復(fù)合荷載作用下混凝土抗硫酸鹽侵蝕界面機(jī)理分析

殷雨時(shí)

摘 要：混凝土抗硫酸鹽侵蝕在混凝土耐久性研究中一直是研究的重點(diǎn)，而混凝土在復(fù)合荷載作用下受硫酸鹽物理侵蝕的研究還是不多見。本文從實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)出發(fā)，通過不同齡期下混凝土的力學(xué)性質(zhì)及微觀形態(tài)描述，闡釋在硫酸鹽環(huán)境下受復(fù)合荷載的混凝土試件受物-化侵蝕的劣化機(jī)理，為混凝土抗侵措施做好相應(yīng)措施。

關(guān)鍵詞：復(fù)合荷載；硫酸鹽；界面；結(jié)晶；機(jī)理

我省海岸線較長，相應(yīng)沿海城市也較多。總所周知，近海城市的臨海水（土）中含有大量的氯鹽和硫酸鹽，這兩種離子會(huì)對(duì)混凝土帶來不同機(jī)理的破壞。

首先氯鹽會(huì)直接和水泥基材料中的鋼筋作用，打壞鋼筋的氧化物薄膜，使得鋼筋和水泥基材料的粘聚力大大降低，使得鋼筋混凝土不再是“鋼筋混凝土”[ 1 ] [ 3 ]。

而硫酸鹽侵蝕機(jī)理，根據(jù)相關(guān)學(xué)者研究結(jié)論，解釋了與氯鹽完全不同的侵蝕機(jī)理。表現(xiàn)在硫酸鹽對(duì)混凝土建筑材料的化學(xué)侵蝕和物理侵蝕上。

其中關(guān)于化學(xué)侵蝕方面，相關(guān)學(xué)者通過實(shí)驗(yàn)、理論推導(dǎo)已經(jīng)研究相對(duì)系統(tǒng)[ 4 ]；對(duì)于硫酸鹽物理侵蝕，由于其實(shí)驗(yàn)周期相對(duì)較長，短則幾個(gè)月，長則數(shù)十年，實(shí)驗(yàn)工程師無法有效開展數(shù)據(jù)跟蹤，在這個(gè)領(lǐng)域，研究的還不很充分，尤其是復(fù)合荷載下多場(chǎng)耦合，相關(guān)研究結(jié)論罕為見到。

1 研究方法

1.1 原材料

實(shí)驗(yàn)采用的是符合EN197-1（2000）標(biāo)準(zhǔn)的硅酸鹽水泥，粗骨料使用5～16mm的碎石作為粗骨料，選用1～4mm的河砂作為細(xì)骨料；實(shí)驗(yàn)中溶液采用的是w=9.02%的硫酸鈉飽和溶液，加載方式采用的是復(fù)合式（軸壓+側(cè)彎）加載。浸泡方式為立式半裸露浸泡，實(shí)驗(yàn)周期為7個(gè)月。相應(yīng)齡期取為3d，20d、60d、120d、180d、210d。

1.2 混凝土力學(xué)強(qiáng)度、SEM、XRD檢測(cè)

對(duì)不同齡期的混凝土做抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)[ 2 ]，并在試件液面交界±30cm處，取2個(gè)高位小樣，尺寸為1cm*1cm*1cm，做SEM、XRD檢測(cè)。

120d齡期時(shí)，對(duì)混凝土強(qiáng)度進(jìn)行檢驗(yàn)。經(jīng)檢測(cè)換算成相應(yīng)齡期150*150*150mm3混凝土的抗壓強(qiáng)度為29.27MPa，抗折強(qiáng)度為9.2MPa，對(duì)2個(gè)高位處的小樣做電鏡SEM掃描，發(fā)現(xiàn)細(xì)裂縫很多，在XRD檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)了大量的硫酸根離子，說明侵蝕深度已經(jīng)深入到混凝土內(nèi)部，且表面濃度要高于內(nèi)部濃度。

2 試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)分析

取樣的混凝土經(jīng)抗壓強(qiáng)度檢測(cè)為29.27MPa，原設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C40，按照設(shè)計(jì)標(biāo)號(hào)來講，強(qiáng)度降為原來73.18%，抗折強(qiáng)度降為原來88.77%?？箟簭?qiáng)度損失較大，抗折強(qiáng)度減少不多。對(duì)2個(gè)高位處的成分進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)成分都是一樣，但是濃度卻不相同。

在液面位置處，硫酸根的含量是最低的，僅有1.35%。而在測(cè)試點(diǎn)兩端達(dá)到的最高，分別是2.05%、1.98%。

硫酸根含量也有如下規(guī)律，在液面一下部分，越靠近液-空交界處，硫酸根含越低，在液面處達(dá)到了最低。

而裸露在自然界外面的部分，越遠(yuǎn)離液面處，硫酸根含量越高，這種遞增趨勢(shì)要強(qiáng)于前者的遞減趨勢(shì)。說明在液面以上部分，硫酸根的含量滲入已經(jīng)不是浸泡式的離子擴(kuò)散，而是毛細(xì)現(xiàn)象的物理作用。

通過SEM觀測(cè)可以發(fā)現(xiàn)，2個(gè)點(diǎn)位處的裂縫寬度不同，總體反應(yīng)是液面以下裂縫較少，液面交界處以上30cm處裂縫較多，說明在復(fù)合荷載作用下，液面交界處30cm的混凝土受到的侵蝕十分嚴(yán)重，這樣的侵蝕機(jī)理不同于以往研究。

首先混凝土在立式浸泡下，混凝土由于內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)，使得溶液內(nèi)離子通過毛細(xì)孔滲入到混凝土內(nèi)部，離子濃度差的作用下，混凝土表面出現(xiàn)硫酸鈉晶體，晶體沿著混凝土表壁開始外延，這樣的晶體并不會(huì)對(duì)混凝土產(chǎn)生較大損傷[ 3 ]。

而試件在復(fù)合荷載下的結(jié)構(gòu)損傷，這種損傷具有加速性，且裂縫加速擴(kuò)展。由于“尖角”效應(yīng)，硫酸根離子容易在尖角聚合，濃度較高，進(jìn)而物-化學(xué)侵蝕加速，結(jié)晶生長，漲裂混凝土。

3 結(jié)論

1）復(fù)合荷載作用下的混凝土試件在高濃度硫酸鹽作用下，物-化作用帶來的影響，使得混凝土損傷加劇，混凝土由于荷載受到的損傷遠(yuǎn)大于鹽溶液帶來的影響。

2）硫酸鹽在液面下的侵蝕和液面上具有不同的機(jī)理，液面之下是離子的擴(kuò)散作用，生成膨脹性物質(zhì)導(dǎo)致水泥基材料強(qiáng)度下降，液面以上的部分由于物理侵蝕作用，硫酸根離子隨著毛細(xì)孔上升至一定高度并鹽結(jié)晶，結(jié)晶壓力使得混凝土外壁脫落，露筋嚴(yán)重。

3）混凝土內(nèi)部骨料和膠凝材料界面處的尖角和不平整位置，是結(jié)晶容易生成的區(qū)域，要合理控制界面生成條件，控制硫酸鹽物理侵蝕。

參考文獻(xiàn)：

[1] FAN Y， ZHANG S， LUAN H. Influence of nano-clay additionon porosity of cement paste at early age[C]//Proceedings of 2011 International Conference on Mechanical， Industrial， and Manufacturing Engineering（MIME2011）.Australia；LectureNotes； in Information Technology，2011.

[2] JTG E30-2005公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程[S].

[3] 劉贊群，混凝土硫酸鹽侵蝕基本機(jī)理.[D].博士學(xué)位論文，2009.05.

[4] 金雁南，周雙喜.混凝土硫酸鹽侵蝕的類型及作用機(jī)理[J].華東交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，23（5）：4-8.