混凝土加速試驗研究論文

　　摘要:混凝土的耐久性與鋼筋混凝土結構的使用壽命息息相關。由于工程的使用功能和所處地理位置的不同，建筑結構常常遭受多種腐蝕介質的侵蝕，特別是鹽漬土地區(qū)及海岸工程，環(huán)境條件更加惡劣，對結構的使用壽命產生特別大的影響。因此，基于單一腐蝕介質研究鋼筋混凝土結構的耐久性問題既不客觀也不科學。本研究將多組混凝土試塊浸泡于一系列不同濃度的H2S04和NaCl混合腐蝕介質中，經(jīng)過2年的腐蝕周期，通過抗壓強度試驗，宏觀和微觀分析，找出了混凝土損傷劣化的根本原因，獲得了有價值的試驗成果，為結構耐久性設計和規(guī)范修訂提供了技術支撐。

　　關鍵詞:混合；腐蝕介質；加速侵蝕；混凝土；抗壓強度

　　存在于混凝土中的氯鹽分為三種形式:溶解于孔隙中的游離氯離子，與水泥水化產物結合的氯化物，和凝膠體空隙中吸附的氯化物。游離氯離子參與氯化物的傳輸和鋼筋腐蝕過程，氯化物也能對混凝土造成損害，降低混凝土強度。氫離子侵入混凝土，與CH發(fā)生“中和”反應，降低混凝土孔溶液中OH－濃度，導致孔溶液pH值下降。從而改變混凝土的微觀結構。腐蝕介質濃度某一值時生成的CaS042H20和鈣礬石(3CaOAl2033CaS0432H20)由于體積膨脹。浸泡早期填充混凝土表面孔隙，延緩侵蝕離子滲入，延緩劣化速率，提高混凝土抗壓強度，但是后期隨著基體pH值下降，水化產物解體，石膏和鈣礬石膨脹導致混凝土開裂，加劇混凝土的腐蝕。有關混凝土工程的安全性評估及壽命預測問題，目前研究者針對某單一因素對混凝土腐蝕的影響研究的較多，對多因素耦合作用下混凝土腐蝕行為研究的尚少。熊衛(wèi)士，高飛，韓東對多因素作用下的混凝土耐久性進行了綜述，提出了研究趨勢，但不包括多種腐蝕介質作用下的混凝土耐久性研究［1］，王信剛，章未琴，陳方斌等進行了高性能水泥基材料的耐久性能及其微觀結構研究，得出了各種水泥材料在氯離子、硫酸根離子和抗凍、抗碳化的條件下的性能和微觀結構［2］，喬紅霞、陳丁山、何忠茂等對鹽漬土地區(qū)混凝土硫酸鹽腐蝕加速試驗制度進行了評價［3］，劉影、金祖全、張宇研究了海水對混凝土中鋼筋銹蝕的影響［4］，許豪文、刁波、沈孛等對裂縫及環(huán)境對混凝土中氯離子擴散的影響進行了研究［5］，董建鋒，邢峰，戴虹等研究了混凝土不同面的氯離子侵蝕規(guī)律［5］，結構表明，同一表面高性能混凝土抵抗氯離子侵蝕能力優(yōu)于普通混凝土，迎風面的氯離子侵蝕程度高于側風面和被封面。由于工程所處環(huán)境不同，影響因素眾多，腐蝕介質存在差異甚至差異懸殊。在海洋、化工及鹽漬土地區(qū)，酸、氯鹽和硫酸鹽是引起混凝土結構腐蝕的主要原因。因此，單一腐蝕介質與工程實際相差較大，研究結果難以直接應用于實際工程。但是任何試驗不可能窮盡所有的腐蝕環(huán)境和工程結構，本研究也是選擇有代表性的腐蝕環(huán)境，盡可能的接近工程實際。

　　1試驗概況

　　(1)腐蝕介質:自來水、鹽晶體、濃硫酸。采用質量配比，介質濃度百分比按幾何級數(shù)增加，盡可能包含一般腐蝕環(huán)境狀況。腐蝕介質配合比和試驗情況如表1所示。(2)試驗周期:為24個月，每60天進行一次檢測，共需檢測12次。(3)試件環(huán)境:在試驗室內進行，保持恒溫、恒濕。

　　2試驗設備

　　(1)腐蝕試驗室與腐蝕池:腐蝕試驗室及腐蝕池如圖1所示。(2)烘干設備:高低溫試驗箱如圖2所示。圖2高低溫試驗箱(3)萬能試驗機:萬能伺服試驗機如圖3所示。

　　3試驗結果及分析

　　3．1典型試件腐蝕情況

　　混凝土腐蝕情況見圖4。存在于混凝土中的氯鹽分為三種形式:溶解于孔隙中的游離氯離子，與水泥水化產物結合的氯化物，和凝膠體空隙中吸附的氯鹽。前者參與氯化物的傳輸和鋼筋腐蝕過程，后者雖不參與這兩個過程，但也能對混凝土造成損害，如晶體NaCI2H2O存在于混凝土孔隙中產生30%的膨脹，降低混凝土強度。侵蝕到混凝土中的氯離子，與C3A等物質發(fā)生化學反應，生成氯鋁酸鹽，膨脹量較小。在適當條件下，混凝土孔隙液中的游離氯離子產生經(jīng)變膨脹，是導致混凝土內部產生膨脹應力的主要原因。氯鹽會促進混凝土氫氧化鈣溶出和C－S－H膠凝分解，生成膨脹性復鹽破壞氫氧化鈣和C－S－H膠凝之間的平衡。由于復鹽主要分布于混凝土表面，因此表面C－S－H膠凝的分解與復鹽的膨脹必然導致混凝土表面的潰散，達一定程度后會使混凝土材料出現(xiàn)疏松、裂縫、脫皮等現(xiàn)象，降低混凝土的強度。混凝土在酸性環(huán)境中易發(fā)生“中和”或者分解反應，造成混凝土強度降低，減短結構的使用壽命。氫離子侵入混凝土，與CH發(fā)生“中和”反應，降低混凝土孔溶液中OH－濃度，導致孔溶液pH值下降。而各種水化產物穩(wěn)定存在的堿性條件依靠水泥水化產物中CH(氫氧化鈣)的溶解來維持，CH消耗殆盡時，溶液pH值小于一定值時，水泥水化產物便會分解，或者氫離子直接與水泥水化的各種堿性產物發(fā)生化學反應，從而改變混凝土的微觀結構，宏觀上則表現(xiàn)為混凝土的物理力學性能與耐久性降低。腐蝕介質達到某一濃度時生成的CaS042H20和鈣礬石(3CaOAl2033CaS0432H20)由于體積膨脹。浸泡早期填充混凝土表面孔隙，延緩侵蝕離子滲入，延緩劣化速率，提高混凝土抗壓強度，但是后期隨著基體pH值下降，水化產物解體，石膏和鈣礬石膨脹導致混凝土開裂，加劇混凝土的腐蝕。

　　3．2試驗結果與分析

　　3．2.1混凝土強度損失混凝土試塊在介質中浸泡的早期階段，腐蝕即發(fā)生，先是混凝土表面的水泥膠凝體脫落，細集料砂露出，隨著時間增長，逐漸露出粗骨料石子;同時，介質濃度越大，混凝土表面腐蝕程度越嚴重。腐蝕中期，混凝土試塊邊緣出現(xiàn)裂縫，進而棱角處混凝土發(fā)生脫落。浸泡后期，混凝土試塊潰散、碎裂、整體破壞，徹底失去強度(見圖4(a)、(b))。單軸抗壓試驗發(fā)現(xiàn)，低濃度中的混凝土試塊早期強度略有增加，中后期強度逐漸降低。觀察試驗破壞后的試件，腐蝕介質侵入試塊內部，介質濃度不同侵蝕也不同程度(見圖4(c))。圖5為混凝土強度損失率與腐蝕時間的關系。3．2.2混凝土SEM分析混凝土中水泥漿體是最容易受到腐蝕的組分，為了探討混凝土在酸性環(huán)境中腐蝕機理及水泥水化產物組成、結構的變化，采用掃描電子顯微鏡(SEM)進行分析。通過對比腐蝕產物和未腐蝕體化學成分和微觀形態(tài)的變化，分析在腐蝕介質作用下混凝土性能的劣化機理。圖6為混凝土SEM圖。分析結果可以看出，水泥水化產物被腐蝕后，CaO、SO2和MgO含有量變化很大。這是因為水泥水化產物在酸性環(huán)境下發(fā)生分解或者“中和”反應生成鈣鹽而流失，其中有一部分生成CaS042H20而滯留在腐蝕層中，一部分形成NaCI2H2O晶體存在于混凝土孔隙中，硅和鋁等以膠體形式存在于腐蝕層中。由于水泥水化產物結構破壞，物質流失，使得漿體孔隙率變大，侵蝕性介質更加容易進入基體內部而加劇腐蝕進程，圖中可以清楚看到漿體微觀結構的變化，未腐蝕區(qū)域有云狀C－S－H凝膠等，腐蝕區(qū)域有大量柱狀晶體，測試結果證明此柱狀晶體為CaS042H20和NaCl2H2O，同時尚有未水化的粉煤灰顆粒，但依然有大量的孔隙存在。其他物質在電鏡下，都呈顆粒狀。水泥水化產物中的凝膠體已經(jīng)消失，分析表明，在不同濃度的H+、SO－24和CI－作用下，不同的離子濃度可能會導致不同的變化歷程，混凝土孔隙結構的變化規(guī)律存在差異，但最后的結果卻是相同的，混凝土的孔隙率都會變得較大。

　　4結論

　　(1)在不同濃度的氯化鈉與濃硫酸混合介質作用下，浸泡早期，腐蝕介質滲入到混凝土內部孔隙，經(jīng)過一系列物理化學反應致使混凝土內部孔隙填充密實，抗壓強度有所提高，此過程的延續(xù)時間因介質濃度不同而不同且與介質濃度成反比。隨著腐蝕時間的增長中后期強度迅速降低，濃度越高強度降低速度越快，直至完全失去承載力。(2)SEM分析表明，在H2S04和NaCl混合腐蝕介質作用下，混凝土受到侵蝕的根本原因是水泥水化產物在混合介質中分解或者與酸根離子發(fā)生反應而消失，造成基體內部微觀結構變化，從而導致混凝土結構性能的劣化和混凝土強度的降低。(3)分析表明，在不同濃度的H+、SO－24和CI－共同作用下，不同的離子濃度變化歷程可能不同，混凝土孔隙結構的變化規(guī)律也存在差異，但最后的結果卻是相同的。

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