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，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，在我國(guó)鐵路建筑中， 因混凝土腐蝕而造成的質(zhì)量問題也屢見不鮮，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題（如青藏鐵路）。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)施過程中，特別是在建設(shè)過程中還存在不少問題，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（包括氯離子、硫酸根離子）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，首先研究單一腐蝕條件對(duì)混凝土性能的影響，通過對(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%?；炷僚浜媳攘杏诒?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（PH=5）、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。抗壓、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(fēng)、海霧、化冰鹽，也有可能來自于建筑過程中使用的海砂、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0.12%，早強(qiáng)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(guó)聯(lián)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(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SO₄^2-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啵w積增加為原來的2倍。反應(yīng)式如下:

Ca(OH) ₂+ SO₄^2-+ 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SO₄^2-繼續(xù)增大(大于8000ppm)，石膏型侵蝕起主導(dǎo)作用。即使SO₄^2-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SO₄^2-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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