腐蝕性環(huán)境對(duì)混凝土長(zhǎng)期力學(xué)性能的影響及改善措施

摘要：有關(guān)調(diào)查表明，國(guó)內(nèi)20％~70％的建筑物受到腐蝕侵害，造成的經(jīng)濟(jì)損失占國(guó)民收入的1.25％。腐蝕性環(huán)境導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)服役壽命縮短，社會(huì)財(cái)富的浪費(fèi)，甚至能危及人類生命安全。因此，混凝土的耐久性研究越來(lái)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(jī)理及影響因素，揭示了混凝土腐蝕的多樣性以及腐蝕機(jī)理的復(fù)雜性。礦物摻合料和纖維的加入可改善混凝土的微觀結(jié)構(gòu)，通過(guò)幾種常見的腐蝕環(huán)境對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響，探討提高混凝土抗腐蝕能力的措施。

關(guān)鍵詞: 混凝土活性摻和料 力學(xué)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(lái)源廣泛，耐久性好的建筑材料廣泛的應(yīng)用于土木工程的各個(gè)方面。作為現(xiàn)代土木工程最為常見的構(gòu)筑材料，其耐腐蝕性能與使用可靠性，直接關(guān)系著國(guó)家建設(shè)和人民生命財(cái)產(chǎn)的安全。近幾十年來(lái)，隨著環(huán)境污染的加劇，混凝土受腐蝕而損壞的現(xiàn)象更趨于嚴(yán)重，國(guó)內(nèi)外統(tǒng)計(jì)資料表明，在美國(guó)損壞的橋梁到1986 年已增至24.4萬(wàn)座，估計(jì)維修費(fèi)用高達(dá)411億美元；在英國(guó)需要更換或重建的混凝土結(jié)構(gòu)約占了36%；我國(guó)也發(fā)現(xiàn)許多海港碼頭的混凝土梁、板使用不到10年就普遍出現(xiàn)順筋銹脹開裂、剝落現(xiàn)象，許多立交橋因撒化冰鹽也都出現(xiàn)鹽的腐蝕破壞，如已經(jīng)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(xiàn)象在化工、冶金等建筑中表現(xiàn)得更為普遍，因此引起了各國(guó)政府、工程界和科學(xué)家們的極大關(guān)注。近年來(lái)，在我國(guó)鐵路建筑中， 因混凝土腐蝕而造成的質(zhì)量問(wèn)題也屢見不鮮，造成了很大的經(jīng)濟(jì)損失。由于國(guó)家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，鐵路需要多次提速，對(duì)工程質(zhì)量和安全的各項(xiàng)指標(biāo)要求更高，所經(jīng)過(guò)地區(qū)地質(zhì)環(huán)境將更復(fù)雜，必須認(rèn)真考慮混凝土的防腐問(wèn)題。對(duì)此，有關(guān)專家學(xué)者已作了大量的實(shí)驗(yàn)和研究，取得了一些進(jìn)展，鐵路設(shè)計(jì)和施工規(guī)范對(duì)混凝土的設(shè)計(jì)和施工也提出了相關(guān)要求，但在具體運(yùn)作實(shí)施過(guò)程中，特別是在建設(shè)過(guò)程中還存在不少問(wèn)題，很多人在思想還不夠重視，認(rèn)為混凝土和鋼筋混凝土堅(jiān)固耐久，設(shè)計(jì)上又有可靠的安全系數(shù)，即使有腐蝕也很緩慢，無(wú)礙大局等等。因此，本項(xiàng)目旨在研究腐蝕性環(huán)境對(duì)結(jié)構(gòu)混凝土力學(xué)性能的影響，并針對(duì)各種情形提出相應(yīng)的改善措施。 [1][2]

模擬腐蝕環(huán)境對(duì)結(jié)構(gòu)混凝土的腐蝕的主要內(nèi)容如下：

1）制備摻不同摻合料的混凝土試件，在實(shí)驗(yàn)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(duì)混凝土試件進(jìn)行腐蝕，測(cè)試其對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響。

2）通過(guò)腐蝕性環(huán)境對(duì)混凝土腐蝕程度及機(jī)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(yàn)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(jí)配；

摻合料為I級(jí)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(chǎn)的高聚羧酸類高效減水劑JM-PCA

1.2試驗(yàn)方法

混凝土是一種非均質(zhì)的多元多孔的復(fù)合材料，環(huán)境對(duì)混凝土的腐蝕受許多因素影響，是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的過(guò)程，很難模擬真實(shí)的腐蝕環(huán)境。因此，把可能存在的腐蝕條件獨(dú)立出來(lái)，首先研究單一腐蝕條件對(duì)混凝土性能的影響，通過(guò)對(duì)混凝土腐蝕后的形態(tài)檢驗(yàn)，抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度的測(cè)試進(jìn)行綜合分析研究。 [4]

制備基準(zhǔn)混凝土、單摻Ⅰ級(jí)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(duì)濕度>90％的條件下養(yǎng)護(hù)28d后其中一組測(cè)試其抗壓、抗折、劈裂抗拉強(qiáng)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(cè)試其抗壓、抗折、劈裂抗拉強(qiáng)度。

2試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 標(biāo)養(yǎng)28d的混凝土力學(xué)性能

　　各組混凝土試件經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d，試驗(yàn)方法依據(jù)GB/T50081－2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行?？箟?、抗折和劈裂抗拉等力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)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(hù)28d后各組的強(qiáng)度也有不同。與基準(zhǔn)混凝土相比較，摻礦渣組和摻鋼纖維組強(qiáng)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(qiáng)度；而摻鋼渣微粉和石灰石粉組的脆性相對(duì)較大。

不同摻合料混凝土不同養(yǎng)護(hù)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(shù)隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)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(shù)仍然明顯高于基準(zhǔn)試塊組；摻礦渣微粉和鋼纖維兩組的試塊脆度系數(shù)與基準(zhǔn)試塊組較為接近；摻粉煤灰組試塊與基準(zhǔn)試塊組相較，脆度系數(shù)在養(yǎng)護(hù)240d后有所下降。

2.2 在氯鹽腐蝕環(huán)境下的混凝土長(zhǎng)期力學(xué)性能

氯鹽腐蝕是沿?；炷两ㄖ锖偷缆坊炷粮g破壞最重要的原因之一。氯鹽既有可能來(lái)自于外部的海水、海風(fēng)、海霧、化冰鹽，也有可能來(lái)自于建筑過(guò)程中使用的海砂、早強(qiáng)劑、防凍劑等，它可以和混凝土中的Ca(OH)2 、3CaO·2Al2O3·3H2O 等起反應(yīng)，生成易溶的CaCl2 和帶有大量結(jié)晶水、比反應(yīng)物體積大幾倍的固相化合物，造成混凝土的膨脹破壞，反應(yīng)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(gè)嚴(yán)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(dǎo)致結(jié)構(gòu)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(qiáng)劑等等，如英國(guó)現(xiàn)行的關(guān)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(guò)0.12%，早強(qiáng)的波特蘭水泥中Cl- 占水泥的比重不超過(guò)0.14%，并且不允許加入CaCl2。美國(guó)聯(lián)邦公路管理局(FHWA) 規(guī)定Cl- 占水泥的比重不超過(guò)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(shí)性，也可以附加使用如密實(shí)劑、涂覆防水涂料等，阻擋外來(lái)的Cl[6]-滲透進(jìn)入混凝土內(nèi)部。

混凝土試件經(jīng)10%氯化鈉溶液浸泡腐蝕90d和240d后的力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)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(hù)齡期的延長(zhǎng)，各組混凝土強(qiáng)度都能持續(xù)緩慢增長(zhǎng)。除了摻石灰石粉組強(qiáng)度略低之外，其他各組都逐漸趕上甚至超過(guò)了基準(zhǔn)混凝土。脆度系數(shù)隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)有較大降幅。

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

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

2.3 在硫酸鹽腐蝕環(huán)境下的混凝土長(zhǎng)期力學(xué)性能

硫酸鹽也是破壞混凝土耐久性的一個(gè)重要因素，近年來(lái)在青海、甘肅等地的鐵路、礦山、水電工程中的混凝土構(gòu)筑物都出現(xiàn)了不同程度的遭受硫酸鹽腐蝕破壞的問(wèn)題。與氯鹽腐蝕相類似，硫酸根離子進(jìn)入混凝土內(nèi)部后與水泥石中的氫氧化鈣發(fā)生反應(yīng)，生成水化硫鋁酸鈣(鈣礬石：3CaO·Al2O3·3CaSO4·31H2O)和石膏(CaSO4·2H2O)，導(dǎo)致體積變化，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到一定程度時(shí)就會(huì)造成混凝土結(jié)構(gòu)的破壞。這種腐蝕作用在不同條件下又有兩種表現(xiàn)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(yīng)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(yīng)物大1.5倍或更多，呈針狀結(jié)晶，鈣釩石晶體在固體中生長(zhǎng)可產(chǎn)生240MPa的應(yīng)力，足以導(dǎo)致混凝土破壞，其破壞特征是在表面出現(xiàn)幾條較粗大的裂縫。

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

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

石膏型破壞的特點(diǎn)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(dǎo)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(jié)晶膨脹破壞也易發(fā)生，因?yàn)樗终舭l(fā)導(dǎo)致石膏結(jié)晶的形成。我國(guó)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(yàn)中混凝土試件經(jīng)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(xiàn)粗大裂縫。試件腐蝕后力學(xué)性能結(jié)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(duì)比，當(dāng)硫酸鹽的腐蝕齡期為90d時(shí)，除基準(zhǔn)試塊組外其余各組抗壓強(qiáng)度均略有增長(zhǎng)外。腐蝕齡期延長(zhǎng)至240d后，各組試塊在硫酸鹽溶液的長(zhǎng)期浸泡腐蝕下抗壓強(qiáng)度都出現(xiàn)明顯的下降，但單摻粉煤灰或礦渣和摻鋼纖維的試塊強(qiáng)度要好于基準(zhǔn)組。

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

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

2.4 在酸性腐蝕環(huán)境下的混凝土長(zhǎng)期力學(xué)性能

在酸雨頻繁地區(qū)，混凝土建筑物容易受到強(qiáng)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(hù)，而且能使混凝土中水化產(chǎn)物水解，可溶物析出，破壞了內(nèi)部結(jié)構(gòu)的完整性，劣化混凝土的力學(xué)性能。另外，混凝土中堿度的降低，大大增加了內(nèi)部鋼筋銹蝕的可能性。

本次試驗(yàn)中混凝土試件經(jīng)PH=5的檸檬酸溶液浸泡腐蝕90天和240天后的力學(xué)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(qiáng)度相對(duì)水中浸泡略有下降，240d后各組試塊抗壓和抗折強(qiáng)度都出現(xiàn)明顯的下降；隨著腐蝕齡期的延長(zhǎng)，抗壓強(qiáng)度，抗折強(qiáng)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(qiáng)度要好于基準(zhǔn)組。

以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：28d時(shí)各組強(qiáng)度除了礦渣微粉和鋼纖維與基準(zhǔn)混凝土相近，其他發(fā)展都較慢；隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)，除了單摻鋼渣和石灰石粉的試塊強(qiáng)度偏低外，其他各組都逐漸趕上甚至超過(guò)基準(zhǔn)混凝土；經(jīng)10%氯化鈉溶液浸泡腐蝕后，各組試塊抗壓強(qiáng)度都出現(xiàn)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(zhǔn)組；經(jīng)10%硫酸鈉溶液浸泡腐蝕90天后各組強(qiáng)度都略有增長(zhǎng)，而240d后抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)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(zhǔn)組。經(jīng)PH為5的檸檬酸溶液中浸泡腐蝕90d后，各組強(qiáng)度相對(duì)水中浸泡略有下降，240d后各組試塊抗壓和抗折強(qiáng)度都出現(xiàn)明顯的下降；隨著腐蝕齡期的延長(zhǎng)，抗壓強(qiáng)度，抗折強(qiáng)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(qiáng)度要好于基準(zhǔn)組。

比較三種腐蝕介質(zhì)的不同試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于抗壓強(qiáng)度，在腐蝕齡期同為240d，氯鹽腐蝕時(shí)要比硫酸鹽腐蝕時(shí)相比，強(qiáng)度下降更多；而抗折強(qiáng)度則是在硫酸鹽中腐蝕時(shí)強(qiáng)度下降較多。酸介質(zhì)腐蝕的情況介于兩者之間。而且隨著腐蝕齡期的延長(zhǎng)，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(xué)性能，這可能是由于礦物摻合料的活性火山灰效應(yīng)，改善了混凝土孔結(jié)構(gòu)，細(xì)化了Ca(OH)2晶體，增加了內(nèi)部密實(shí)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(qiáng)度發(fā)展就很緩慢，強(qiáng)度也遠(yuǎn)低于基準(zhǔn)混凝土，改善效果不明顯；經(jīng)PH=5的檸檬酸溶液浸泡腐蝕后各組混凝土強(qiáng)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(dǎo)致水化產(chǎn)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(zhì)的滲透引起表層鋼纖維的銹蝕，而內(nèi)層鋼纖維仍然能發(fā)揮原有的作用，因此雖然強(qiáng)度降幅較大，但強(qiáng)度保留值仍能處于一個(gè)較高的水平。 [8]

3 結(jié)論

本次試驗(yàn)表明混凝土中摻入適量礦渣微粉或I級(jí)粉煤灰能發(fā)揮活性火山灰效應(yīng)，改善混凝土孔結(jié)構(gòu)，細(xì)化Ca(OH)2晶體，增加混凝土密實(shí)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(guò)物理作用提高混凝土的強(qiáng)度尤其是抗折強(qiáng)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(jí)粉煤灰，并且和鋼纖維復(fù)摻，達(dá)到化學(xué)增強(qiáng)和物理增強(qiáng)共同作用的效果。

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