水工混凝土溶蝕試驗方法的應用研究綜述

陳沁宇 陳信宇

摘 要：總結目前國內(nèi)外混凝土溶蝕試驗研究的研究現(xiàn)狀，介紹混凝土溶蝕試驗常用的試驗方法以及影響混凝土耐久性的外部因素。重點對溶蝕試驗方案作出歸納和總結，指出各方法的優(yōu)缺點。最后在現(xiàn)有的溶蝕試驗的研究成果上提出有待解決的問題和展望。

關鍵詞：水工混凝土；溶蝕；試驗方法

1 概述

水工混凝土，顧名思義，就是用于水工建筑物的混凝土。水工混凝土長期與大氣和水接觸，常會受到日曬、沖刷和溶蝕等作用。本文著重論述溶蝕作用對混凝土的影響。

林芳榮[1]在文獻中指出，混凝土的溶蝕可以大致分成三個階段：第一階段：混凝土淺表的石灰溶解并附著在混凝土表面形成一層飽和層；第二階段：混凝土表面的石灰向周圍水環(huán)境中擴散；第三階段：混凝土內(nèi)部的石灰沿著毛細管向外擴散。自那時起，混凝土溶蝕問題開始逐漸受到國內(nèi)學者的高度關注。

由于水工混凝土在不同水環(huán)境中所受的水壓力不同，可將混凝土在水中的溶蝕過程分為兩類，即：（1）接觸溶蝕：當混凝土所受水壓力小到可忽略時所受到的溶蝕作用；（2）滲透溶蝕：當混凝土所受水壓力不可忽略時所受到的溶蝕作用。大壩蓄水后，混凝土大面積與水接觸，會產(chǎn)生接觸溶蝕；同時，在水的壓力作用下，滲水不可避免，會產(chǎn)生滲透溶蝕。在長時間溶蝕過程中，混凝土的鈣離子會流失，膠結物會受到破壞，這也是水工混凝土的常見病害之一。為了研究水工混凝土的溶蝕機理，必定要對其做一系列的實驗。而溶蝕試驗是一個需要耗費大量的人力、物力、財力和時間的漫長試驗過程，。目前，混凝土的溶蝕試驗尚沒有統(tǒng)一的標準方法，本文主要就混凝土溶蝕特性的試驗方法進行總結評述。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

第一類方法是浸泡法。其中，浸泡法又分為直接浸泡法和破碎浸泡法。

a.直接浸泡法。將完整的混凝土試件放入水環(huán)境中進行溶蝕試驗?？刹捎昧⑹桨虢⑴P式半浸和臥式全浸等浸泡方式，如下圖所示。

若試件為立方體則不存在立式半浸和臥式半浸的分別。肖海英[2]等人通過試驗研究發(fā)現(xiàn)：浸泡方式對混凝土的溶蝕破壞影響較大。在不同浸泡方式下，混凝土的彎曲抗蝕系數(shù)對腐蝕性液體的敏感次序為：立式半浸>水平半浸>水平全浸。采用立式半浸泡腐蝕方式下混凝土的彎曲抗蝕系數(shù)，可快速評定混凝土的耐腐蝕性。

b.破碎浸泡法。該方法是將經(jīng)過養(yǎng)護到一定齡期的混凝土試件打碎后進行篩分，再取一定粒徑范圍的混凝土顆粒作為試樣，將試樣放入水環(huán)境中浸泡一段時間后，測出水環(huán)境中Ca2+的濃度變化，從而判定混凝土試樣的溶蝕程度。此方法易于操作，試驗結果復現(xiàn)性好。但是缺點是所取的試樣經(jīng)破碎后體積較小，無法建立Ca2+溶出量和表征混凝土溶蝕程度物理量之間的數(shù)值關系[3]，也很難測出Ca2+溶出后對混凝土在宏觀上的影響。

第二類方法是穿流法。該方法是將水在高壓力和高水力坡度下穿過試件，然后測定滲透液的量以及其中的Ca2+含量。此方法可以很好地模擬擋水建筑物的實際工作中的情況，但尚未用于酸或其他侵蝕溶液。前蘇聯(lián)和我國都采用過此方法進行過水工混凝土溶蝕特性試驗。

第三類方法射流法?；炷猎嚰?jīng)高壓水槍噴射之后觀察其表面的溶蝕程度。該方法可以近似模擬接觸溶蝕時的實際情況。但該方法不光耗時長，且除了接觸溶蝕作用外，還有水的沖刷作用。

李新宇[3]在此方法的基礎上，采用了新的試驗方法，將試件浸泡在去離子水中，并保持定期換水（3天左右為一周期），同時用攪拌機攪拌去離子水模擬真實水流，減小了機械沖刷作用。根據(jù)去離子水前后Ca2+濃度變化，計算溶蝕量推斷混凝土的溶蝕程度。

由于溶蝕試驗周期較長，為了節(jié)約實驗時間，相關研究人員采用了一些加速方法。

第一種是日本的Hiorhissiat等人發(fā)明了電化學加速試驗方法。孫雙鑫等[4]將試件接入電路前進行飽水處理，飽水24小時后采用并聯(lián)的方式將試件接入電路，外接60V電壓，室內(nèi)溫度穩(wěn)定在25℃左右。每組試件溶蝕時間總共為14d。接通電壓后，每天進行鈣離子溶出量、ph值的測量，以7d為周期更換一次去離子水。隨著反應的進行，溶液中溶出的鈣離子濃度在試驗的第一個周期內(nèi)增長速度較快，更換試驗裝置中的溶液后第二個周期鈣離子濃度增加速度逐漸趨于穩(wěn)定。電化學技術加速了鈣離子的解析速度，無疑在混凝土溶蝕試驗方法中具有里程碑的意義。

第二種是用硝酸銨溶液進行加速。孔祥芝[5]等人采用浸泡法，配制 1 mol/L 硝酸銨溶液，試件底面、頂面涂刷環(huán)氧涂層，放入硝酸銨溶液中。10、25、45 d 時更換一次溶蝕介質(zhì)。試驗結果表明，硝酸銨溶液能夠很好的模擬并加速大壩混凝土溶蝕進程，加速溶蝕的驅(qū)動力是硝酸銨與水泥水化產(chǎn)物發(fā)生酸堿中和反應生產(chǎn)溶解度很高的硝酸鈣。

在上述試驗方法中，都僅采用單一影響因素來設計試驗方法。而在實際情況中，水工混凝土不止受單一因素的影響，而是同時受力學、化學、溫度等因素的影響。LeBellégo[6]等最早對水泥基材料進行力學-化學耦合的試驗研究。研究人員采用位移控制，用硝酸銨溶液浸泡砂漿梁，再分別施加三點彎曲荷載和豎向荷載，直到試件發(fā)生破壞，通過測量不同的溶蝕時間對應的砂漿梁的力學指標以及溶蝕程度等情況來表征力學—化學耦合作用的影響，試驗結果表明，力學—化學耦合作用下梁的強度損失明顯大于單因素作用下梁的強度損失，表明力學作用下產(chǎn)生的微裂縫會加速離子的溶出并加快試件的溶蝕速率。然而此實驗只是針對砂漿梁做的，而不是針對混凝土。張研[7-9]等用化學—力學損傷本構模型來描述混凝土應力—應變關系，數(shù)值計算與試驗結果吻合較好。

通常，檢驗混凝凝土溶蝕程度的方法有：（1）超聲波無損檢測方法。根據(jù)超聲波在混凝土中的傳播速度、傳播頻率、振幅等參數(shù)判斷混凝土內(nèi)部缺陷。（2）測定離子溶出量或相關的離子濃度變化。（3）測定抗壓強度等力學指標。（4）CT掃描混凝土內(nèi)部結構。

（5）將混凝土試件切開滴加酚酞試劑進行顯色反應，觀察紅色區(qū)域的范圍。（6）若采用Cl-或SO2-4進行溶蝕試驗，可將混凝土試件剖開，在切割面上滴加硝酸銀試劑觀察產(chǎn)生化學反應的范圍。

3 展望

由于溶蝕本身的復雜性，目前世界上關于混凝土溶蝕的理論尚未完備，有待進一步探索。放眼未來，可以從以下幾個方面進一步開展研究：

（1）研究人員通過大量實驗控制單一因素對混凝土進行溶蝕實驗，豐富了溶蝕的相關理論。而實際工程中，水工混凝土通常會受到多種因素的影響，但是多因素控制實驗及其理論研究依舊不夠成熟。如凍融、硫酸根離子、氯離子、溫度、水壓力等聯(lián)合破壞機理。

（2）目前大部分溶蝕試驗的水環(huán)境采用去離子水或低硬度水，然而在實際工況中，水環(huán)境中通常含有一定濃度的Cl-、SO2-4和CO2-3，其相關的溶蝕機理還有待完善。

（3）實驗室內(nèi)很多方法實驗周期長，一些加速方法雖然試驗周期短，但其與實際結果的吻合性還需進一步研究和證明。

（4）實驗過程中，最佳浸泡時間、水的更換頻率等操作細節(jié)還需進一步完善。

（5）很多試驗方法未對試件的形狀、尺寸進行規(guī)定，尺寸效應也需在實驗過程中進行考慮。

參考文獻：

[1]林芳榮.介紹混凝土溶蝕試驗[J].人民長江，1957（9）： 26-29.

[2]肖海英，葛勇，張寶生，等.浸泡方式對混凝土腐蝕性的研究[A].沿海地區(qū)混凝土結構耐久性及其設計方法[C].中國深圳：中國土木工程學會，2004.

[3]李新宇， 方坤河.水工碾壓混凝土接觸溶蝕特性研究[J].混凝土，2002， （12）： 12-17.

[4]孫雙鑫.基于電化學加速機理的塑性混凝土溶蝕行為研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學土木工程學院，2011.

[5]孔祥芝，陳改新，紀國晉，李曙光.硝酸銨溶液加速大壩混凝土溶蝕進程的試驗研究.混凝土，2017.4，35

[6]Le Bellégo G.，Pijaudier-Cabot G.，Gérard B.Chemo-mechanical effects in mortar beams subjected to water hydrolysis[J]. Journal of Engineering Mechanics， 2000， 126（3）： 266-272.

[7]張研，張子明，邵建富.混凝土化學-力學損傷本構模型[J].工程力學， 2006， 23（9）： 153-156.

[8]張研，宋智通.水泥基材料的化學-力學耦合作用[J].計算力學學報， 2009， 26（5）： 697-702.

[9]張研，張子明，宋智通.混凝土化學-力學耦合作用的非局部損傷模型[J].固體力學學報， 2007， 28（2）： 172-177.