基于環(huán)境侵蝕的混凝土耐久性能測試分析★

詹欽鵬 尹遇學 吳多 張智越 常康

(南昌工程學院土木與建筑工程學院，江西 南昌 330099)

1 概述

混凝土作為常見的建筑材料，被廣泛應用于各類房屋、橋梁等工程結構的建設中[1]。長久以來國內外學者以混凝土材料為對象開展了各類受力特性和耐久性能研究[2]，這大大推動了混凝土材料和各類技術的革新發(fā)展。目前各類纖維混凝土構件[3]、再生混凝土構件[4]、UHPC構件[5]等改進型混凝土構件的應用繼續(xù)推動著結構向高聳、大跨化發(fā)展。

但由于混凝土材料本身存在抗裂性差、受外部環(huán)境影響大等缺陷，且在運營階段期間易受到各類直接、間接荷載影響，大大影響了其安全、適用和耐久性能[6]。因此，繼續(xù)針對各類混凝土材料進行進一步探討研究意義重大。

2 外部環(huán)境侵蝕分析

混凝土構件應用廣泛，所處環(huán)境也錯綜復雜。據(jù)相關機構不完全統(tǒng)計，由構件的耐久性損傷導致的結構失效占很大比例[7]。究其原因，外部環(huán)境中的高溫、凍融、酸堿侵蝕、碳化、紫外線輻射、濕度等影響因素會對混凝土的正常運營產生各種不良影響[8]，具體如下。

2.1 外部單環(huán)境因素影響分析

2.1.1溫度影響

差異化的溫度作為自然環(huán)境的典型表現(xiàn)形式，對混凝土等材料在使用過程中的各項性能有較大影響。目前基于高、低溫環(huán)境下的普通混凝土構件的各類力學性能已經得到廣泛研究，具備較為成熟的理論。但日益發(fā)展的各類纖維混凝土、再生混凝土和UHPC的溫度變化效應還有待進一步探討研究。

趙燕茹等[9]通過開展玄武巖纖維混凝土的高溫試驗后發(fā)現(xiàn)，不同溫度下的抗力性能變化具有一定差異，且相比于纖維摻量高溫對其性能影響更大。基于此，彭帥等[10]開展了鋼纖維混凝土試件在高溫條件下的動態(tài)壓縮試驗，其結果表明混凝土具有較強的溫度損傷效應，并進一步驗證了鋼纖維的摻量對構件的抗力性能有一定的增強效應。但高溫作用下導致的爆裂風險，也會嚴重影響混凝土構件的安全運營。

凍融方面的研究，目前也多集中于纖維材料和其他改性材料復合混凝土結構的損傷規(guī)律和應力破壞方面的研究。張偉等[11]通過測定并計算不同纖維摻量混凝土凍融前后的動彈性模量，其結果表明鋼—聚丙烯—聚酯三元混雜纖維對凍融損傷有較好抑制效果，且外部彎曲應力也是影響凍融損傷的重要因素。而邱繼生等[12]的研究表明，在混凝土中摻加一定含量的煤矸石可提高其抗凍性能。

2.1.2碳化影響

由于碳化會影響各類混凝土結構的內部組織構造，因此也可作為混凝土的耐久性指標，用來表征混凝土的狀態(tài)。近幾年來，國內外學者基于碳化方面開展了諸多廢舊料摻量、碳化深度預測方面的研究。李志凱等[13]通過開展煤矸石陶粒混凝土的快速碳化試驗后發(fā)現(xiàn)，其碳化深度的變化規(guī)律類似于普通混凝土，大體上與時間的平方根成線性關系，且當煤矸石陶粒摻量為20%時，其抗碳化性能最好。李波等[14]的研究表明，礦渣粉、粉煤灰和石灰石粉等摻和料的摻入對混凝土碳化深度具有差異化影響。

2.1.3化學侵蝕影響

混凝土結構在運營使用過程中會持續(xù)受到土壤、湖泊中存在的各類酸堿離子的侵蝕，發(fā)生各類物理化學變化。在硫酸鹽、氯鹽等化學環(huán)境的長期侵蝕下，常會導致結構性能的逐漸劣化。為進一步研究其損傷機理，減少混凝土構件的化學侵蝕破壞，目前多采用電化學加速試驗、外加摻合料等方式對其規(guī)律進行探討。如李賀等[15]研究了再生骨料、水灰比、廢棄纖維等因素對混凝土抗硫酸鹽侵蝕的影響規(guī)律，其試驗結果表明再生骨料的改善，對侵蝕初期具有一定改善。且外摻0.02%～0.04%的廢棄纖維對混凝土抗侵蝕性能有較好提高效果。潘一鳴等[16]的研究結果表明，對于混凝土而言碳酸鹽的侵蝕結果比硫酸鹽更嚴重。

2.2 外部復合環(huán)境因素影響分析

自然環(huán)境錯綜復雜，影響各類混凝土構件運營的外部環(huán)境往往是多方面、復合作用的。因此基于外部環(huán)境影響的耐久性能分析通常不是各類單環(huán)境因素，而是凍融、鹽類侵蝕和碳化等外部環(huán)境的復合影響。張立群等[17]通過各類耐久性試驗表明由于硅灰自密實混凝土的密實度較好，因此在凍融作用后，其抗碳化能力較普通混凝土更強。李北星等[18]研究了酸雨—凍融耦合侵蝕對混凝土性能劣化的規(guī)律，其結果表明凍融會加劇混凝土內部開裂，加速酸雨的酸性化效果，從而導致混凝土結構的進一步劣化。

3 混凝土耐久性測試分析

3.1 測試裝置

經過數(shù)10年的儀器學科的發(fā)展，目前已有不少設備可用于測試混凝土的各項耐久性能，表1列出了部分耐久性能的測試儀器設備。

表1 測試耐久性指標的儀器情況

由表1可知，對于不同的混凝土耐久性能指標，可以采用不同的儀器設備進行實驗室的模擬。但有時候也可采用相近儀器替代。如測試混凝土的抗凍性能時，既可采用如表1所示的凍融試驗箱，也可利用低溫箱和恒溫水浴箱組合進行[19]。

3.2 測試方案分析

對于混凝土材料的檢測，通常需要對構件進行各類侵蝕環(huán)境的模擬，然后再測試其力學行為進行分析。因此，其耐久性能測試通常是多儀器組合進行的。

如劉俊龍[20]在常規(guī)的粗骨料中摻入陶粒等輕骨料并加入粉煤灰、礦渣粉等摻合料與水泥、水、外加劑共同拌合，進行礦物摻合料輕骨料混凝土的制備。在標準養(yǎng)護后測試其各項性能指標。一方面，測試該混凝土的立方體抗壓強度和棱柱體抗壓強度，分析其破壞特征并采用掃描電鏡觀測其微觀結構破壞；另一方面，測試該混凝土的各項耐久性指標，分析其耐久性能，如圖1所示。

4 結論

本文以混凝土耐久性測試分析為對象，對影響構件運營的各種外部侵蝕環(huán)境進行闡述，并綜述當前各類耐久性指標的研究進展。基于此對測試混凝土耐久性的設備和通用測試方案進行分析，為后期相關儀器的制作和試驗的開展提供參考。