硫酸盐侵蚀与环境多因素耦合作用下混凝土耐久性研究进展.pdf

2 0 1 4 年 第 9 期 (总 第 2 9 9 期 ) Nu mb e r 9i n2 0 1 4 ( T o t a 1 No 2 9 9 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 理论研究 THE ORETI CAL RES EARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 - 3 5 5 0 2 0 1 4 0 9 0 0 9 硫酸盐侵蚀与环境多因素耦合作用下 混凝土耐久性研究进展 刘金龙 。韩建德 ，王曙光 。刘伟庆 ( 南京工业大学 土木工程学院，江苏 南京 2 1 1 8 1 6 ) 摘要 ： 硫酸盐腐蚀是影响混凝土耐久性重要因素之一 ， 其劣化机理也是最为复杂的。 在实际服役过程中， 混凝土承受着各种复 杂环境 ， 因此混凝土的破坏多为硫酸盐与多种环境因素共同作用的结果。 总结了近年来硫酸盐与应力、 氯离子、 干湿循环、 冻融循环 、 碳化以及不同阳离子类型等环境单因素及多因素耦合作用下混凝土耐久性 的研究成果 ， 并且对多因素耦合作用下混凝土抗硫酸 盐耐久性的研究进行了展望。 关键词： 硫酸盐腐蚀；混凝土耐久性 ；多因素耦合 中图分类号： T U5 2 8 叭 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 4 ) 0 9 0 0 3 3 0 8 Ov e r v i e w o f c o n c r e t e d u r a b i l i t y un de r s u l f a t e a t t a c k a n d mult i f a c t o r c o u p l i n g e ffe ct s LI U J i nl o n g， HAN J i a n de， WANG Sh u gu a n g， LI U We i q i n g ( C o l l e g e o f C i v i l E n g i n e e r i n g ， Na n j i n g U n i v e r s i t yo f T e c h n o l o g y ， N a n j i n g 2 1 1 8 1 6 ， C h i n a ) Ab s t r a ct： S u l f a t e a tt a c k i s a n i mp o r t a n t c o n c e r n i n c o n c r e d u r a b i l i ty， and t h e d e g e n e r a t i o n me c h ani s m i s the mo s t c o mp l e x C o n c r e t e e x p o s e d t o a v a r i e ty o f c o mp l e x e n v i r o n me n t s i n p r a c ti c a l a p p l i c a ti o n s ， t h e r e f o r e ， the d a ma g e o f c o n c r e t e i s c o u r s e d b y c o mb i n e d a c t i o n o f s u l f a t e a t t a c k and e n v i r o nm e n t mu l ti p l e f a c t o r s Ge n e r a l i z e d the p r e s e n t r e s e arc h o f c o n c r e t e d ura b i l i ty b y e n v i r o nm e nt s i n g l e f a c t o r and mu l t i - f a c t o r s u c h a s s u l f a t e wi t h s t r e s s ， c hl o r i de i o n， we t an d d r y c y c l e s， f r e e z e - tha w c y c l e s， c a r b o n a t i o n an d t y p e of c a t i o n Pr o s p e c t s o f c o n c r e t e d u r a b i l i ty u n d e r e n v i r o n me n t mu l ti - f a c t o r c o u p l i n g a c t i o n we r e a l s o p r e s e nte d Ke y wo r d s ： s u l f a t e a t t a c k； c o n c r e t e d u r a b i l i ty； mu l t i f a c t o r c o u p l i n g 硫酸盐 侵蚀是混凝 土耐久性研 究 的重要 内容之一 ， 在众多有害离子中 ， 硫酸盐侵蚀是导致混凝土材料及结构 耐久性下 降的主要 因素之一 【 ， 同时也是影 响混凝土耐 久性最 为复杂 的因素之一 3 。 1 8 9 2 年 ， Mi c h a l i s 最早研究 了 硫酸盐对混凝 土的侵蚀作用 ， 并发现被称之为 “ 水泥杆菌 ” 的针状 晶体 ， 即钙矾石 。 随后的 1 0 0 多年 ， 学者对硫酸盐 侵蚀混凝土 的研究 也得到 了很 多成果【 s 。 混凝 土结构在 服役过程 中承受着各种 各样 的复 杂环境 ， 因此考 虑实际 工 程中的双重破 坏 因素 ( D o u b l e D a m a g e F a c t o r s ， D D F ) 或 多重破 坏 因素 ( Mu l t i p l e D a ma g e F a c t o r s ， MD F ) ， 开展硫酸 盐与其他环境 因素耦 合作 用下混凝 土耐久性成为当前混 凝土科学 的一个重要课题 7 】 。 本研究总结 了近年来 国内外 学者对硫 酸盐 与环境 多因素耦合作 用下的混凝土耐久性 的研究成果 ， 并对 这方 面的研 究进行 了展望 ， 为研究人员 提供参考 。 1 双重 因素耦合作 用下硫酸盐侵蚀混凝土研 究进展 1 1 荷 载( 应 力) +硫 酸盐 实际服役环境中， 大部分混凝土结构承受荷载作用， 对于荷载( 应力 ) 与硫酸根离子耦合作 用下混凝 土硫 酸盐 耐久性 的研究 ， 目前 国内外研究普遍认为混凝土试件在外 荷 载或应力作用下产生微裂缝 ， 加速了硫酸盐溶液的渗透 和扩散 ， 从而加速了混凝土 的劣化罔 。 G E R D E S A n 研究了弯曲荷载作用下的水泥净浆并浸 泡在 1 0 硫酸氨溶液中的断裂性能和弯曲强度 ， 并提出了 如下的弯曲强度预测计算式 ： 卢 ( f ) = 4 7 5 1 1 + 0 2 8 7 t ( 0 2 5 7 + t ) + a ( o o 0 ) x t 式 中： 侵蚀时间 ； n 比例系数， 由试验测定 ； o o 。 应力水平。 收稿 日 期 ：2 叭4 - J 0 3 _ 2 6 基金 项 目：国家9 7 3 计划项 目( 2 0 1 1 C B0 1 3 8 0 1 ) ； 国家 自然科学基金 ( 5 1 3 0 8 2 9 0 ) ； 江苏省 自然科学基金( B K 2 0 1 3 0 9 4 7 ) ； 高等学校博士学科点专项科研 基金( 2 0 1 3 3 2 2 1 1 2 0 0 0 4 ) ； 商眭能土木工程材料国家重点试验室开放基金( 2 0 1 2 C E M0 0 2 ) ； 江苏省土木工程材料重点试验室开放基金( C M2 0 1 3 0 1 ) 3 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m S C H N E I D E R U等 1 0 - 14 对持续 压荷载 或弯 曲荷载作用 下普通混凝土和高强混凝 土抗硫 酸盐侵蚀性能进行 了系 统 的研究。 研究表 明 ， 当压应力水平低 于 0 2 7 5时 ， 压应 力 会减慢硫酸盐的侵蚀 ， 当应力水平高于 O 6 5时 ， 压应力 会 加速硫酸盐的侵蚀； 在水化完全的混凝土中， 所有的弯曲 应力都会加速硫酸盐的侵蚀， 并建议将应力腐蚀划分为以 力腐蚀为主和以化学腐蚀为主两种情况 。 Z I VI C A V等 试验研究 了压应力 与硫酸盐共 同作用 下水泥基材料性能演 变规律 。 结果表 明 ， 压应力 限制 了硫 酸根离子传输速度 ， 减缓 了硫酸盐侵蚀水泥基材料性能退 化 的进程 ， 并且 当压应力水平小于某一限值 时 ， 随着压应 力增大， 抑制硫酸盐侵蚀的效果越显著。 孙 伟 、 慕儒 等 等采用 三分点 加载方 式对混 凝土加 载， 作了高强混凝土与钢纤维高强混凝土在持续弯 曲荷载 与硫酸盐侵蚀双因素耦合作用下 的试 验研究 ， 试验 中应力 水平分 别取 0 、 1 0 、 2 5 和 5 0 ， 硫酸钠溶液浓度为 5 ， 经过 1 2 0 d的腐蚀 ， 结果表 明荷载作用加剧 了硫酸盐对混 凝土的侵蚀 。 范颖芳等 采用 “ 替换构件 ” 的方法 ， 将长期处 于硫酸 盐侵蚀环境下 的钢筋混凝土构件拆卸下来 ， 进行 了抗弯承 载力试验研究， 研究发现， 受硫酸盐腐蚀的构件的破坏模 式与腐蚀前相同， 但开裂荷载比腐蚀前提高 2 - 4 倍 ， 破坏 荷载也 比腐蚀前提高 3 0 - 6 0 。 徐慧和陈占清对高强混凝土进行了四因素五水平 的人工加速硫酸钠腐蚀试验， 测试了试样某一截面在不同 侵蚀龄期的硫酸盐浓度 ， 并利用误差函数求出相应 的扩散 系数 ， 建立 了考虑环境 因素应力水平和水胶 比、 养护时间 等 自身因素的扩散系数表达式 ： D o = k F l ( w b ) ( 1 ， 。 ) ( 6 ) ( T ) t ( 1 ) ( = 2 1 4 一 1 2 5 5 6 + 2 4 1 3 ( 2 ) 式中： ( 6 ) 应力水平对扩散系数的影响。 左晓宝和牛立聪等利用 F i c k 定律 和化学反应动力 方程， 引入应力作用下离子传输的曲折度模型修正了扩散 系数 ： ， nO = D = D e ( 3 ) Jr j 【 J +1 式 中： 应力作用下离子在混凝土内的扩散系数 ； D 孔溶液 内离子扩散 系数 ； 应力作用下混凝土孔隙率 ； 应力作用下混凝土的曲折度 ； r 无应力作用下混凝土的曲折度 。 由于计算式较为繁琐复杂这里不再一一赘述。 陈拴发课题组 2 o - 对动载与硫酸盐耦合作用的试验和 理论方面作了较多的研究。 试验方面 ， 文献 2 5 7 l 入 了叠加 效应系数 K表征疲劳荷载损伤与硫酸盐腐蚀损伤的叠加 效应 ： D K( D1斗 2 ) ( 4 ) D 1 L ( 5 ) 34 式中： D 。 、 D 、 D l 硫酸盐腐蚀强度损失 因子 ， 疲劳荷载作 用强度损失影子和腐蚀一 疲劳联合强度 损失 因子 ， 均通过试验得 出； 某一疲劳时间或腐蚀龄期的试件弯拉强度； 标准养护 2 8 d 后的试件弯拉强度。 理论研究方面 ， 文献 2 0 2 1 1 7 I 入裂纹因子并结合混凝 土疲劳方程对混凝土的扩散系数作了修正： D m + 0 7 8 5 ( D n m ) 2 4 n h X 6 g ( 6 ) 式中： D 基体混凝土 中扩散系数 ； D 裂纹 中扩散 系数 ； n 每小时加载次数 ； 混凝土疲劳损伤过程中第二发展阶段结束时 对应的残余应变； Js 疲劳荷载最大应力水平 ； a , b 试验常数。 金祖权 、 邢峰 和黄 战 等也对荷载与硫酸盐共 同作 用下混凝土耐久性 的研究作 了较多研究。 硫酸盐对混凝土的侵蚀是长期过程 ， 而现有关于静载 与硫酸盐侵蚀复合作用下混凝土的耐久性研究多为短暂 荷载 ， 在硫酸盐侵蚀试验中施加长期稳定的静 载是 目前需 要解决的问题 ； 同时 ， 除 了静载作用 ， 在实际服役环境 中， 混凝土往往承受着动载 ， 目前这方面的研究还不多 ， 因此 ， 动载与硫酸盐侵蚀复合作用下混凝土的耐久性能有待进 一 步研究 。 1 2 氯 离子 +硫 酸盐 地下水环境 比较常见氯盐和硫酸盐共存 ， 由于氯离子 的渗透速度大于硫酸根离子 ， 混凝土 内部 的水化铝酸钙先 与氯离子反应生成 F r i e d e l 盐 ， 由于水化铝酸钙 的减少 ， 使 钙矾石结 晶数量减少 ， 因此氯盐的存在会 显著缓解硫酸盐 侵蚀破坏的程度和速度 。 金祖权2 9 - 3 2 研究表明， 氯离子的存在拉长了各个腐蚀 阶段的时间， 而硫酸盐的存在降低了混凝土抗氯离子腐蚀能 力并且建立了考虑硫酸盐、 氯盐浓度的混凝土损伤演化方程： = 1 0 0 0 5 3 6 T ， 0 T 0 2 3， 7 7 s 0 0 6 5 式中 ： 未受腐蚀 的钢筋混凝土梁抗剪承载力 ； D， 。 ) 承载力降低 系数 ； D腐蚀度 ； 卵 。 钢筋锈蚀率。 文献 3 7 以 F I C K第二定律为基础 ， 结合文献 3 8 的模 型 ， 建立 了如下理论模型 ： O c D a 2 c ( I + R0 ) x K c r O x 。 C ( x ， 0 ) = 0 ， C ( 0 ， t ) = C s 式中 ： 尺 。 硫酸根离子影响下的氯离子结合能力 ； 硫酸盐抗压侵蚀系数； c 混凝土暴露表 明的氯离子浓度 ； D l 时变的氯离子扩散系数 。 改模型既考虑 了氯离子结合能力 的影响 ， 同时也考虑 了硫酸根离子对氯离子结合和传输的影响。 目前学者对于氯盐和硫酸盐侵蚀共 同作用下对 混凝 土 的侵蚀基本上存在一个共识 ， 即氯盐的存在会减慢硫酸 盐 的侵蚀 ，但现有的研究基本上是基于试验现象 的描述 ， 缺乏二者相互影 响的定量关系。 1 3千 湿 循 环 +硫 酸 盐 一 般暴露环境下， 硫 酸盐侵蚀大部分伴随着干湿循环 ， 尤其是 当含有硫酸盐水溶液的液面高度处 于波动状态时 ， 在液面处的混凝土将处于干湿循环的状 态下 。 混凝土处于 干湿循 环的状态时 ， 不仅发生化学反应 ， 还伴 随着物理反 应 的发生 ， 进入混凝土 内部未发生化学反应 的硫酸钠不断 处于吸水膨胀和脱水收缩的状态3 9 - 4 o ： Na 2 S O4 + 1 0 H2 0HNa 2 S O 4 1 0 H2 0 ( 1 2 ) 如此膨胀收缩反复作用 ， 混凝土内部不断形成和开展 微裂缝 ， 为硫 酸盐 的扩散提供 了便利 。 B UC E A L 4 ” 总结 了 相关研究成果 也认 为干湿状 态下硫 酸盐结 晶是导致混凝 土损伤劣化的主要原 因。 C O D Y R D等 分别研究了连续浸泡和干湿循环下混 凝土 的膨胀量 ， 结果表 明 ， 干湿循环下膨胀 量明显 大于连 续浸泡下 的混凝 土 ， 说 明干湿循环对混凝土硫酸盐侵蚀有 着明显 的促进作用 。 在标准 AS T MC 1 0 1 2中提出的硫酸盐 侵蚀破坏试验方法 中， 干湿循环法也是其 中的一种【4 3 。 G A NJ I A N E等 试 验研 究了干湿循 环与硫酸盐侵蚀 复合作用 下掺 合料对硫 酸盐侵蚀 的影 响 ， 研究表 明 ， 掺人 矿物掺合料不但不能改善混凝土 的抗硫酸盐侵蚀性 能 ， 反 而加剧 了混凝土的劣化程度。 S A H MA R A N M 等阚 通过试验研究 了干湿循环与硫酸 盐侵蚀复合作用下混凝土长期性能。 结果表 明， 不论在单一 硫酸盐侵蚀环境还是干湿循环与硫酸盐侵蚀复合作用环境 下 ， 混凝土在前期均存在一个短暂的力学性能增长阶段 ， 但 复合作用下的力学损伤速率显著大于单一硫酸盐侵蚀环境。 乔宏霞等 蛔 研究表 明混凝 土在饮用水 中经历 一定次 数 的干湿循环之后 动弹性模量会逐渐下降， 可见干湿循环 对混凝土 的劣化起到一定的作用 。 高润东等 采用微一 宏观结合的方法研究 了干湿循环 与硫酸盐侵蚀共 同作用下混凝土的劣化机理 ， 结果发现 ， 干湿交替环境下 ， 混凝土在湿状态时受到化学反应产物( 石 膏、 钙矾石等 ) 的膨胀性作用 ， 而干状态下的混凝土又受 到 盐结晶产生的压力 ， 从而造成了混凝土的损伤。 左晓宝和 刘鹏等 等开展 了不同浓度 的硫酸盐一 干湿循环耦合作用 下混凝土 的侵蚀试验 ， 并采用 S E M 图像 分析进 行混凝土 微结构表征 ， 结果显示 ， 混凝土 的损伤是侵蚀产物和硫酸 盐结晶共 同作用 的结果 。 袁 晓露4 9 - 5 0 研究 了硫 酸盐一 千湿循环耦合作 用下掺合 料对混凝土抗侵蚀性能的影响 ， 研究认为干湿循环改变了 硫酸盐在混凝土 中的迁移方式和过程 ， 加剧混凝土的劣化 ， 研究还发现矿物掺合料对于改善混凝土抗硫酸盐一 干湿循 环侵蚀性能的作用不大。 王琴和杨鼎宜 5 l _采 用超声 波无损检测技术研 究 了不 同等级混凝 土在硫 酸盐溶液浸泡和干湿循环协调作用下 动弹性模量 的变化情况 ， 结果证实干湿循环加速硫酸盐侵 蚀过程 ； 水灰 比越大 ， 试件动弹性模量下降越快 。 目前对 于湿循环 和硫酸盐侵蚀共 同作用 下混凝 土耐 久性研究主要存在 以下问题 ： 干湿循环 的制度对 干湿循环 试验结果产生重要 的影响 ， 寻找适合混凝土服役环境的干 湿循环制度是当前急需解决 的问题 之一 ； 同时现有 的研究 大多基于试验研究 ， 对干湿循环作用 的理论研究比较缺乏。 1 4 冻 融循 环 +硫 酸 盐 冻融循环在混凝土内部产生的膨胀 、 收缩会造成混凝 土内部的损伤 ， 美 国学者 P O WE R S T C t 3 提 出的静水压 和渗透压 理论是 目前公认度较 高的普通混凝土冻融破坏 机理 ，冻融对混凝土的破坏会加剧硫酸盐的扩散反应 ， 生 成膨胀性产物 ， 进一 步加剧 了混凝土 的损伤破坏 。 关 于混 凝土在冻融和硫酸盐双 因素协调作用下的耐久性研究 ， 也 有 了很多成果。 闫波等 人通过试验研究得 出含硫酸盐污水处 理构 筑物 的冻融破坏过程是外部土体冻融循环压力和 内部污 水液面与构筑物接触处浸蚀冻融共同作用造成 的。 C WI R Z E N A等口 利用 E S E M 观察 了冻融状态下骨料 和水泥浆界面过渡 区( I T Z ) 复合胶凝 的微观结构 ， 结 果表 明 ， 冻融状态下 ， 毛细孔在界面区开始扩展 ， I T Z形成 裂缝 后 ， 钙矾石晶体填充了主要裂缝， 在 I T Z富集膨胀。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 文献 5 6 研究 了混凝土在硫酸盐侵蚀和冻融循环耦合 作用下混凝 土的腐蚀和力学性能 ， 研究表 明， 冻融循环在 初期对混凝土腐蚀起主导作用 ， 硫酸盐侵蚀在后期起主导 作用 ， 双重因素加速 了混凝土力学性能的劣化。 牛荻涛 和苑立冬 口 对硫酸盐和冻融循环耦 合作用下 混凝土的损伤进行 了研究 ， 采用超声平测法测量混凝土损 伤层厚 度 ， 结果表 明随着硫酸钠溶液浓度的升高 ， 对混凝 土冻融破坏 由促进逐渐转变为抑制作用 。 1 5碳 化 +硫 酸 盐 混凝土 的碳化是指空气 中的 C O ： 扩散溶于混凝土孔 溶液与混凝土中C a ( O H) ： 等碱性物质发生反应降低了混 凝土的 p H值， 其最大危害是导致钢筋混凝土中钢筋钝化膜 去钝引发钢筋锈蚀， 而当碳化环境与硫酸盐共存时， 混凝 土的破坏机理将会改变。 日 本 学者小林一辅口 - 6 0 研究指 出 碳化会使混凝土 内部硫酸根离子 向未碳化 区迁移 ， 造成碳 化前沿硫酸根离子浓度明显升高， 硫酸根离子迁移模型如 图 1 。 该研究解释 了不含氯盐时混凝土 中钢筋在碳化未到 达其表面时就发生锈蚀的原因是硫酸根离子在碳化前沿 聚集 ， 导致 O H 一 浓度下 降 ， 钝化膜破坏 ， 从而使钢筋锈蚀 。 柳俊泽【6 1】 通过试验也得 出了类似的结论 。 矮 0 【 一 碳 化区 一 r 、 一 一 l 度 距 混 凝 土 表 面 深 度 图 1 碳化时硫酸根离子迁移模型 S I B B I C K R G E 6 2 等研究认为 ， 水泥基胶凝 材料碳化产 生的碳酸钙会为形成碳硫硅钙石 ( T s A) 提供条件 ， 从而改 变硫酸盐侵蚀混凝土的机理 。 高润东等嘲研究了混凝土单独硫酸盐侵蚀、 先碳化再 侵蚀和碳化与侵蚀交替进行三种工况 ， 研究发现先碳化在 侵蚀工况 的硫酸根离子侵蚀深度较单独侵蚀要深 ， 同时在 碳化 区观察到碳硫硅钙石的生成 ， 证实 了 S I B B I C K R G 6 2 的理论 ； 碳化与侵蚀交替工况 的研究表 明表层混凝土有一 个先形成硫酸盐腐蚀产物后又因为碳化而分解的过程。 杨礼明和余红发 研究 了碳化后 混凝 土浸泡在硫 酸 镁溶液中的抗腐蚀性能 ， 研究发现虽然碳化会使混凝土表 层密实 ， 但并不能提高混凝土抗硫酸镁腐蚀性能 。 牛荻涛和王艳 引入混凝土中性化碳化影 响系数 A 、 酸雨影响系数 A 与中性化耦合系数 k ， 研究了碳化和酸雨 共同作用下 ， 钢纤维混凝土 的中性化规律以及碳化和酸雨 共同作用的耦合效应 ， 系数定义如下 ： A c = m ( 1 3 ) A A = m 。 ( 1 4 ) = ( 1 5 ) c+ 3 6 式 中： 酸雨和碳化共 同作用下混凝土 中性化深度 ； 单独碳化中性化深度值； 单独酸雨侵蚀中性化深度值。 研究结果显示 A 平均值为 2 5 6 ， A 平均值 为 2 7 2 ， 平均值为 1 2 7 ， 说 明碳化与酸雨对钢纤维混凝土中性化都 有贡献 ， 且贡献相 当； 两者共同引起的 中性 化深度是两者 单独作用引起的中性化深度之和的 1 2 7 倍 ， 出现了 1 + 1 2 的情况。 1 6 不同阳 离子 +硫 酸盐 关于混凝土硫酸盐侵蚀问题 ， 目前研究较多的是N a S O 和 Mg S O 。 由于阳离子的不同 ， 将会导致硫酸盐对混凝 土 侵蚀破坏机理产生变化 ， 而对这部分 的研究 目前并没有一 个统一 的结论 。 L O P E Z A R C E P等6 6 - 6 7 的研究 表 明 Mg S O 4 对岩 石等 多孔材料会产生严重的盐结 晶破坏 ； R U I Z A G U D O E t 6 8 1 研 究了Mg S O 溶液和N a ： s 0 溶液对石灰石棱柱体试件侵蚀 试验， 结果表明， 试件都发生了严重的破坏： 浸泡在 Mg S O 溶液 中的试件产生 了贯穿 裂缝 ， 而浸泡在 N a 2 S O 溶液 中 的试件发生 了层状剥落。 但文献 6 9 研究认为 Mg S O 、 ( N H ) 2 S O 等 只有化学作 用 ， N a 2 S O 溶液除了会产生化学 作用还对混凝土盐结 晶物理破坏外 ， 但文献 中没有给出解 释， 也未见相关文献报道； N E H D I M7 O 将水泥砂浆试件分 别半浸泡在 N a 2 S O 和 Mg S O 溶液 中 ， 经过一段 时间后发 现浸泡在 N a ： S O 溶液 中的砂浆试件表面覆盖有大量的结 晶盐 ， 而浸泡在 Mg S O 溶液 中的砂浆 试件表面没有 出现 盐结 晶现象。 邓德华课题组7 】 也做 了类似的研究 ， 得 出的结论是半 浸泡在 Na 2 S O 溶 液 中的混凝土试件破坏严重 ， 而半浸泡 Mg S O 溶液中的试件未见明显劣化。 2 三重 因素耦合作用下硫酸盐侵蚀混凝土研 究进展 在实际服役环境 中， 混凝土往往承受在 多种 因素共同 作用 ， 这些 因素本身会对混凝土耐久性产 生影响 ， 同时这 些共 同作用对混凝土硫酸盐的耐久性也会产生不可忽略 的影响， 近年来不少学者对多因素耦合作用下的混凝土硫 酸盐腐蚀耐久作 了研究 。 2 1 ( 荷栽 ) 应力 +氯 离子 +硫酸盐 一 方面应力作用促使混凝土 内部发展形成微裂缝 ， 从 而在一定 的应力范 围内显著加速 了硫酸盐溶液 的渗透 和 扩散 ， 从而加速混凝 土劣化 ； 另一方 面由于氯离子 的渗透 速度大于硫酸根离子， 混凝土内部的水化铝酸钙先与氯离 子反应生成 F r i e d e l 盐， 由于水化铝酸钙的减少， 使钙矾石 结晶数量减少 ， 因此氯盐 的存在会显著缓解硫酸盐侵蚀破 坏的程度和速度。 因此， 在应力和氯离子同时存在环境下， 硫酸盐对混凝土的腐蚀机理变得尤为复杂。 黄文新和文梓芸基 于广州 地铁管片 的服役 环境研 究了弯曲荷载和硫酸根离子、 氯离子共同作用下混凝土的 抗侵蚀性能， 研究得出， 在弯曲应力作用下， 纯弯段拉应力 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 层受荷 载破坏最严重 ， 渗入的离子最 多 ； 在短 时 间( 6 0 d ) 内 ， 由于硫 酸根离子 、 氯离子与水泥水化产物生成 的钙矾 石 、 氯铝酸盐填 充微小孔 隙使结构致 密而使 混凝土 强度 略有增大， 但致密程度并不足以减少它们对钢筋腐蚀的 影响。 骆静静和杨鼎 宜 对硫酸盐 、 氯盐和弯 曲荷载作用下 的混凝土的损伤作 了研究 ， 以相对动弹性模量为损伤因子 建立 了三因素耦合作用下的混凝土试件损伤度演化方程 ： E 1 K K c lB K 8 品 抖K K c lc K c K C t ( 1 6 ) 式中： B 混凝土 的初始变化率； C 混凝 土损伤变化速率 ，决定 了混凝 土的损伤 进程。 此模型考虑了硫酸盐 、 氯盐 和弯 曲荷载三个环境因素 对混凝土损伤的影响。 刘荣桂 研 究 了硫酸盐环境 下氯离子在预 应力混凝 土中的传输 特性 ， 建立 了考虑应力 、 硫酸盐和氯离子等 因 素 的氯离子传输理论模型 ： ， 12 ， = 卢 D 0 ( t o t ) m ( 1 7 ) d d 式中 ： 考虑应力水平 的影响 ； 考虑硫酸根离子的影响。 此模型与试验结果 吻合较好 。 2 2 ( 荷载 ) 应力 +干湿循环 +硫 酸盐 应力和干湿循环都会加速混凝土 在硫酸盐环境下 的 劣化程度和速度 ， 在二者共存条件下将会对硫酸盐环境下 的混凝土产生更为严重的劣化 ， 国内外学者针对应力 、 干湿 循 环和硫 酸盐侵蚀三重因素作用下混凝土耐久性能开展 了试验与理论研究 ， 但 目 前 的研究结论并不充分 。 B A S S UO N I M T 开究了 自密实混凝土在弯曲荷载及 周期性干湿循环环境耦合用下的耐久性 ， 研究表 明在弯 曲 荷载和周期性 的干湿循环作用下 ， 会在混凝土基体 内部产 生微裂缝 ， 使腐蚀不断向内部延伸 ， 加剧了其腐蚀程度。 李金 玉等 对弯 曲应 力和干湿循环作用 下混凝 土抗 硫酸盐耐久性能 ， 研究采用 0 、 1 0 、 2 0 、 3 0 、 4 0 和 5 0 六种应力水平 ， s 浓度分别为 1 0 、 2 0 、 3 0 、 8 0 g L ， 研究表明 ， 只有 s 0 浓度较高( 8 0 g C ) 时弯 曲应力的破坏作用才会显 著加速硫酸根离子侵蚀破坏过程 ， 且应力水平越 高 ， 腐蚀 速度越快 。 董必钦 、 罗帅和邢峰 试验研究发现 ， 荷载作用下使 混凝土 出现微裂缝 ， 加速 了 S O 的扩散渗 透 ； 干湿循环又 加速 了钙矾石的形成和石膏的结 晶， 进一 步加大 了混凝土 的损伤程度 ， 如此循环 ， 对混凝土造成严重的劣化。 余振新和高建 明 研究 了弯 曲荷载一 干湿循环 一 硫酸 盐三因素耦合作用下的混凝土损伤劣化过程， 结果表明， 当荷载水平低于 4 0 时 ， 干湿循环是加速混凝土劣化 的主 要因素 ； 当荷载水平高于 6 0 时， 荷载是加速混凝土劣化 的主要原因。 钟海 明和焦楚杰 7 9 也研究 了荷载一 干湿循环作用下混 凝土抗硫 酸盐侵蚀 的耐久性 能 ， 基 于试验数据 ， 得到 了以 相对动弹性模量 、 相对重量 和强度耐蚀系数为指标 的混凝 土寿命方程 ： 1 。f in f 3 k 卺f ) j 【 o o o s ( n + 2 ) 面 丽 J 式 中参数较为繁琐发展 ， 这里不一一赘述。 2 3 ( 荷载 ) 应力 +冻融循环 +硫酸盐 孙伟 、 廖 昌文和慕儒 8 0 较早 的研究 了混凝土在冻融 、 弯曲荷载 、 硫 酸钠或氯化钠溶液同时作用的混凝土耐久性 问题 ， 通过重力损失和动弹性模 量损伤等因素表征了混凝 土损伤度可用下式表示 ： ： 1 O 0 5 -Wl 一 Er - 0 6 -4 - ( 1 9 ) = l 一 。 【 l j 00 0 5 0 4 式 中： 当 0 0 5 且 E r 0 6 时取“ + ” 号 ， 其他情况取“ 一 ” 号 。 该模型充分体现了多重破坏因素作用下 的损伤 ， 为混凝土 寿命预测作出了开拓性的工作 ， 为进一步深化研究和混凝 土耐久性评估体系提供了科学依据。 孙建新i s 作 了硫酸盐 侵蚀和弯 曲应力 双因素协 同作 用以及硫酸盐侵蚀、 弯曲应力和冻融循环三因素协同作用 下 的试验研究 ， 结果 表明 ， 双 因素作用下弯 曲应力加速 了 混凝土性能劣化的速度 ， 粉煤灰对这种劣化作用有 明显改 善 的作用 ； 而 三因素协 同作用下 ， 混凝土材料抗硫酸盐侵 蚀性能大大降低且粉煤灰 的存在对混凝土 的性能反而起 到负面的作用。 张云清 等 试验研究 了冻融循环作 用下高强混凝 土 ( HS C ) 的硫酸盐应力腐蚀特性 ， 研究表明 ， 冻融循环显 著 加速 了混凝 土硫酸盐应力腐蚀进程 ， 其应力腐蚀 的强化段 和劣化段分别 比常温下缩短 了 9 6 和 8 8 以上。 2 4 ( 荷 载 ) 应 力 +碳化 +硫 酸盐 牛荻涛和王艳 研 究了受荷状态下钢纤维 混凝土在 碳化和酸雨共 同作用下 的中性化规律 ， 研究显示碳化和酸 雨对混凝土 中性化的贡献相当 ； 随着弯曲拉应力水平的增 大 ， 混凝土中性化速度逐渐增加 ； 弯曲压应力水平大于 0 5 时 ， 中性化速度也有所增加 。 2 5 冻融循 环 +干湿循 环 +硫 酸盐 葛勇 研究 了冻融循环一 干湿循环交替作 用下 ， 不 同 强度等级 、 不 同含气量的顺黏土在硫酸钠溶液 中的耐久性 能 ， 研究得出 ， 在冻 融一 干湿交替作用下 ， 混凝土在硫酸钠 溶液 中表面剥落 比较严重 ， 抗压强度下降较快 ， 研究还得 出 ， 适量的引起可 以极大改善混凝土在冻融一 干湿循环一 硫 酸盐下 的耐久性 。 金海军 研究得 出用 1 5 粉煤灰取代水泥可以很好的 提高混凝土抗冻融一 干湿循环一 硫酸盐侵蚀下的耐久性能。 2 6干湿循环 +碳化 +硫酸盐 杨鼎宜 s 5 - 8 6 通过试验研究 了干湿循环和碳化对混凝 土 硫酸盐侵蚀 的加速作用 ， 研究得纯浸泡的试件相对动弹性 模量 E遵循二次抛物线形式 ， 而干湿循环和碳化作用影 响 下基本呈直线下降形态 ， 说明了干湿循环和碳化显著加速 了混凝土试件的损伤速度 。 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 5 6 5 5 5 4 篓5 3 ： 噩 L 幅 5 2 5 1 5 O 敏 帽 靛 O 2 4 6 8 1 0 1 2 循环次数 图 2 浸泡试件 循 环 次 数 图 3 干湿循环一 碳化一 浸泡试件 杨礼明和余红发8 7 1 等采用连续浸泡和干湿循环的试 验方法 ， 研究 了碳化后的粉煤灰 混凝 土 、 高性 能混杂纤维 增强膨胀混凝土和大掺量矿物掺合料混凝土在硫酸镁溶 液 中的损伤过程 ， 研究表 明， 碳化虽然在一定 程度上 密实 了混凝 土表层 ， 但改变 了 昆 凝土表层的化学成分 ， 降低 了 混凝 土抗硫酸镁腐蚀性能 ； 在碳化一 干湿循环一 硫酸镁 多 重作用下 ， 高 性能混杂纤维增 强膨胀混凝土 抗腐蚀性 能 较好 。 2 7四重 因素及 以上 开展三重 以上 因素耦合作用下硫 酸盐侵蚀混凝土 的 耐久性能更加贴近实际服役环境 ， 由于各因素之间的耦合 关系较为复杂 ， 对混凝土劣化的机理也各有不 同 ， 这大大 增加了研究难度 ， 目前对于这方面的研究结果比较缺乏。 刘建忠和孙伟等 8 8 基于损伤力 学理论 ， 建立冻融损伤 变量 ， 系统试验研究 了混凝土在弯曲荷载 、 硫酸盐 、 氯盐 复 合 因素影 响下混凝 土冻融损伤规律 ， 结果表明 ， 硫酸盐溶 液的存在会减缓混凝土的冻融损伤 。 吕志涛和孙伟8 9 1 等采用改进的B P神经网络模型预测 了荷载一 氯离子一 硫酸根离子一 千湿交替等多 因素作用下氯 离子离子的浓度场分布情况。 首先对模型的网格性能进行 测试 ， 经过 超过 9 0 0 0次 的训练 后 ， 误 差平 方 和达到 了 0 0 0 9 1 8 ， 非常接近实测结果 ， 见图 4 。 3 8 目 避 褪 膈 +0 1 6 7 年一 一0 1 6 7 年 +O 5 0 0 年一 _ 一0 5 0 0 年 +O 7 5 O 年 一 一O 7 5 0 年 +1 0 0 0 年一 一1 0 0 0 年 实验值模拟值 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 扩散深度 ram 图 4 模拟结果与实测结果对比 余红发、 孙伟等 基于除冰盐冻融、 硫酸盐腐蚀、 火灾 作用 、海浪冲刷等耐久性 因素对混凝土的叠加破坏作用 ， 推导 出了考虑多种耐久性 因素作用下混凝土表面剥落氯 离子扩散理论模型 ： 1 一 e r f I c 0 l 2 _l (2 0 ) 式中： c 自由氯离子浓度 ； C O 混凝土 内初始氯离子浓度 ； C s 混凝土暴露表面的氯离子浓度 ， 等于暴露环境 介质的氯离子浓度 ； 氯离子扩散系数 ； m经验常数 ； 温度 ； K s 混凝土结构受恶劣环境作用后 的表面剥落层 厚度 。 3展 望 硫酸盐与环境 多因素耦合作用下混凝土耐久性 的研 究近年来越来越多 ， 也取得了不少成果， 但笔者认为还有 以下几点有待进一步研究 ： ( 1 ) 试验室采用 的耦合机制多来 自规范或根据试验条 件决定 ， 难以与实际环境 匹配 。 例如干湿循环制度和冻融 循环 制度会从 很 大程度 上影 响混凝 土 的劣化 机理 和损 伤速度 ， 何种制度能够匹配混凝土实际服役环境 目前 尚无 定论 。 ( 2 ) 混凝 土结构在实际服役环境下可能遭受各种各样 的复杂环境 ， 需要加强对更加贴近实际服役环境 的混凝 土 耐久性研究。 目 前对静载和硫酸盐侵蚀复合作用下混凝土 耐久性研究较多 ， 而在实际服役环境中有相 当多的混凝土 处于动荷载环境下， 因此对疲劳荷载和硫酸盐侵蚀耦合作 用下 的混凝土耐久性有待进一步研究。 ( 3 ) 现有对多因素作用下混凝土硫酸盐耐久性研究多 以试验为主 ， 多是对试验结果的的简单描述或者对试验数 据的经验拟合 ， 即使有的理论研究也是在试验数据的基础 上进行的， 不同的试验条件可能得到不同的结果 ， 因此应 加强对这方面的理论研究 ， 挖掘其中的本质尤为重要。 参考文献： 1 1 吴瑾 冈 筋混凝土结构锈蚀损伤检测与评估【 M 北京 ： 科学 出版 社， 2 0 0 5 2 刘秉京 混凝土结构耐久性设计 M 北京： 人民交通出版社， 2 0 0 7 【 3 3 丁天 ， 宋远明 ， 王波 ， 等 混凝土硫酸盐化学侵蚀研究进 展 C 】 特 种混凝土与沥青混凝土新技术及工程应用， 2 0 1 2 ： 1 3 1 1 3 5 4 张誉， 蒋利学， 屈文俊 混凝土结构耐久性概论【 M 北京： 中国建 筑工业出版社 ， 2 0 0 3 ： 1 3 2 1 3 5 5 N G U Y E N T Q ， P E T K O V