混凝土應力腐蝕研究現狀*

王大富 施養杭 黃慶豐

所謂混凝土結構耐久性,是指混凝土結構在自然環境、使用環境及材料內部因素的作用下,在設計要求的目標使用期內,不需要花費大量資金加固處理而保持其安全、使用功能和外觀要求的能力[3]。現階段我國還主要研究混凝土結構在單因素作用下的耐久性問題,但現實生產生活中的各種建筑結構往往處于雙因素或者更多因素的協同作用下,研究荷載作用下混凝土結構的抗腐蝕耐久性問題就顯得非常有意義。

1 應力腐蝕研究現狀

混凝土的應力腐蝕可定義為:混凝土在各種應力(包括拉應力、壓應力、彎曲應力等)作用下同時受到各種腐蝕介質(氯鹽、硫酸鹽、二氧化碳等)的影響所引起的腐蝕,稱之為混凝土的應力腐蝕[4]。1984年,Schneider率先提出混凝土同其他材料一樣也可能發生應力腐蝕以來,相關的專家學者逐漸意識到評價混凝土的抗腐蝕性與耐久性時必須要同時考慮應力的影響。因而,研究混凝土的應力腐蝕是非常有必要的[5]。

1.1 氯離子(Cl-)作用下混凝土的應力腐蝕

林毓梅、吳相豪通過浸泡在pH=2的鹽酸溶液中的混凝土梁(10 cm×10 cm×40 cm)受彎試驗,來探討應力下混凝土梁的力學性能和內部孔洞變化[7]。試驗指出,經鹽酸溶液(Cl-)應力腐蝕的混凝土梁,其抗折強度和變形均明顯降低,且隨荷載水平提高和作用時間延長,應力腐蝕效應愈加顯著。

邢鋒、冷發光等通過試驗研究了長期持續荷載作用下素混凝土Cl-滲透性[8]。試驗中采用56 d齡期破壞荷載的30%和50%進行加載,通過測試混凝土的滲透深度來表達Cl-滲透性。得出在荷載作用下的素混凝土受彎構件,其受拉區的氯離子滲透性隨荷載的提高而增大,荷載較小時,增長幅度也小,當荷載進一步提高后,增長幅度也相應提高。

余紅發、孫偉等探討了鹽湖鹵水環境中混凝土的應力腐蝕[9],提出了混凝土的強度等級越高,應力腐蝕對混凝土結構腐蝕后抗壓強度的影響也就越大:混凝土的應力腐蝕抗壓強度同無應力狀態之間具有顯著的冪函數關系。

何世欽、貢金鑫考慮了彎曲荷載對混凝土中Cl-擴散的影響[10]。另外,趙尚傳、貢金鑫等進行了彎曲荷載下水位變動區混凝土中Cl-擴散規律的試驗研究[11],同樣得出隨著荷載的作用,加快了Cl-在混凝土中的擴散速度等。此外,林毓梅、馮琳還做了海水中混凝土應力腐蝕的試驗研究[12]。

荷載(拉應力)作用下,早先存在的混凝土微裂縫隨著加載時間的延長和應力水平的提高,微裂縫不斷發展、擴大乃至貫通,使得應力作用下Cl-的滲透性增強、擴散速度加快,加劇混凝土結構的腐蝕破壞。為了減少這種混凝土內部微觀結構的影響,通過在混凝土結構表面刷涂層可以有效提高混凝土結構抗氯離子侵蝕能力,增加刷涂層的次數,提高效果愈發顯著[13]。

1.2 硫酸鹽溶液()作用下混凝土的應力腐蝕

張志興、張根亮等人通過試件在5%硫酸銨溶液中對比應力與非應力狀態下混凝土抗腐蝕性[14]。試驗中對試件施加50%的彎曲應力,發現混凝土強度降低速率大大加速,120 d齡期時,混凝土全部斷裂;150 d時,混凝土抗壓強度大概降至浸泡前的30%。表明了應力對腐蝕具有加速作用。

河海大學的林毓梅等采用混凝土小梁(9 cm×10 cm×40 cm),試驗研究了在硫酸鹽溶液中混凝土的應力腐蝕,并同處于水中的混凝土試梁作了平行對比[15]。指出應力因素促進了腐蝕介質下混凝土的體積膨脹:起始發展快、后期速度減緩;混凝土遭受硫酸鹽類的應力腐蝕,即使在混凝土結構密實度有所提高的情況下,也存在有內部損傷和外部應力的負面效應。

東南大學的慕儒等則關注了高強混凝土在荷載下的抗硫酸鹽侵蝕的能力[16]。得出硫酸鹽溶液侵蝕下,混凝土性能指標隨應力比增大而下降,不受硫酸鹽侵蝕的混凝土其性能似與應力無關。

長安大學的陳拴發等為了增強混凝土在應力狀態下抗硫酸鹽腐蝕的能力,進行了粉煤灰混凝土的應力腐蝕特性試驗研究[17],發現混凝土中摻加粉煤灰等量取代部分水泥,可明顯改善混凝土的工作性能和水化特征,并可有效地提高混凝土的抗應力腐蝕性能。

1.3 二氧化碳作用(碳化)下混凝土的應力腐蝕

東南大學的涂永明、呂志濤考慮了應力狀態、水灰比和保護層厚度等影響,進行了應力作用下的混凝土碳化試驗研究[18]。試驗中通過拉壓應力狀態的對比,表明拉應力加快了混凝土的碳化速度,壓應力的效果正好相反。且還繼而提出了應力狀態下混凝土碳化的數學模型。但該數學模型的內部因素自調節能力較強,而外部因素自調節能力則較弱。

解放軍理工大學的蔡傳國著重研究了應力作用下高齡混凝土表面的碳化規律[19-21]。通過對南京一些在役80年的混凝土建筑物進行現場檢測和室內試驗,結果表明混凝土表面的碳化速度同結構的應力狀態密切相關,只有處于低應力狀態下的混凝土結構才能達到理想的服役年限。無應力混凝土在常規的大氣環境下至少可以保持80年的壽命。

1.4 凍融等因素作用下混凝土的應力腐蝕

慕儒、嚴安等研究了荷載作用下高強混凝土的抗凍性[22]:荷載和凍融循環同時作用下,混凝土試件所能經受的凍融循環次數隨荷載比例的增大而減小。此外,他們進而通過改變混凝土基體,采用高性能混凝土研究了其在凍融和荷載共同影響下的損傷及損傷抑制[23]。慕儒還系統的考慮了凍融、荷載及鹽溶液復合作用下混凝土腐蝕狀況[24]。

陳拴發等引入應力腐蝕因子和介質腐蝕因子的概念,通過腐蝕介質強度損失百分率與應力腐蝕強度損失率較好的評定了高性能混凝土的應力腐蝕破壞[25],并對影響其應力腐蝕的因素進行了顯著性分析[26]:水灰比對應力腐蝕具有較強的影響,其中粉煤灰摻量、腐蝕溶液對高性能混凝土的應力腐蝕也都具有顯著性,而應力水平僅對混凝土應力腐蝕具有較強的顯著性。此外,陳拴發還對高性能混凝土的腐蝕疲勞特性開展了一定的研究工作[27]。指出疲勞荷載會加速腐蝕介質的滲透,加快混凝土的損傷,降低結構的抗疲勞性。

貢金鑫、王海超等用120 mm×200 mm×1700 mm鋼筋混凝土梁研究了腐蝕環境下的應力腐蝕[28]。相應地,何世欽、王海超、貢金鑫用同樣尺寸的鋼筋混凝土梁研究了它的抗彎性能[29]。

2 結論及展望

混凝土是人類社會建設工程中不可或缺的材料,鋼筋混凝土結構依然是我國現階段最主要最常見的建筑結構類型。各種結構物所處的實際環境是極其復雜的,影響鋼筋混凝土耐久性的因素并不是單一作用,同時也不可能是兩種乃至多種因素的簡單疊加。研究多種因素共同作用,特別是應力狀態下多因素耦合作用下混凝土結構或鋼筋混凝土結構的腐蝕特性,以便人們能夠較好地采取防護措施,達到理想的耐久性年限。

[1]洪定海.論防止混凝土結構中鋼筋腐蝕破壞的規范問題[R].全國鋼筋混凝土結構標準技術委員會混凝土耐久性成立大會報告,1991.

[2]方德友.我國鐵路橋梁病害淺析與對策[R].中國鐵道學會橋梁病害診斷及剩余壽命評估學術討論會,1995.

[3]金偉良,趙羽習.混凝土結構耐久性[M].北京:科學出版社,2002:1-6.

[4]楊崇豪.建筑材料的腐蝕及控制設計[M].北京:水利電力出版社,1990:1-48.

[5]冷發光,馮乃謙,邢 鋒.混凝土應力腐蝕研究現狀及問題[J].混凝土,2000(8):6-9.

[6]馮乃謙,邢 鋒.混凝土與混凝土結構的耐久性[M].北京:機械工業出版社,2009:188-203.

[7]林毓梅,吳相豪.在鹽酸溶液(pH=2)中混凝土應力腐蝕試驗研究[J].河海大學學報,1996,24(4):114-118.

[8]邢 鋒,冷發光,馮乃謙,等.長期持續荷載對素混凝土氯離子滲透性的影響[J].混凝土,2004(5):3-8.

[9]余紅發,孫 偉.在鹽湖鹵水環境中混凝土應力腐蝕行為[J].哈爾濱工業大學學報,2007,39(12):1965-1968.

[10]何世欽,貢金鑫.彎曲荷載作用對混凝土中氯離子擴散的影響[J].建筑材料學報,2005,8(2):134-138.

[11]趙尚傳,貢金鑫,水金鋒.彎曲荷載作用下水位變動區域混凝土中氯離子擴散規律試驗[J].中國公路學報,2007,20(4):76-82.

[12]林毓梅,馮 琳.在海水中混凝土應力腐蝕試驗研究[J].水力學報,1992(5):40-45.

[13]齊海濤,董黎明.涂層對應力腐蝕條件下混凝土氯離子滲透性的影響[J].中國科技信息,2008(5):43-45.

[14]張志興,張根亮,冷發光.5%硫酸銨溶液中混凝土應力腐蝕試驗研究[J].中國建材科技,2002(3):26-30.

[15]林毓梅,姜國慶.在5%硫酸鈉溶液中混凝土應力腐蝕試驗研究[J].混凝土與水泥制品,1996(2):22-25.

[16]慕 儒,孫 偉,繆昌文.荷載作用下高強混凝土的硫酸鹽侵蝕[J].工業建筑,1999,29(28):52-55.

[17]陳拴發,鄭木蓮,王秉綱.粉煤灰混凝土應力腐蝕特性試驗研究[J].中國公路學報,2005,18(3):14-17.

[18]涂永明,呂志濤.應力狀態下混凝土的碳化試驗研究[J].東南大學學報(自然科學版),2003,33(5):573-576.

[19]蔡傳國.高齡混凝土表面碳化與應力腐蝕關系的調查與試驗研究[J].混凝土,2007(6):4-6.

[20]蔡傳國.混凝土表面碳化與應力腐蝕關系的實驗研究[J].中國市政工程,2007(3):68-69.

[21]蔡傳國.高齡混凝土表面碳化與應力腐蝕關系的研究[J].實驗力學,2007,22(5):495-499.

[22]慕 儒,嚴 安,孫 偉.荷載作用下高強混凝土的抗凍性[J].東南大學學報,1998,28(4):138-143.

[23]慕 儒,嚴 安,嚴捍東,等.凍融和應力復合作用下HPC的損傷與損傷抑制[J].建筑材料學報,1999,2(4):359-364.

[24]慕 儒.凍融循環與外部彎曲應力、鹽溶液復合作用下混凝土的耐久性與壽命預測[D].南京:東南大學,2000:38-94.

[25]陳拴發,王秉綱.高性能混凝土應力腐蝕評價指標[J].交通運輸工程學報,2005,5(1):6-10.

[26]陳拴發,王秉綱.高性能混凝土應力腐蝕影響因素顯著性分析[J].長安大學學報(自然科學版),2005,25(5):1-5.

[27]陳拴發.高性能混凝土應力腐蝕與腐蝕疲勞特性研究[D].西安:長安大學,2004:91-112.

[28]貢金鑫,王海超,李金波.腐蝕環境中荷載作用對鋼筋混凝土梁腐蝕的影響[J].東南大學學報(自然科學版),2005,35(3):421-426.

[29]何世欽,王海超,貢金鑫.荷載與銹蝕共同作用下鋼筋混凝土梁抗彎試驗研究[J].水力發電學報,2007,26(6):46-51.