混凝土硫酸鹽侵蝕研究現(xiàn)狀

混凝土硫酸鹽侵蝕研究現(xiàn)狀

0混凝土耐久性研究我國(guó)地鐵、隧道發(fā)展現(xiàn)狀硫酸鹽侵蝕是影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的重要因素。東部沿海的重鹽漬土、海洋、內(nèi)陸鹽湖、地下水、工業(yè)廢水中均含有硫酸鹽。我國(guó)西北部有1000多個(gè)鹽湖、西南部有大片酸雨區(qū)、東部沿海有大量鹽漬土,這些地區(qū)的混凝土工程的耐久性都經(jīng)受著硫酸鹽侵蝕的嚴(yán)峻考驗(yàn)。近年來(lái),在公路、鐵路、礦山建設(shè)、地下人防工程、橋梁基礎(chǔ)、隧道襯砌、地鐵隧道管片、水電工程,例如黃河中上游的劉家峽水電站、八盤峽水電站、青海朝陽(yáng)水電站以及一些電力提灌工程、海港以及機(jī)場(chǎng)等混凝土工程中均發(fā)現(xiàn)了嚴(yán)重的硫酸鹽侵蝕現(xiàn)象。由于材料性能劣化,結(jié)構(gòu)在未達(dá)到設(shè)計(jì)使用壽命前就提前退出服役,造成人力和財(cái)力的極大浪費(fèi)。硫酸鹽侵蝕會(huì)導(dǎo)致混凝土膨脹變形及強(qiáng)度、剛度等力學(xué)性能降低,并顯著地降低結(jié)構(gòu)的承載能力,使結(jié)構(gòu)安全性下降。硫酸鹽侵蝕涉及硫酸根離子在混凝土中的傳輸、離子與混凝土組分之間的化學(xué)反應(yīng)、膨脹變形以及應(yīng)力導(dǎo)致混凝土損傷破壞等多方面的問題,是混凝土耐久性研究的熱點(diǎn)之一。本研究通過對(duì)現(xiàn)有資料總結(jié),對(duì)硫酸鹽侵蝕類型、影響因素、研究現(xiàn)狀進(jìn)行評(píng)述,分析已有研究中存在的問題,對(duì)未來(lái)研究方向、研究方法進(jìn)行分析和討論。1混凝土缺陷引起的理化性質(zhì)犯罪混凝土結(jié)構(gòu)遭受硫酸鹽侵蝕以后,大多數(shù)會(huì)產(chǎn)生體積膨脹,表面出現(xiàn)開裂、剝落。國(guó)外還報(bào)道過混凝土工程遭受硫酸鹽侵蝕后硬化水泥漿體出現(xiàn)嚴(yán)重的軟化而失去膠結(jié)能力、強(qiáng)度嚴(yán)重下降的現(xiàn)象,并不一定伴隨著明顯的體積膨脹。破壞形式不同,主要是因?yàn)槠茐臋C(jī)理不同造成的,因此有必要按照侵蝕機(jī)理對(duì)混凝土硫酸鹽侵蝕進(jìn)行分類。(1)鈣礬石(AFt)結(jié)晶型侵蝕。侵入混凝土內(nèi)部孔隙的硫酸鹽能與水泥石中的Ca(OH)2作用生成硫酸鈣,硫酸鈣再與水泥石中水泥水化產(chǎn)物水化鋁酸鈣反應(yīng)生成高硫型水化硫鋁酸鈣,俗稱鈣礬石(AFt),反應(yīng)方程式為:鈣礬石的溶解度極小,在化學(xué)結(jié)構(gòu)上結(jié)合了大量的結(jié)晶水,為針狀晶體,其體積約為水化鋁酸鈣的2.5倍。由于硫酸鹽侵蝕生成的鈣礬石是在原固相水化鋁酸鈣的表面形成,從而使固相體積顯著增大而導(dǎo)致水泥石開裂。鈣礬石膨脹破壞的特點(diǎn)是混凝土試件表面出現(xiàn)少數(shù)較粗大的裂縫?；炷量紫端芤簆H值越高,鈣礬石的膨脹越顯著。(2)石膏結(jié)晶型侵蝕。當(dāng)侵蝕溶液中SO42-濃度相當(dāng)高(大于8000mg/L)時(shí),水泥石中的毛細(xì)孔為飽和石灰溶液所填充,不僅有鈣礬石生成,而且在水泥石內(nèi)部還會(huì)有二水石膏結(jié)晶析出,反應(yīng)方程見式(1)。Ca(OH)2轉(zhuǎn)變?yōu)槭?體積增加1.24倍。可見上述反應(yīng)消耗了Ca(OH)2,而水泥水化產(chǎn)物中的Ca(OH)2不僅是水化硅酸鈣凝膠(C-S-H)等水化產(chǎn)物穩(wěn)定存在的基礎(chǔ),而且它本身也是硬化水泥漿體的重要組成部分,因此外部硫酸鹽的侵入破壞了原有固相結(jié)構(gòu),并導(dǎo)致膨脹。(3)碳硫硅鈣石型侵蝕(TSA)。國(guó)外已有不少關(guān)于碳硫硅鈣石(CaCO3·CaSiO3·CaSO4·15H2O)型硫酸鹽侵蝕(簡(jiǎn)稱TSA)導(dǎo)致工程破壞的報(bào)道。TSA是近來(lái)硫酸鹽侵蝕研究的熱點(diǎn)之一。碳硫硅鈣石的形成可分為離子遷移(SO42-通過混凝土孔隙向內(nèi)遷移,OH-、Ca2+從水泥石中溶出,向外擴(kuò)散)、AFt生成、石膏生成、碳硫硅鈣石生成4個(gè)時(shí)期,碳硫硅鈣石生成期的反應(yīng)方程式為:一般的硫酸鹽侵蝕(AFt結(jié)晶型、石膏結(jié)晶型、硫酸鹽自身結(jié)晶物理型侵蝕)破壞主要是導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)物體積膨脹、開裂以至破壞。TSA則是直接導(dǎo)致C-S-H凝膠解體,逐漸由表及里使水泥石變?yōu)闊o(wú)強(qiáng)度、無(wú)黏結(jié)力的砂石混合物,其破壞性較傳統(tǒng)硫酸鹽侵蝕更強(qiáng)。文獻(xiàn)較全面地總結(jié)了近年來(lái)國(guó)外關(guān)于TSA的研究,從碳硫硅鈣石的組成、晶體結(jié)構(gòu)、物理化學(xué)性質(zhì)及其在水泥基材料中的形成條件、形成機(jī)理、影響因素(反應(yīng)物、溫度、濕度、時(shí)間、水泥基材料的組成),TSA對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的劣化機(jī)理和TSA工程劣化形式等方面做了較為全面的闡述。TSA經(jīng)常發(fā)生于采用石灰石質(zhì)骨料拌制的混凝土中,其劣化程度隨石灰石粉末含量增加而加劇。文獻(xiàn)研究了不同品種水泥抗TSA侵蝕的能力。比較而言,硫鋁酸鹽水泥有較好的抗TSA侵蝕的能力。相比于國(guó)外對(duì)TSA的研究,國(guó)內(nèi)研究還是相對(duì)較少,也不夠深入和全面。(4)硫酸鹽結(jié)晶型物理侵蝕。文獻(xiàn)[9-10]研究了硫酸鈉自身在混凝土毛細(xì)孔內(nèi)結(jié)晶的物理侵蝕。當(dāng)混凝土孔隙溶液中硫酸鹽濃度足夠高時(shí)會(huì)結(jié)晶析出,NaSO4結(jié)晶為NaSO4·10H2O,MgSO4結(jié)晶為MgSO4·7H2O,體積顯著膨脹,造成結(jié)晶壓力,導(dǎo)致混凝土開裂。文獻(xiàn)還提出降溫作用下NaSO4的鹽結(jié)晶壓力可超過7MPa,大大超過混凝土的抗拉強(qiáng)度。(5)MgSO4雙侵蝕型。當(dāng)侵蝕溶液中SO42-和Mg2+共存時(shí),將發(fā)生MgSO4雙侵蝕破壞,其原因是Mg2+和SO42-均為侵蝕源,二者破壞效應(yīng)相互疊加構(gòu)成嚴(yán)重的復(fù)合侵蝕,文獻(xiàn)闡述了其反應(yīng)機(jī)理。硫酸鎂侵蝕與C3A無(wú)關(guān),傳統(tǒng)的摻粉煤灰、硅灰、礦渣和使用抗硫酸鹽水泥等降低膠凝材料中C3A含量的抗硫酸鹽侵蝕的方法對(duì)改善MgSO4型侵蝕的作用不大。Mg2+型侵蝕與Na+型侵蝕的區(qū)別在于:Mg2+侵蝕使C-S-H置換成C-M-H,使混凝土只能產(chǎn)生微小的膨脹,更多的表現(xiàn)為強(qiáng)度、剛度和黏結(jié)力的降低,混凝土變脆;Na+型侵蝕主要還是生成鈣礬石或者石膏,會(huì)產(chǎn)生較明顯的膨脹。2混凝土環(huán)境因素混凝土遭受硫酸鹽侵蝕的影響因素分為內(nèi)部因素(材料因素)和外部因素(環(huán)境因素),如框圖1所示。內(nèi)部因素即混凝土自身的性質(zhì),外部因素在試驗(yàn)室研究時(shí)為混凝土硫酸鹽侵蝕的試驗(yàn)條件,現(xiàn)場(chǎng)研究時(shí)為混凝土工程的服役環(huán)境。內(nèi)部因素和外部因素共同影響著硫酸鹽對(duì)混凝土的侵蝕速度。2.1橡膠凝膠材料2.1.1煤石等3種抗硫酸水泥的特性硅酸鹽水泥熟料主要含C3S、C2S、C3A、C4AF,正常水化反應(yīng)生成物為C-S-H、Ca(OH)2、少量AFt。混凝土抗硫酸鹽侵蝕能力在很大程度上取決于水泥熟料的礦物組成及其相對(duì)含量,尤其取決于C3A和C3S的含量,因?yàn)镃3A水化析出水化鋁酸鈣是形成鈣礬石的必要組分,C3S水化析出大量Ca(OH)2是形成石膏的必要反應(yīng)相,降低C3A和C3S的含量也就相應(yīng)地減少了形成鈣礬石和石膏的可能性,從而可以提高混凝土的抗硫酸鹽侵蝕的能力。文獻(xiàn)研究指出:C3A含量越低,水泥抗硫酸鹽侵蝕性能就越好,并且抗硫酸鹽侵蝕性能:C4AF>C3A,C2S>C3S。國(guó)內(nèi)已有大量文獻(xiàn)報(bào)道過活性摻合料、不同品種硅酸鹽水泥和抗硫酸鹽水泥抵抗硫酸鹽侵蝕的研究成果。目前研究過的活性摻合料有粉煤灰、磨細(xì)?；郀t礦渣、火山灰質(zhì)混合材、超細(xì)礦粉(硅灰)、石灰石粉(非活性摻合料)等?；钚該胶狭现泻写罅炕钚許iO2和活性Al2O3,尤其是硅灰。大量研究得出摻入粉煤灰、礦渣、硅灰等,混凝土的抗侵蝕能力增強(qiáng)。采用這幾種活性摻合料的雙摻、混摻,以及它們各自與高效減水劑雙摻而配制成低水膠比的混凝土,更能提高混凝土的抗硫酸鹽侵蝕能力。摻入這些活性摻合料以后降低了水泥熟料中C3A和C3S的含量,還能與水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2發(fā)生二次水化反應(yīng),其生成的凝膠產(chǎn)物主要填充水泥石的毛細(xì)孔,還有摻合料的微集料物理填充作用,提高了水泥石的密實(shí)度,使侵蝕介質(zhì)浸入混凝土內(nèi)部更為困難;另外由于二次水化反應(yīng),使水泥石中Ca(OH)2含量大量減少、毛細(xì)孔中石灰溶液濃度降低,即使在SO42-濃度很高的環(huán)境水中,石膏結(jié)晶的速度和數(shù)量也大大減少,從而使混凝土的抗侵蝕能力增強(qiáng)。膠凝材料中粉煤灰存在一個(gè)合理?yè)搅?大摻量、高水灰比粉煤灰混凝土的抗硫酸鹽侵蝕能力則明顯低于同強(qiáng)度等級(jí)的普通混凝土。石灰石粉的摻入可使水泥基材料在硫酸鹽環(huán)境下產(chǎn)生較大體積膨脹和開裂,并導(dǎo)致強(qiáng)度下降較大。煤矸石對(duì)水泥基材料的抗硫酸鹽侵蝕性能有不利影響,且隨煤矸石摻量的增大而線性加劇,當(dāng)然也有研究指出煤矸石可以改善混凝土的抗硫酸鹽侵蝕能力,由此推斷不同研究者所用煤矸石的產(chǎn)品質(zhì)量(細(xì)度和活性成分含量)差異較大?？沽蛩猁}水泥標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定C3A<5%,C3S<50%,C3A+C4AF<22%,高抗硫酸鹽水泥的C3A<3.5%,這兩種水泥的C3A含量較低,所以抗鈣礬石結(jié)晶侵蝕破壞的能力較強(qiáng)。但是,它們不能有效解決所有類型的硫酸鹽侵蝕問題,例如TSA型和石膏結(jié)晶型硫酸鹽侵蝕。2.1.2抗硫酸鹽侵蝕性能水泥水化需水量?jī)H為水泥質(zhì)量的10%~15%左右,而實(shí)際用水量(由于施工等因素的要求)高達(dá)水泥質(zhì)量的40%~60%,多余的水分蒸發(fā)后形成了連通的孔隙,侵蝕介質(zhì)就容易滲入水泥石的內(nèi)部,從而加速硫酸鹽侵蝕。高性能混凝土由于摻加了高效減水劑和大摻量超細(xì)摻合料并采用低水膠比配制,因而具有高密實(shí)度和優(yōu)異的抗硫酸鹽侵蝕性。已有試驗(yàn)表明,混凝土水灰比、砂漿的砂膠比在一定范圍內(nèi)越低,則在硫酸鹽環(huán)境中抗壓、抗折強(qiáng)度、動(dòng)彈性模量衰減越慢。2.2侵蝕溶液2.2.1ppm及鎂離子腐蝕侵蝕溶液的濃度對(duì)混凝土硫酸鹽侵蝕有著顯著的影響。SO42-濃度的不同將改變侵蝕機(jī)理,形成不同的侵蝕產(chǎn)物。對(duì)Na2SO4侵蝕而言,當(dāng)SO42-濃度較小時(shí)(<1000ppmSO42-),侵蝕產(chǎn)物以鈣礬石為主;在高濃度下(>8000ppmSO42-)以石膏為主;在1000~8000ppmSO42-范圍內(nèi),石膏和鈣礬石都被觀察到。對(duì)于MgSO4侵蝕,當(dāng)溶液中SO42-濃度小于4000ppm時(shí),侵蝕產(chǎn)物以鈣礬石為主;在4000~7500ppm范圍內(nèi),鈣礬石和石膏都被觀察到,而在高濃度下(>7500ppmSO42-),鎂離子腐蝕占主導(dǎo)地位(ppm為百萬(wàn)分之一)。文獻(xiàn)研究表明當(dāng)硫酸鹽溶液濃度小于一定值時(shí),混凝土硫酸鹽侵蝕速度隨著濃度的提高而加快,但當(dāng)濃度超過一定值時(shí),混凝土硫酸鹽侵蝕速度反而減慢,Na2SO4和MgSO4兩種侵蝕溶液都有這個(gè)規(guī)律。他們還建議如果單純?yōu)榧涌烨治g試驗(yàn)速度,宜將試件放置于15%Na2SO4和13%MgSO4溶液中,但目前絕大部分研究者所用Na2SO4和MgSO4溶液的濃度為5%和10%。根據(jù)Arrhenius方程,溫度每升高10℃,一般化學(xué)反應(yīng)的速率大約增加2~4倍。在一定的溫度范圍內(nèi),隨著溶液溫度的升高,侵蝕反應(yīng)更加劇烈。而文獻(xiàn)關(guān)于侵蝕溶液溫度的研究得出了與溶液濃度相似的結(jié)論,即存在一個(gè)侵蝕速度最快的溫度。2.2.2硫酸鹽在混凝土中的擴(kuò)散規(guī)律侵蝕溶液中陽(yáng)離子類型會(huì)影響到侵蝕反應(yīng)的機(jī)理。高濃度的堿金屬硫酸鹽侵蝕環(huán)境,Mg2+的存在會(huì)導(dǎo)致混凝土發(fā)生復(fù)合損傷。文獻(xiàn)[23-25]對(duì)有Cl-存在條件下的硫酸鹽侵蝕進(jìn)行了較為系統(tǒng)和充分的研究,摸索出一些硫酸鹽、氯鹽復(fù)合損傷的規(guī)律?；炷林蠧l-擴(kuò)散系數(shù)要高于SO42-的兩個(gè)數(shù)量級(jí),而SO42-與水化鋁酸鈣結(jié)合的能力更強(qiáng)。Cl-和SO42-共同向混凝土內(nèi)部擴(kuò)散時(shí),都要與混凝土中的水化鋁酸鈣反應(yīng),分別生成均較穩(wěn)定的Frield鹽和AFt鹽。相比于單一硫酸鹽侵蝕,Cl-的存在顯著延緩硫酸鹽侵蝕破壞的程度和速度。侵蝕的早期,硫酸鹽提高了混凝土抗Cl-擴(kuò)散的能力;在后期,硫酸鹽降低了混凝土抗Cl-腐蝕能力。2.2.3不同ph對(duì)ca-h凝膠的吸附文獻(xiàn)對(duì)國(guó)內(nèi)外關(guān)于pH值對(duì)混凝土硫酸鹽侵蝕的影響做了較好的總結(jié)。國(guó)內(nèi)早期關(guān)于硫酸鹽侵蝕的研究大多沒有對(duì)侵蝕溶液的pH值給予足夠的重視,席躍忠等認(rèn)為這種做法有礙于正確理解硫酸鹽侵蝕機(jī)理和制定正確可靠的試驗(yàn)方法。他們的研究表明,隨著侵蝕溶液pH值的下降,侵蝕反應(yīng)不斷變化,當(dāng)侵蝕溶液的pH為12.5~12時(shí),Ca(OH)2和水化鋁酸鈣溶解,鈣礬石析出;當(dāng)pH=11.6~10.6時(shí),二水石膏析出;pH低于10.6時(shí)鈣礬石不再穩(wěn)定而開始分解。與此同時(shí),當(dāng)pH小于12.5時(shí),C-S-H凝膠將發(fā)生溶解再結(jié)晶,其鈣硅比逐漸下降,由pH值為12.5時(shí)的2.12下降到pH為8.8時(shí)的0.5,水化產(chǎn)物的溶解-過飽和-再結(jié)晶過程不斷進(jìn)行,將引起混凝土的孔隙率、彈性模量、強(qiáng)度和黏結(jié)力發(fā)生變化。國(guó)外對(duì)pH值的研究較多,研究成果指出隨著pH值的降低,混凝土的抗侵蝕性能下降,侵蝕速度加快。2.3測(cè)試方法2.3.1混凝土抗折強(qiáng)度試件的形狀特別是比表面積,對(duì)硫酸鹽侵蝕的速度有著很大影響。比表面積越大,侵蝕的速度越快(全浸泡條件下)。研究中常用的試件尺寸有:40mm×40mm×160mm(抗折強(qiáng)度、膨脹量測(cè)定)棱柱體砂漿試件,40mm×40mm×160mm的棱柱體細(xì)碎石混凝土試件,100mm×100mm×100mm立方體混凝土小試件,100mm×100mm×400mm的棱柱體混凝土試件。我國(guó)混凝土抗硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)中使用砂漿試件尺寸有:10mm×10mm×60mm和10mm×10mm×30mm兩種,美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)中的試驗(yàn)砂漿試件尺寸為25mm×25mm×285mm(膨脹量測(cè)定)。養(yǎng)護(hù)方式和養(yǎng)護(hù)時(shí)間會(huì)影響水泥的水化反應(yīng),適宜的溫度和較高的濕度有利于水泥的充分水化,進(jìn)而影響混凝土的孔隙率和孔隙中水化物的填充情況、混凝土的密實(shí)性、混凝土的強(qiáng)度等。如果混凝土早期養(yǎng)護(hù)溫度過高,急速的初期水化會(huì)導(dǎo)致水化產(chǎn)物分布不均勻,水化物稠密的區(qū)域,水化物包裹在水泥顆粒周圍,會(huì)妨礙水化反應(yīng)的繼續(xù)進(jìn)行,這樣就在混凝土中形成了薄弱點(diǎn),影響混凝土的整體強(qiáng)度;文獻(xiàn)研究結(jié)果表明在50℃水中養(yǎng)護(hù)7d的試件要比標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d的試件先破壞,前者抗折強(qiáng)度僅為后者的60%。另外若混凝土早期養(yǎng)護(hù)不當(dāng),導(dǎo)致水泥水化不充分,失水多干燥收縮嚴(yán)重,就會(huì)過早形成干燥裂紋,給硫酸鹽擴(kuò)散進(jìn)入混凝土提供了內(nèi)部通道,混凝土的抗硫酸鹽侵蝕耐久性降低。2.3.2干法循環(huán)試驗(yàn)混凝土受硫酸鹽侵蝕的程度與其和硫酸鹽的接觸狀態(tài)(浸泡方式)密切相關(guān)。當(dāng)混凝土處于完全浸泡狀態(tài)時(shí),其腐蝕程度常常小于干濕交替區(qū)(如液面波動(dòng)區(qū)、浪濺區(qū)、潮汐區(qū)等)。肖海英研究指出不同浸泡方式下混凝土的抗彎抗蝕系數(shù)對(duì)硫酸鹽侵蝕敏感次序?yàn)?立式半浸>水平半浸>水平全浸。干濕循環(huán)作為一種試驗(yàn)室加速硫酸鹽侵蝕速度的試驗(yàn)方法廣泛被研究者采用,還有研究人員用干濕循環(huán)來(lái)模擬實(shí)際工程混凝土結(jié)構(gòu)的干濕交替的工作條件,如水分蒸發(fā)、地下水位升降、橋梁墩臺(tái)和碼頭等構(gòu)筑物經(jīng)歷潮汐漲落等。研究指出硫酸鹽侵蝕混凝土的膨脹量干濕循環(huán)條件下大于連續(xù)浸泡時(shí),原因在干燥過程中會(huì)使混凝土孔隙溶液中的水分蒸發(fā)而濃縮,增大了侵蝕溶液的濃度,反應(yīng)速率加快;也增大了反應(yīng)產(chǎn)物的結(jié)晶壓力,因?yàn)辂}溶液的結(jié)晶壓力會(huì)隨著鹽溶液的濃度增大而增大。干濕循環(huán)導(dǎo)致溶液濃縮還可能使侵蝕溶液本身在混凝土內(nèi)部的孔隙中結(jié)晶析出。干濕循環(huán)的硫酸鹽侵蝕環(huán)境中,混凝土受化學(xué)侵蝕和鹽的結(jié)晶膨脹作用雙重破壞。即使采用抗硫酸鹽水泥混凝土也很可能出現(xiàn)耐久性問題。此外,干濕循環(huán)條件下混凝土材料本身的收縮濕漲作用也使混凝土結(jié)構(gòu)疏松或開裂,進(jìn)而加速硫酸鹽侵蝕過程。3現(xiàn)有混凝土硫酸鹽侵蝕的研究3.1混凝土力學(xué)性能的衰減規(guī)律和評(píng)價(jià)指標(biāo)目前混凝土受硫酸鹽侵蝕破環(huán)的評(píng)價(jià)指標(biāo)有試件的長(zhǎng)度變化(自由線膨脹率),試件的抗壓、抗折強(qiáng)度,外觀形貌、質(zhì)量損失、孔隙率,動(dòng)彈性模量等。外觀形貌不是一個(gè)定量指標(biāo),作用有限,只能定性反映混凝土受侵蝕的程度;測(cè)定試件的質(zhì)量損失可以看出混凝土受侵蝕后的剝落情況;測(cè)定試件孔隙率和孔徑分布可以分析侵蝕過程中水泥石孔隙填充和裂縫開展等變化。強(qiáng)度指標(biāo)是大多研究者采用的損傷評(píng)價(jià)指標(biāo),具有良好的實(shí)用性。強(qiáng)度指標(biāo)的變化通常用抗壓抗蝕系數(shù)和抗折抗蝕系數(shù)表示。但是常規(guī)強(qiáng)度測(cè)試評(píng)價(jià)具有一定的局限性,強(qiáng)度通常是受壓面的平均應(yīng)力值,而硫酸鹽侵入混凝土是由表及里逐漸進(jìn)行的,外圍混凝土往往受侵蝕最為嚴(yán)重,而核心層的混凝土幾乎未受侵蝕,整塊試件在力學(xué)性質(zhì)上是不均勻的。普通強(qiáng)度試驗(yàn)無(wú)法將受侵蝕部分和未受侵蝕部分區(qū)分開來(lái),所測(cè)得的是一個(gè)綜合意義上平均強(qiáng)度值,難以反映外圍混凝土確切的硫酸鹽損傷程度。同時(shí)所測(cè)定的強(qiáng)度變化結(jié)果必然具有較強(qiáng)的試件尺寸依賴性。另外,這種侵蝕程度的不均勻性還會(huì)因?yàn)槌叽缧?yīng)而在實(shí)際混凝土結(jié)構(gòu)(梁、柱)中被放大,使得試驗(yàn)室得到的硫酸鹽侵蝕混凝土力學(xué)性能的衰減規(guī)律在工程實(shí)際中的利用價(jià)值有限。混凝土受硫酸鹽侵蝕中鈣礬石、石膏型侵蝕的早期,由二次水化反應(yīng)生成的次生鈣礬石或石膏的量較少,主要起到填充混凝土原始孔隙的作用,加之混凝土浸泡于侵蝕溶液中,水化還仍然在緩慢進(jìn)行,C-S-H凝膠的數(shù)量還在增加;侵蝕的后期由于鈣礬石或石膏的大量生成,在混凝土孔隙內(nèi)結(jié)晶導(dǎo)致混凝土出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p傷。對(duì)應(yīng)于上述的兩個(gè)階段,混凝土的強(qiáng)度將呈現(xiàn)在侵蝕早期上升,侵蝕的中后期下降的變化規(guī)律。同樣侵蝕引起的膨脹也分為兩個(gè)階段:第一個(gè)階段為緩慢膨脹階段,膨脹量微小;第二階段為快速膨脹階段,膨脹量較大,可導(dǎo)致開裂?；炷恋目偪紫堵试谠缙跍p小,大孔隙被結(jié)晶填充;后期由于膨脹開裂導(dǎo)致大孔隙的數(shù)量增加。此外,如果侵蝕擴(kuò)散及侵蝕反應(yīng)速度比較緩慢,試驗(yàn)設(shè)計(jì)的觀察時(shí)間較短,膨脹始終停留在第一階段,則所得到的膨脹值將很小。同時(shí),若發(fā)生MgSO4型復(fù)合侵蝕,膨脹量會(huì)一直很小,而此時(shí)混凝土損傷的主要表現(xiàn)為強(qiáng)度、剛度、動(dòng)彈性模量的衰減,混凝土變脆。因此有研究者認(rèn)為,MgSO4侵蝕時(shí)抗壓強(qiáng)度降低系數(shù)是一個(gè)較好的評(píng)價(jià)指標(biāo),而發(fā)生Na2SO4侵蝕時(shí),膨脹量是一個(gè)較好的評(píng)價(jià)指標(biāo)?？梢?各種評(píng)價(jià)指標(biāo)均存在實(shí)用性或適用性上的局限。對(duì)應(yīng)于不同的侵蝕環(huán)境和五種不同的侵蝕機(jī)理,采用哪個(gè)指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)混凝土損傷程度最合理,以及如何劃分侵蝕破環(huán)的等級(jí),是人們一直在探討但尚未達(dá)成共識(shí)的重要議題。3.2試驗(yàn)計(jì)劃3.2.1是否可以考慮反應(yīng)的因素中美混凝土抗硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[35,36,37,38,39,40]中,均采用固定W/C和C/S的砂漿試件的全浸泡試驗(yàn),旨在評(píng)價(jià)膠凝材料自身的抗硫酸鹽侵蝕能力的大小?？紤]到硫酸鹽對(duì)混凝土侵蝕主要是由于侵蝕介質(zhì)進(jìn)入混凝土的內(nèi)部孔隙與其固相水化產(chǎn)物發(fā)生有害的二次化學(xué)反應(yīng),該方法具有一定的合理性。但是很顯然,此種試驗(yàn)方法不能考慮以下幾個(gè)因素的影響:(1)硫酸鹽與混凝土其他組分之間的化學(xué)反應(yīng),如活性摻合材等;(2)骨料與基材之間過渡區(qū)的影響,骨料對(duì)基材收縮、膨脹等變形的約束作用,混凝土試件和砂漿試件之間孔隙情況(總孔隙率、孔徑分布)的差異,以及骨料材質(zhì)、級(jí)配、總體積含量、砂石比的影響;(3)鈣礬石、石膏類侵蝕的膨脹特征不能真實(shí)體現(xiàn),由砂漿試驗(yàn)得到的膨脹量—時(shí)間曲線無(wú)法直接用于預(yù)測(cè)給定邊界條件下混凝土的體積變化規(guī)律;(4)混凝土結(jié)構(gòu)中強(qiáng)度等參數(shù)的衰減無(wú)法通過砂漿試驗(yàn)來(lái)體現(xiàn)。以上這些因素對(duì)受硫酸鹽侵蝕混凝土的強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律或體積變化規(guī)律會(huì)產(chǎn)生較大的影響,因此采用砂漿來(lái)比較不同品種水泥抗硫酸鹽侵蝕的能力是可行的,但用于預(yù)測(cè)各種條件下混凝土的力學(xué)參數(shù)衰減和體積膨脹規(guī)律,以及進(jìn)一步預(yù)測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)抗硫酸鹽侵蝕壽命是不合適的。從更接近工程實(shí)際的角度,采用混凝土試件更合適。3.2.2混凝土中硫酸侵蝕試驗(yàn)混凝土硫酸鹽侵蝕研究中侵蝕溶液選擇大多是Na2SO4和MgSO4,起始濃度多為5%或10%,pH值為7~8。隨著侵蝕的進(jìn)行,硫酸鹽由于濃度差、毛細(xì)孔表面張力等動(dòng)力隨水分一起進(jìn)入混凝土的原始孔隙,侵蝕溶液中SO42-的濃度很快降低;同時(shí),固相中的堿(水泥水化產(chǎn)物中大概有20%的Ca(OH)2)溶解在侵蝕溶液中,溶液的pH值會(huì)很快升高到10以上(飽和Ca(OH)2溶液pH大于13)?，F(xiàn)場(chǎng)暴漏在侵蝕環(huán)境中的混凝土,其硫酸鹽溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和pH值都在一個(gè)較小的波動(dòng)范圍內(nèi)恒定,這比同等初始條件下的試驗(yàn)室浸泡試件的損傷速度要快。ASTME632建議試驗(yàn)室進(jìn)行的混凝土硫酸鹽加速侵蝕試驗(yàn)應(yīng)能模擬現(xiàn)場(chǎng)暴露混凝土的這種條件,然而,仍有研究者在試驗(yàn)設(shè)計(jì)中沒有定期更新侵蝕溶液來(lái)維持濃度SO42-的相對(duì)恒定,這就違背了混凝土抗硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于定期更新侵蝕溶液的規(guī)定(GB749—65、GB/T749—2001、ASTMC—452—06、ASTMC1012—04)。另外,大部分研究人員沒有設(shè)法維持侵蝕溶液pH值穩(wěn)定在7~8范圍內(nèi),這種試驗(yàn)條件下得出的規(guī)律給實(shí)際工程的參考價(jià)值會(huì)受影響。在現(xiàn)有的混凝土硫酸鹽侵蝕研究中,部分研究人員把相同齡期標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的試件作為強(qiáng)度對(duì)照組,甚至還有直接將經(jīng)28d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試件的強(qiáng)度作為對(duì)照來(lái)評(píng)價(jià)混凝土受硫酸鹽侵蝕后強(qiáng)度損傷規(guī)律的?？紤]到浸泡在侵蝕溶液中的試件,其中未完全水化的水泥以及粉煤灰、礦渣等摻合材(此二者水化速度比水泥熟料要慢)要繼續(xù)水化產(chǎn)生C-S-H凝膠填充于混凝土的孔隙中,試件的強(qiáng)度會(huì)有一個(gè)升高的過程。因此浸泡在侵蝕溶液中的混凝土受膠凝材料繼續(xù)水化作用和硫酸鹽侵蝕兩種因素的作用,所以我國(guó)混凝土抗硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)中的對(duì)照組設(shè)置為相同條件下的清水養(yǎng)護(hù)試件。4混凝土硫酸鹽侵蝕反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)模型的建立(1)試驗(yàn)室試驗(yàn)應(yīng)能模擬實(shí)際工程的單面侵蝕。要提出更完善、更科學(xué)的混凝土硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)研究方法標(biāo)準(zhǔn),包括砂漿試驗(yàn)和混凝土試驗(yàn),能夠合理揭示各種類型的破環(huán)機(jī)理;明確破壞指標(biāo)及其適用條件,