基于高性能混凝土應力腐蝕機理分析

張義祥 任小敏

摘要：高性能混凝土是按耐久性設計的混凝土，但其在使用過程中，經(jīng)常會因周圍環(huán)境侵蝕性介質(zhì)的浸入而逐漸劣化。產(chǎn)生這種劣化的潛在因素是混凝土中的化學成分和結(jié)構(gòu)，外部條件是環(huán)境介質(zhì)和水的存在，必要條件是外部侵蝕性介質(zhì)和水能逐漸進入混凝土內(nèi)部。水泥混凝土結(jié)構(gòu)物很少是在理想環(huán)境中存在的，混凝土作為一種結(jié)構(gòu)材料不但其存在環(huán)境惡劣，而且大多承受荷載作用，像公路結(jié)構(gòu)物等還要承受頻繁的交通荷載作用。因此，混凝土結(jié)構(gòu)物也同時遭受力學、物理和化學的綜合作用。下面筆者探討了高性能混凝土應力腐蝕機理。

關鍵詞：高性能混凝土；應力腐蝕；機理

一、高性能混凝土孔結(jié)構(gòu)和過渡區(qū)結(jié)構(gòu)

1、高性能混凝土的孔結(jié)構(gòu)

水泥熟料礦物成分和外加的粉煤灰摻合料遇到水后發(fā)生水化反應，生成大量棒針狀的鈣礬石和細小的纖維狀水化硅酸鈣，并填充于原先為水所占的空間。隨時間增長，生成的水化產(chǎn)物越來越多，晶體長大，水泥混凝土產(chǎn)生收縮。當水泥石的抗拉強度小于收縮應力時，在水泥石內(nèi)部形成許多比較明顯的收縮裂縫，這些裂縫的存在，使水泥混凝土的本體強度通到極大破壞，也導致混凝土宏觀強度遠低于本體強度。更為嚴重的是，這些裂縫在未來的使用環(huán)境中，給外界腐蝕介質(zhì)的侵入提供了順暢的通道，并使得混凝土抗應力腐蝕特性嚴重降低。

2、高性能混凝土的過渡區(qū)結(jié)構(gòu)

新拌混凝土漿體在重力作用下，水泥顆粒向下運動，水向上運動，集料對這種水的運動起到阻礙作用，使水在集料下面形成水囊，并形成明顯的內(nèi)分層同樣，水泥熟料顆粒水化放出了大量的Ca2+并由水帶到集料一下面，在集料下面富集，形成了界面過渡區(qū)。這樣，當集料表面存在法向拉應力、切向剪應力或者兩者同時存在時，裂縫極易在這一定向結(jié)晶層內(nèi)形成并擴展

二、高性能混凝土應力腐蝕的影響因素

1、腐蝕介質(zhì)對應力腐蝕的影響

混凝土受腐蝕介質(zhì)的侵蝕隨介質(zhì)化學性質(zhì)的不同而不同。

（1）Na 2SO4，MgSO4，MgCI2腐蝕

在硫酸鹽腐蝕中，Na 2SO4是最為常見的兩種腐蝕介質(zhì)，能同時腐蝕水泥水化產(chǎn)物氫氧化鈣、水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣。

Na 2SO4腐蝕的反應式為：

Na 2SO4+Ca（OH）2+2H2O=CaSO4 ·2H20+2NaOH

MgSO4腐蝕的反應式為：

MgSO4+ Ca（OH）2+2H2O= CaSO4 ·2H2O +Mg （OH）2

MgCI2腐蝕：

在地下水、海水中，鎂離子、抓離子、硫酸根離子普遍存在，氯化鎂與水泥的水化產(chǎn)物Ca（OH）2，有以下反應過程：

MgCI2+ Ca（OH）2=CaCI2+ Mg （0H）2

從Na 2SO4，MgSO4，MgCI2與水泥水化產(chǎn)物的反應可以看出，混凝土劣化的主要原因或根源是Na 2SO4，MgSO4，MgCI2與水化產(chǎn)物形成鈣礬石、石青導致的膨脹開裂及硫酸鎂導致C-S-H凝膠處于不穩(wěn)定狀態(tài)，分解出Ca（OH）2，破壞了C-S-H的凝膠性。另外，在硫酸鹽腐蝕早期，與水泥水化產(chǎn)物生成大量AFt ，鈣硅石等大分子晶體。這些大分子晶體相互搭接，填滿原來由水所占據(jù)的空間固體粒子逐漸靠近，使得混凝土內(nèi)部變得密實，強度有所提高，在應力腐蝕早期，應力的作用，會擴展、加大混凝土內(nèi)部的孔隙，給大分子晶體生長提供空間，有利于早期強度的提高，這也是應力腐蝕試件強度衰減較慢的原因。但隨著時間的延長，混凝土內(nèi)部剩余空間變少，不斷生成的AFt， Ca（OH）2等相沒有生長的空間，只能在原空間反復疊加生長，當達到一定程度時，就會在混凝土構(gòu)件內(nèi)部產(chǎn)生體積膨脹，使得水泥石與集料分離，而外加應力的存在，更加大了這種分離，引起更多的殘余塑性變形，使混凝土密實性變差，強度大大降低，也就使得其抗變形能力降低，即表現(xiàn)為極限彎拉應力降低，在應力腐蝕早期，施加的高應力擴大了內(nèi)部空間，產(chǎn)生較多微裂縫，有利于AFt相的介入，使得混凝土內(nèi)部密實，同基準強度相比強度反而提高；施加低應力時，相對產(chǎn)生微裂縫較少，與高應力作用一樣，硫酸鈉的介入及AFt相的生長是同程度的，相對來說這時AFt相生長空間受到限制，產(chǎn)生一定的內(nèi)部擴張，使水泥石與集料有所分離，同基準強度相比強度有所下降。

（2）清水腐蝕

當混凝土處于流動的水中時，特別是有水壓、沖刷、滲流等作用下，水不斷滲透過混凝土，幫助混凝土液相中的Ca（OH）2向濃度更低的環(huán)境水中擴散，導致固相游離Ca（OH）2溶解以恢復到被破壞的濃度平衡持續(xù)下去，固相游離Ca（OH）2被全部溶解，水泥石液相中Ca（OH）2濃度因得不到補充而開始降低，當?shù)陀谒嗨a(chǎn)物穩(wěn)定存在的極限濃度時，膠凝物質(zhì)發(fā)生分解。

2、干濕循環(huán)對應力腐蝕的影響

混凝土在自然環(huán)境干濕條件下，腐蝕最容易發(fā)生和發(fā)展。尤其作為公路工程用混凝土，許多長期處于水、土與大氣交界面部位，是腐蝕破壞最突出的地方。在海水、鹽堿地一帶，干濕交替還容易發(fā)生鹽的濃縮、結(jié)晶過程，對混凝土的腐蝕非常嚴重，導致橋梁結(jié)構(gòu)、水泥混凝土路面的耐久性降低，水泥混凝土表面3到5年就斑駁粉化。

三、混凝土應力腐蝕機理

1、滲透性

滲透性是評價混凝土耐久性能的一個綜合指標、它是指氣體、液體或者離子受壓力、化學勢或者電場的作用，在混凝土中滲透擴散或遷移的難易程度。混凝土滲透性與耐久性間有著密切關系，混凝土獲得高耐久性與長壽命的關鍵是提高混凝土的抗?jié)B性。例如，混凝土發(fā)生硫酸鹽腐蝕的必要條件是水及腐蝕離子進入混凝土內(nèi)部，鋼筋發(fā)生銹蝕破壞需要離子去破壞鋼筋鈍化膜或者二氧化碳氣體破壞混凝土的高堿性環(huán)境，以及水分和氧氣參與，碳化反應需要二氧化碳和水分的參與等。如果混凝土抗?jié)B性好，水分及有害離子滲透不到混凝土內(nèi)部就不致造成其損傷破壞。因此，混凝土要獲得高性能長壽命，必須具有高的抗?jié)B透性.

2、混凝土應力腐蝕機理

混凝土屬于多孔聚集體其中的孔、縫既是主要組分，也是必需成分。在飽和的腐蝕介質(zhì)溶液中，腐蝕介質(zhì)及其與水泥水化產(chǎn)物的反應產(chǎn)物以各種形態(tài)，充滿了混凝土的孔隙和粘結(jié)裂縫。受到荷載作用時，混凝土內(nèi)部的孔隙、裂縫形態(tài)和數(shù)量發(fā)生變化，失去原有的平衡狀態(tài)，使得混凝土中微粒表面或裂縫中的水膜變薄，如果要恢復到原有厚度，外面的水膜需不斷進入。而水膜增厚的過程，必然使混凝土微粒散化，削弱相互間的作用力。同時，使混凝土中裂縫逐步脹裂，膠結(jié)作用受到破壞，形成腐蝕溶液的“楔入作用”。而腐蝕產(chǎn)物的膨脹應力、外加應力的作用，會加速這種“楔入作用”的發(fā)生。這些作用反復交叉，相互影響，使混凝土出現(xiàn)過早破壞。

四、結(jié)語：

以上筆者粗略分析了高性能混凝土應力腐蝕機理，經(jīng)過實踐表明，在混凝土中適量的摻入粉煤灰可以明顯改善混凝土的抗應力腐蝕。由于篇幅和水平有限，還有許多內(nèi)容沒涉及到，比如：高性能混凝土腐蝕疲勞特性等，在今后工作中筆者將繼續(xù)高性能混凝土應力腐蝕進行研究。

參考文獻：

[1]王大富，施養(yǎng)杭，黃慶豐《混凝土應力腐蝕研究現(xiàn)狀》山西建筑2013，8.

[2]王恩亭.《混凝土應力腐蝕與涂層防護技術》21世紀建筑材料2014，3.