多重環(huán)境因素作用下橋梁混凝土耐久性試驗方法的研究現(xiàn)狀

摘要 簡要分析了影響我國內(nèi)陸橋梁混凝土耐久性的環(huán)境因素，并在此基礎(chǔ)上篩選出除冰鹽——凍融循環(huán)、干濕循環(huán)硫酸鹽侵蝕、荷載作用下的凍融循環(huán)與荷載作用下的硫酸鹽侵蝕4種典型的雙重環(huán)境因素組合，重點介紹了這4種環(huán)境因素組合作用下橋梁混凝土耐久性試驗方法的研究現(xiàn)狀，并提出了所存在的若干問題。

關(guān)鍵詞 長期性能 多重環(huán)境因素 試驗方法 鹽凍循環(huán) 硫酸鹽侵蝕干濕循環(huán)

中圖法分類號：TU528

0前言

　　橋梁是交通基礎(chǔ)設(shè)施中百年大計的工程，在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中起著舉足輕重的作用，其中混凝土橋梁占有非常大的比例。由于混凝土通常被認(rèn)為是經(jīng)久耐用的材料，且作為保護(hù)層，鋼筋也不會發(fā)生銹蝕。因此人們對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)橋梁使用壽命的期望很高，在規(guī)范制定和結(jié)構(gòu)設(shè)計時也往往忽視環(huán)境條件的影響。然而，據(jù)國內(nèi)外實例顯示，因受荷載及腐蝕性介質(zhì)環(huán)境的多重作用，如鹽凍侵蝕、干濕循環(huán)作用下的硫酸鹽侵蝕、環(huán)境與荷載耦合作用等，相當(dāng)多的混凝土橋梁在未達(dá)到預(yù)期的使用年限就過早地破壞，造成嚴(yán)重的社會影響和經(jīng)濟(jì)浪費。因此，橋梁混凝土耐久性問題已成為國際橋梁界面臨的重大技術(shù)問題。

　　研究橋梁混凝土的耐久性，需要建立合理的試驗方法，以模擬評價其長期使用性能，并在此基礎(chǔ)上指定評價指標(biāo)來衡量混凝土的耐久性。目前國內(nèi)外對其進(jìn)行了大量研究，并建立了一系列的標(biāo)準(zhǔn)試驗方法。本文主要針對影響我國內(nèi)陸橋梁混凝土長期性能的環(huán)境因素，分析了橋梁混凝土耐久性加速試驗方法的現(xiàn)狀，并提出所存在的一些問題。

1. 多因素環(huán)境及其試驗方法研究

　　根據(jù)我國不同溫度帶、濕度帶將我國分為若干典型的大區(qū)，在不同的氣候環(huán)境下橋梁混凝土所受的耐久性問題不同，如根據(jù)我國一年中正負(fù)溫次數(shù)及平均溫度可以將我國分為兩個大區(qū)，其中北方地區(qū)橋梁混凝土主要受凍融影響，南方主要受高溫和濕度影響；根據(jù)沿海和內(nèi)陸氣候特點，沿海氣候主要表現(xiàn)氣候較濕潤，橋梁混凝土結(jié)構(gòu)性能劣化主要是由于鋼筋銹蝕，內(nèi)陸氣候比較干燥，橋梁混凝土主要遭受含鹽類土壤的侵蝕。引起混凝土劣化的破壞因素很多，本文選取抗凍性、外部彎曲應(yīng)力、除冰鹽、干濕循環(huán)和硫酸鹽侵蝕幾種最重要的因素，也是實際工程中最為普遍的因素進(jìn)行綜合研究，主要篩選出以下4種典型雙重環(huán)境因素組合，并對其試驗方法進(jìn)行了探討。

1.1 凍融循環(huán)與除冰鹽共同作用

　　混凝土的凍融循環(huán)破壞現(xiàn)象在三北普遍存在，而部分地區(qū)的混凝土結(jié)構(gòu)又常常受到各種鹽溶液及多種鹽類混合溶液的作用，除冰鹽是最常見的一種。凍融循環(huán)由于對混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的破壞作用，可以加速氯鹽的侵蝕，而由于氯鹽的存在，加重了凍融破壞的危害；另外，凍融破壞和氯鹽侵蝕不僅降低了混凝土的抗?jié)B性能，而且由于其對混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的破壞，也降低了混凝土的強(qiáng)度性能，同時對混凝土的徐變性能也會產(chǎn)生較大的影響。

　　除冰鹽凍融目前我國尚未建立國家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。國家可供參考的方法主要有美國材料試驗協(xié)會《混凝土表面暴露于除冰鹽時抗鹽凍性的試驗方法》(ASTM C672-03)、國際材料試驗協(xié)會(RILEM)推薦的RILEM TC 176-IDC平板試驗《混凝土抗凍融侵蝕——內(nèi)部破壞》及RILEM TC 117-FDC CDF試驗《毛細(xì)吸鹽凍融試驗方法》、德國國家規(guī)范DIN EN 13687-1: 2002《除冰鹽浸泡凍融循環(huán)試驗》等標(biāo)準(zhǔn)^[1]~[3]。

　　清華大學(xué)張國強(qiáng)等人^[4]對ASTM C672-03抗鹽凍試驗方法進(jìn)行了改進(jìn)。該試驗方法是：取新拌混凝土分層裝入PVC材料Φ110mm×300mm圓柱形試模(帶底蓋)，振動密實，24h后取下試模底蓋，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)21d，在自動巖石切片機(jī)上帶模鋸切成厚50mm，用Φ112mm×60mmPVC管套接于鋸切試件上，目的是在混凝土試件表面形成高約30mm的鹽溶液池，制作的鹽凍試件如圖1所示，制作好的鹽凍試件重

　　作為混凝土是否滿足工程要求的依據(jù)。與ASTM C672-03相比，該方法對試件成型尺寸進(jìn)行調(diào)整，主要目的是為了更簡便的形成鹽凍溶液池，還對混凝土抗鹽剝蝕性能的評價進(jìn)行了定量分析，使試件剝蝕程度的可比性提高。新標(biāo)養(yǎng)28d后進(jìn)行鹽凍循環(huán)。鹽凍溶液濃度為4%的CaCl₂溶液，鹽凍循環(huán)制度為：在低溫試驗箱中于-17±2.8℃下凍結(jié)16~18h，常溫(23±1.7℃)下融化6~8h。評價標(biāo)準(zhǔn)：以50次循環(huán)后其單位面積的剝蝕量(kg/msQ²)來評價其抗鹽凍能力的大小。根據(jù)歐洲公路標(biāo)準(zhǔn)，以是否超過0.8 kg/msQ²

　　但需要注意的是，現(xiàn)有的鹽凍試驗方法所采用的鹽溶液濃度是不盡相同的，如上述試驗方法所采用的是4%的CaCl₂溶液，而哈爾濱工業(yè)大學(xué)楊文萃、葛勇等人^[5]所采用的是3.5%的NaCl溶液，且據(jù)研究表明鹽凍破壞程度并不隨鹽溶液的增加而增加，因此關(guān)于如何選擇溶液濃度，還需深入研究。

1.2 干濕循環(huán)與硫酸鹽侵蝕共同作用

　　我國的硫酸鹽含量非常豐富，分布較廣。新疆、甘肅、青海等西部地區(qū)的土壤類型屬于內(nèi)陸鹽土，該類土壤中含有大量的硫酸鹽、氯鹽和鎂鹽等強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)；沿海一帶的土壤類型屬于濱海鹽土，濱海鹽土中的鹽分組成主要是氯鹽和硫酸鹽。這兩種環(huán)境下的鹽土對混凝土及鋼筋混凝土材料具有極強(qiáng)的腐蝕性。干濕循環(huán)的主要作用將加速硫酸鹽的侵蝕進(jìn)程，從而嚴(yán)重影響混凝土的長期性能和耐久性能。

　　我國國家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)尚未制訂混凝土材料抗硫酸鹽侵蝕試驗方法，而水泥抗硫酸鹽侵蝕則有標(biāo)準(zhǔn)方法。國內(nèi)外可供參考的試驗方法有美國材料試驗協(xié)會混凝土硫酸鹽侵蝕試驗方法《對波特蘭水泥沙漿受硫酸鹽侵蝕下潛在膨脹的標(biāo)準(zhǔn)測試方法》(ASTM C452-02)、《硫酸鹽溶液中水泥沙漿長度變化的標(biāo)準(zhǔn)檢測方法》(ASTM C1012-04)、GB749-1965《水泥抗硫酸鹽侵蝕試驗方法》、GB2420-1981《水泥抗硫酸鹽侵蝕快速試驗方法》等標(biāo)準(zhǔn)^[6]~[9]。

　　中國建筑科學(xué)研究院冷發(fā)光、馬孝軒等人^[10]對中美兩國相關(guān)試驗方法標(biāo)準(zhǔn)作了對比，建議將全浸泡試驗和干濕循環(huán)試驗納入《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》，其中干濕循環(huán)硫酸鹽侵蝕試驗方法是：按設(shè)計要求的混凝土配合比制作100mm×100mm×100mm試件，靜停1d后拆模，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d，然后進(jìn)行干濕循環(huán)硫酸鹽侵蝕試驗。循環(huán)制度是：室內(nèi)5%NaSO₄溶液中浸泡16h，取出晾干1h，放入80℃烘箱中烘干6h，冷卻1h后稱重或壓強(qiáng)度，一個循環(huán)24h，盛溶液的容器采用帶蓋的塑料制品，記錄重量損失5%或強(qiáng)度損失25%時循環(huán)次數(shù)為試驗終止判斷依據(jù)，同時觀察混凝土表面的破損情況。

　　現(xiàn)有的干濕循環(huán)硫酸鹽侵蝕試驗方法的評價指標(biāo)也不盡相同，上述試驗方法的評價指標(biāo)為重量損失和強(qiáng)度損失，暨南大學(xué)歐陽東^[11]卻對此提出質(zhì)疑，并提出了體積膨脹率。因此關(guān)于如何客觀評價干濕循環(huán)硫酸鹽侵蝕對混凝土的破壞程度，還有待于進(jìn)一步的研究。

1.3 凍融循環(huán)與荷載耦合作用

　　在寒冷地區(qū)，絕大多數(shù)混凝土結(jié)構(gòu)都受到凍融循環(huán)與荷載的雙重作用?；炷羶鋈谘h(huán)試驗中，一般認(rèn)為，在300個凍融循環(huán)內(nèi)，如果試件的動彈性模量損失大于40%，或重量損失大于5%，便認(rèn)為混凝土破壞，但這并不能保證有荷載同時作用下其抗凍性滿足要求。

　　國內(nèi)外目前尚無關(guān)于凍融循環(huán)與荷載耦合作用的試驗標(biāo)準(zhǔn)，僅東南大學(xué)慕儒、孫偉等人^[12]對荷載作用下混凝土抗凍性進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。其主要試驗方法為：按設(shè)計要求的混凝土配合比成型40mm×40mm×160mm抗彎試件，試件成型24h后脫模，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)24d后浸入水中4d，再進(jìn)行荷載作用下的凍融試驗。加荷系統(tǒng)根據(jù)虎克定律通過壓縮彈簧對試件三分點加荷受彎(如圖2所示)。凍融循環(huán)前測定試件的抗彎強(qiáng)度，以此為基準(zhǔn)對試件施加應(yīng)力比為0%、10%、25%、50% 4個等級的荷載。試件施加荷載之后連同加荷裝置一起放入凍融試驗機(jī)試驗箱，凍融循環(huán)制度依照GBJ82-85《普通混凝土長期性能和耐久性試驗方法》中的“快凍法”進(jìn)行。評價標(biāo)準(zhǔn)：根據(jù)GBJ82-85，混凝土在300個循環(huán)內(nèi)，當(dāng)試件的動彈性模量下降大于40%或重量損失率大于5%，即認(rèn)為混凝土破壞。東南大學(xué)慕儒、孫偉等人經(jīng)過研究，有荷載作用下的試件都未達(dá)到這個標(biāo)準(zhǔn)便因荷載作用而斷裂，50%外部應(yīng)力作用下各水灰比的混凝試件土只經(jīng)過20~40次凍融循環(huán)便發(fā)生斷裂。

　　該試驗方法中，承受荷載作用下的試件斷裂后，就認(rèn)為其已經(jīng)破壞，未對荷載作用下的抗凍性定量分析，對混凝土其它長期性能指標(biāo)的客觀評價也具有一定的局限性。

1.4 硫酸鹽侵蝕與荷載耦合作用

　　在沿海一帶和鹽漬地區(qū)，硫酸鹽侵蝕是混凝土老化病害的主要原因之一，我國從50年代開始就做過一些研究工作，但工作狀態(tài)下的混凝土一般都受到荷載和腐蝕的同時作用。

　　東南大學(xué)慕儒、孫偉等人^[13]對荷載作用下的混凝土抗硫酸鹽侵蝕也進(jìn)行了研究。其主要試驗方法為：按設(shè)計要求的混凝土配合比成型40mm×40mm×160mm抗彎試件，試件成型24h后脫模，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至28d進(jìn)行荷載作用下的硫酸鹽侵蝕試驗。加載裝置同1.3中荷載作用下的凍融循環(huán)加載裝置，如圖2所示，同樣對試件三分點加荷受彎，硫酸鹽侵蝕前測定試件的抗彎強(qiáng)度，以此為基準(zhǔn)對試件施加應(yīng)力比為0%、10%、25%、50%4個等級的荷載。試驗采用浸泡法，將加好荷載的試件連同荷載試驗架一起浸沒于裝滿質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%Na₂SO₄溶液的容器中，每周測定一次SO₄^-2濃度，如有變化及時調(diào)整，以保證溶液濃度保持恒定。評價標(biāo)準(zhǔn)：采用相對抗彎強(qiáng)度、相對抗壓強(qiáng)度、相對動彈性模量進(jìn)行評定。

2. 關(guān)于橋梁混凝土長期性能加速試驗方法的若干問題

　　(1)目前雖然開展了多因素復(fù)合作用及荷載與多因素耦合作用試驗研究，但是尚沒有統(tǒng)一的試驗方法。在腐蝕因素、加載設(shè)備及荷載應(yīng)力方面，沒有統(tǒng)一要求，需要進(jìn)一步規(guī)范。如在進(jìn)行硫酸鹽腐蝕時，硫酸鹽溶液濃度有的為5%，有的為10%，介質(zhì)有的用Na₂SO₄，有的用(NH₄)₂SO₄；在進(jìn)行氯鹽侵蝕試驗時，鹽溶液濃度有的為3%，有的為4%，介質(zhì)有的用NaCl，有的用CaCl₂；在試驗環(huán)境方面，溫度、濕度還沒有統(tǒng)一要求；在加載設(shè)備方面，有的采用彈簧加載，有的采用螺桿加載，甚至有的采用杠桿加載。試驗條件隨意性比較大，試驗結(jié)果沒有可比較性，很難用于指導(dǎo)實踐。

　　(2)目前所采用的混凝土長期性能試驗方法中，其評價指標(biāo)只限于動彈性模量降低、重量損失、強(qiáng)度損失、試件是否斷裂等，對混凝土的其它長期性能指標(biāo)不能詳細(xì)準(zhǔn)確地表征。如進(jìn)行混凝土抗鹽凍試驗時，只以經(jīng)50次鹽凍循環(huán)后其單位面積剝蝕量是否超過0.8kg/m²作為混凝土是否滿足工程要求的依據(jù)；進(jìn)行干濕循環(huán)硫酸鹽侵蝕試驗時，只以經(jīng)50次循環(huán)后其重量損失是否小于5%或強(qiáng)度損失是否小于25%作為混凝土的合格標(biāo)準(zhǔn)；進(jìn)行荷載作用下的凍融循環(huán)試驗時，只以動彈性模量損失是否大于40%或重量損失是否大于5%，試件是否突然斷裂作為混凝土的合格標(biāo)準(zhǔn)。對混凝土的其它性能，如抗?jié)B性、抗彎拉強(qiáng)度、彈性模量、徐變性能及其組成、結(jié)構(gòu)等的變化趨勢，沒有進(jìn)行詳細(xì)的表征。

3 小 結(jié)

　　綜上所述，國內(nèi)外現(xiàn)行的各種水泥混凝土耐久性標(biāo)準(zhǔn)測試評價方法，由于試驗制度的不統(tǒng)一和評價指標(biāo)的局限性，難以用于指導(dǎo)實際工程。因此建議結(jié)合我國橋梁混凝土的典型腐蝕環(huán)境，在借鑒和消化國內(nèi)外研究成果的基礎(chǔ)上，建立合理的加速試驗方法，以研究典型復(fù)合腐蝕環(huán)境以及荷載與典型腐蝕環(huán)境耦合作用下橋梁混凝土的長期性能和耐久性能的演變規(guī)律，為橋梁混凝土結(jié)構(gòu)的安全評定和相關(guān)試驗方法的完善提供必要的理論和技術(shù)依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

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