混凝土硫酸鹽腐蝕與壓應力狀態實現方法

李偉浪

(江西理工大學 土木與測繪工程學院，江西 贛州 341000)

0 前 言

國內外專家和學者針對應力和硫酸鹽腐蝕共同作用對混凝土強度性能的影響做了相關研究,關于應力狀態下硫酸鹽溶液對混凝土的腐蝕試驗研究，多以硫酸鈉和硫酸鎂溶液作為腐蝕介質，選用的應力主要是彎拉應力和軸壓應力。相關資料研究表明，硫酸鹽溶液可與混凝土發生反應使其內部結構會發生改變，且腐蝕時間越長，變化越顯著，而應力的存在會對這一進程起到加快或減緩的作用。本文通過對近些年國內的研究成果進行總結與歸納，找出其中存在的問題并提出解決的方法。

1 應力和硫酸鹽腐蝕耦合下混凝土性能研究

混凝土在應力狀態下遭受鹽溶液侵蝕的過程稱為應力腐蝕，其定義為材料因受到應力作用和環境中腐蝕介質共同作用時所引起的腐蝕，這里所說的應力作用包括壓應力、拉應力和彎曲應力，其通常與金屬、陶瓷、玻璃和聚合物等材料聯系在一起，當然混凝土也同樣存在應力腐蝕的問題。

通過查閱大量文獻資料，發現國內外專家和學者針對硫酸鹽應力腐蝕進行了大量的研究工作,硫酸鹽腐蝕試驗的腐蝕介質多選擇Na2SO4和MgSO4，少數研究人員選用硫酸銨溶液，選擇的應力種類以彎拉應力、軸壓應力為主，選用的應力水平多基本在極限抗壓/抗拉強度的70%以下，主要集中在50%左右。相關資料研究表明，硫酸鹽溶液可使混凝土內部結構會發生改變，且浸泡時間越長，變化越大，而應力的存在會加快或減緩這種變化。

張志興等[1]用5%硫酸銨溶液和50%的彎曲應力對混凝土進行應力腐蝕試驗，發現拉應力對硫酸銨腐蝕有加速作用，混凝土強度降低速率大大增加，同時也證明在硫酸銨如溶液中存在應力腐蝕作用。

安德鋒等[2]通過試驗研究將混凝土試件浸泡于10%的硫酸鹽溶液中，并長期施加應力比為0、0.2、0.3、0.4、0.6的壓應力，結果表明壓應力對混凝土硫酸鹽腐蝕存在抑制作用，壓應力比為0.3時抑制作用最強。通過微觀分析，在壓應力狀態下混凝土微觀結構發生改變，其內部空隙和微裂縫受到壓縮而減少，使得混凝土密實度提高，從而抑制硫酸鹽向混凝土內部滲透的速率。

ZIVICA等[3]研究了壓應力和硫酸鹽耦合作用對水泥基復合材料性能的影響，結果表明，在應力水平不使基體產生微裂縫的前提下，壓應力可減緩硫酸鹽對水泥基復合材料的腐蝕程度，且隨應力水平的提高，抑制效果愈加明顯。

Schneider等[4]研究了不同混凝土在持續荷載與腐蝕介質耦合作用下的力學性能，結果表明，應力腐蝕對水泥基材料的性能存在明顯影響，應力水平、狀態和侵蝕齡期均對化學侵蝕有不同的影響效果。

曹健[5]研究了軸壓荷載作用下不同環境對混凝土長期性能的影響，試驗表明，當壓應力比為0.15時，相對動彈性模量在10%濃度硫酸鹽溶液中隨侵蝕齡期一直降低，當壓應力比為0.3時時，相對動彈性模量逐漸減小。

吳駿暉[6]研究了軸壓荷載與硫酸鹽耦合作用及考慮水頭壓力對混凝土性能的影響，結果表明，軸壓荷載比為0.3和水頭壓力耦合可抑制硫酸鹽對混凝土的侵蝕作用。

徐惠[7]研究了硫酸鹽腐蝕對高性能混凝土力學性能的影響，研究表明，當應力比小于0.5時，應力對高性能混凝土的強度和質量變化影響較小；當應力比大于0.5時，應力對高性能混凝土的強度和質量變化影響較大。

薛耀東[8]通過混凝土在拉應力和壓應力狀態下受硫酸鹽侵蝕干濕循環試驗，表明拉應力和壓應力分別加快和減緩了硫酸鹽侵蝕混凝土的速率，且應力變化越大，硫酸鹽侵蝕速率的改變越大。

應力影響的實質是改變了混凝土的微觀結構，在拉應力和彎曲應力作用下，隨著加載時間的延長和應力水平的提高，早先存在的混凝土微裂縫不斷發展、擴大乃至貫通，同時又會有新裂縫的產生，使得侵蝕介質的滲透性增強、擴散速度加快，加劇混凝土結構的破壞。在壓應力對混凝土的影響不是單純正相關而是存在一個臨界值，當壓應力水平低于臨界值時，混凝土會被壓實使得孔隙率降低，此時混凝土結構密實度提高，侵蝕介質向混凝土內部擴散和滲透的難度增大，壓應力的存在對混凝土起到了一定的保護作用；當壓應力水平超過臨界值時，應力作用會使混凝土產生新裂縫和加劇原有裂縫的擴張，此時混凝土受到應力破壞，侵蝕介質向混凝土內部擴散和滲透的難度降低。實際上，混凝土建筑在使用的過程中常遭受物理和化學的綜合作用，評估混凝土鹽腐蝕與耐久性等問題必須考慮應力因素的影響。

2 研究存在的問題

通過查閱大量的國內外文獻資料，發現當前的硫酸鹽應力腐蝕研究中主要存在以下三個主要問題。

1)現有的應力狀態下或無狀態下的混凝土鹽溶液腐蝕試驗，一般均采用鹽溶液或鹽霧進行浸泡或干濕循環進行加速腐蝕試驗。目前，因耐久性試驗規范沒有對混凝土受鹽溶液腐蝕的試驗條件做出明文規定，使得相關研究人員在進行此類試驗時，對于鹽溶液或鹽霧的濃度、溶液種類和環境溫度等環境條件的設定往往主觀臆斷，使得混凝土受鹽溶液腐蝕的試驗環境條件無法統一，導致各類試驗結論之間不能相互對比，而單一因素的試驗研究存在局限性，給定量研究鹽溶液腐蝕對混凝土的影響造成了困難，至今尚未得出普遍適用于各類鹽溶液腐蝕條件下的混凝土蝕強模型。亟需對該領域內的研究出臺相關規范，以期獲得標準化、系統化的研究結果，更有效地滿足各類實際工程耐久性設計與施工需要。

2)早期研究成果在考慮荷載耦合作用方面的研究較少，有關荷載方面的研究中，主要集中于彎曲荷載影響的研究，由于加載試驗中的高應力加載難以實現，在荷載與環境耦合作用下的研究還相對較少，導致軸壓荷載與硫酸鹽耦合作用下混凝土劣化機理研究還不充分，也使得無法對試驗結果的對比和規律的總結分析，需要對其進行深入研究。

3)實際工程中多采用鋼筋混凝土結構，而實驗室進行的混凝土快速腐蝕試驗多以素混凝土為研究對象，鋼筋存在對鹽溶液有一定的促進作用，因此，在進行此類試驗時，以鋼筋混凝土結構為主要研究對象更符合實際情況。

針對現有研究中高壓應力狀態難以實現的問題，通過不斷思考和鉆研并參考文獻[9]，根據彈簧加載裝置原理自行設計并制作了兩套壓應力加載裝置，如圖1所示。

圖1 壓力加載裝置

兩套裝置分別對應兩種壓應力水平，區別在于碟簧型號不同，可以根據試驗的實際需要選擇合適的碟簧，同時也可對加載裝置的尺寸進行改進，其中各構件的規格和尺寸如下。

緊固件：12.9級熱鍍鋅，M24×220 mm(直徑×長度)螺栓和螺母；承壓板：Q345鋼，150 mm×150 mm×12 mm，孔徑d=25 mm(在鋼板四角處定位打孔，孔徑略大于螺栓直徑，保證螺栓能順利穿過)；裝置1和2中的碟簧型號和規格分別是：國標A15，單片最大彈力12 kN，4×4(共4組每組4片，同向放置，理論最大彈力為192 kN)；德標HW2122，單片最大彈力25 kN,4×4(同上,理論最大彈力為400 kN)。

碟簧由不耐腐蝕的合金制成，為實現試塊的全浸泡同時避免碟簧與硫酸銨溶液發生直接接觸，在試塊上方放置一個100 mm×100 mm×50 mm大理石塊，因大理石可能會與硫酸銨溶液發生化學反應，故需對大理石塊做嚴密的防水處理，防止其對試驗結果造成干擾，經測試試驗所用大理石塊極限抗壓強度平均值可達80 MPa，其強度遠高于混凝土試塊，可滿足試驗需要，其他金屬器材也均做防銹處理。

該應力加載裝置所能提供的應力水平高，需用壓力機來實現加載，如圖2所示。

圖2 壓力機加載現場

將試塊和加載裝置組裝好后(將試塊上下面放置在側面)放入壓力機中，上方放置一根鋼柱導力，設置好定荷參數后啟動壓力機，待荷載值穩定后，用扳手分多次少量地擰緊對角處螺母，防止出現偏心荷載，然后使壓力機回復原位，即可完成加載，在進行操作時，工作人員需格外注意安全，避免發生事故。碟簧產生的彈力通過承壓板均勻地傳遞到試塊上，但在使用的過程中碟簧和緊固件易受濕度影響而出現應力損失，為減小應力損失造成的影響，進行應力富余加載，富余加載比例為1.05∶1。根據試驗經驗，該應力加載裝置能夠很好地滿足試驗要求，當需要加載的應力水平超過試件極限抗壓強度的50%時，立方體會由于骨料分布不均勻和應力集中等原因在邊角處出現裂縫，甚至與直接脫落，無法滿足試驗要求，這種情況下建議采用圓柱形試件。

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