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                物理和化學作用對混凝土的損傷劣化探討

                來源:未知
                 

                 

                 摘    要: 在當今時代,混凝土結構無處不在,絕大多數的建筑都離不開混凝土,例如地下工程、水利工程、海洋工程和居民建筑物等。我國東北濱海地區、華北和西北鹽漬地區含有較多的氯鹽和硫酸鹽,在不同環境耦合作用下對混凝土產生損傷和破壞,使得混凝土結構耐久性和安全性大大降低。文章分析了混凝土在不同環境侵蝕下的損傷破壞機理,從物理和化學兩個方面總結了前人的研究成果,干濕循環和凍融循環會加快氯鹽和硫酸鹽對混凝土損傷劣化,并且對混凝土在不同環境侵蝕下的進一步研究做了展望。
                 
                  關鍵詞 :     混凝土:氣鹽.硫酸鹽;劣化;
                 
                  0、 引言
                 
                  現在,我國已經進入了“兩個一百年”奮斗目標的歷史交匯期,經濟飛速發展,建筑工程建設也迎來了新的飛騰。我國東北濱海地區、華北和西北鹽漬地區含有較多的氯鹽和硫酸鹽,大大降低了混凝土結構的使用壽命[1]。影響混凝土結構性能的研究一直是國內外學者的重點,大體包括混凝土試件本身性質和外界的復雜環境等方面的研究。
                 
                  周茗如等[2]通過一定濃度硫酸鹽溶液和清水溶液分別對混凝土試件進行干濕循環試驗,發現硫酸鹽溶液浸泡的混凝土試件表面膨脹開裂比清水溶液浸泡得要嚴重,且循環次數越多,開裂越大。金祖權等[3]研究發現,氯鹽和硫酸鹽復合溶液浸泡混凝土試件,試驗前期氯離子的擴散速度較慢因為溶液中含有硫酸根,試驗后期相互促進增強了氯離子的擴散速度。商懷帥等[4]研究發現,當混凝土試件進行100次凍融循環時,抗壓強度下降到沒經過凍融循環混凝土試件的一半。馮乃謙等[5]調查發現,由于復雜環境對混凝土結構的影響,山東沿海的橋梁在使用10年左右耐久性能大大降低。李華等[6]對不同配合比的混凝土試件進行了硫酸鹽干濕循環試驗,隨著試驗的進行,試件的抗壓強度和質量先增長后下降。本文總結了近年來外界因素對混凝土結構的損傷劣化,解釋了作用機理,并且對混凝土在不同環境侵蝕下的進一步研究做了展望。
                 
                  1 、物理作用對混凝土的損傷劣化
                 
                  1.1 、潤滑作用
                 
                  長時間的地下水、河水或者海水滲入混凝土內部,使得顆粒間的摩擦角減小,從而摩擦力也變小,降低混凝土的性能。
                 
                  1.2、 軟化作用
                 
                  混凝土在水中浸泡時強度發生下降稱為混凝土的軟化作用,作用機理和潤滑作用的很相似,水分子進入混凝土內部,降低了顆粒之間的內黏聚力,與此同時顆粒間的摩擦力也減小,長此以往混凝土物理和力學性能降低。
                 
                  1.3 、干濕循環作用
                 
                  干濕循環是地球上很常見的物理作用之一,存在較多的工程實際,比如雨水降落與蒸發、潮汐現象和水庫水位的變化等等,造成混凝土構件和水的接觸面在濕潤和干燥之間反復,水分不斷浸入和析出混凝土構件,長此以往,混凝土構件內部的開口空隙變得越來越大,混凝土的劣化越來越明顯,損傷是漸進性的。Cody等[7]研究表明干濕循環對混凝土構件造成的劣化比完全浸泡水中要嚴重。孫迎召等[8]通過試驗得出混凝土損傷層厚度和經歷的干濕循環次數呈正相關。
                 
                  1.4 、凍融循環作用
                 
                  混凝土的凍融循環是指水分通過混凝土毛細孔滲入內部,然后在凍結溫度下經過一段時間混凝土受凍,內部含有水分的毛細孔膨脹,融化后導致表面脫落、破損和產生裂縫。發生凍融破壞的條件首先要有低溫,在我國北方的嚴寒地區建筑物容易發生凍融破壞。
                 
                  劉燕等[9]通過試驗,引入損失的動彈性模量與損傷的關系,得出凍融循環相對于干濕循環而言對混凝土的破壞更嚴重,而且凍融-干濕雙循環對混凝土的破壞遠遠大于凍融循環加干濕循環的破壞總和。
                 
                  2 、化學作用對混凝土的損傷劣化
                 
                  2.1、 氯鹽擴散
                 
                  氯離子滲入混凝土內部,在水泥水化產物的參與下,產生F鹽[10];氯離子還會引起混凝土內部鋼筋的銹蝕,氯離子和亞鐵離子反應生成氯化亞鐵(含結晶水),然后分解形成氫氧化亞鐵[11],從上述一系列的反應也可以看出氯離子只是充當催化劑的作用,鋼筋進而被銹蝕,混凝土內部p H值也減小,所以鋼筋發生腐蝕的速度會逐漸加快。
                 
                  2.2 、硫酸鹽侵蝕
                 
                  硫酸鹽對混凝土造成的損傷和氯鹽的不一樣,進入內部發生反應生成膨脹性物質,為大致過程。硫酸根離子會和混凝土中的熟石灰生成石膏,進而產生鈣礬石[12],石膏和鈣礬石填滿內部孔隙,然后結晶進而混凝土體積變大出現微裂紋;炷恋目箟簭姸认壬吆蠼档,原因是前期未完全水化的水泥會繼續水化,孔隙的填滿在一定程度上也增加了自身的密實性,隨著硫酸根離子的不斷侵蝕,混凝土出現膨脹、脫落和開裂,強度大幅度降低。
                 
                  3 、多重因素下混凝土的損傷劣化
                 
                  上述都是用單一的因素去思考混凝土的損傷劣化,接下來本文根據國內外學者對混凝土耐久性方面的研究,進行混凝土在多重因素下損傷劣化的總結。
                 
                  首先混凝土在氯鹽和硫酸鹽復合溶液的條件下,因為氯離子的擴散速度比硫酸根離子的快,所以氯離子優先和水泥水化產物發生反應,生成F鹽,降低了硫酸根離子和水泥水化產物發生反應所產生的鈣礬石,產生的鈣礬石也減緩了F鹽的生成,兩者相互干擾,隨著侵蝕的不斷進行,內部孔隙不斷變大混凝土也發生開裂,混凝土損傷越來越大。反應前期對混凝土的損傷:氯鹽>硫酸鹽>復合鹽溶液,因為硫酸鹽侵蝕產生的膨脹產物比氯鹽的大,密實性大;反應后期:硫酸鹽>復合鹽溶液>氯鹽,因為硫酸鹽侵蝕膨脹產物使得混凝土開裂,相比較于氯鹽侵蝕更嚴重,復合鹽溶液中的硫酸根雖然前期阻礙了氯離子的擴散,但是后期加快了氯離子的擴散[3]。
                 
                  混凝土的循環機制不同時,就干濕循環和凍融循環而言,前者使得內部孔隙緩慢變大,后者使得混凝土膨脹并產生裂縫,后者的損傷要嚴重一點。凍融-干濕雙循環條件下,凍融循環使得混凝土膨脹產生微裂縫,干濕循環使得水分進入得更容易,下一次的凍融循環內部裂縫水結冰膨脹得越大,混凝土破壞得更快[9],對混凝土的損傷,凍融-干濕雙循環大于凍融循環,凍融循環大于干濕循環。
                 
                  循環機制和溶液環境耦合條件下,干濕循環由于水分反復的浸入和干燥,會增加混凝土內部的孔隙;凍融循環由于水分的結冰使得內部體積變大,會讓混凝土產生微裂紋;無論是上面的哪種情況,在鹽溶液的侵蝕條件下,硫酸根離子或者氯離子會更容易擴散,都會比單一的鹽溶液來言損傷得更嚴重,干濕-凍融-鹽溶液>凍融-鹽溶液>干濕-鹽溶液。
                 
                  4 、結語
                 
                  在我國的東部沿海地區和西北鹽漬地區,上述關于混凝土損傷的問題很常見,國內外學者也研究出了豐碩的成果,對此筆者也做出了一些展望:(1)在以上研究的基礎上可以探討水溫對鹽溶液中氯離子和硫酸根離子擴散的影響;(2)試驗要和實際的工程相結合才更加有意義和價值。
                 
                  參考文獻
                 
                  [1]王琴干濕循環下橋梁混凝土抗氯離子侵蝕試驗分析[J] .混凝土,2017(09)-20-22.
                 
                  [2]周茗如,羅小博,路承功,等硫酸鹽與干濕循環作用下混凝土耐久性試驗研究[J]混凝土2017(09):15-19.
                 
                  [3]金祖權,孫偉張云升,等混凝土在硫酸鹽、氯鹽溶液中的損傷過程[J] 硅酸鹽學報2006(05):630-635.
                 
                  [4]商懷帥,宋玉普,覃麗坤普通混凝土凍融循環后性能的試驗研究[J]混凝土與水泥制品,2005(02):9-11.
                 
                  [5]馮乃謙,蔡軍旺,牛全林等山東沿海鋼筋混凝土公路橋的劣化破壞及其對策的研究[J] .混凝土,2003(01):3-6+12.
                 
                  [6]李華混凝土在干濕循環與硫酸鹽侵蝕作用下的劣化機理分析[J].蘭州工業學院學報,2020,27(02):9-14.
                 
                  [7] Cody R D,Cody A M,Spry P G,et al.Reduction of concrete deterioration by ettringite using crystal growth inhibition techniques[J]. Crystalliz ation,2001.
                 
                  [8]孫迎召牛荻濤,姜磊,等干濕循環條件下混凝土硫酸鹽侵蝕損傷分析[J]硅酸鹽通報2013,32(07):1405-1409.
                 
                  [9]劉燕,王澤坤李忠獻等凍融干濕耦合循環下粉煤灰混凝土損傷度分析[J].混凝土,2020(05)-:32-35+39.
                 
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                  [11]滿都拉銀花曹美琪鹽漬土環境下混凝土耐久性研究進展[J]硅酸鹽通報.2016,35(11):3575-3580+3606.
                 
                  [12]鄒篤建,覃珊珊,劉鐵軍,等多離子溶液浸泡環境下氯離子在砂漿中的擴散性能[J]硅酸鹽學報2020 ,48(11):1817-1823.
                 

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