基礎混凝土構件腐蝕損傷研究

安新正，易 成，姜新佩，高延安

(1.河北工程大學土木工程學院，河北邯鄲056038;2.中國礦業大學力學與建筑工程學院，北京100083)

基礎混凝土構件上連上部建筑結構，下接地下巖土工程，是承上啟下的重要工程構件，其耐久性壽命的長短直接決定了上部工程結構的壽命。由于基礎混凝土構件通常處于干濕交替循環環境或地下巖土環境之中，因此其耐久性也必然受到環境腐蝕的影響。一方面，在港口、海洋、鹽湖、寒冷等環境區域，已有的研究成果發現服役中的基礎混凝土結構常常因遭受到環境侵蝕介質、凍融的侵蝕而引發出各種各樣的耐久性問題;另一方面，隨著現代工業化的快速發展，一些城市的地下水、場地土壤也被嚴重污染，被腐蝕性介質污染后的地下水、場地土與基礎混凝土結構形成干濕交替循環、半浸泡、全浸泡的密切接觸與作用環境，復雜的地下環境因素客觀上導致了基礎混凝土結構耐久性問題的發生，并且這一環境因素最終成為基礎混凝土結構耐久性壽命加速退化的主要因素。

相關基礎混凝土構件的耐久性損傷問題，國內外學者已開展了相關的研究。例如:James and Edworthy以及Park對處于地下侵蝕性環境中混凝土材料進行了耐久性試驗研究，證實了侵蝕性環境對混凝土材料的性能具有加速退化作用［1－2];馬孝軒［3－5]對長期遭受地下水和土壤中各種腐蝕性介質侵蝕的硅酸鹽混凝土進行了研究，認為地下水和土壤中各種腐蝕性介質對硅酸鹽混凝土及鋼筋都有較強的侵蝕作用;江云安等［6]針對地下及海工類建筑的特點通過在混凝土中摻加SCRA和優質粉煤灰來改善混凝土結構的抗腐蝕性，并取得了一定的成果;余紅發［7]基于氯離子擴散探討了鋼筋混凝土構件的壽命預測模型;安新正等［8]通過室內加速試驗方法研究了硫酸鹽與凍融循環環境對混凝土損傷效應的影響。然而，當下相關實際工程基礎混凝土構件耐久性損傷特征方面的研究文獻報導還比較缺乏。本文基于來自近海區域、鹽湖區域、內陸地區的部分基礎混凝土構件及其工作環境的現場檢測與取樣檢驗數據，對基礎混凝土構件的腐蝕損傷特征，以及幾個典型工程基礎混凝土構件的抗壓耐腐蝕系數、碳化深度隨其服役時間的演化特征進行了分析研究，旨在為基礎混凝土結構的耐久性設計與施工提供有益的參考。

1 巖土環境因素

調查結果表明，我國近海區域、鹽湖區域、內陸地區建筑基礎混凝土結構的巖土環境中(具體來說，即為地下水和場地土環境)廣泛存在著侵蝕性介質(如等)因素、特殊作用因素(具體來說，即為干濕交替、凍融循環作用)［5，9]。基于大量近海區域、鹽湖區域、內陸地區巖土環境現場勘察資料，基礎混凝土結構的巖土環境大體上可劃分為如下五個類型:

(1)相對干燥環境(環境相對濕度小于30%RH);

(2)相對潮濕環境(環境相對濕度大于95%RH);

(3)浸泡環境(混凝土構件完全被侵蝕介質溶液淹沒);

(4)干濕交替環境(浸泡環境與相對干燥環境交替循環發生);

(5)凍融循環環境(凍結與融化交替循環發生)。

1.1 環境介質腐蝕因素

近海區域由于長期受到海水的滲透作用，其地下水、場地土的化學成分比較復雜。研究發現［10－11]，近海區域的地下水、場地土中海水中的化學成分主要包含 NaCl，MgCl2，MgSO4，CaSO4。因此，在這些區域是普遍存在的，并且大多數情況下其濃度都大大高于規范［12－13]規定的限值;鹽湖區域環境的地下水、場地土中含有高濃度的:Na+等介質，其中氯離子質量濃度有的可高達92～204 g/L［14];另外，近 20 年來隨著內陸城市工業化的快速發展，城市化工生產區及其周圍區域中的地下水、場地土中也普遍存在高濃度SO2－、

4Cl－、Mg2+等腐蝕性介質［15－16]。因此，在以上侵蝕性巖土環境的長期作用下，Cl－誘發基礎混凝土構件中的鋼筋產生銹蝕損傷分別誘發混凝土發生硫酸鹽腐蝕損傷和碳化損傷。

1.2 特殊作用因素

我國的華北、西北、東北等寒冷、嚴寒地區的基礎混凝土結構，在每年結凍的月份里，由于晚間的環境溫度通常在零度以下，內部富含水分的基礎混凝土便被凍結。當白天日照充足時，環境溫度升高到0℃以上并持續足夠時間時，被凍結的基礎混凝土便開始融解。在以上地區，凍結和融解(即凍融循環)在地面以上及地面以下約100 mm左右區域的基礎混凝土構件中比較常見，同時這一區域也是干濕交替循環作用的頻發區。研究表明，大量基礎混凝土構件的損傷失效都直接源于環境對混凝土的凍融循環與干濕交替循環作用［17]。受海水潮汐潮落的影響，在近海區域環境中也廣泛存在著干濕交替循環現象。干濕交替循環的存在加速了侵蝕性介質對混凝土構件的腐蝕進程，從而對混凝土結構的耐久性構成了嚴重的威脅。

巖土環境對基礎混凝土結構的腐蝕作用與巖土環境的類別密切相關，侵蝕性介質因素和特殊作用因素將會通過基礎混凝土相應的巖土環境因素影響著基礎混凝土構件的腐蝕損傷進程，并最終決定基礎混凝土結構的耐久性壽命，必須引起足夠的重視。

2 基礎混凝土構件劣化特征

相對于建筑物上部結構來說，基礎混凝土結構所處的外部環境就復雜多了。調查發現大多數服役20年左右的基礎混凝土結構，其構件的腐蝕損傷甚至失效都是由于腐蝕介質與干濕交替循環、凍融循環或干濕交替循環+凍融循環共同作用的結果。本文針對近海區域、鹽湖區域及內陸地區的部分基礎混凝土構件現場檢測與取樣檢驗結果進行了統計分析，發現基礎混凝土結構的腐蝕損傷現象基本呈現出如下特征:

(1)隨著服役時間的增長混凝土的PH值漸趨中性化，抗壓強度逐漸降低軟化，外觀質量離散性較大;

(2)在干濕循環作用區范圍內，混凝土的碳化速度高于干濕循環作用區范圍之外的混凝土;

(3)混凝土構件內鋼筋普遍銹蝕，銹蝕程度隨巖土環境與服役年限的不同而存在一定的差異;

(4)混凝土構件表面常伴隨順筋裂縫和垂直于縱向受拉鋼筋的豎向裂縫。

基礎混凝土構件外觀檢測數據顯示，大多數構件的底部混凝土存在蜂窩麻面之類的不密實現象，這也就造成了在相同巖土環境及腐蝕因素條件下混凝土構件被腐蝕的程度具有較大的差異。可見基礎混凝土構件的施工質量不容忽視，加強施工質量的監督與管理很有必要。

3 實例分析

侵蝕性介質因素與特殊作用因素對基礎混凝土構件的腐蝕作用具有復雜性，不同的環境作用條件，其作用結果有著較大的差異。為了說明環境作用對基礎混凝土結構的腐蝕演化過程，在表1中列出了4個具有代表性的基礎工程(稱之為:1#、2#、3#和4#基礎工程)的部分基礎混凝土地基梁及其周圍環境的現場檢測與取樣檢驗結果。

在此取混凝土抗壓耐腐蝕系數來研究基礎混凝土的抗壓強度腐蝕演化規律，以碳化深度隨服役時間的變化來研究基礎混凝土的碳化腐蝕演化規律。

經對1#、2#、3#和4#工程基礎混凝土構件室內外檢測數據進行統計整理與分析，得到了基礎混凝土抗壓耐腐蝕系數隨服役時間的演化規律(圖1)，以及碳化深度隨服役時間的演化規律(圖2)。

由圖1可以看出，基礎混凝土構件服役期間，1#、3#和4#工程的抗壓耐腐蝕系數均呈現出緩慢下降的趨勢，表明巖土環境的作用已導致基礎混凝土腐蝕損傷的發生，并將隨著時間的推移，基礎混凝土的腐蝕損傷將更加嚴重。從1#、3#和4#工程的巖土環境情況來看(表1)，巖土環境中有害介質的含量較高，且基礎混凝土的工作環境為凍融循環環境，這些環境因素是導致1#、3#和4#工程基礎混凝土發生腐蝕損傷病害的主要因素。同時，由圖1也可以得知2#工程的抗壓耐腐蝕系數表現為緩慢增長并趨穩定的趨勢，表明巖土環境作用對該工程基礎混凝土的影響較小。從2#工程的巖土環境情況來看(見表1)，巖土環境中有害介質的含量均是較低的，且基礎工程的巖土環境只為相對潮濕環境。另外，檢測還發現2#工程基礎混凝土比較密實，可有效阻止了有害介質對混凝土材料的侵蝕作用。這些因素保證了2#工程基礎混凝土良好的抗腐蝕性能。

表1 基礎混凝土構件及其巖土環境檢測結果Tab.1 Test results of foundation reinforced concrete members and its geotechnical environment

由圖2可以看出，1#、2#、3#和4#工程基礎混凝土均發生了碳化損傷，且碳化深度隨其服役時間的增長而均呈現為增大的趨勢。1#、3#和4#工程基礎混凝土構件的碳化深度隨其服役時間的增長速度較快，表明隨著時間的推移，1#、3#和4#工程基礎混凝土的碳化損傷將更加嚴重。但2#工程基礎混凝土構件的初始碳化深度(3年時)較小，只有0.4 mm，且隨其服役期間的增長，其增長幅度也較小。這與2#工程基礎混凝土比較密實關系密切，密實的混凝土能夠有效阻止CO2介質對混凝土材料的碳化侵蝕作用。這些因素使得2#工程基礎混凝土具有良好的抗碳化性能。

4 結論

巖土環境對基礎混凝土結構的腐蝕損傷作用是普遍存在的，巖土環境對基礎混凝土結構的腐蝕作用與巖土環境的類別密切相關。當基礎混凝土構件周圍環境侵蝕介質的濃度超過限值時，侵蝕性介質(如:CO2、Mg2+、Cl－、SO42－)將在多次干濕交替循環(或浸泡)的作用下，沿孔隙、裂縫(構件表面的裂縫寬度＞0.3 mm)進入混凝土內部，與水泥基材料發生一系列反應，并最終導致混凝土硫酸鹽侵蝕與炭化，使得混凝土結構松散、強度降低。同時，隨著混凝土炭化深度的增加，當達到鋼筋表面后鋼筋表面的鈍化膜逐漸遭到破壞，這就為鋼筋的銹蝕創造了條件，并最終造成鋼筋銹蝕。當有凍融循環同時發生時，凍脹作用也加劇了基礎混凝土腐蝕損傷的進程。

侵蝕性介質因素和特殊作用因素將會通過基礎混凝土相應的巖土環境因素影響著基礎混凝土構件的腐蝕損傷進程，并最終決定基礎混凝土結構的耐久性壽命。基礎混凝土結構腐蝕不容情況不容樂觀，更不應該忽視。加強基礎混凝土結構腐蝕情況調查與監測，及時對其腐蝕環境進行治理，是基礎混凝土結構安全、耐久工作的保障。

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