混凝土硫酸盐腐蚀与压应力状态实现方法

李伟浪

(江西理工大学 土木与测绘工程学院，江西 赣州 341000)

0 前 言

国内外专家和学者针对应力和硫酸盐腐蚀共同作用对混凝土强度性能的影响做了相关研究,关于应力状态下硫酸盐溶液对混凝土的腐蚀试验研究，多以硫酸钠和硫酸镁溶液作为腐蚀介质，选用的应力主要是弯拉应力和轴压应力。相关资料研究表明，硫酸盐溶液可与混凝土发生反应使其内部结构会发生改变，且腐蚀时间越长，变化越显著，而应力的存在会对这一进程起到加快或减缓的作用。本文通过对近些年国内的研究成果进行总结与归纳，找出其中存在的问题并提出解决的方法。

1 应力和硫酸盐腐蚀耦合下混凝土性能研究

混凝土在应力状态下遭受盐溶液侵蚀的过程称为应力腐蚀，其定义为材料因受到应力作用和环境中腐蚀介质共同作用时所引起的腐蚀，这里所说的应力作用包括压应力、拉应力和弯曲应力，其通常与金属、陶瓷、玻璃和聚合物等材料联系在一起，当然混凝土也同样存在应力腐蚀的问题。

通过查阅大量文献资料，发现国内外专家和学者针对硫酸盐应力腐蚀进行了大量的研究工作,硫酸盐腐蚀试验的腐蚀介质多选择Na2SO4和MgSO4，少数研究人员选用硫酸铵溶液，选择的应力种类以弯拉应力、轴压应力为主，选用的应力水平多基本在极限抗压/抗拉强度的70%以下，主要集中在50%左右。相关资料研究表明，硫酸盐溶液可使混凝土内部结构会发生改变，且浸泡时间越长，变化越大，而应力的存在会加快或减缓这种变化。

张志兴等[1]用5%硫酸铵溶液和50%的弯曲应力对混凝土进行应力腐蚀试验，发现拉应力对硫酸铵腐蚀有加速作用，混凝土强度降低速率大大增加，同时也证明在硫酸铵如溶液中存在应力腐蚀作用。

安德锋等[2]通过试验研究将混凝土试件浸泡于10%的硫酸盐溶液中，并长期施加应力比为0、0.2、0.3、0.4、0.6的压应力，结果表明压应力对混凝土硫酸盐腐蚀存在抑制作用，压应力比为0.3时抑制作用最强。通过微观分析，在压应力状态下混凝土微观结构发生改变，其内部空隙和微裂缝受到压缩而减少，使得混凝土密实度提高，从而抑制硫酸盐向混凝土内部渗透的速率。

ZIVICA等[3]研究了压应力和硫酸盐耦合作用对水泥基复合材料性能的影响，结果表明，在应力水平不使基体产生微裂缝的前提下，压应力可减缓硫酸盐对水泥基复合材料的腐蚀程度，且随应力水平的提高，抑制效果愈加明显。

Schneider等[4]研究了不同混凝土在持续荷载与腐蚀介质耦合作用下的力学性能，结果表明，应力腐蚀对水泥基材料的性能存在明显影响，应力水平、状态和侵蚀龄期均对化学侵蚀有不同的影响效果。

曹健[5]研究了轴压荷载作用下不同环境对混凝土长期性能的影响，试验表明，当压应力比为0.15时，相对动弹性模量在10%浓度硫酸盐溶液中随侵蚀龄期一直降低，当压应力比为0.3时时，相对动弹性模量逐渐减小。

吴骏晖[6]研究了轴压荷载与硫酸盐耦合作用及考虑水头压力对混凝土性能的影响，结果表明，轴压荷载比为0.3和水头压力耦合可抑制硫酸盐对混凝土的侵蚀作用。

徐惠[7]研究了硫酸盐腐蚀对高性能混凝土力学性能的影响，研究表明，当应力比小于0.5时，应力对高性能混凝土的强度和质量变化影响较小；当应力比大于0.5时，应力对高性能混凝土的强度和质量变化影响较大。

薛耀东[8]通过混凝土在拉应力和压应力状态下受硫酸盐侵蚀干湿循环试验，表明拉应力和压应力分别加快和减缓了硫酸盐侵蚀混凝土的速率，且应力变化越大，硫酸盐侵蚀速率的改变越大。

应力影响的实质是改变了混凝土的微观结构，在拉应力和弯曲应力作用下，随着加载时间的延长和应力水平的提高，早先存在的混凝土微裂缝不断发展、扩大乃至贯通，同时又会有新裂缝的产生，使得侵蚀介质的渗透性增强、扩散速度加快，加剧混凝土结构的破坏。在压应力对混凝土的影响不是单纯正相关而是存在一个临界值，当压应力水平低于临界值时，混凝土会被压实使得孔隙率降低，此时混凝土结构密实度提高，侵蚀介质向混凝土内部扩散和渗透的难度增大，压应力的存在对混凝土起到了一定的保护作用；当压应力水平超过临界值时，应力作用会使混凝土产生新裂缝和加剧原有裂缝的扩张，此时混凝土受到应力破坏，侵蚀介质向混凝土内部扩散和渗透的难度降低。实际上，混凝土建筑在使用的过程中常遭受物理和化学的综合作用，评估混凝土盐腐蚀与耐久性等问题必须考虑应力因素的影响。

2 研究存在的问题

通过查阅大量的国内外文献资料，发现当前的硫酸盐应力腐蚀研究中主要存在以下三个主要问题。

1)现有的应力状态下或无状态下的混凝土盐溶液腐蚀试验，一般均采用盐溶液或盐雾进行浸泡或干湿循环进行加速腐蚀试验。目前，因耐久性试验规范没有对混凝土受盐溶液腐蚀的试验条件做出明文规定，使得相关研究人员在进行此类试验时，对于盐溶液或盐雾的浓度、溶液种类和环境温度等环境条件的设定往往主观臆断，使得混凝土受盐溶液腐蚀的试验环境条件无法统一，导致各类试验结论之间不能相互对比，而单一因素的试验研究存在局限性，给定量研究盐溶液腐蚀对混凝土的影响造成了困难，至今尚未得出普遍适用于各类盐溶液腐蚀条件下的混凝土蚀强模型。亟需对该领域内的研究出台相关规范，以期获得标准化、系统化的研究结果，更有效地满足各类实际工程耐久性设计与施工需要。

2)早期研究成果在考虑荷载耦合作用方面的研究较少，有关荷载方面的研究中，主要集中于弯曲荷载影响的研究，由于加载试验中的高应力加载难以实现，在荷载与环境耦合作用下的研究还相对较少，导致轴压荷载与硫酸盐耦合作用下混凝土劣化机理研究还不充分，也使得无法对试验结果的对比和规律的总结分析，需要对其进行深入研究。

3)实际工程中多采用钢筋混凝土结构，而实验室进行的混凝土快速腐蚀试验多以素混凝土为研究对象，钢筋存在对盐溶液有一定的促进作用，因此，在进行此类试验时，以钢筋混凝土结构为主要研究对象更符合实际情况。

针对现有研究中高压应力状态难以实现的问题，通过不断思考和钻研并参考文献[9]，根据弹簧加载装置原理自行设计并制作了两套压应力加载装置，如图1所示。

图1 压力加载装置

两套装置分别对应两种压应力水平，区别在于碟簧型号不同，可以根据试验的实际需要选择合适的碟簧，同时也可对加载装置的尺寸进行改进，其中各构件的规格和尺寸如下。

紧固件：12.9级热镀锌，M24×220 mm(直径×长度)螺栓和螺母；承压板：Q345钢，150 mm×150 mm×12 mm，孔径d=25 mm(在钢板四角处定位打孔，孔径略大于螺栓直径，保证螺栓能顺利穿过)；装置1和2中的碟簧型号和规格分别是：国标A15，单片最大弹力12 kN，4×4(共4组每组4片，同向放置，理论最大弹力为192 kN)；德标HW2122，单片最大弹力25 kN,4×4(同上,理论最大弹力为400 kN)。

碟簧由不耐腐蚀的合金制成，为实现试块的全浸泡同时避免碟簧与硫酸铵溶液发生直接接触，在试块上方放置一个100 mm×100 mm×50 mm大理石块，因大理石可能会与硫酸铵溶液发生化学反应，故需对大理石块做严密的防水处理，防止其对试验结果造成干扰，经测试试验所用大理石块极限抗压强度平均值可达80 MPa，其强度远高于混凝土试块，可满足试验需要，其他金属器材也均做防锈处理。

该应力加载装置所能提供的应力水平高，需用压力机来实现加载，如图2所示。

图2 压力机加载现场

将试块和加载装置组装好后(将试块上下面放置在侧面)放入压力机中，上方放置一根钢柱导力，设置好定荷参数后启动压力机，待荷载值稳定后，用扳手分多次少量地拧紧对角处螺母，防止出现偏心荷载，然后使压力机回复原位，即可完成加载，在进行操作时，工作人员需格外注意安全，避免发生事故。碟簧产生的弹力通过承压板均匀地传递到试块上，但在使用的过程中碟簧和紧固件易受湿度影响而出现应力损失，为减小应力损失造成的影响，进行应力富余加载，富余加载比例为1.05∶1。根据试验经验，该应力加载装置能够很好地满足试验要求，当需要加载的应力水平超过试件极限抗压强度的50%时，立方体会由于骨料分布不均匀和应力集中等原因在边角处出现裂缝，甚至与直接脱落，无法满足试验要求，这种情况下建议采用圆柱形试件。

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