑制了氯鹽的早期腐蝕，但加速了后期的腐蝕。最終兩種腐蝕介質(zhì)相互促進(jìn)，使腐蝕程度加劇。

2.2 凍融循環(huán)與鹽侵蝕雙因素耦合作用

慕儒［7］研究了凍融循環(huán)耦合鹽溶液作用下混凝土的性能，選取了五種混凝土，分別為普通水泥混凝土(OPC)、普通引氣混凝土(APC)、高強(qiáng)度混凝土(HSC)、鋼纖維增強(qiáng)混凝土(SFRC)和引氣鋼纖維增強(qiáng)混凝土(ASFRC)，混凝土的強(qiáng)度等級分別為C40、C60 和C80，鹽溶液為3.5% NaCl 和5% Na2SO4溶液。結(jié)果表明:(1)混凝土在3.5%NaCl 溶液中快速凍融時表面剝落非常嚴(yán)重，質(zhì)量損失率遠(yuǎn)大于純水中凍融作用，而在5%Na2SO4溶液中凍融時的質(zhì)量損失率比在純水中時要小。(2)因鹽溶液降低冰點的作用，使混凝土凍融過程中的動彈性模量下降速度比在純水中時慢，導(dǎo)致混凝土在NaCl 溶液中凍融壽命比在純水中提高10%～30%。在Na2SO4溶液中凍融時，低強(qiáng)度等級混凝土的凍融壽命比在純水中略有增加，但HSC 的凍融破壞因硫酸鹽腐蝕作用而提前，而且破壞形態(tài)為脆性破壞。(3)APC 在NaCl 和Na2SO4溶液凍融時的質(zhì)量損失只有相應(yīng)非引氣OPC 的30%～40%，其相對動彈性模量加速下降的時間比相應(yīng)非引氣OPC 要晚，抗凍融壽命明顯增加。(4)SFRC 在NaCl 和Na2SO4溶液中的凍融壽命比OPC 和APC 長，說明鋼纖維對凍融耦合除冰鹽或硫酸鹽雙重因素作用下混凝土損傷的抑制效果比引氣更加明顯，但它對混凝土的鹽凍剝蝕幾乎沒有影響。(5)ASFRC 對凍融耦合除冰鹽或硫酸鹽雙重因素作用下混凝土損傷的抑制效果最好，其抗凍融壽命大大增加，而且其增加值遠(yuǎn)大于引氣和鋼纖維單獨增強(qiáng)時增加值之和，產(chǎn)生顯著的增強(qiáng)復(fù)合效應(yīng)［8］。

Janssen［9］等研究了在3.0%濃度NaCl 溶液中的混凝土在進(jìn)行凍融循環(huán)試驗時，氯離子顯著加劇了混凝土的凍融質(zhì)量損失，即加劇了混凝土的凍融破壞。

余紅發(fā)等［10］在Fick 擴(kuò)散定律的基礎(chǔ)上推導(dǎo)出了氯離子在混凝土中擴(kuò)散行為的新擴(kuò)散方程，克服了Fick 擴(kuò)散定律與實際情況不相符的問題，得到混凝土的氯離子擴(kuò)散理論基準(zhǔn)模型，在此基礎(chǔ)上導(dǎo)出混凝土表面剝落氯離子擴(kuò)散理論模型、混凝土凍融循環(huán)氯離子擴(kuò)散理論模型和混凝土損傷氯離子擴(kuò)散理論模型。

綜上所述，耦合鹽溶液后，混凝土的抗凍性降低;但對于不同種類的混凝土的抗凍融能力降低程度不同，引氣或摻鋼纖維可以顯著提高抗凍性。鹽凍雙因素作用下的混凝土劣化程度是遠(yuǎn)大于凍融單因素作用下的混凝土劣化程度的，這是二者相互影響、相互作用的結(jié)果。

2.3 荷載與凍融循環(huán)雙因素耦合作用

Jacobsen［11］指出荷載對混凝土凍融循環(huán)破壞主要是由裂縫的存在而產(chǎn)生的，所以初始裂縫將增大凍融循環(huán)的破壞作用。

隨著科技的迅猛發(fā)展和科技產(chǎn)品在生活領(lǐng)域的深入,一些新興的“科技疾病”已經(jīng)悄然出現(xiàn)在疾病譜之中。如:夏季的“空調(diào)病”,智能手機(jī)所帶來的“手機(jī)拇指病”等。近年來,“加濕性肺炎”這個新興的科技疾病走入了人們的視線,“加濕性肺炎”并非專業(yè)醫(yī)學(xué)名詞,也并非單指肺炎,與加濕器也無必然聯(lián)系,而是因加濕器使用不當(dāng)造成的呼吸道系統(tǒng)的一系列疾病。包括上呼吸道感染、支氣管炎、哮喘、肺炎等。孕、產(chǎn)婦是一特殊群體,在現(xiàn)今社會受到了家屬的“盲目關(guān)心”,而家屬醫(yī)學(xué)知識的匱乏或不良的使用方式,可能在無意中損害了孕婦的身體健康。

孫偉、慕儒等［12］研究了在凍融循環(huán)和三分點彎曲荷載共同作用下引氣高強(qiáng)混凝土(APC)和非引氣高強(qiáng)混凝土(NPC)的損傷過程和損傷機(jī)理，施加的荷載比例分別為0、0.1、0.25 和0.5。結(jié)果表明:(1)當(dāng)荷載比例為零或者較小時，兩種高強(qiáng)混凝土都能承受的凍融循環(huán)次數(shù)較多;(2)當(dāng)荷載比例較大時，兩種高強(qiáng)混凝土破壞時所經(jīng)受的凍融循環(huán)次數(shù)均下降，且荷載比例越大，能經(jīng)受的凍融循環(huán)次數(shù)越少。盡管在荷載比例較大時抗凍性降低較大，但是兩種高強(qiáng)混凝土的抗凍性能表現(xiàn)還有所不同，當(dāng)水灰比較大時，APC 高強(qiáng)混凝土能經(jīng)受的凍融循環(huán)次數(shù)稍大于NPC 高強(qiáng)混凝土;當(dāng)?shù)退冶葧r，則是NPC 高強(qiáng)混凝土的凍融循環(huán)次數(shù)稍大于APC 高強(qiáng)混凝土，這是因為低水灰比時引氣使APC 高強(qiáng)混凝土的強(qiáng)度降低明顯，在荷載作用下容易斷裂，同時低水灰比使NPC 高強(qiáng)混凝土更為致密，抗凍性提高［13］。

劉波［14］研究了C20 和C30 混凝土在0、0.3、0.5和0.7 的荷載比例下抗凍性能，獲得了荷載比例與耐久性的變化關(guān)系以及荷載比例對不同強(qiáng)度等級混凝土的耐久性的影響規(guī)律。即荷載比例對混凝土試件的孔隙也有很大的影響，當(dāng)荷載比例為0 時混凝土內(nèi)的孔隙是由水化程度和施工條件決定，比較穩(wěn)定;而隨著荷載比例的加大，混凝土的孔隙慢慢增大，無害孔向有害孔轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致混凝土的抗凍性能的下降。在荷載比例小于0.3 時，由于加載對混凝土試件內(nèi)部孔隙的“壓合”作用，抗凍融性能下降的幅度很小，速度很慢;當(dāng)荷載比例大于0.3 時，其下降速度很快，且下降速度隨著荷載比例的加大而加快。

嚴(yán)安等［15］考慮到了在荷載和凍融循環(huán)雙因素作用下，臨界裂紋擴(kuò)展破壞的突然性，從結(jié)構(gòu)安全性考慮，根據(jù)實驗結(jié)果給出了混凝土在荷載及凍融同時作用下可靠度計算公式;同時引入“等效凍融循環(huán)壽命”的概念，即應(yīng)力作用下的凍融循環(huán)周期數(shù)nr 轉(zhuǎn)化為不受應(yīng)力作用下的等效凍融循環(huán)周期數(shù)nre，只要在受應(yīng)力比r 作用下凍融循環(huán)壽命nr 次的混凝土失效概率與受應(yīng)力作用下凍融循環(huán)壽命nre 次的混凝土失效概率相同，就可得到等效凍融循環(huán)壽命。在失效概率相同的條件下，推導(dǎo)出了不受應(yīng)力作用下的混凝土凍融循環(huán)壽命和不同應(yīng)力狀況下的混凝土凍融循環(huán)壽命的關(guān)系式，由此可以根據(jù)不同應(yīng)力狀況下的混凝土凍融循環(huán)壽命試驗結(jié)果計算無應(yīng)力狀態(tài)下的等效凍融循環(huán)壽命，也可以根據(jù)按標(biāo)準(zhǔn)方法在無應(yīng)力狀態(tài)下的測得的凍融循環(huán)壽命(次數(shù))推算不同應(yīng)力狀況下的混凝土凍融循環(huán)壽命。

總之，耦合荷載作用后，混凝土的抗凍性遠(yuǎn)小于混凝土在單獨凍融循環(huán)作用下的抗凍性;耦合荷載作用后，混凝土的內(nèi)部損傷遠(yuǎn)大于單因素?fù)p傷。即在荷載作用下高性能混凝土的破壞主要為外荷載加速凍融破壞，和不受荷載作用下的凍融循環(huán)破壞不同。

2.4 荷載與鹽溶液雙因素耦合作用

關(guān)于荷載與鹽侵蝕雙因素耦合作用對混凝土耐久性的影響，國內(nèi)外的研究報道很多。

方永浩［16］研究發(fā)現(xiàn)混凝土澆筑或試件成型時，粗骨料下部砂漿或多或少會沉降而與粗骨料間形成近似與澆筑面平行的弱結(jié)合層?；炷猎嚰箟簭?qiáng)度測定和持續(xù)壓荷載作用下，混凝土氯離子滲透性測定時試件受力方向一般與澆筑面平行，與實際混凝土工程受力方向不一致，這對于抗壓強(qiáng)度測定來說可能影響不大，但對于持續(xù)壓荷載作用下混凝土氯離子滲透性可能會有較大的影響，特別是在低應(yīng)力水平時，受力方向不同可能導(dǎo)致得出完全相反的結(jié)論，即壓荷載作用下的混凝土氯離子滲透性可能還與其受力方向有關(guān)的結(jié)論。

何世欽［17］研究表明在同一深度處的氯離子含量隨著彎曲荷載的增大而增加;當(dāng)在鹽溶液中浸泡時間較短時，氯離子含量受荷載的影響不明顯;隨著浸泡時間的增加，同一深度處的氯離子含量隨著荷載的增加而增加。

金祖權(quán)［18］研究以5%Na2SO4+3.5%NaCl 溶液為腐蝕溶液，使用浸泡腐蝕制度和浸烘循環(huán)制度，對混凝土施加35%和50%的彎曲荷載，測試混凝土的相對動彈性模量隨腐蝕時間的演變規(guī)律。結(jié)果表明:混凝土在5%Na2SO4+3.5%NaCl 浸泡作用下，其膨脹率變化為先增加，然后穩(wěn)定?；炷镣ㄟ^浸烘循環(huán)腐蝕加速后，得到混凝土膨脹率變化全過程包括三個階段:上升段、穩(wěn)定段和加速上升段;混凝土在彎曲荷載和鹽侵蝕作用下，彎曲荷載加速了混凝土的損傷劣化速度，荷載率越高，混凝土的損傷劣化速度越快?；炷潦r間隨彎曲荷載率增加呈乘冪函數(shù)下降。

范穎芳等［19］研究發(fā)現(xiàn)，受硫酸鹽腐蝕的混凝土的破壞形式和腐蝕前相同，但開裂荷載比腐蝕前提高2～4 倍，破壞荷載也比腐蝕前提高30%～60%。

總之，混凝土試件在外荷載或應(yīng)力作用下產(chǎn)生微裂縫，加速了各種鹽溶液的滲透和擴(kuò)散，從而加速了混凝土的劣化。

2.5 荷載、凍融循環(huán)和鹽侵蝕三因素耦合作用

孫偉、慕儒等［20］詳細(xì)研究了混凝土在彎曲荷載-凍融、彎曲荷載-氯鹽、彎曲荷載-復(fù)合鹽、彎曲荷載-鹽湖鹵水、壓荷載-鹽湖鹵水和彎曲荷載-堿集料反應(yīng)下，混凝土的損傷過程以及氯離子在混凝土中的擴(kuò)散行為，并對混凝土試驗加載裝置不斷更新，形成了高精度、長壽命、易測試的彎曲加載系統(tǒng)和壓應(yīng)力加載系統(tǒng)。研究結(jié)果表明:彎曲荷載明顯劣化了混凝土的抗凍性，在高應(yīng)力比下，混凝土的凍融循環(huán)甚至出現(xiàn)脆斷;彎曲荷載也加速了氯離子在混凝土中的擴(kuò)散以及堿集料反應(yīng)對混凝土造成的損傷。但在壓應(yīng)力小于80%的情況下，氯離子擴(kuò)散并不會加速。

王陣地等［21］研究了路用混凝土中的鋼筋在凍融循環(huán)-氯鹽侵蝕-荷載多因素耦合作用下的銹蝕行為。實驗表明當(dāng)試件放入含有3.5%NaCl 溶液中，并分別對其施加0.3 和0.4 的荷載比例，放入快速凍融試驗機(jī)中進(jìn)行凍融循環(huán)時，在高荷載比例的條件下縮短了鋼筋脫鈍的時間，增大鋼筋發(fā)生銹蝕的風(fēng)險。

曹銀等［22］研究了粉煤灰-礦渣粉混凝土在凍融循環(huán)-氯鹽侵蝕-荷載多因素耦合作用下的耐久性能。提出了殘余應(yīng)變表征混凝土損傷的初步模型;在凍融循環(huán)-氯鹽侵蝕-荷載三因素協(xié)同作用下，鹽凍循環(huán)導(dǎo)致的表面剝蝕仍然是混凝土破壞的主要因素，對于強(qiáng)度較高的混凝土來說表面剝蝕量很小。外部彎拉應(yīng)力的施加一定程度上加速了鹽凍過程中的表面剝落和內(nèi)部損傷。

3 結(jié)論

綜合分析多因素耦合對混凝土性能的影響研究可知，多種因素耦合后都會比單一因素的影響程度大，腐蝕速度快，可以較好地反映實際工程混凝土的腐蝕情況。但是實驗室模擬還是和實際工程環(huán)境有一定的差異，一是實驗室多采用快速實驗方法，比如鹽溶液的濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實際環(huán)境中的濃度，另外實際工程的荷載作用狀況更為復(fù)雜多變，還有實際環(huán)境中常常還伴隨有濕度的變化等等。為了能更好反映實際混凝土工程的現(xiàn)狀，需要就實際環(huán)境中混凝土工程，在實際荷載作用下的腐蝕狀況加以觀測，但是這一工作耗時長、工作量巨大，還需要多部門的配合進(jìn)行。

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