硫酸鹽與外力共同作用下混凝土樁基礎耐久性研究

文/杜祥帥、仇培濤、孫晨、許竟成、沙宇堯、趙祥岍 徐州工程學院 江蘇徐州 221008

普通混凝土是用水泥作膠凝材料，再加上砂、石、水并按一定比例配合而成。建筑結構是撐起建筑物的骨架，而建筑材料則是影響結構的物質基礎。混凝土是目前使用最為廣泛的建筑材料，有著高強度、低成本的經濟優勢。是樓房、橋梁、公路等建筑物的首選材料。混凝土的強度也在一步步隨時代的發展而增強，到現在已經由原來的低強度發展到如今的高強度甚至是超高強度，這在一定程度上也滿足了現代工程的需要。但是近年來，發生在國內外的混凝土及其建筑物崩塌事件屢見不鮮，尤其在早期，在一些沿海或者內湖附近地區，尤為常見。這種現象的發生，不是由于現代混凝土的強度未達標，而是混凝土自身的耐久性太弱，特別是在沿海地區，在物理作用和化學作用的雙重影響下，加快了混凝土的使用周期，也造成了一定的經濟損失和安全威脅。因此，對于混凝土耐久性的探究具有極大的經濟效益和社會意義，不僅是我國建筑結構水平的提升，更在學術研究上具有重要價值。

樁基礎是由樁群和承臺組成的一種結構，具有承載力高、沉降小、穩定性能好等優點，也是一種古老的承載結構，并有著適用范圍廣的優勢，亦不需要大范圍的開挖。樁基礎最早出現的形式是木樁，當然現如今這種形式已經很少使用了，現如今使用最多的是鋼筋混凝土樁，具有極高穩定性能和經濟優勢。剛樁隨也極強的穩定性，但因其經濟成本太高，也很少在工程上使用。因此，鋼筋混凝土樁被廣泛應用在高層建筑、碼頭、橋梁等。其受力作用是將荷載傳至地下土層，在作用上能承載水平荷載和豎值荷載。當然，樁基礎的使用對土層要求較高，需使用在較高硬度的土層上，才會承受其上部荷載[1]。

樁基礎的侵蝕破壞主要是由于硫酸鹽侵入了其內部結構，并與之發生了一定的反應，這是一個比較復雜的過程。新世紀以來，我國在建筑物的性能上更多的是追求強度，并未過多考慮混凝土建筑物的耐久性能，加之，我國提倡降低成本、追求工程造價的優勢，重點考慮現有的強度，在強度方面已經達到了日本、美國等發達國家的發展水平。但隨著建筑物的長期使用，據統計，在沿海地區以及內湖地區，曾經高強度的建筑，20年后大多數的建筑物出現了混凝土的損壞、甚至是鋼筋的裸露現狀。

經調查分析可得，混凝土結構同時受載荷和腐蝕的雙重影響，而抗氯離子滲透性能是影響混凝土結構腐蝕破壞的主演因素，因此，對這一研究的探索也顯得尤為重要。除此之外，我們通過查閱資料調研發現添加礦物摻合料是目前提高混凝土抗氯離子滲透性能的有效方法之一。

在海洋或者近海附近地區混凝土的機構破壞，主要是以鋼筋銹蝕導致的銹脹開裂，但在鹽湖和鹽堿地硫酸鹽侵蝕環境中，混凝土結構的耐久性劣化主要是以硫酸鹽結晶膨脹破壞為主。針對混凝土結構侵蝕破壞這一現象，國內外學者進行了大量有益的研究，也取得了一定的成果。但是，近些年來混凝土結構的研究主要集中在地面上部結構，而對于埋于地下的混凝土樁基礎卻鮮有研究，主要原因在于其樁基礎埋于地下，并未引起人們的注意，人們通常認為，混凝土樁基礎的耐久性不會存在問題，因此，這一細小方面的研究卻幾乎空白。與地面結構相比，樁基礎具有一定的隱蔽性，樁基礎不僅受巖土及地下水的侵蝕作用，還在裸露在大氣中的位置受到其環境中二氧化碳和氯離子的侵蝕作用，其復雜程度遠遠大于地面上的結構。

由于混凝土本上由一些粗骨料和細骨料摻雜混合攪拌而成，所以難免在澆筑過程中存在一些裂縫和氣泡等問題，因此，當外界的硫酸鹽與混凝土樁基礎接觸后，會順著流入樁基礎內部結構中，與之發生一系列反映并生成難溶的礦物。一方面導致混凝土樁基礎結構膨脹破壞，另一方面會水化產生氫氧化鈣和膠凝物質的分離和溶出，進而造成混凝土強度和粘結性的降低[2]。

混凝土樁基礎的侵蝕主要包含物理和化學兩種過程。物理作用主要是硫酸鹽腐蝕混凝土進入其內部后，在混凝土內結晶膨脹，從而導致其表面剝落破壞，關于其機理現如今只有三種觀點：固相體積理論、結晶水壓理論和鹽結晶壓力理論。化學作用主要是指水泥水化產物氫氧化鈣、鈣礬石等等化學元素發生一系列反應，進而引起的破壞機理，據當前研究所得，主要有：鈣礬石型、石膏型和混合型。

對實驗室各種樁基礎試樣進行實驗，利用水化反應和腐蝕反應驚醒合理簡化研究，分析其各組質量變化方程式，根據其守恒定理關系，利用模擬不同環境不同濃度下混凝土的腐蝕作用的實驗，從而得出混凝土腐蝕耦合作用下樁基礎的力學性能，進而得出其耐久性。

經過大量的查閱資料得知發現：當今對于硫酸鹽侵蝕的預防，主要有四種辦法：（1）降低水膠比；（2）使用專用抗硫酸鹽水泥；（3）在混凝土表面涂防腐保護材料；（4）添加礦物摻合料。但細細分析，前兩種方法價格過高，不具有經濟優勢，第三種耐久保持性過低，周期較短，且施工繁瑣。第四種方法具有一定的價格和環保優勢，因此在工程實踐中得到大量的應用，但其摻和量沒有一定的規定，進而可能會造成混凝土性能的不穩定。

經過簡化實驗得知，影響混凝土性能的因素主要為硅灰、粉煤灰和礦粉的摻和量，會帶來一定的利或者弊，因此，進行第四種方法添加摻合料時，應慎重選擇，尤其要考慮其對混凝土性能的影響。

由于目前實驗還未能滿足硫酸鹽腐蝕后性能的變化及多方面因素的控制，因此主要通過簡化實驗，進而查閱資料，根據相應的理論與數值的推算，得出這一項目的研究目的。