混凝土加速試驗研究論文

　　摘要:混凝土的耐久性與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命息息相關(guān)。由于工程的使用功能和所處地理位置的不同，建筑結(jié)構(gòu)常常遭受多種腐蝕介質(zhì)的侵蝕，特別是鹽漬土地區(qū)及海岸工程，環(huán)境條件更加惡劣，對結(jié)構(gòu)的使用壽命產(chǎn)生特別大的影響。因此，基于單一腐蝕介質(zhì)研究鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性問題既不客觀也不科學(xué)。本研究將多組混凝土試塊浸泡于一系列不同濃度的H2S04和NaCl混合腐蝕介質(zhì)中，經(jīng)過2年的腐蝕周期，通過抗壓強(qiáng)度試驗，宏觀和微觀分析，找出了混凝土損傷劣化的根本原因，獲得了有價值的試驗成果，為結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計和規(guī)范修訂提供了技術(shù)支撐。

　　關(guān)鍵詞:混合；腐蝕介質(zhì)；加速侵蝕；混凝土；抗壓強(qiáng)度

　　存在于混凝土中的氯鹽分為三種形式:溶解于孔隙中的游離氯離子，與水泥水化產(chǎn)物結(jié)合的氯化物，和凝膠體空隙中吸附的氯化物。游離氯離子參與氯化物的傳輸和鋼筋腐蝕過程，氯化物也能對混凝土造成損害，降低混凝土強(qiáng)度。氫離子侵入混凝土，與CH發(fā)生“中和”反應(yīng)，降低混凝土孔溶液中OH－濃度，導(dǎo)致孔溶液pH值下降。從而改變混凝土的微觀結(jié)構(gòu)。腐蝕介質(zhì)濃度某一值時生成的CaS042H20和鈣礬石(3CaOAl2033CaS0432H20)由于體積膨脹。浸泡早期填充混凝土表面孔隙，延緩侵蝕離子滲入，延緩劣化速率，提高混凝土抗壓強(qiáng)度，但是后期隨著基體pH值下降，水化產(chǎn)物解體，石膏和鈣礬石膨脹導(dǎo)致混凝土開裂，加劇混凝土的腐蝕。有關(guān)混凝土工程的安全性評估及壽命預(yù)測問題，目前研究者針對某單一因素對混凝土腐蝕的影響研究的較多，對多因素耦合作用下混凝土腐蝕行為研究的尚少。熊衛(wèi)士，高飛，韓東對多因素作用下的混凝土耐久性進(jìn)行了綜述，提出了研究趨勢，但不包括多種腐蝕介質(zhì)作用下的混凝土耐久性研究［1］，王信剛，章未琴，陳方斌等進(jìn)行了高性能水泥基材料的耐久性能及其微觀結(jié)構(gòu)研究，得出了各種水泥材料在氯離子、硫酸根離子和抗凍、抗碳化的條件下的性能和微觀結(jié)構(gòu)［2］，喬紅霞、陳丁山、何忠茂等對鹽漬土地區(qū)混凝土硫酸鹽腐蝕加速試驗制度進(jìn)行了評價［3］，劉影、金祖全、張宇研究了海水對混凝土中鋼筋銹蝕的影響［4］，許豪文、刁波、沈孛等對裂縫及環(huán)境對混凝土中氯離子擴(kuò)散的影響進(jìn)行了研究［5］，董建鋒，邢峰，戴虹等研究了混凝土不同面的氯離子侵蝕規(guī)律［5］，結(jié)構(gòu)表明，同一表面高性能混凝土抵抗氯離子侵蝕能力優(yōu)于普通混凝土，迎風(fēng)面的氯離子侵蝕程度高于側(cè)風(fēng)面和被封面。由于工程所處環(huán)境不同，影響因素眾多，腐蝕介質(zhì)存在差異甚至差異懸殊。在海洋、化工及鹽漬土地區(qū)，酸、氯鹽和硫酸鹽是引起混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕的主要原因。因此，單一腐蝕介質(zhì)與工程實際相差較大，研究結(jié)果難以直接應(yīng)用于實際工程。但是任何試驗不可能窮盡所有的腐蝕環(huán)境和工程結(jié)構(gòu)，本研究也是選擇有代表性的腐蝕環(huán)境，盡可能的接近工程實際。

　　1試驗概況

　　(1)腐蝕介質(zhì):自來水、鹽晶體、濃硫酸。采用質(zhì)量配比，介質(zhì)濃度百分比按幾何級數(shù)增加，盡可能包含一般腐蝕環(huán)境狀況。腐蝕介質(zhì)配合比和試驗情況如表1所示。(2)試驗周期:為24個月，每60天進(jìn)行一次檢測，共需檢測12次。(3)試件環(huán)境:在試驗室內(nèi)進(jìn)行，保持恒溫、恒濕。

　　2試驗設(shè)備

　　(1)腐蝕試驗室與腐蝕池:腐蝕試驗室及腐蝕池如圖1所示。(2)烘干設(shè)備:高低溫試驗箱如圖2所示。圖2高低溫試驗箱(3)萬能試驗機(jī):萬能伺服試驗機(jī)如圖3所示。

　　3試驗結(jié)果及分析

　　3．1典型試件腐蝕情況

　　混凝土腐蝕情況見圖4。存在于混凝土中的氯鹽分為三種形式:溶解于孔隙中的游離氯離子，與水泥水化產(chǎn)物結(jié)合的氯化物，和凝膠體空隙中吸附的氯鹽。前者參與氯化物的傳輸和鋼筋腐蝕過程，后者雖不參與這兩個過程，但也能對混凝土造成損害，如晶體NaCI2H2O存在于混凝土孔隙中產(chǎn)生30%的膨脹，降低混凝土強(qiáng)度。侵蝕到混凝土中的氯離子，與C3A等物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成氯鋁酸鹽，膨脹量較小。在適當(dāng)條件下，混凝土孔隙液中的游離氯離子產(chǎn)生經(jīng)變膨脹，是導(dǎo)致混凝土內(nèi)部產(chǎn)生膨脹應(yīng)力的主要原因。氯鹽會促進(jìn)混凝土氫氧化鈣溶出和C－S－H膠凝分解，生成膨脹性復(fù)鹽破壞氫氧化鈣和C－S－H膠凝之間的平衡。由于復(fù)鹽主要分布于混凝土表面，因此表面C－S－H膠凝的分解與復(fù)鹽的膨脹必然導(dǎo)致混凝土表面的潰散，達(dá)一定程度后會使混凝土材料出現(xiàn)疏松、裂縫、脫皮等現(xiàn)象，降低混凝土的強(qiáng)度。混凝土在酸性環(huán)境中易發(fā)生“中和”或者分解反應(yīng)，造成混凝土強(qiáng)度降低，減短結(jié)構(gòu)的使用壽命。氫離子侵入混凝土，與CH發(fā)生“中和”反應(yīng)，降低混凝土孔溶液中OH－濃度，導(dǎo)致孔溶液pH值下降。而各種水化產(chǎn)物穩(wěn)定存在的堿性條件依靠水泥水化產(chǎn)物中CH(氫氧化鈣)的溶解來維持，CH消耗殆盡時，溶液pH值小于一定值時，水泥水化產(chǎn)物便會分解，或者氫離子直接與水泥水化的各種堿性產(chǎn)物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而改變混凝土的微觀結(jié)構(gòu)，宏觀上則表現(xiàn)為混凝土的物理力學(xué)性能與耐久性降低。腐蝕介質(zhì)達(dá)到某一濃度時生成的CaS042H20和鈣礬石(3CaOAl2033CaS0432H20)由于體積膨脹。浸泡早期填充混凝土表面孔隙，延緩侵蝕離子滲入，延緩劣化速率，提高混凝土抗壓強(qiáng)度，但是后期隨著基體pH值下降，水化產(chǎn)物解體，石膏和鈣礬石膨脹導(dǎo)致混凝土開裂，加劇混凝土的腐蝕。

　　3．2試驗結(jié)果與分析

　　3．2.1混凝土強(qiáng)度損失混凝土試塊在介質(zhì)中浸泡的早期階段，腐蝕即發(fā)生，先是混凝土表面的水泥膠凝體脫落，細(xì)集料砂露出，隨著時間增長，逐漸露出粗骨料石子;同時，介質(zhì)濃度越大，混凝土表面腐蝕程度越嚴(yán)重。腐蝕中期，混凝土試塊邊緣出現(xiàn)裂縫，進(jìn)而棱角處混凝土發(fā)生脫落。浸泡后期，混凝土試塊潰散、碎裂、整體破壞，徹底失去強(qiáng)度(見圖4(a)、(b))。單軸抗壓試驗發(fā)現(xiàn)，低濃度中的混凝土試塊早期強(qiáng)度略有增加，中后期強(qiáng)度逐漸降低。觀察試驗破壞后的試件，腐蝕介質(zhì)侵入試塊內(nèi)部，介質(zhì)濃度不同侵蝕也不同程度(見圖4(c))。圖5為混凝土強(qiáng)度損失率與腐蝕時間的關(guān)系。3．2.2混凝土SEM分析混凝土中水泥漿體是最容易受到腐蝕的組分，為了探討混凝土在酸性環(huán)境中腐蝕機(jī)理及水泥水化產(chǎn)物組成、結(jié)構(gòu)的變化，采用掃描電子顯微鏡(SEM)進(jìn)行分析。通過對比腐蝕產(chǎn)物和未腐蝕體化學(xué)成分和微觀形態(tài)的變化，分析在腐蝕介質(zhì)作用下混凝土性能的劣化機(jī)理。圖6為混凝土SEM圖。分析結(jié)果可以看出，水泥水化產(chǎn)物被腐蝕后，CaO、SO2和MgO含有量變化很大。這是因為水泥水化產(chǎn)物在酸性環(huán)境下發(fā)生分解或者“中和”反應(yīng)生成鈣鹽而流失，其中有一部分生成CaS042H20而滯留在腐蝕層中，一部分形成NaCI2H2O晶體存在于混凝土孔隙中，硅和鋁等以膠體形式存在于腐蝕層中。由于水泥水化產(chǎn)物結(jié)構(gòu)破壞，物質(zhì)流失，使得漿體孔隙率變大，侵蝕性介質(zhì)更加容易進(jìn)入基體內(nèi)部而加劇腐蝕進(jìn)程，圖中可以清楚看到漿體微觀結(jié)構(gòu)的變化，未腐蝕區(qū)域有云狀C－S－H凝膠等，腐蝕區(qū)域有大量柱狀晶體，測試結(jié)果證明此柱狀晶體為CaS042H20和NaCl2H2O，同時尚有未水化的粉煤灰顆粒，但依然有大量的孔隙存在。其他物質(zhì)在電鏡下，都呈顆粒狀。水泥水化產(chǎn)物中的凝膠體已經(jīng)消失，分析表明，在不同濃度的H+、SO－24和CI－作用下，不同的離子濃度可能會導(dǎo)致不同的變化歷程，混凝土孔隙結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律存在差異，但最后的結(jié)果卻是相同的，混凝土的孔隙率都會變得較大。

　　4結(jié)論

　　(1)在不同濃度的氯化鈉與濃硫酸混合介質(zhì)作用下，浸泡早期，腐蝕介質(zhì)滲入到混凝土內(nèi)部孔隙，經(jīng)過一系列物理化學(xué)反應(yīng)致使混凝土內(nèi)部孔隙填充密實，抗壓強(qiáng)度有所提高，此過程的延續(xù)時間因介質(zhì)濃度不同而不同且與介質(zhì)濃度成反比。隨著腐蝕時間的增長中后期強(qiáng)度迅速降低，濃度越高強(qiáng)度降低速度越快，直至完全失去承載力。(2)SEM分析表明，在H2S04和NaCl混合腐蝕介質(zhì)作用下，混凝土受到侵蝕的根本原因是水泥水化產(chǎn)物在混合介質(zhì)中分解或者與酸根離子發(fā)生反應(yīng)而消失，造成基體內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)變化，從而導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)性能的劣化和混凝土強(qiáng)度的降低。(3)分析表明，在不同濃度的H+、SO－24和CI－共同作用下，不同的離子濃度變化歷程可能不同，混凝土孔隙結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律也存在差異，但最后的結(jié)果卻是相同的。

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