物理和化学作用对混凝土的损伤劣化探讨

　　摘    要：　在当今时代，混凝土结构无处不在，绝大多数的建筑都离不开混凝土，例如地下工程、水利工程、海洋工程和居民建筑物等。我国东北滨海地区、华北和西北盐渍地区含有较多的氯盐和硫酸盐，在不同环境耦合作用下对混凝土产生损伤和破坏，使得混凝土结构耐久性和安全性大大降低。文章分析了混凝土在不同环境侵蚀下的损伤破坏机理，从物理和化学两个方面总结了前人的研究成果，干湿循环和冻融循环会加快氯盐和硫酸盐对混凝土损伤劣化，并且对混凝土在不同环境侵蚀下的进一步研究做了展望。

　　关键词 :     混凝土:气盐.硫酸盐;劣化;

　　0、 引言

　　现在，我国已经进入了“两个一百年”奋斗目标的历史交汇期，经济飞速发展，建筑工程建设也迎来了新的飞腾。我国东北滨海地区、华北和西北盐渍地区含有较多的氯盐和硫酸盐，大大降低了混凝土结构的使用寿命[1]。影响混凝土结构性能的研究一直是国内外学者的重点，大体包括混凝土试件本身性质和外界的复杂环境等方面的研究。

　　周茗如等[2]通过一定浓度硫酸盐溶液和清水溶液分别对混凝土试件进行干湿循环试验，发现硫酸盐溶液浸泡的混凝土试件表面膨胀开裂比清水溶液浸泡得要严重，且循环次数越多，开裂越大。金祖权等[3]研究发现，氯盐和硫酸盐复合溶液浸泡混凝土试件，试验前期氯离子的扩散速度较慢因为溶液中含有硫酸根，试验后期相互促进增强了氯离子的扩散速度。商怀帅等[4]研究发现，当混凝土试件进行100次冻融循环时，抗压强度下降到没经过冻融循环混凝土试件的一半。冯乃谦等[5]调查发现，由于复杂环境对混凝土结构的影响，山东沿海的桥梁在使用10年左右耐久性能大大降低。李华等[6]对不同配合比的混凝土试件进行了硫酸盐干湿循环试验，随着试验的进行，试件的抗压强度和质量先增长后下降。本文总结了近年来外界因素对混凝土结构的损伤劣化，解释了作用机理，并且对混凝土在不同环境侵蚀下的进一步研究做了展望。

　　1 、物理作用对混凝土的损伤劣化

　　1.1 、润滑作用

　　长时间的地下水、河水或者海水渗入混凝土内部，使得颗粒间的摩擦角减小，从而摩擦力也变小，降低混凝土的性能。

　　1.2、 软化作用

　　混凝土在水中浸泡时强度发生下降称为混凝土的软化作用，作用机理和润滑作用的很相似，水分子进入混凝土内部，降低了颗粒之间的内黏聚力，与此同时颗粒间的摩擦力也减小，长此以往混凝土物理和力学性能降低。

　　1.3 、干湿循环作用

　　干湿循环是地球上很常见的物理作用之一，存在较多的工程实际，比如雨水降落与蒸发、潮汐现象和水库水位的变化等等，造成混凝土构件和水的接触面在湿润和干燥之间反复，水分不断浸入和析出混凝土构件，长此以往，混凝土构件内部的开口空隙变得越来越大，混凝土的劣化越来越明显，损伤是渐进性的。Cody等[7]研究表明干湿循环对混凝土构件造成的劣化比完全浸泡水中要严重。孙迎召等[8]通过试验得出混凝土损伤层厚度和经历的干湿循环次数呈正相关。

　　1.4 、冻融循环作用

　　混凝土的冻融循环是指水分通过混凝土毛细孔渗入内部，然后在冻结温度下经过一段时间混凝土受冻，内部含有水分的毛细孔膨胀，融化后导致表面脱落、破损和产生裂缝。发生冻融破坏的条件首先要有低温，在我国北方的严寒地区建筑物容易发生冻融破坏。

　　刘燕等[9]通过试验，引入损失的动弹性模量与损伤的关系，得出冻融循环相对于干湿循环而言对混凝土的破坏更严重，而且冻融-干湿双循环对混凝土的破坏远远大于冻融循环加干湿循环的破坏总和。

　　2 、化学作用对混凝土的损伤劣化

　　2.1、 氯盐扩散

　　氯离子渗入混凝土内部，在水泥水化产物的参与下，产生F盐[10]；氯离子还会引起混凝土内部钢筋的锈蚀，氯离子和亚铁离子反应生成氯化亚铁(含结晶水)，然后分解形成氢氧化亚铁[11]，从上述一系列的反应也可以看出氯离子只是充当催化剂的作用，钢筋进而被锈蚀，混凝土内部p H值也减小，所以钢筋发生腐蚀的速度会逐渐加快。

　　2.2 、硫酸盐侵蚀

　　硫酸盐对混凝土造成的损伤和氯盐的不一样，进入内部发生反应生成膨胀性物质，为大致过程。硫酸根离子会和混凝土中的熟石灰生成石膏，进而产生钙矾石[12]，石膏和钙矾石填满内部孔隙，然后结晶进而混凝土体积变大出现微裂纹。混凝土的抗压强度先升高后降低，原因是前期未完全水化的水泥会继续水化，孔隙的填满在一定程度上也增加了自身的密实性，随着硫酸根离子的不断侵蚀，混凝土出现膨胀、脱落和开裂，强度大幅度降低。

　　3 、多重因素下混凝土的损伤劣化

　　上述都是用单一的因素去思考混凝土的损伤劣化，接下来本文根据国内外学者对混凝土耐久性方面的研究，进行混凝土在多重因素下损伤劣化的总结。

　　首先混凝土在氯盐和硫酸盐复合溶液的条件下，因为氯离子的扩散速度比硫酸根离子的快，所以氯离子优先和水泥水化产物发生反应，生成F盐，降低了硫酸根离子和水泥水化产物发生反应所产生的钙矾石，产生的钙矾石也减缓了F盐的生成，两者相互干扰，随着侵蚀的不断进行，内部孔隙不断变大混凝土也发生开裂，混凝土损伤越来越大。反应前期对混凝土的损伤：氯盐>硫酸盐>复合盐溶液，因为硫酸盐侵蚀产生的膨胀产物比氯盐的大，密实性大；反应后期：硫酸盐>复合盐溶液>氯盐，因为硫酸盐侵蚀膨胀产物使得混凝土开裂，相比较于氯盐侵蚀更严重，复合盐溶液中的硫酸根虽然前期阻碍了氯离子的扩散，但是后期加快了氯离子的扩散[3]。

　　混凝土的循环机制不同时，就干湿循环和冻融循环而言，前者使得内部孔隙缓慢变大，后者使得混凝土膨胀并产生裂缝，后者的损伤要严重一点。冻融-干湿双循环条件下，冻融循环使得混凝土膨胀产生微裂缝，干湿循环使得水分进入得更容易，下一次的冻融循环内部裂缝水结冰膨胀得越大，混凝土破坏得更快[9]，对混凝土的损伤，冻融-干湿双循环大于冻融循环，冻融循环大于干湿循环。

　　循环机制和溶液环境耦合条件下，干湿循环由于水分反复的浸入和干燥，会增加混凝土内部的孔隙；冻融循环由于水分的结冰使得内部体积变大，会让混凝土产生微裂纹；无论是上面的哪种情况，在盐溶液的侵蚀条件下，硫酸根离子或者氯离子会更容易扩散，都会比单一的盐溶液来言损伤得更严重，干湿-冻融-盐溶液>冻融-盐溶液>干湿-盐溶液。

　　4 、结语

　　在我国的东部沿海地区和西北盐渍地区，上述关于混凝土损伤的问题很常见，国内外学者也研究出了丰硕的成果，对此笔者也做出了一些展望：(1)在以上研究的基础上可以探讨水温对盐溶液中氯离子和硫酸根离子扩散的影响；(2)试验要和实际的工程相结合才更加有意义和价值。

　　参考文献

　　[1]王琴干湿循环下桥梁混凝土抗氯离子侵蚀试验分析[J] .混凝土,2017(09)-20-22.

　　[2]周茗如，罗小博,路承功,等硫酸盐与干湿循环作用下混凝土耐久性试验研究[J]混凝土2017(09):15-19.

　　[3]金祖权,孙伟张云升,等混凝土在硫酸盐、氯盐溶液中的损伤过程[J] 硅酸盐学报2006(05):630-635.

　　[4]商怀帅，宋玉普,覃丽坤普通混凝土冻融循环后性能的试验研究[J]混凝土与水泥制品,2005(02):9-11.

　　[5]冯乃谦,蔡军旺，牛全林等山东沿海钢筋混凝土公路桥的劣化破坏及其对策的研究[J] .混凝土,2003(01):3-6+12.

　　[6]李华混凝土在干湿循环与硫酸盐侵蚀作用下的劣化机理分析[J].兰州工业学院学报,2020,27(02):9-14.

　　[7] Cody R D,Cody A M,Spry P G,et al.Reduction of concrete deterioration by ettringite using crystal growth inhibition techniques[J]. Crystalliz ation,2001.

　　[8]孙迎召牛荻涛,姜磊,等干湿循环条件下混凝土硫酸盐侵蚀损伤分析[J]硅酸盐通报2013,32(07):1405-1409.

　　[9]刘燕,王泽坤李忠献等冻融干湿耦合循环下粉煤灰混凝土损伤度分析[J].混凝土,2020(05)-:32-35+39.

　　[10]郝负洪,江南.樊金承等盐渍土环境下混凝土的抗腐蚀性能研究[J].混凝土,2016(08):8-10+15.

　　[11]满都拉银花曹美琪盐渍土环境下混凝土耐久性研究进展[J]硅酸盐通报.2016,35(11):3575-3580+3606.

　　[12]邹笃建,覃珊珊,刘铁军,等多离子溶液浸泡环境下氯离子在砂浆中的扩散性能[J]硅酸盐学报2020 ,48(11):1817-1823.