硫酸鹽環境中隧道襯砌化學—應力耦合作用機理研究

彭彰林 徐林生

摘 要：文章對服役于硫酸鹽環境中混凝土結構物的性能退化機理進行研究探討，分別闡述了三大不同類別硫酸鹽侵蝕破壞的作用機理，著重分析了化學場、應力場兩場耦合作用對混凝土材料性能造成的影響，并探討了不同拉應力水平作用下材料抗壓強度、相對動彈性模量的時變規律。

關鍵詞：多場耦合；硫酸鹽侵蝕；材料性能；劣化機理

中圖分類號：U455.91 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）10-0058-02

Abstract： In this paper， the mechanism of performance degradation of concrete structures serving in sulphate environment is studied， and the action mechanism of three different kinds of sulphate erosion and destruction is expounded respectively. The influence of the coupling of chemical field and stress field on the properties of concrete is analyzed emphatically， and the time-varying law of compressive strength and relative dynamic elastic modulus of the material under different tensile stress levels is discussed.

Keywords： multiple field coupling； sulfate erosion； material properties； degradation mechanism

1 概述

硫酸鹽作用下混凝土的劣化破損研究已展開一百余年，但其機理仍未完全揭曉，地層中較常見的硫酸鹽有Na2SO4、K2SO4、MgSO4、（NH4）SO4，等，雖然整個劣化過程中包含著化學腐蝕、應力損傷、鹽結晶破損等作用，但人們常習慣于將混凝土構件的硫酸鹽侵蝕破壞單純的歸結為化學侵蝕過程，而常常忽略圍巖壓力即襯砌結構所處應力場的影響。隨著硫酸鹽環境中混凝土腐蝕破損機理研究的深入推進，人們逐漸意識到，混凝土結構服役應力場環境的重要性。

2 硫酸鹽化學腐蝕機理簡述

按照致使混凝土結構破壞瓦解的主要因素來分，可將硫酸鹽環境中混凝土材料的劣化破損分成，物理侵蝕、化學侵蝕以及化學物理侵蝕三大類別[1]，現將三者區別分述如下：

2.1 物理侵蝕破壞

以鹽結晶膨脹破壞占主導地位的物理性侵蝕劣化，其機理是混凝土孔融液中鹽的過飽和結晶，結晶產生膨脹壓，最后致使材料膨脹開裂發生破壞，是一種物相上的結構調整，較常見的是硫酸鈉、硫酸鎂的飽和結晶破壞。

2.2 化學侵蝕破壞

以消耗水化膠結材料C-S-H、CH或生成無膠結能力物質為主要劣化因素的化學侵蝕，這種破壞幾乎無明顯的外觀變化，連續布滿試件，整個劣化破損潛在進行，但材料內部膠結力變差，力學性能耗散嚴重，正因如此，其后果將更為嚴重，硫酸鎂的侵蝕作用就屬這類破壞，其反應方程式如下：

MgSO4+Ca（OH）2+2H2O→CaSO4·2H2O+Mg（OH）2

xMgSO4+（xCaO·ySiO2·zH2O）+（3x+0.5y-z）H2O→xMg（OH）2+x（CaSO4·2H2O）+0.5y（2SiO2·H2O）

SiO2·nH2O+4Mg（OH）2→4MgO·SiO2·8.5H2O+（n-4.5）

H2O

2.3 化學物理侵蝕破壞

上述兩種劣化作用均有，相互交織、互相影響，是最常見的硫酸鹽腐蝕劣化，硫酸鈉的侵蝕作用就屬這類破壞，其反應方程式如下：

3CaO·Al2O3·6H2O+3Ca2++3SO42-+26H2O→3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O

3 化學場-應力場耦合作用機理

眾所皆知，混凝土結構如果長期服役于含硫酸鹽的侵蝕性環境中，則其各項性能均會出現不同程度的劣化耗散，加之，此時結構總承受著一定的外界荷載，應力場的作用會對材料內部微觀結構造成影響，將會加劇或是削弱化學場（本文僅討論含硫酸鹽的化學腐蝕環境）對混凝土的侵蝕作用。

3.1 化學場對應力場的影響

混凝土結構若是僅承受同一水平的荷載作用，無硫酸鹽侵蝕，則對混凝土的服役性能影響不大，因為正常工作中混凝土結構所承受的應力，僅僅是有助于其內部微小裂紋的擴展，若是沒有硫酸鹽的腐蝕作用，這些微小的裂紋很難相互連通，更別說誘發開裂，其過早的劣化破損應歸結為強度問題[2]。

如若沒有化學場的存在，那么由外部荷載作用產生的應力場分布穩定，隨工作時間的推移變化不明顯，因為在一般環境中服役的混凝土結構比較穩定，材料的耐久性優良。化學場的出現會對混凝土材料產生或大或小的破壞作用，常引起內部微觀結構發生變化，進而導致應力場自發調整，即應力重分布。

3.2 應力場對化學場的影響

隨著應力場內不同部位應力屬性（使構件受拉、受壓等）的變化，硫酸鹽化學場的侵蝕作用也會隨之受到不同的影響，薛耀東等學者在試驗研究中發現，不同應力狀態下的混凝土試件若要達到相同的破損程度，那么處于較大壓應力狀態下的試件，在侵蝕時間上要比處于無應力狀態、較小壓應力狀態以及拉應力狀態的試件長得多。也就是說，試件所承受的壓應力有利于抵抗硫酸鹽的腐蝕破壞作用，而拉應力的出現對混凝土的抗硫酸鹽腐蝕有著不利作用。

這一現象可從微觀層面上來做出解釋，當試件處于無應力狀態時，由多孔材料的特性可知，硫酸鹽可以通過毛細通道逐步滲透擴散至混凝土內部，并與那里的水化物質發生化學反應生成膨脹性結晶鹽如AFt或其他侵蝕物質，腐蝕由外至內逐層破壞，最后使混凝土材料變得疏松而喪失承載能力。若是試件處于拉應力狀態，由于混凝土材料的抗拉強度很低，所以在拉應力的作用下更容易產生應力損傷，即處于拉應力狀態試件內部的“侵蝕通道”比無應力狀態要多，所以其劣化速度更快、破損程度更嚴重。若是試件處于壓應力狀態，壓力的存在使得混凝土材料內部的毛細孔隙被壓縮，微裂紋減少，有利于結構致密，因內部“侵蝕通道”變窄，自然就降低了硫酸鹽的侵蝕速率，所以在相同的時間里其內部生成的侵蝕性物質較少，即膨脹應力減小，宏觀上表現為抗硫酸鹽侵蝕性能較好。不同部位的隧道襯砌結構，其內部的應力狀態各不相同，所以自然得出：同一混凝土結構，因不同部位應力狀態存在著差異，就算化學場“場強”處處一致，即外界環境中蝕性離子分布均勻，其受硫酸鹽腐蝕破壞的程度也會有很大不同，這與受硫酸鹽侵蝕破壞的實際工程病害特征分布相符。

4 拉應力作用對材料力學性能的影響

4.1 應力比對抗壓強度的影響

已有的試驗研究成果表明，其他條件一定，長期承受彎拉應力作用下的混凝土試件，其抗壓強度變化規律與不受荷載作用時基本一致，總體來說其變化趨勢均為先增大后減小。只是當應力比（即實際彎拉應力與極限抗拉強度的比值）較大，如大于0.6時，混凝土結構內部出現了應力損傷，原有的微觀孔隙結構被改變，出現了較多的微小損傷裂紋，使得環境中硫酸鹽的滲透入侵速率增大，在孔隙面上快速生成膨脹性結晶體，但是隨著微裂紋的出現材料的孔隙率也被增大了，所以在腐蝕劣化初期宏觀上表現為應力比小的試件強度變化率大。

到了腐蝕劣化的中后期，由于應力比較大的混凝土試件受損更為嚴重，結構體系“松散”，則有應力比大的試件強度變化率更大，同時其強度峰值要稍低而且強度上升期時間也稍短。董宜森等學者的研究成果就很好的佐證了上述變化規律，他們在試驗中發現，混凝土試件的起裂荷載與其極限強度的比值PQ/Pmax大致分布在0.55～0.90之間，起裂韌度和失穩韌度在侵蝕前期均有所增大，下降的時間轉折點分別是第30天和第60天，同時得出在硫酸鹽的侵蝕作用下，混凝土材料的起裂韌度比失穩韌度更敏感。

4.2 應力比對相對動彈性模量的影響

若混凝土試件處于不同程度的拉應力狀態，那么由于應力損傷的存在，應力比越大，試件內部微損傷裂紋越多，而且這種微小裂紋常與毛細孔隙連通，加密了侵蝕性離子的“傳輸”通道，極大促進了硫酸鹽對混凝土的侵蝕作用，進而導致試件的動彈性模量下降速率變快，破損越嚴重。當應力比較小時，材料的時變曲線呈現出明顯的三階段，即初始劣化階段、平穩發展階段、快速破壞階段；若是應力比大于0.6，時變曲線下降的三個階段已不再明顯，而是以較大的斜率持續下降[3]。

5 結束語

研究雙因素甚至是多因素耦合作用下，混凝土結構物的劣化破損機理，擺脫了傳統從單因素著手研究實際問題的局限性，這樣有助于揭露事物的本質，更好的反映混凝土結構的實際服役情況。

應力場屬性的變化會對化學場產生兩種截然不同的影響，因為混凝土是一種抗壓材料，一定壓應力的作用有利于材料性能的發揮，使其內部結構更致密，相對而言就“削弱”了化學場的侵蝕作用；相反拉應力的出現，易對材料造成應力損傷，使其內部微觀孔隙增多，也就“增強”了化學場的侵蝕作用，而且拉應力比越大，材料的抗壓強度、相對動彈性模量等性能指標下降越嚴重。化學場的侵蝕作用會對應力場造成影響，這種影響相較于無硫酸鹽侵蝕情況十分明顯，由化學侵蝕造成的結構松散、開裂破損，改變了混凝土的材料性能，會引起應力場的自調整。

參考文獻：

[1]杜建民，梁詠寧，張風杰.地下結構混凝土硫酸鹽腐蝕機理及性能退化[M].北京：中國鐵道出版社，2011.

[2]慕儒，孫偉.荷載作用下高強混凝土的硫酸鹽侵蝕[J].工業建筑，1999，29（8）：52-55.

[3]徐惠，陳占清，郭曉倩.硫酸鹽腐蝕下高性能混凝土物理力學性能及影響因素[J].煤炭學報，2012，37（2）：216-220.

[4]薛耀東，曹懷建，李清，等.不同應力狀態下混凝土硫酸鹽侵蝕試驗研究[J].施工技術，2014，43（增刊）：299-302.

[5]孫建新.多因素協同作用下混凝土抗硫酸鹽侵蝕性研究[J].鐵道建筑，2010（9）：132-133.

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[7]秦虎，安亞麗，張峰，等.硫酸鹽漬土及其改良土強度特性對比分析[J].科技創新與應用，2016（01）：13-14.