多因素耦合对混凝土性能影响的研究现状分析

侯云芬 司武保

(北京建筑大学，北京 100044)

1 研究背景及意义概述

混凝土是目前土木工程结构中应用最多的材料，其耐久性是关系土木建筑工程使用寿命和建设效益的主要因素。当前关于混凝土损伤劣化过程的研究与实际工程所处环境不符，实际工程的耐久性是在荷载因素与环境因素双重和多重破坏因素作用下的混凝土损伤劣化过程。开展有关混凝土耐久性在多因素作用下劣化机理的研究已成为当今混凝土耐久性研究的一个重点。

实际工程中常见影响因素有:冻融循环、氯盐侵蚀、硫酸盐的侵蚀、应力作用等。由于单因素作用下混凝土的耐久性研究已经相对成熟，在此不对单因素进行考察。本文重点分析多因素耦合作用对混凝土耐久性的影响，其组合形式为:硫酸盐和氯盐耦合作用;冻融循环与盐耦合作用;荷载与冻融循环双因素耦合作用;荷载与盐侵蚀双因素耦合作用;荷载、冻融循环和盐侵蚀三因素耦合作用。

2 多因素耦合作用对混凝土性能影响的研究现状

2.1 硫酸盐和氯盐双因素耦合作用

程晓斌［1］研究表明，氯离子与硫酸根离子在混凝土中短期内相互牵制，硫酸根离子与水泥水化产物反应的生成物以及氯离子生成的Friedel 盐均会堵塞空隙，延缓离子的扩散。

刘惠兰［3］研究水泥砂浆的腐蚀试验，认为氯盐虽然减缓了水泥砂浆的硫酸盐腐蚀程度，但高浓度的氯离子会形成针状细小微粒的氯铝酸盐，产生较大的膨胀应力;此外氯盐还会导致混凝土溶解破坏和物理腐蚀，从而导致混凝土的损伤加剧。在干湿交替的环境下，氯盐的存在，会造成混凝土表面的剥蚀，因为干燥时，盐类会在孔隙中结晶进而产生足够大的结晶压力，使混凝土崩碎或剥落，其腐蚀速度远远高于环境水的化学腐蚀，破坏程度也更加严重。

李鹏［4］研究了硫酸盐与氯盐双因素作用下的混凝土损伤变化，选取5% Na2S04+3.5% NaCl 混合溶液和5% Na2S04+10% NaCl 混合溶液做对比，实验结果证实了刘惠兰的结论，即氯盐虽然减缓了水泥砂浆的硫酸盐腐蚀程度，但高浓度的氯离子会形成针状细小微粒的氯铝酸盐，产生较大的膨胀应力。同时氯盐还会导致混凝土溶解破坏和物理腐蚀，从而导致混凝土的损伤加剧。

孙伟等［5，6］归纳概括了国内外关于混凝土在氯盐和硫酸盐复合作用下损伤失效研究的主要成果，建立了复合因素下混凝土耐久性试验系列新方法，并以此来模拟我国西部地区混凝土面临的耐久性问题。在耐久性试验研究的基础上，经理论推导和机理分析研究了混凝土在硫酸盐-氯盐复合作用下的氯离子扩散规律和混凝土损伤劣化及微结构演变过程。结果表明:在复合溶液中混凝土腐蚀初期，氯离子扩散可视为在等效圆孔和基体构成的多孔介质中进行，而硫酸盐生成的腐蚀产物填充了混凝土的孔隙，导致混凝土的孔径变小，在一定程度改变了毛细管的连通性，从而降低了混凝土的氯离子扩散系数。在腐蚀后期，氯离子扩散可视为在基体-二维裂纹中扩散。硫酸盐腐蚀产生裂纹并导致混凝土裂纹指数(基体面积/裂纹面积)不断下降，氯离子扩散系数也随之上升。混凝土在硫酸盐-氯盐复合溶液中，其微观表现为腐蚀产物密实混凝土孔隙并最终导致孔壁开裂;浆体-集料界面区大量腐蚀产物形成，并导致裂纹的产生;其细观表现为裂纹在浆体形成、连通并扩展，最后导致集料的开裂并形成连通性大裂纹;宏观上表现为混凝土长度增加，粗大裂纹在混凝土表面形成，破坏后期出现无粘性剥落。

总之，混凝土无论在单一硫酸盐溶液还是硫酸盐-氯盐复合溶液作用下，宏观测试的主要性能表现为:相对动弹模量先上升后下降，重量先增加后下降，体积变化先上升后稳定然后继续上升。就腐蚀机理而言，复合溶液中氯盐的存在不改变混凝土的硫酸盐损伤机理，只是延缓了混凝土的硫酸盐损伤程度;而硫酸盐的存在，抑制了氯盐的早期腐蚀，但加速了后期的腐蚀。最终两种腐蚀介质相互促进，使腐蚀程度加剧。

2.2 冻融循环与盐侵蚀双因素耦合作用

慕儒［7］研究了冻融循环耦合盐溶液作用下混凝土的性能，选取了五种混凝土，分别为普通水泥混凝土(OPC)、普通引气混凝土(APC)、高强度混凝土(HSC)、钢纤维增强混凝土(SFRC)和引气钢纤维增强混凝土(ASFRC)，混凝土的强度等级分别为C40、C60 和C80，盐溶液为3.5% NaCl 和5% Na2SO4溶液。结果表明:(1)混凝土在3.5%NaCl 溶液中快速冻融时表面剥落非常严重，质量损失率远大于纯水中冻融作用，而在5%Na2SO4溶液中冻融时的质量损失率比在纯水中时要小。(2)因盐溶液降低冰点的作用，使混凝土冻融过程中的动弹性模量下降速度比在纯水中时慢，导致混凝土在NaCl 溶液中冻融寿命比在纯水中提高10%～30%。在Na2SO4溶液中冻融时，低强度等级混凝土的冻融寿命比在纯水中略有增加，但HSC 的冻融破坏因硫酸盐腐蚀作用而提前，而且破坏形态为脆性破坏。(3)APC 在NaCl 和Na2SO4溶液冻融时的质量损失只有相应非引气OPC 的30%～40%，其相对动弹性模量加速下降的时间比相应非引气OPC 要晚，抗冻融寿命明显增加。(4)SFRC 在NaCl 和Na2SO4溶液中的冻融寿命比OPC 和APC 长，说明钢纤维对冻融耦合除冰盐或硫酸盐双重因素作用下混凝土损伤的抑制效果比引气更加明显，但它对混凝土的盐冻剥蚀几乎没有影响。(5)ASFRC 对冻融耦合除冰盐或硫酸盐双重因素作用下混凝土损伤的抑制效果最好，其抗冻融寿命大大增加，而且其增加值远大于引气和钢纤维单独增强时增加值之和，产生显著的增强复合效应［8］。

Janssen［9］等研究了在3.0%浓度NaCl 溶液中的混凝土在进行冻融循环试验时，氯离子显著加剧了混凝土的冻融质量损失，即加剧了混凝土的冻融破坏。

余红发等［10］在Fick 扩散定律的基础上推导出了氯离子在混凝土中扩散行为的新扩散方程，克服了Fick 扩散定律与实际情况不相符的问题，得到混凝土的氯离子扩散理论基准模型，在此基础上导出混凝土表面剥落氯离子扩散理论模型、混凝土冻融循环氯离子扩散理论模型和混凝土损伤氯离子扩散理论模型。

综上所述，耦合盐溶液后，混凝土的抗冻性降低;但对于不同种类的混凝土的抗冻融能力降低程度不同，引气或掺钢纤维可以显著提高抗冻性。盐冻双因素作用下的混凝土劣化程度是远大于冻融单因素作用下的混凝土劣化程度的，这是二者相互影响、相互作用的结果。

2.3 荷载与冻融循环双因素耦合作用

Jacobsen［11］指出荷载对混凝土冻融循环破坏主要是由裂缝的存在而产生的，所以初始裂缝将增大冻融循环的破坏作用。

随着科技的迅猛发展和科技产品在生活领域的深入,一些新兴的“科技疾病”已经悄然出现在疾病谱之中。如:夏季的“空调病”,智能手机所带来的“手机拇指病”等。近年来,“加湿性肺炎”这个新兴的科技疾病走入了人们的视线,“加湿性肺炎”并非专业医学名词,也并非单指肺炎,与加湿器也无必然联系,而是因加湿器使用不当造成的呼吸道系统的一系列疾病。包括上呼吸道感染、支气管炎、哮喘、肺炎等。孕、产妇是一特殊群体,在现今社会受到了家属的“盲目关心”,而家属医学知识的匮乏或不良的使用方式,可能在无意中损害了孕妇的身体健康。

孙伟、慕儒等［12］研究了在冻融循环和三分点弯曲荷载共同作用下引气高强混凝土(APC)和非引气高强混凝土(NPC)的损伤过程和损伤机理，施加的荷载比例分别为0、0.1、0.25 和0.5。结果表明:(1)当荷载比例为零或者较小时，两种高强混凝土都能承受的冻融循环次数较多;(2)当荷载比例较大时，两种高强混凝土破坏时所经受的冻融循环次数均下降，且荷载比例越大，能经受的冻融循环次数越少。尽管在荷载比例较大时抗冻性降低较大，但是两种高强混凝土的抗冻性能表现还有所不同，当水灰比较大时，APC 高强混凝土能经受的冻融循环次数稍大于NPC 高强混凝土;当低水灰比时，则是NPC 高强混凝土的冻融循环次数稍大于APC 高强混凝土，这是因为低水灰比时引气使APC 高强混凝土的强度降低明显，在荷载作用下容易断裂，同时低水灰比使NPC 高强混凝土更为致密，抗冻性提高［13］。

刘波［14］研究了C20 和C30 混凝土在0、0.3、0.5和0.7 的荷载比例下抗冻性能，获得了荷载比例与耐久性的变化关系以及荷载比例对不同强度等级混凝土的耐久性的影响规律。即荷载比例对混凝土试件的孔隙也有很大的影响，当荷载比例为0 时混凝土内的孔隙是由水化程度和施工条件决定，比较稳定;而随着荷载比例的加大，混凝土的孔隙慢慢增大，无害孔向有害孔转变，导致混凝土的抗冻性能的下降。在荷载比例小于0.3 时，由于加载对混凝土试件内部孔隙的“压合”作用，抗冻融性能下降的幅度很小，速度很慢;当荷载比例大于0.3 时，其下降速度很快，且下降速度随着荷载比例的加大而加快。

严安等［15］考虑到了在荷载和冻融循环双因素作用下，临界裂纹扩展破坏的突然性，从结构安全性考虑，根据实验结果给出了混凝土在荷载及冻融同时作用下可靠度计算公式;同时引入“等效冻融循环寿命”的概念，即应力作用下的冻融循环周期数nr 转化为不受应力作用下的等效冻融循环周期数nre，只要在受应力比r 作用下冻融循环寿命nr 次的混凝土失效概率与受应力作用下冻融循环寿命nre 次的混凝土失效概率相同，就可得到等效冻融循环寿命。在失效概率相同的条件下，推导出了不受应力作用下的混凝土冻融循环寿命和不同应力状况下的混凝土冻融循环寿命的关系式，由此可以根据不同应力状况下的混凝土冻融循环寿命试验结果计算无应力状态下的等效冻融循环寿命，也可以根据按标准方法在无应力状态下的测得的冻融循环寿命(次数)推算不同应力状况下的混凝土冻融循环寿命。

总之，耦合荷载作用后，混凝土的抗冻性远小于混凝土在单独冻融循环作用下的抗冻性;耦合荷载作用后，混凝土的内部损伤远大于单因素损伤。即在荷载作用下高性能混凝土的破坏主要为外荷载加速冻融破坏，和不受荷载作用下的冻融循环破坏不同。

2.4 荷载与盐溶液双因素耦合作用

关于荷载与盐侵蚀双因素耦合作用对混凝土耐久性的影响，国内外的研究报道很多。

方永浩［16］研究发现混凝土浇筑或试件成型时，粗骨料下部砂浆或多或少会沉降而与粗骨料间形成近似与浇筑面平行的弱结合层。混凝土试件抗压强度测定和持续压荷载作用下，混凝土氯离子渗透性测定时试件受力方向一般与浇筑面平行，与实际混凝土工程受力方向不一致，这对于抗压强度测定来说可能影响不大，但对于持续压荷载作用下混凝土氯离子渗透性可能会有较大的影响，特别是在低应力水平时，受力方向不同可能导致得出完全相反的结论，即压荷载作用下的混凝土氯离子渗透性可能还与其受力方向有关的结论。

何世钦［17］研究表明在同一深度处的氯离子含量随着弯曲荷载的增大而增加;当在盐溶液中浸泡时间较短时，氯离子含量受荷载的影响不明显;随着浸泡时间的增加，同一深度处的氯离子含量随着荷载的增加而增加。

金祖权［18］研究以5%Na2SO4+3.5%NaCl 溶液为腐蚀溶液，使用浸泡腐蚀制度和浸烘循环制度，对混凝土施加35%和50%的弯曲荷载，测试混凝土的相对动弹性模量随腐蚀时间的演变规律。结果表明:混凝土在5%Na2SO4+3.5%NaCl 浸泡作用下，其膨胀率变化为先增加，然后稳定。混凝土通过浸烘循环腐蚀加速后，得到混凝土膨胀率变化全过程包括三个阶段:上升段、稳定段和加速上升段;混凝土在弯曲荷载和盐侵蚀作用下，弯曲荷载加速了混凝土的损伤劣化速度，荷载率越高，混凝土的损伤劣化速度越快。混凝土失效时间随弯曲荷载率增加呈乘幂函数下降。

范颖芳等［19］研究发现，受硫酸盐腐蚀的混凝土的破坏形式和腐蚀前相同，但开裂荷载比腐蚀前提高2～4 倍，破坏荷载也比腐蚀前提高30%～60%。

总之，混凝土试件在外荷载或应力作用下产生微裂缝，加速了各种盐溶液的渗透和扩散，从而加速了混凝土的劣化。

2.5 荷载、冻融循环和盐侵蚀三因素耦合作用

孙伟、慕儒等［20］详细研究了混凝土在弯曲荷载-冻融、弯曲荷载-氯盐、弯曲荷载-复合盐、弯曲荷载-盐湖卤水、压荷载-盐湖卤水和弯曲荷载-碱集料反应下，混凝土的损伤过程以及氯离子在混凝土中的扩散行为，并对混凝土试验加载装置不断更新，形成了高精度、长寿命、易测试的弯曲加载系统和压应力加载系统。研究结果表明:弯曲荷载明显劣化了混凝土的抗冻性，在高应力比下，混凝土的冻融循环甚至出现脆断;弯曲荷载也加速了氯离子在混凝土中的扩散以及碱集料反应对混凝土造成的损伤。但在压应力小于80%的情况下，氯离子扩散并不会加速。

王阵地等［21］研究了路用混凝土中的钢筋在冻融循环-氯盐侵蚀-荷载多因素耦合作用下的锈蚀行为。实验表明当试件放入含有3.5%NaCl 溶液中，并分别对其施加0.3 和0.4 的荷载比例，放入快速冻融试验机中进行冻融循环时，在高荷载比例的条件下缩短了钢筋脱钝的时间，增大钢筋发生锈蚀的风险。

曹银等［22］研究了粉煤灰-矿渣粉混凝土在冻融循环-氯盐侵蚀-荷载多因素耦合作用下的耐久性能。提出了残余应变表征混凝土损伤的初步模型;在冻融循环-氯盐侵蚀-荷载三因素协同作用下，盐冻循环导致的表面剥蚀仍然是混凝土破坏的主要因素，对于强度较高的混凝土来说表面剥蚀量很小。外部弯拉应力的施加一定程度上加速了盐冻过程中的表面剥落和内部损伤。

3 结论

综合分析多因素耦合对混凝土性能的影响研究可知，多种因素耦合后都会比单一因素的影响程度大，腐蚀速度快，可以较好地反映实际工程混凝土的腐蚀情况。但是实验室模拟还是和实际工程环境有一定的差异，一是实验室多采用快速实验方法，比如盐溶液的浓度远远大于实际环境中的浓度，另外实际工程的荷载作用状况更为复杂多变，还有实际环境中常常还伴随有湿度的变化等等。为了能更好反映实际混凝土工程的现状，需要就实际环境中混凝土工程，在实际荷载作用下的腐蚀状况加以观测，但是这一工作耗时长、工作量巨大，还需要多部门的配合进行。

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