混凝土应力腐蚀研究现状*

2010-08-15王大富施养杭黄庆丰

山西建筑 2010年8期

王大富施养杭黄庆丰

所谓混凝土结构耐久性,是指混凝土结构在自然环境、使用环境及材料内部因素的作用下,在设计要求的目标使用期内,不需要花费大量资金加固处理而保持其安全、使用功能和外观要求的能力[3]。现阶段我国还主要研究混凝土结构在单因素作用下的耐久性问题,但现实生产生活中的各种建筑结构往往处于双因素或者更多因素的协同作用下,研究荷载作用下混凝土结构的抗腐蚀耐久性问题就显得非常有意义。

1 应力腐蚀研究现状

混凝土的应力腐蚀可定义为:混凝土在各种应力(包括拉应力、压应力、弯曲应力等)作用下同时受到各种腐蚀介质(氯盐、硫酸盐、二氧化碳等)的影响所引起的腐蚀,称之为混凝土的应力腐蚀[4]。1984年,Schneider率先提出混凝土同其他材料一样也可能发生应力腐蚀以来,相关的专家学者逐渐意识到评价混凝土的抗腐蚀性与耐久性时必须要同时考虑应力的影响。因而,研究混凝土的应力腐蚀是非常有必要的[5]。

1.1 氯离子(Cl-)作用下混凝土的应力腐蚀

林毓梅、吴相豪通过浸泡在pH=2的盐酸溶液中的混凝土梁(10 cm×10 cm×40 cm)受弯试验,来探讨应力下混凝土梁的力学性能和内部孔洞变化[7]。试验指出,经盐酸溶液(Cl-)应力腐蚀的混凝土梁,其抗折强度和变形均明显降低,且随荷载水平提高和作用时间延长,应力腐蚀效应愈加显著。

邢锋、冷发光等通过试验研究了长期持续荷载作用下素混凝土Cl-渗透性[8]。试验中采用56 d龄期破坏荷载的30%和50%进行加载,通过测试混凝土的渗透深度来表达Cl-渗透性。得出在荷载作用下的素混凝土受弯构件,其受拉区的氯离子渗透性随荷载的提高而增大,荷载较小时,增长幅度也小,当荷载进一步提高后,增长幅度也相应提高。

余红发、孙伟等探讨了盐湖卤水环境中混凝土的应力腐蚀[9],提出了混凝土的强度等级越高,应力腐蚀对混凝土结构腐蚀后抗压强度的影响也就越大:混凝土的应力腐蚀抗压强度同无应力状态之间具有显著的幂函数关系。

何世钦、贡金鑫考虑了弯曲荷载对混凝土中Cl-扩散的影响[10]。另外,赵尚传、贡金鑫等进行了弯曲荷载下水位变动区混凝土中Cl-扩散规律的试验研究[11],同样得出随着荷载的作用,加快了Cl-在混凝土中的扩散速度等。此外,林毓梅、冯琳还做了海水中混凝土应力腐蚀的试验研究[12]。

荷载(拉应力)作用下,早先存在的混凝土微裂缝随着加载时间的延长和应力水平的提高,微裂缝不断发展、扩大乃至贯通,使得应力作用下Cl-的渗透性增强、扩散速度加快,加剧混凝土结构的腐蚀破坏。为了减少这种混凝土内部微观结构的影响,通过在混凝土结构表面刷涂层可以有效提高混凝土结构抗氯离子侵蚀能力,增加刷涂层的次数,提高效果愈发显著[13]。

1.2 硫酸盐溶液()作用下混凝土的应力腐蚀

张志兴、张根亮等人通过试件在5%硫酸铵溶液中对比应力与非应力状态下混凝土抗腐蚀性[14]。试验中对试件施加50%的弯曲应力,发现混凝土强度降低速率大大加速,120 d龄期时,混凝土全部断裂;150 d时,混凝土抗压强度大概降至浸泡前的30%。表明了应力对腐蚀具有加速作用。

河海大学的林毓梅等采用混凝土小梁(9 cm×10 cm×40 cm),试验研究了在硫酸盐溶液中混凝土的应力腐蚀,并同处于水中的混凝土试梁作了平行对比[15]。指出应力因素促进了腐蚀介质下混凝土的体积膨胀:起始发展快、后期速度减缓;混凝土遭受硫酸盐类的应力腐蚀,即使在混凝土结构密实度有所提高的情况下,也存在有内部损伤和外部应力的负面效应。

东南大学的慕儒等则关注了高强混凝土在荷载下的抗硫酸盐侵蚀的能力[16]。得出硫酸盐溶液侵蚀下,混凝土性能指标随应力比增大而下降,不受硫酸盐侵蚀的混凝土其性能似与应力无关。

长安大学的陈拴发等为了增强混凝土在应力状态下抗硫酸盐腐蚀的能力,进行了粉煤灰混凝土的应力腐蚀特性试验研究[17],发现混凝土中掺加粉煤灰等量取代部分水泥,可明显改善混凝土的工作性能和水化特征,并可有效地提高混凝土的抗应力腐蚀性能。

1.3 二氧化碳作用(碳化)下混凝土的应力腐蚀

东南大学的涂永明、吕志涛考虑了应力状态、水灰比和保护层厚度等影响,进行了应力作用下的混凝土碳化试验研究[18]。试验中通过拉压应力状态的对比,表明拉应力加快了混凝土的碳化速度,压应力的效果正好相反。且还继而提出了应力状态下混凝土碳化的数学模型。但该数学模型的内部因素自调节能力较强,而外部因素自调节能力则较弱。

解放军理工大学的蔡传国着重研究了应力作用下高龄混凝土表面的碳化规律[19-21]。通过对南京一些在役80年的混凝土建筑物进行现场检测和室内试验,结果表明混凝土表面的碳化速度同结构的应力状态密切相关,只有处于低应力状态下的混凝土结构才能达到理想的服役年限。无应力混凝土在常规的大气环境下至少可以保持80年的寿命。

1.4 冻融等因素作用下混凝土的应力腐蚀

慕儒、严安等研究了荷载作用下高强混凝土的抗冻性[22]:荷载和冻融循环同时作用下,混凝土试件所能经受的冻融循环次数随荷载比例的增大而减小。此外,他们进而通过改变混凝土基体,采用高性能混凝土研究了其在冻融和荷载共同影响下的损伤及损伤抑制[23]。慕儒还系统的考虑了冻融、荷载及盐溶液复合作用下混凝土腐蚀状况[24]。

陈拴发等引入应力腐蚀因子和介质腐蚀因子的概念,通过腐蚀介质强度损失百分率与应力腐蚀强度损失率较好的评定了高性能混凝土的应力腐蚀破坏[25],并对影响其应力腐蚀的因素进行了显著性分析[26]:水灰比对应力腐蚀具有较强的影响,其中粉煤灰掺量、腐蚀溶液对高性能混凝土的应力腐蚀也都具有显著性,而应力水平仅对混凝土应力腐蚀具有较强的显著性。此外,陈拴发还对高性能混凝土的腐蚀疲劳特性开展了一定的研究工作[27]。指出疲劳荷载会加速腐蚀介质的渗透,加快混凝土的损伤,降低结构的抗疲劳性。

贡金鑫、王海超等用120 mm×200 mm×1700 mm钢筋混凝土梁研究了腐蚀环境下的应力腐蚀[28]。相应地,何世钦、王海超、贡金鑫用同样尺寸的钢筋混凝土梁研究了它的抗弯性能[29]。

2 结论及展望

混凝土是人类社会建设工程中不可或缺的材料,钢筋混凝土结构依然是我国现阶段最主要最常见的建筑结构类型。各种结构物所处的实际环境是极其复杂的,影响钢筋混凝土耐久性的因素并不是单一作用,同时也不可能是两种乃至多种因素的简单叠加。研究多种因素共同作用,特别是应力状态下多因素耦合作用下混凝土结构或钢筋混凝土结构的腐蚀特性,以便人们能够较好地采取防护措施,达到理想的耐久性年限。

[1]洪定海.论防止混凝土结构中钢筋腐蚀破坏的规范问题[R].全国钢筋混凝土结构标准技术委员会混凝土耐久性成立大会报告,1991.

[2]方德友.我国铁路桥梁病害浅析与对策[R].中国铁道学会桥梁病害诊断及剩余寿命评估学术讨论会,1995.

[3]金伟良,赵羽习.混凝土结构耐久性[M].北京:科学出版社,2002:1-6.

[4]杨崇豪.建筑材料的腐蚀及控制设计[M].北京:水利电力出版社,1990:1-48.

[5]冷发光,冯乃谦,邢锋.混凝土应力腐蚀研究现状及问题[J].混凝土,2000(8):6-9.

[6]冯乃谦,邢锋.混凝土与混凝土结构的耐久性[M].北京:机械工业出版社,2009:188-203.

[7]林毓梅,吴相豪.在盐酸溶液(pH=2)中混凝土应力腐蚀试验研究[J].河海大学学报,1996,24(4):114-118.

[8]邢锋,冷发光,冯乃谦,等.长期持续荷载对素混凝土氯离子渗透性的影响[J].混凝土,2004(5):3-8.

[9]余红发,孙伟.在盐湖卤水环境中混凝土应力腐蚀行为[J].哈尔滨工业大学学报,2007,39(12):1965-1968.

[10]何世钦,贡金鑫.弯曲荷载作用对混凝土中氯离子扩散的影响[J].建筑材料学报,2005,8(2):134-138.

[11]赵尚传,贡金鑫,水金锋.弯曲荷载作用下水位变动区域混凝土中氯离子扩散规律试验[J].中国公路学报,2007,20(4):76-82.

[12]林毓梅,冯琳.在海水中混凝土应力腐蚀试验研究[J].水力学报,1992(5):40-45.