腐蝕性環(huán)境對混凝土長期力學性能的影響及改善措施

摘要：有關調查表明，國內20％~70％的建筑物受到腐蝕侵害，造成的經濟損失占國民收入的1.25％。腐蝕性環(huán)境導致混凝土結構服役壽命縮短，社會財富的浪費，甚至能危及人類生命安全。因此，混凝土的耐久性研究越來越受到工程界的高度重視。本文介紹了混凝土腐蝕的類型、機理及影響因素，揭示了混凝土腐蝕的多樣性以及腐蝕機理的復雜性。礦物摻合料和纖維的加入可改善混凝土的微觀結構，通過幾種常見的腐蝕環(huán)境對混凝土力學性能的影響，探討提高混凝土抗腐蝕能力的措施。

關鍵詞: 混凝土活性摻和料 力學性能 耐腐蝕

0前言

隨著全球建筑業(yè)的迅速發(fā)展，混凝土作為一種成本低廉，來源廣泛，耐久性好的建筑材料廣泛的應用于土木工程的各個方面。作為現代土木工程最為常見的構筑材料，其耐腐蝕性能與使用可靠性，直接關系著國家建設和人民生命財產的安全。近幾十年來，隨著環(huán)境污染的加劇，混凝土受腐蝕而損壞的現象更趨于嚴重，國內外統(tǒng)計資料表明，在美國損壞的橋梁到1986 年已增至24.4萬座，估計維修費用高達411億美元；在英國需要更換或重建的混凝土結構約占了36%；我國也發(fā)現許多海港碼頭的混凝土梁、板使用不到10年就普遍出現順筋銹脹開裂、剝落現象，許多立交橋因撒化冰鹽也都出現鹽的腐蝕破壞，如已經拆除的北京西直門立交橋，其梁板鋼筋因撒鹽類已全被腐蝕破壞。腐蝕現象在化工、冶金等建筑中表現得更為普遍，因此引起了各國政府、工程界和科學家們的極大關注。近年來，在我國鐵路建筑中， 因混凝土腐蝕而造成的質量問題也屢見不鮮，造成了很大的經濟損失。由于國家經濟的發(fā)展，鐵路需要多次提速，對工程質量和安全的各項指標要求更高，所經過地區(qū)地質環(huán)境將更復雜，必須認真考慮混凝土的防腐問題。對此，有關專家學者已作了大量的實驗和研究，取得了一些進展，鐵路設計和施工規(guī)范對混凝土的設計和施工也提出了相關要求，但在具體運作實施過程中，特別是在建設過程中還存在不少問題，很多人在思想還不夠重視，認為混凝土和鋼筋混凝土堅固耐久，設計上又有可靠的安全系數，即使有腐蝕也很緩慢，無礙大局等等。因此，本項目旨在研究腐蝕性環(huán)境對結構混凝土力學性能的影響，并針對各種情形提出相應的改善措施。 [1][2]

模擬腐蝕環(huán)境對結構混凝土的腐蝕的主要內容如下：

1）制備摻不同摻合料的混凝土試件，在實驗室模擬3種比較常見的腐蝕環(huán)境：不同的腐蝕性離子和酸性環(huán)境，對混凝土試件進行腐蝕，測試其對混凝土力學性能的影響。

2）通過腐蝕性環(huán)境對混凝土腐蝕程度及機理的分析，提出可行的改善措施，提高混凝土的耐久性。

1原材料及試驗方法

1.1原材料

水泥為P.II 42.5普通硅酸鹽水泥；砂子為普通中砂；石子為石灰石 5~16mm連續(xù)級配；

摻合料為I級粉煤灰、礦渣微粉、石灰石粉和鋼渣微粉，其性能列于表1中。 [3]

纖維為鋼纖維

外加劑維江蘇博特公司生產的高聚羧酸類高效減水劑JM-PCA

1.2試驗方法

混凝土是一種非均質的多元多孔的復合材料，環(huán)境對混凝土的腐蝕受許多因素影響，是一個相當復雜的過程，很難模擬真實的腐蝕環(huán)境。因此，把可能存在的腐蝕條件獨立出來，首先研究單一腐蝕條件對混凝土性能的影響，通過對混凝土腐蝕后的形態(tài)檢驗，抗壓強度、抗折強度、劈裂抗拉強度的測試進行綜合分析研究。 [4]

制備基準混凝土、單摻Ⅰ級粉煤灰、礦渣微粉、石灰石粉、鋼渣微粉和摻鋼纖維混凝土，各種礦物摻合料均以30%等量取代水泥，鋼纖維體積摻量為0.8%。混凝土配合比列于表2中。試件在溫度為20℃，相對濕度>90％的條件下養(yǎng)護28d后其中一組測試其抗壓、抗折、劈裂抗拉強度；并將上述6組混凝土試件分別放于水、酸、10%氯化鈉溶液和10%硫酸鈉溶液中，浸泡90d和240d后測試其抗壓、抗折、劈裂抗拉強度。

2試驗結果與分析

2.1 標養(yǎng)28d的混凝土力學性能

　　各組混凝土試件經標準養(yǎng)護28d，試驗方法依據GB/T50081－2002《普通混凝土力學性能試驗方法》進行?？箟?、抗折和劈裂抗拉等力學性能試驗結果列于表3中。

由圖中可以看出，由于各種礦物微粉活性的差異，養(yǎng)護28d后各組的強度也有不同。與基準混凝土相比較，摻礦渣組和摻鋼纖維組強度較為接近，摻粉煤灰、鋼渣微粉和石灰石粉組較低；另外，鋼纖維的摻入大大提高了混凝土的抗折和劈拉強度；而摻鋼渣微粉和石灰石粉組的脆性相對較大。

不同摻合料混凝土不同養(yǎng)護齡期的脆性發(fā)展規(guī)律如下圖5所示：

由圖可以看出脆度系數隨著養(yǎng)護齡期的延長有較大降幅，摻鋼渣微粉和石灰石粉兩組的試塊大幅度下降以后，脆度系數仍然明顯高于基準試塊組；摻礦渣微粉和鋼纖維兩組的試塊脆度系數與基準試塊組較為接近；摻粉煤灰組試塊與基準試塊組相較，脆度系數在養(yǎng)護240d后有所下降。

2.2 在氯鹽腐蝕環(huán)境下的混凝土長期力學性能

氯鹽腐蝕是沿海混凝土建筑物和道路混凝土腐蝕破壞最重要的原因之一。氯鹽既有可能來自于外部的海水、海風、海霧、化冰鹽，也有可能來自于建筑過程中使用的海砂、早強劑、防凍劑等，它可以和混凝土中的Ca(OH)2 、3CaO·2Al2O3·3H2O 等起反應，生成易溶的CaCl2 和帶有大量結晶水、比反應物體積大幾倍的固相化合物，造成混凝土的膨脹破壞，反應式如下:

2Cl-+ Ca(OH) 2 →CaCl2 + 2OH-

2Ca(OH) 2+ 2Cl -+ n -) H2O →CaO·CaCl2·nH2O

3CaCl2 + (3CaO)·Al2O3·6H2O + 25H2O →3CaO·Al2O3·3CaCl2·31H2O

氯鹽腐蝕的另一個嚴重后果就是氯離子的滲入能加速混凝土中鋼筋的銹蝕從而導致結構失效。因此，如果水泥中C3A含量高于8%，由其制成的混凝土將很容易遭受Cl- 的腐蝕。因此提高混凝土耐久性一方面是材料的優(yōu)選，少用海砂，慎用早強劑等等，如英國現行的關于鋼筋混凝土的規(guī)范限制抗硫酸鹽水泥中Cl[5]- 占水泥的比重不超過0.12%，早強的波特蘭水泥中Cl- 占水泥的比重不超過0.14%，并且不允許加入CaCl2。美國聯邦公路管理局(FHWA) 規(guī)定Cl- 占水泥的比重不超過0.12%；另一方面是優(yōu)化混凝土配合比，降低混凝土孔隙率，增加密實性，也可以附加使用如密實劑、涂覆防水涂料等，阻擋外來的Cl[6]-滲透進入混凝土內部。

混凝土試件經10%氯化鈉溶液浸泡腐蝕90d和240d后的力學性能試驗結果列于以下圖6~圖9中。

從圖6~圖9可以看出，隨著水中養(yǎng)護齡期的延長，各組混凝土強度都能持續(xù)緩慢增長。除了摻石灰石粉組強度略低之外，其他各組都逐漸趕上甚至超過了基準混凝土。脆度系數隨著養(yǎng)護齡期的延長有較大降幅。

與水中浸泡各組試塊對比，當氯鹽的腐蝕齡期為90d時，除摻鋼渣微粉和石灰石粉兩組抗壓強度略有增長外，其余各組試塊的抗壓強度均有所下降，但降幅很小，不明顯。腐蝕齡期延長至240d后，各組試塊在氯鹽的長期浸泡腐蝕下抗壓強度都出現明顯的下降，但摻粉煤灰或礦渣和摻鋼纖維的試塊強度要好于基準組。

抗折強度變化情況有所不同，與水中浸泡各組試塊對比，當氯鹽的腐蝕齡期為90d時，除摻鋼渣微粉的試塊組抗折強度略有增長外，各組試塊的抗折強度均有所下降，但同樣降幅很小。腐蝕齡期延長至240d后，摻鋼渣微粉和石灰石粉的兩組抗折強度出現明顯下降，低于基準試塊組；而摻粉煤灰，礦渣微粉和鋼纖維的試塊抗折強度均有所增長，好于基準試塊組。隨著腐蝕齡期的延長，抗壓強度明顯下降，抗折強度則略有增長。

2.3 在硫酸鹽腐蝕環(huán)境下的混凝土長期力學性能

硫酸鹽也是破壞混凝土耐久性的一個重要因素，近年來在青海、甘肅等地的鐵路、礦山、水電工程中的混凝土構筑物都出現了不同程度的遭受硫酸鹽腐蝕破壞的問題。與氯鹽腐蝕相類似，硫酸根離子進入混凝土內部后與水泥石中的氫氧化鈣發(fā)生反應，生成水化硫鋁酸鈣(鈣礬石：3CaO·Al2O3·3CaSO4·31H2O)和石膏(CaSO4·2H2O)，導致體積變化，當應力達到一定程度時就會造成混凝土結構的破壞。這種腐蝕作用在不同條件下又有兩種表現形式:E鹽破壞和G鹽破壞。E鹽破壞—Ettrigite expansion，即鈣釩石膨脹破壞，或稱高硫鋁酸鈣膨脹破壞，反應式如下: [7]

4CaO·Al2O3·12H2O + 3Na2SO4 + 2Ca(OH) 2+20H2O →3CaO·Al2O3·CaSO4·31H2O + 6NaOH

生成的鈣釩石體積比反應物大1.5倍或更多，呈針狀結晶，鈣釩石晶體在固體中生長可產生240MPa的應力，足以導致混凝土破壞，其破壞特征是在表面出現幾條較粗大的裂縫。

G鹽破壞—Gypsume expansion即石膏膨脹破壞。當溶液中的SO42-濃度大于1000ppm時，不僅會有鈣礬石生成，在水泥石的孔隙及骨料周圍還會有石膏結晶析出。從Ca(OH)2轉變?yōu)槭?，體積增加為原來的2倍。反應式如下:

Ca(OH) 2+ SO42-+ 2H2O →CaSO4 ·2H2O +2OH-

石膏型破壞的特點是試件中沒有粗大的裂縫，但遍體潰散。如果溶液中的濃度SO42-繼續(xù)增大(大于8000ppm)，石膏型侵蝕起主導作用。即使SO42-的濃度不高，但若混凝土處于干濕交替狀態(tài)，石膏結晶膨脹破壞也易發(fā)生，因為水分蒸發(fā)導致石膏結晶的形成。我國八盤峽水電站和劉家峽水電站等處的混凝土工程皆是遭此破壞。

本次試驗中混凝土試件經10%硫酸鈉鈉溶液浸泡90天和240天后，由于SO42-的濃度大于1000ppm，以石膏腐蝕為主，因此試件并未出現粗大裂縫。試件腐蝕后力學性能結果列于圖10~圖13中。

從圖10~圖13可以看出，與水中浸泡各組試塊對比，當硫酸鹽的腐蝕齡期為90d時，除基準試塊組外其余各組抗壓強度均略有增長外。腐蝕齡期延長至240d后，各組試塊在硫酸鹽溶液的長期浸泡腐蝕下抗壓強度都出現明顯的下降，但單摻粉煤灰或礦渣和摻鋼纖維的試塊強度要好于基準組。

抗折強度變化情況有所不同，與水中浸泡各組試塊對比，當硫酸鹽的腐蝕齡期為90d時，各試塊組抗折強度均略有增長，除摻鋼渣微粉試塊組外。各組試塊增幅很小。腐蝕齡期延長至240d后，摻鋼渣微粉和石灰石粉的兩組抗折強度出現明顯下降，低于基準試塊組；而摻粉煤灰，礦渣微粉和鋼纖維的試塊抗折強度雖然與水中浸泡試塊相比有所下降，但仍然好于基準試塊組。

隨著腐蝕齡期的延長，抗壓強度明顯下降，抗折強度則略有增長，脆度系數有較大降幅。

2.4 在酸性腐蝕環(huán)境下的混凝土長期力學性能

在酸雨頻繁地區(qū)，混凝土建筑物容易受到強烈的腐蝕作用?；炷镣ǔｏ@堿性，一定的堿性條件下可以保持混凝土組成的穩(wěn)定性。酸腐蝕不僅降低了混凝土的堿性保護，而且能使混凝土中水化產物水解，可溶物析出，破壞了內部結構的完整性，劣化混凝土的力學性能。另外，混凝土中堿度的降低，大大增加了內部鋼筋銹蝕的可能性。

本次試驗中混凝土試件經PH=5的檸檬酸溶液浸泡腐蝕90天和240天后的力學性能見表5和圖14~圖17。

從圖14～圖17可以看出，在PH為5的檸檬酸溶液中浸泡90d后，各組強度相對水中浸泡略有下降，240d后各組試塊抗壓和抗折強度都出現明顯的下降；隨著腐蝕齡期的延長，抗壓強度，抗折強度下降越發(fā)明顯。單摻粉煤灰或礦渣和摻鋼纖維的試塊強度要好于基準組。

以上實驗結果表明：28d時各組強度除了礦渣微粉和鋼纖維與基準混凝土相近，其他發(fā)展都較慢；隨著養(yǎng)護齡期的延長，除了單摻鋼渣和石灰石粉的試塊強度偏低外，其他各組都逐漸趕上甚至超過基準混凝土；經10%氯化鈉溶液浸泡腐蝕后，各組試塊抗壓強度都出現明顯的下降，而單摻粉煤灰或礦渣和摻鋼纖維三組要好于基準組；經10%硫酸鈉溶液浸泡腐蝕90天后各組強度都略有增長，而240d后抗壓強度出現明顯下降，單摻粉煤灰或礦渣和摻鋼纖維三組依然要好于基準組。經PH為5的檸檬酸溶液中浸泡腐蝕90d后，各組強度相對水中浸泡略有下降，240d后各組試塊抗壓和抗折強度都出現明顯的下降；隨著腐蝕齡期的延長，抗壓強度，抗折強度下降越發(fā)明顯。單摻粉煤灰或礦渣和摻鋼纖維的試塊強度要好于基準組。

比較三種腐蝕介質的不同試驗結果可以發(fā)現，對于抗壓強度，在腐蝕齡期同為240d，氯鹽腐蝕時要比硫酸鹽腐蝕時相比，強度下降更多；而抗折強度則是在硫酸鹽中腐蝕時強度下降較多。酸介質腐蝕的情況介于兩者之間。而且隨著腐蝕齡期的延長，腐蝕情況加劇。

摻粉煤灰或礦渣和摻鋼纖維可改善混凝土在腐蝕條件下的力學性能，這可能是由于礦物摻合料的活性火山灰效應，改善了混凝土孔結構，細化了Ca(OH)2晶體，增加了內部密實度，使得混凝土在腐蝕環(huán)境下具有良好的耐久性，而鋼渣和石灰石粉可能由于活性較低，28d后強度發(fā)展就很緩慢，強度也遠低于基準混凝土，改善效果不明顯；經PH=5的檸檬酸溶液浸泡腐蝕后各組混凝土強度均有所下降，是由于檸檬酸的腐蝕使混凝土表層堿性下降，導致水化產物部分分解的緣故，其中摻鋼纖維組下降較為明顯，可能是由于酸性介質的滲透引起表層鋼纖維的銹蝕，而內層鋼纖維仍然能發(fā)揮原有的作用，因此雖然強度降幅較大，但強度保留值仍能處于一個較高的水平。 [8]

3 結論

本次試驗表明混凝土中摻入適量礦渣微粉或I級粉煤灰能發(fā)揮活性火山灰效應，改善混凝土孔結構，細化Ca(OH)2晶體，增加混凝土密實度，使得混凝土在腐蝕環(huán)境下具有良好的耐久性；鋼渣和石灰石粉的加入，由于其火山灰活性較弱，改善效果不明顯；摻入鋼纖維，能通過物理作用提高混凝土的強度尤其是抗折強度，從而起到改善效果。

　　因此，要改善混凝土的耐腐蝕性，可以摻入適量礦渣微粉或I級粉煤灰，并且和鋼纖維復摻，達到化學增強和物理增強共同作用的效果。

參考文獻

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[3] 趙慶新 孫 偉 繆昌文 田 倩 鄭克仁 林 瑋. 磨細礦渣和粉煤灰對高性能砼徐變性能的影響 [J]. 武漢理工大學學報，2005年11月第27卷 第11期:36

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[7] 宋振海 盧瑜 劉新民. 混凝土及鋼筋混凝土腐蝕與耐久性淺談 [J]. 山東交通科技,2001,(2): 19

[8] 劉孟賀. 礦渣微粉用作混凝土活性摻和料的研究 [J] 建筑石膏與膠凝材料:48-49