硫酸盐侵蚀环境下混凝土桩基耐久性研究进展

师广财

铜陵有色设计研究院，浙江 铜陵 244000

1 引言

混凝土结构的耐久性问题近年来一直是国内外学者研究的热点。实际工程中，混凝土碳化、离子的侵蚀均会对混凝土结构的耐久性带来不利影响。其中，离子的侵蚀作用一般占据主导作用，由于涉及到物理、化学、力学等众多因素的耦合作用，危害性较大。

我国不同区域的地质地貌条件差异较大，沿海及盐渍土区域是两类极为常见的侵蚀环境，这两类环境下的侵蚀性离子会对桩身的混凝土结构和内部钢筋造成腐蚀，造成其耐久性能的下降［1］。从现有的研究来看，国内外学者更多的集中在海洋或近海区域氯离子对桩基的侵蚀研究，而对硫酸盐对桩基侵蚀的研究还较少。鉴于此，本文从硫酸盐侵蚀机理、劣化模型等方面出发分析了硫酸盐侵蚀环境下混凝土结构力学性能的劣化机制，介绍了最新的研究进展；基于当下的研究成果，提出了今后的研究方向。

2 硫酸盐侵蚀混凝土劣化机理分析

硫酸盐对混凝土结构的侵蚀过程可以分为两个阶段，第一阶段是硫酸盐在混凝土内部渗透扩散并发生物理化学反应，第二阶段是混凝土的开裂和膨胀。在实际环境中，硫酸盐对混凝土的侵蚀是机理较为复杂，涉及到各类复杂因素的耦合作用，通常可分为物理侵蚀和化学侵蚀两种类型。

物理侵蚀主要表现为硫酸盐结晶后体积膨胀导致混凝土内部产生较大的结晶应力使得混凝土开裂膨胀，其只涉及到物理过程，不涉及到硫酸盐与混凝土内部矿物的化学反应。根据混凝土开裂膨胀机理的不同，目前主要有三种理论可以解释硫酸盐的物理侵蚀机理［2］，其中运用最广泛的是固相体积变化理论，该理论认为混凝土的膨胀开裂原因是于无水硫酸钠吸水后的体积膨胀作用（Na2SO4→Na2SO4·10H2O）；其次是结晶水压力理论，该理论认为硫酸盐的侵蚀过程是固相体积转化过程产生的压力导致混凝土开裂破坏；最后是结晶压力理论，该理论认为混凝土孔隙中的盐溶液在过饱和时会以晶体的形式析出，析出的晶体填充孔隙后会对孔隙壁产生压力使得混凝土发生侵蚀破坏。

化学侵蚀是指水泥水化产物氢氧化钙、水化硅酸钙等和硫酸盐反应生成膨胀性产物使得混凝土结构的胶结程度减弱，最终使得混凝土结构失效破坏。依据破坏机理的不同，化学侵蚀可以表现为两种类型：（1）硫酸盐与混凝土内部胶结材料（主要为氢氧化钙）发生化学反应生成非胶凝产物（氢氧化镁等），混凝土在失去胶结材料后自身粘接强度下降而发生破坏；（2）硫酸盐与混凝土发生化学反应后生成石膏等膨胀性矿物，这类膨胀性矿物会填充混凝土内部的孔隙，造成混凝土内部应力分布不均匀，最终使得混凝土结构失效破坏。

硫酸盐对混凝土结构的侵蚀在微观层面表现为其内部缺陷的累积增加，在宏观层面表现为强度的下降，在侵蚀达到一定程度后，混凝土结构会丧失力学性能而发生破坏。目前，国内外已有学者开展了硫酸盐对混凝土结构的侵蚀研究，然而大多从微观角度来分析其劣化机理，对宏观强度仅进行了定性分析［3］，鲜少有研究能够定量描述宏观力学强度的劣化程度。此外，由于硫酸盐对混凝土结构侵蚀的机理较为复杂，充满了不确定性，已有的模型多为经验性模型，缺乏严格的理论依据，故而实际适用范围有限。

3 硫酸盐侵蚀后桩基承载力变化

硫酸盐的侵蚀在微观层面上表现为混凝土内部组分胶结程度的减弱，在宏观层面上表现为混凝土抗压强度的减弱。由于混凝土桩的竖向承载力大小与桩身混凝土的抗压强度大小密切相关，故而硫酸盐对桩身混凝土的侵蚀最终会体现为桩基竖向承载力的变化。现阶段，国内外学者在桩基承载机理及特性方面的研究已经取得了很多有价值的成果［4］，但却鲜少有研究涉及硫酸盐的侵蚀对基桩承载力的影响。

李镜培等［5］对盐渍土地区硫酸盐侵蚀后桩基的竖向承载力演变规律进行了研究，在研究中先假定硫酸盐侵蚀后的混凝土不能够承担竖向荷载，从桩端及侧摩阻力两个方面分析了桩基的承载力变化规律。结果表明，即使硫酸盐侵蚀会引起桩身混凝土体积的增大，在一定程度上增大侧摩阻力，但考虑到桩身截面的变化，总体来上说侧摩阻力会随着侵蚀时间的增加逐步减小；桩端承载力由于主要依靠桩身混凝土的抗压强度，在一部分混凝土受侵蚀后失效后，桩端承载力也会下降。从上述分析可知，长期处于硫酸盐侵蚀环境下的桩基竖向承载力会逐渐趋于下降。

由于硫酸盐对混凝土的侵蚀机理较为复杂，因此传统的理论和数值分析均无法真实反映硫酸盐侵蚀后混凝土基桩微观结构及宏观力学强度的演变规律。现场试验研究可以同时考虑到环境各类因素（温度、湿度、硫酸盐浓度等）的综合作用，是研究硫酸盐侵蚀后混凝土基桩微观结构及宏观力学强度的演变规律的可行手段。通过开展现场试验，国内外学者在硫酸盐侵蚀后混凝土微细观结构变化和宏观力学性能演化方面取得了一定的成果。然而，现阶段的试验方法多采用的是将混凝土直接置于硫酸盐溶液中进行浸泡的方式，其与盐渍土地区基桩所处的实际环境仍有较大差异。如在实际环境中，同一根混凝土桩基位于水面以上和以下部分的侵蚀机理完全不同。对于位于水面以下的桩基，由于浓度差的存在，硫酸根离子会渗入桩基内部与混凝土发生反应生成石膏等膨胀性组分，使得桩基发生侵蚀破坏；对于处于水面以上的桩基，由于毛细管作用的存在，硫酸盐同样会被吸附进入桩身混凝土内部，硫酸盐一方面会与混凝土发生化学反应生成石膏等膨胀性产物，另一方面会在太阳的蒸发作用下晶体形式析出，析出的晶体会填充混凝土内部的孔隙，使得混凝土内部产生较大应力而破坏。

4 问题与展望

4.1 存在的问题

硫酸盐对混凝土的侵蚀涉及到物理、化学、力学等多方面因素的影响，是一个复杂的过程。从现有的研究成果来看，尚存在以下问题亟待解决：

（1）现有的研究大多从单一因素出发研究硫酸盐侵蚀下混凝土的劣化规律，但在实际工程中，硫酸盐侵蚀环境下桩基的耐久性问题涉及到众多因素的耦合，因此目前的研究成果距离能够实际指导盐渍土地区桩基的耐久性设计尚存在很大差距。

（2）目前的研究大多将桩基置于浸泡溶液中，采用电化学加速的方法来缩短试验周期，但该法改变了硫酸盐对混凝土的腐蚀机理，无法真实反映桩基的劣化规律。

（3）随着科技的不断发展，SEM、XRD等测试手段已被运用至硫酸盐对混凝土的侵蚀机理研究中，但目前的研究尚不能对微细观结构的变化进行定量描述，无法建立混凝土微细观变化与宏观力学强度变化之间的关系。

4.2 研究展望

（1）硫酸盐侵蚀环境下桩基的耐久性问题是一个复杂的过程，建立多种因素耦合作用下混凝土桩基耐久性的变化模型是未来的研究热点。

（2）由于硫酸盐对桩基的侵蚀是一个长期的过程，在室内找到能真实模拟硫酸盐侵蚀环境且大大缩短试验周期的方法是今后研究的重点之一，可以大大提高试验效率。

（3）混凝土桩基强度的下降的本质是其微细观结构损伤演变的结果。对硫酸盐侵蚀引起的混凝土微细观结构进行定量描述并建立微细观结构变化与宏观力学强度变化之间的数理模型是今后的研究重点。