混凝土硫酸盐侵蚀研究进展

2016-05-25俞小彤廖迎娣王琴芬

重庆交通大学学报(自然科学版) 2016年2期

关键词：硫酸盐本构力学性能

陈达,俞小彤,廖迎娣,王琴芬,汪啸

(河海大学港口海岸与近海工程学院,江苏南京 210098)

混凝土硫酸盐侵蚀研究进展

陈达,俞小彤,廖迎娣,王琴芬,汪啸

(河海大学港口海岸与近海工程学院,江苏南京 210098)

道路工程；混凝土；硫酸盐腐蚀；力学性能

1 混凝土硫酸盐腐蚀的试验研究

目前关于混凝土硫酸盐腐蚀的试验研究主要从环境因素、混凝土材料因素以及结构承载等方面展开,研究成果对评估硫酸盐腐蚀、预防硫酸盐腐蚀等都具有一定的指导意义。

1.1 环境因素对硫酸盐侵蚀的影响

1.1.1 浓度的影响

1.1.2 阳离子的影响

硫酸盐种类对硫酸盐侵蚀的影响也引起了学者们的广泛关注。总体而言,硫酸盐种类对混凝土侵蚀的影响研究分为可溶性离子(如Na+,K+)和难溶性阳离子(Mg2+)两类。Na+，K+等可溶性阳离子存在时,混凝土发生石膏结晶型和钙矾石结晶型侵蚀[9]。碱式硫酸盐包括Na2SO4和K2SO4,因为溶解性高,故Na2SO4常用于硫酸盐侵蚀试验；然而,基本上没有使用硫酸钾的硫酸盐进行侵蚀研究。

1.1.3 pH值的影响

环境pH值对混凝土硫酸盐侵蚀也具有重要影响。当pH值小于 12.5 时,水泥浆体孔隙溶液碱度降低,其凝胶性水化产物失去稳定性以致混凝土弹性模量、强度等性能降低[15]。H.T.Cao等[16]的试验发现：随着侵蚀溶液 pH 值的减小,C-S-H脱钙更严重,试件的膨胀减少；P.Brown[17]发现膨胀在溶液pH值降低时发生的更早。酸性环境下硫酸盐对混凝土具有更加强烈的分解性侵蚀,H+离子大量消耗水泥中的Ca(OH)2以致其碱性降低,硫酸盐侵蚀加剧[9,18]。

1.1.4 温度的影响

温度会影响硫酸盐侵蚀速率和反应产物种类,进而影响混凝土的力学性能。M.Santhanam等[20]研究发现，升高温度会加剧硫酸盐侵蚀。但是,方祥位等[3]认为硫酸盐侵蚀存在临界温度,当温度低于该临界值时,力学性能衰减随着温度升高而加剧；温度超过该临界值后,因硫酸盐腐蚀产物的溶解量增加,混凝土力学性能的劣化反而有所减缓。低温条件下硫酸盐侵蚀没有明显的规律性[14,21],6 ℃ 左右的温度促进了混凝土中 C-S-H 向碳硫硅钙石转变,且生成的碳硫硅钙石在不同温度下均稳定存在,进而导致混凝土强度丧失以致溃散。可见关于硫酸盐侵蚀的临界温度、低温条件下的硫酸盐侵蚀特征及机理等都还有待进一步深入研究。

1.1.5 阴离子的影响

1.1.6 干湿循环的影响

在多孔构造的混凝土内部,孔隙溶液中的硫酸盐通过干燥作用变成结晶析出导致混凝土物理性质的破坏,这种作用机理在潮间带中经常遇到[25]。处于硫酸盐溶液干湿交替作用下，混凝土同时遭受硫酸盐化学侵蚀和物理盐结晶侵蚀的双重作用,其力学性能的变化也引起了研究者的广泛关注。干湿循环现象经常发生。郭钟群[26]发现干湿交替的硫酸盐环境将快速引起混凝土力学性能劣化。作者认为干湿循环产生的盐结晶会产生压力以致混凝土膨胀开裂,而开裂后的混凝土其硫酸盐侵蚀速率明显加快；且干燥条件下的高温加剧化学侵蚀作用,从而使混凝土的硫酸盐侵蚀破坏显著加剧。但已有的干湿交替硫酸盐侵蚀研究中采用的干燥条件和时间相差明显。牛全林[27]采用 80 ℃烘干6 h；M.T.Bassuoni等[28]采用40 ℃ 干燥48 h；金祖权[29]采用60 ℃烘干48 h。当温度升高到32.4 ℃ 时Na2SO4·10 H2O晶体将转化为Na2SO4晶体；当温度升高到 70 ℃ 时,钙矾石中 AF t相将转化为 AF m相,侵蚀机理将发生变化。I.R.De-Almeida[30]认为混凝土的力学性能由混凝土的孔隙率及毛细管吸水性决定,干湿循环加剧硫酸盐侵蚀主要因硫酸盐离子快速侵入混凝土的空隙及其相应的变化所致,并不是由生成的硫酸钙和钙矾石造成。由此可见,干湿交替会显著加剧混凝土的硫酸盐侵蚀,但关于其加剧硫酸盐侵蚀的机理尚需要进一步深入研究。

1.2 材料因素对硫酸盐侵蚀的影响

材料因素主要包括制备混凝土的配合比、原料及添加料等因素。材料因素影响混凝土的密实度、C-S-H和Ca(OH)2的含量等,进而对混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能产生影响。

1.2.1 水灰比的影响

硫酸盐入侵是由浓度梯度驱动扩散现象,试件的低渗透性将阻碍这一过程,故低水灰比(W/C)的试件能更好抵抗硫酸盐侵蚀。高润东[4]发现W/C较低的混凝土在硫酸盐侵蚀条件下存在较长的强度增长期；随着 W/C 的增加强度增长期明显缩短；当W/C增加到 0.57 时混凝土不再出现明显的强度增长期。降低 W/C 能够有效减缓硫酸盐侵蚀,因此 CECS207—2006《高性能混凝土应用技术规范》[31]中规定抗硫酸盐侵蚀混凝土的最大水灰比 ≤ 0.45。

1.2.2 水泥种类的影响

为了从原料上解决硫酸盐侵蚀问题,学者们研究了水泥熟料中各种成分对硫酸盐腐蚀的影响。M.A.González等[32]研究了低C3A 含量水泥浆体受 Na2SO4溶液侵蚀的情况,研究表明劣化可分为3个阶段：诱发期、石膏生成、延迟钙矾石生成,石膏对钙矾石生成有延迟作用。K.E.Kurtis等[33]模拟野外条件研究了8种不同C3A，C2S和C3S 含量的水泥抵抗硫酸盐侵蚀的能力；高礼雄[21]也对C3A 和 C3S 的含量不同的水泥进行了硫酸盐侵蚀试验。普遍认为水泥抗硫酸盐侵蚀性能取决于水泥熟料的矿物组成及其相对含量,C3A 和C3S的含量及C3S/C2S比值对水泥基材料抗硫酸盐侵蚀具有重要意义,C3A 是形成钙矾石的先决条件,限制C3A的含量就相当于减少了形成钙矾石的可能性,C3S，C2S在水化过程中析出大量 Ca(OH)2,而Ca(OH)2是形成钙矾石和石膏的必要条件[34]。适当减少水泥熟料中 C3A 和 C3S 的含量,将会改善混凝土受硫酸盐侵蚀后力学性能的劣化情况。

1.2.3 掺合料的影响

1.3 荷载作用对硫酸盐侵蚀的影响

工程中混凝土结构往往承受环境与荷载的双重作用。为了尽可能的模拟实际混凝土结构的劣化过程,不少学者关注到混凝土在各种应力作用下的抗硫酸盐腐蚀性能演变。

1.3.1 拉、压应力的影响

U.Schneider等[47]研究表明当压应力低于混凝土抗压强度的0.275 时,压应力会抑制混凝土硫酸盐侵蚀；当压应力高于混凝土极限抗压强度的0.65 时,应力导致的微裂纹加速了硫酸盐离子的侵蚀；当达到或超过极限抗压强度的0.8 时混凝土抗侵蚀性能显著降低；曹健[48]研究了压应力与干湿交替硫酸盐侵蚀作用下混凝土的力学性能变化,发现随着压应力增加混凝土的抗压强度、初始弹性模量等逐渐降低,但峰值应力处的应变却明显增加,其应力应变曲线具有一定的延性特征；薛耀东等[49]采用加速硫酸盐侵蚀试验方法进行了受力状态下混凝土试件在干湿交替循环硫酸盐侵蚀环境下的耐久性试验,认为混凝土性能劣化与硫酸盐干湿交替循环侵蚀环境下试件的应力状态存在一定的关系,拉应力加快了混凝土硫酸盐侵蚀的速度,且拉应力越大,硫酸盐侵蚀速度越快,压应力减缓了混凝土硫酸盐侵蚀的速度,压应力越大,硫酸盐侵蚀速度越小。

1.3.2 其他荷载的影响

研究表明弯曲荷载显著降低混凝土抗硫酸盐侵蚀性能。关博文[12]对比了持续和交变弯曲荷载作用下硫酸盐侵蚀后混凝土的力学性能,发现应力介于20 %～40 % 的极限弯曲荷载时,持续荷载对混凝土破坏加速作用比交变荷载作用更加明显；当应力增加至40 %～60 % 极限弯曲荷载时,交变荷载作用下混凝土的硫酸盐侵蚀更加明显。郑丹等[50]研究了混凝土在持续荷载下的强度,认为荷载水平越高,其破坏时间越短；抗压强度越大,长期荷载强度与抗压强度的比值越高。

荷载和硫酸盐侵蚀共同作用下的混凝土,其本质是荷载影响混凝土的细观结构,硫酸盐侵蚀导致微观损伤扩展和发展,荷载与硫酸盐侵蚀相互促进加剧混凝土损伤的发展[12]。目前为止,关于荷载作用下混凝土硫酸盐侵蚀研究还处在定性阶段,定量分析荷载与硫酸盐侵蚀间的关联还有待进一步加强。

2 混凝土硫酸盐侵蚀的理论研究

由于实验研究容易受到实验方法、测试手段、试样数量等因素限制,不利于掌握混凝土硫酸盐侵蚀的规律性。近年来,部分学者以统计理论和相关力学理论为基础开展了混凝土硫酸盐腐蚀的统计模型或本构模型研究,相关研究为预测硫酸盐环境中混凝土结构的寿命等提供了新的思路。

2. 1 统计模型

曹双寅[43]在假定受硫酸盐侵蚀的混凝土强度损失与腐蚀时间和浓度成正比的基础上,提出了腐蚀介质对混凝土强度影响的统计模型,即蚀强模型：

fcd/fc(t)=ckd(t-t0)

(1)

式中：fcd/fc(t)为蚀强率,即强度损失fcd与同等条件下未腐蚀混凝土的强度fc(t)之比；c为腐蚀介质的重量百分比浓度；t为腐蚀持续时间；t0为强度开始降低的时间；kd为强度损失占未腐蚀混凝土强度的比例系数,该值取决于介质的类型和混凝土的组成。

陈元素[51]认为混凝土在硫酸盐腐蚀过程中其抗压强度的损失与腐蚀时间呈对数关系。基于试验结果对蚀强模型进行了修正,修正后的模型可根据已有侵蚀混凝土的强度资料回归得到适用于该结构的相关参数,然后再预测该混凝土的力学性能演变规律。

以上研究均基于试验结果建立纯数理统计模型,其模型相对简单。对于实际工程问题需进行相应的试验以确定模型参数,此类模型的通用性有待验证。

2.2 本构模型

根据力学理论和混凝土材料性能参数建立本构模型，在研究硫酸盐侵蚀方面近年来也有长足发展。

吴政[52]根据Weibull统计分布理论和唯象学的方法,从损伤研究入手推导出了混凝土在单向荷载作用下的损伤模型及其拉、压全过程本构模型,认为同种形态的材料在相同的实验条件下,其应力应变过程曲线是唯一的,只取决于其损伤形状参数m。

m= 1 / ln(Eεpk/σpk)

(2)

式中：E为混凝土弹性模量；εpk为混凝土峰荷应变；σpk为混凝土的强度峰值。

黄河[53]认为混凝土具有一定塑性性能,在达到单轴受压峰值应力后,有一个应变不断增大的软化阶段,其极限应变是峰荷应变的数倍,对吴政[51]建立的混凝土单轴受压损伤本构模型下降段作了修正；翟运琼[54]建立了既考虑了腐蚀对于混凝土应力—应变曲线形状的影响,又考虑了腐蚀混凝土强度的损伤积累的两段式的腐蚀混凝土单轴受压本构模型,并将其应用到腐蚀钢筋混凝土构件的有限元分析中。结果表明随着混凝土腐蚀程度的加深,该本构模型计算结果与试验结果值相差越小。

汪俊华[55]分别对硫酸盐腐蚀后的混凝土梁、板进行了抗剪、抗弯试验研究,利用有限元软件ABAQUS 的塑性损伤模型进行了混凝土的非线性模拟分析,认为其能很好地揭示混凝土腐蚀后力学性能的退化规律。模拟发现随着腐蚀程度的增大,板的承载力下降约3 %～5%,延性下降约19 %～28 % ,刚度降低9.96 %～ 19.43 %,而跨中挠度逐渐增大,这与试验结果一致。在模拟中通过选取合理的参数以及对诸如初始增量步大小、加载值大小的选取和模型的简化处理等手段可以得到合理的结果。

随着对混凝土认识的增加,其相关材料参数将越来越丰富,借助的本构模型,可很大程度上加深对混凝土硫酸盐侵蚀的理解。

3 研究展望

目前对于混凝土的硫酸盐已进行了大量研究,丰富了对硫酸盐侵蚀机理和规律的认识,但在如下方面仍有待进一步加强：

1)当前关于硫酸盐侵蚀的研究多采用砂浆试样,忽略了混凝土中粗骨料的影响,而粗骨料的存在会形成新的孔隙结构,其与凝胶相间的界面为侵蚀产物易聚集的区域,因此研究中应尽可能采用实际混凝土材料。

2)实验室采用模拟硫酸盐侵蚀方法与混凝土实际服役环境相差显著,尤其是盐湖类硫酸盐侵蚀严重的复杂环境。应深入研究试验模拟环境与实际工程背景的相关性,将由加速试验得出的研究成果有效应用到实际工程的耐久性设计与评估中。

3)目前主要通过单轴抗压强度表征硫酸盐腐蚀混凝土的力学性能,而实际混凝土结构、尤其是大体积混凝土处于三维受力状态,多轴状态下腐蚀混凝土的力学性能的变化对结构耐久性也将产生重要的影响。考虑多轴状态下各种荷载水平组合对混凝土性能的影响,研究硫酸盐侵蚀混凝土多轴破坏准则和本构关系具有重要的工程意义。

4)实际的混凝土结构往往承受着各种动态荷载,已有的关于荷载与硫酸盐侵蚀协同作用下混凝土性能演变的研究主要以静力荷载为主,动态荷载条件下的硫酸盐侵蚀特征则相对较少涉及,因而对动态荷载作用下硫酸盐侵蚀混凝土的性能应进一步深入研究。

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Progress of Study on Sulfate Attack on Concrete Materials

CHEN Da,YU Xiaotong,LIAO Yingdi,WANG Qinfen,WANG Xiao

( College of Habour,Coastal and Offshore Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,Jiangsu,P. R. China)