硫酸鹽侵蝕環(huán)境下混凝土樁基耐久性研究進(jìn)展

師廣財

銅陵有色設(shè)計研究院，浙江 銅陵 244000

1 引言

混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性問題近年來一直是國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點。實際工程中，混凝土碳化、離子的侵蝕均會對混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性帶來不利影響。其中，離子的侵蝕作用一般占據(jù)主導(dǎo)作用，由于涉及到物理、化學(xué)、力學(xué)等眾多因素的耦合作用，危害性較大。

我國不同區(qū)域的地質(zhì)地貌條件差異較大，沿海及鹽漬土區(qū)域是兩類極為常見的侵蝕環(huán)境，這兩類環(huán)境下的侵蝕性離子會對樁身的混凝土結(jié)構(gòu)和內(nèi)部鋼筋造成腐蝕，造成其耐久性能的下降［1］。從現(xiàn)有的研究來看，國內(nèi)外學(xué)者更多的集中在海洋或近海區(qū)域氯離子對樁基的侵蝕研究，而對硫酸鹽對樁基侵蝕的研究還較少。鑒于此，本文從硫酸鹽侵蝕機理、劣化模型等方面出發(fā)分析了硫酸鹽侵蝕環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的劣化機制，介紹了最新的研究進(jìn)展；基于當(dāng)下的研究成果，提出了今后的研究方向。

2 硫酸鹽侵蝕混凝土劣化機理分析

硫酸鹽對混凝土結(jié)構(gòu)的侵蝕過程可以分為兩個階段，第一階段是硫酸鹽在混凝土內(nèi)部滲透擴散并發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，第二階段是混凝土的開裂和膨脹。在實際環(huán)境中，硫酸鹽對混凝土的侵蝕是機理較為復(fù)雜，涉及到各類復(fù)雜因素的耦合作用，通常可分為物理侵蝕和化學(xué)侵蝕兩種類型。

物理侵蝕主要表現(xiàn)為硫酸鹽結(jié)晶后體積膨脹導(dǎo)致混凝土內(nèi)部產(chǎn)生較大的結(jié)晶應(yīng)力使得混凝土開裂膨脹，其只涉及到物理過程，不涉及到硫酸鹽與混凝土內(nèi)部礦物的化學(xué)反應(yīng)。根據(jù)混凝土開裂膨脹機理的不同，目前主要有三種理論可以解釋硫酸鹽的物理侵蝕機理［2］，其中運用最廣泛的是固相體積變化理論，該理論認(rèn)為混凝土的膨脹開裂原因是于無水硫酸鈉吸水后的體積膨脹作用（Na2SO4→Na2SO4·10H2O）；其次是結(jié)晶水壓力理論，該理論認(rèn)為硫酸鹽的侵蝕過程是固相體積轉(zhuǎn)化過程產(chǎn)生的壓力導(dǎo)致混凝土開裂破壞；最后是結(jié)晶壓力理論，該理論認(rèn)為混凝土孔隙中的鹽溶液在過飽和時會以晶體的形式析出，析出的晶體填充孔隙后會對孔隙壁產(chǎn)生壓力使得混凝土發(fā)生侵蝕破壞。

化學(xué)侵蝕是指水泥水化產(chǎn)物氫氧化鈣、水化硅酸鈣等和硫酸鹽反應(yīng)生成膨脹性產(chǎn)物使得混凝土結(jié)構(gòu)的膠結(jié)程度減弱，最終使得混凝土結(jié)構(gòu)失效破壞。依據(jù)破壞機理的不同，化學(xué)侵蝕可以表現(xiàn)為兩種類型：（1）硫酸鹽與混凝土內(nèi)部膠結(jié)材料（主要為氫氧化鈣）發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成非膠凝產(chǎn)物（氫氧化鎂等），混凝土在失去膠結(jié)材料后自身粘接強度下降而發(fā)生破壞；（2）硫酸鹽與混凝土發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后生成石膏等膨脹性礦物，這類膨脹性礦物會填充混凝土內(nèi)部的孔隙，造成混凝土內(nèi)部應(yīng)力分布不均勻，最終使得混凝土結(jié)構(gòu)失效破壞。

硫酸鹽對混凝土結(jié)構(gòu)的侵蝕在微觀層面表現(xiàn)為其內(nèi)部缺陷的累積增加，在宏觀層面表現(xiàn)為強度的下降，在侵蝕達(dá)到一定程度后，混凝土結(jié)構(gòu)會喪失力學(xué)性能而發(fā)生破壞。目前，國內(nèi)外已有學(xué)者開展了硫酸鹽對混凝土結(jié)構(gòu)的侵蝕研究，然而大多從微觀角度來分析其劣化機理，對宏觀強度僅進(jìn)行了定性分析［3］，鮮少有研究能夠定量描述宏觀力學(xué)強度的劣化程度。此外，由于硫酸鹽對混凝土結(jié)構(gòu)侵蝕的機理較為復(fù)雜，充滿了不確定性，已有的模型多為經(jīng)驗性模型，缺乏嚴(yán)格的理論依據(jù)，故而實際適用范圍有限。

3 硫酸鹽侵蝕后樁基承載力變化

硫酸鹽的侵蝕在微觀層面上表現(xiàn)為混凝土內(nèi)部組分膠結(jié)程度的減弱，在宏觀層面上表現(xiàn)為混凝土抗壓強度的減弱。由于混凝土樁的豎向承載力大小與樁身混凝土的抗壓強度大小密切相關(guān)，故而硫酸鹽對樁身混凝土的侵蝕最終會體現(xiàn)為樁基豎向承載力的變化。現(xiàn)階段，國內(nèi)外學(xué)者在樁基承載機理及特性方面的研究已經(jīng)取得了很多有價值的成果［4］，但卻鮮少有研究涉及硫酸鹽的侵蝕對基樁承載力的影響。

李鏡培等［5］對鹽漬土地區(qū)硫酸鹽侵蝕后樁基的豎向承載力演變規(guī)律進(jìn)行了研究，在研究中先假定硫酸鹽侵蝕后的混凝土不能夠承擔(dān)豎向荷載，從樁端及側(cè)摩阻力兩個方面分析了樁基的承載力變化規(guī)律。結(jié)果表明，即使硫酸鹽侵蝕會引起樁身混凝土體積的增大，在一定程度上增大側(cè)摩阻力，但考慮到樁身截面的變化，總體來上說側(cè)摩阻力會隨著侵蝕時間的增加逐步減小；樁端承載力由于主要依靠樁身混凝土的抗壓強度，在一部分混凝土受侵蝕后失效后，樁端承載力也會下降。從上述分析可知，長期處于硫酸鹽侵蝕環(huán)境下的樁基豎向承載力會逐漸趨于下降。

由于硫酸鹽對混凝土的侵蝕機理較為復(fù)雜，因此傳統(tǒng)的理論和數(shù)值分析均無法真實反映硫酸鹽侵蝕后混凝土基樁微觀結(jié)構(gòu)及宏觀力學(xué)強度的演變規(guī)律。現(xiàn)場試驗研究可以同時考慮到環(huán)境各類因素（溫度、濕度、硫酸鹽濃度等）的綜合作用，是研究硫酸鹽侵蝕后混凝土基樁微觀結(jié)構(gòu)及宏觀力學(xué)強度的演變規(guī)律的可行手段。通過開展現(xiàn)場試驗，國內(nèi)外學(xué)者在硫酸鹽侵蝕后混凝土微細(xì)觀結(jié)構(gòu)變化和宏觀力學(xué)性能演化方面取得了一定的成果。然而，現(xiàn)階段的試驗方法多采用的是將混凝土直接置于硫酸鹽溶液中進(jìn)行浸泡的方式，其與鹽漬土地區(qū)基樁所處的實際環(huán)境仍有較大差異。如在實際環(huán)境中，同一根混凝土樁基位于水面以上和以下部分的侵蝕機理完全不同。對于位于水面以下的樁基，由于濃度差的存在，硫酸根離子會滲入樁基內(nèi)部與混凝土發(fā)生反應(yīng)生成石膏等膨脹性組分，使得樁基發(fā)生侵蝕破壞；對于處于水面以上的樁基，由于毛細(xì)管作用的存在，硫酸鹽同樣會被吸附進(jìn)入樁身混凝土內(nèi)部，硫酸鹽一方面會與混凝土發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成石膏等膨脹性產(chǎn)物，另一方面會在太陽的蒸發(fā)作用下晶體形式析出，析出的晶體會填充混凝土內(nèi)部的孔隙，使得混凝土內(nèi)部產(chǎn)生較大應(yīng)力而破壞。

4 問題與展望

4.1 存在的問題

硫酸鹽對混凝土的侵蝕涉及到物理、化學(xué)、力學(xué)等多方面因素的影響，是一個復(fù)雜的過程。從現(xiàn)有的研究成果來看，尚存在以下問題亟待解決：

（1）現(xiàn)有的研究大多從單一因素出發(fā)研究硫酸鹽侵蝕下混凝土的劣化規(guī)律，但在實際工程中，硫酸鹽侵蝕環(huán)境下樁基的耐久性問題涉及到眾多因素的耦合，因此目前的研究成果距離能夠?qū)嶋H指導(dǎo)鹽漬土地區(qū)樁基的耐久性設(shè)計尚存在很大差距。

（2）目前的研究大多將樁基置于浸泡溶液中，采用電化學(xué)加速的方法來縮短試驗周期，但該法改變了硫酸鹽對混凝土的腐蝕機理，無法真實反映樁基的劣化規(guī)律。

（3）隨著科技的不斷發(fā)展，SEM、XRD等測試手段已被運用至硫酸鹽對混凝土的侵蝕機理研究中，但目前的研究尚不能對微細(xì)觀結(jié)構(gòu)的變化進(jìn)行定量描述，無法建立混凝土微細(xì)觀變化與宏觀力學(xué)強度變化之間的關(guān)系。

4.2 研究展望

（1）硫酸鹽侵蝕環(huán)境下樁基的耐久性問題是一個復(fù)雜的過程，建立多種因素耦合作用下混凝土樁基耐久性的變化模型是未來的研究熱點。

（2）由于硫酸鹽對樁基的侵蝕是一個長期的過程，在室內(nèi)找到能真實模擬硫酸鹽侵蝕環(huán)境且大大縮短試驗周期的方法是今后研究的重點之一，可以大大提高試驗效率。

（3）混凝土樁基強度的下降的本質(zhì)是其微細(xì)觀結(jié)構(gòu)損傷演變的結(jié)果。對硫酸鹽侵蝕引起的混凝土微細(xì)觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行定量描述并建立微細(xì)觀結(jié)構(gòu)變化與宏觀力學(xué)強度變化之間的數(shù)理模型是今后的研究重點。