海洋環(huán)境下混凝土的損傷劣化分析

海洋環(huán)境下混凝土的損傷劣化分析

建筑物的防護結構在負荷和環(huán)境中起著共同作用。如近海橋梁、濱海橋梁、海洋平臺等承受靜載、動載作用的同時,還受到二氧化碳、氯離子等的長期侵蝕。由于鹽害、中性化、凍害等劣化作用的影響,加之重載車輛來往頻度的增加,我國有些混凝土橋梁在投入使用10年左右,就因鋼筋銹蝕提前發(fā)生耐久性失效?；炷撂蓟吐入x子侵蝕是引起混凝土結構中鋼筋銹蝕的兩大主要原因。荷載(尤其是動載)作用造成的損傷加速和加劇了混凝土碳化和氯離子侵蝕。橋梁的服役條件越來越復雜且嚴酷,如東海大橋、杭州灣大橋、膠州灣大橋。如何才能保證達到混凝土橋梁結構設計的服役壽命呢?應該說混凝土材料自身的耐久性是關鍵、是要害、也是核心。因為有害的物質多以氣體或液體形式出現(xiàn),并通過混凝土自身不同尺度的孔隙向混凝土內部傳輸。如在海洋大氣環(huán)境、除冰鹽環(huán)境下,充足的氧氣供應、混凝土碳化和氯離子侵蝕的耦合作用,大大降低了氯離子的閾值濃度,造成結構混凝土損傷速率加大、鋼筋銹蝕加速。如果再與荷載耦合,混凝土結構的損傷劣化就會進一步加速和加劇,混凝土結構服役壽命必將相應地縮短。目前,國內外對靜載與碳化或氯鹽復合作用下結構混凝土損傷劣化的研究頗多[6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18],而對疲勞荷載與碳化或氯鹽復合作用下結構混凝土耐久性退化的研究較少。這使得結構混凝土在疲勞與碳化和氯鹽耦合作用下的損傷劣化過程及服役壽命不得而知,亟待解決。本文從材料學角度對混凝土碳化和氯離子侵蝕的相互影響、疲勞與碳化或氯鹽復合作用下混凝土的性能退化進行了總結與分析,并指明了亟需研究和探索的問題。1復合混凝土材料目前,國內外對混凝土在單一碳化或氯離子侵蝕作用下的耐久性劣化研究頗多,取得了豐碩的成果,并出版了許多專著。但對混凝土在碳化和氯離子侵蝕復合作用下的耐久性劣化研究較少,尚未達成共識,甚至得到相反的結論。究其原因,主要是由于試件配比、研究方法、實驗手段的不同。1.1混凝土鈣化對氯離子侵蝕的影響混凝土碳化和氯離子侵蝕共同作用時,碳化對氯離子侵蝕的影響占主導地位。1.1.1粉煤灰混凝土的氯離子擴散特性Papadakis等、Claisse等、柳俊哲、張鵬等、金祖權等、蘇卿等、萬小梅、元成方等等研究發(fā)現(xiàn),碳化反應降低了混凝土孔隙溶液的pH值,促進了水泥石中Friedel鹽的分解,粗化了混凝土的孔隙,引起了混凝土微觀結構的重分布,破壞了混凝土基體原有的過濾機制,增加了混凝土中氯離子的含量,提高了混凝土中氯離子的擴散系數(shù),加快了混凝土中氯離子的擴散速度。劉志勇、白軻等、孫叢濤等研究發(fā)現(xiàn),粉煤灰的摻入減少了生成Ca(OH)2的量,更加降低了混凝土內部的pH值,使得碳化作用進一步增大了粉煤灰混凝土的氯離子擴散系數(shù)。Montemor等研究表明:加速碳化與氯鹽復合作用使粉煤灰混凝土的抗氯離子侵蝕性能降低,且粉煤灰含量越高氯離子含量越高;而自然碳化與氯鹽復合作用下粉煤灰含量越高氯離子含量越低。這可能是由于混凝土碳化總是伴隨著擴散和反應兩個主要動力學過程,加速碳化速率受反應速率控制,而自然碳化速率主要受CO2擴散速率控制。龔傲龍等研究表明:碳化作用使得穩(wěn)態(tài)條件下膠凝材料結合的氯離子釋放,當pH值降到11.5時,70%以上結合氯離子都會被釋放出來;粉煤灰、礦渣具有提高膠凝材料中結合氯離子穩(wěn)定性的作用;XRD分析證實,碳化作用會使水泥石中Friedel鹽分解,從而造成結合氯離子的釋放。牛荻濤等研究表明:碳化作用加快了混凝土中氯離子的擴散速度,提高了混凝土中氯離子的含量,相對于混凝土碳化對結合氯離子的釋放作用,碳化導致的混凝土微觀結構重分布對氯離子擴散的加速作用占主導地位。1.1.2混凝土的氯離子擴散Puatatsananon等采用二維非線性有限差分程序,分析了氯離子和碳化共同作用下鋼筋混凝土的劣化機理。研究發(fā)現(xiàn),碳化生成了碳酸鈣,使混凝土孔隙減少,從而阻礙氯離子在混凝土中的擴散。鄭永來等研究發(fā)現(xiàn),混凝土(W/C=0.55)碳化降低了內部的孔隙率,提高了混凝土的密實度,由此降低了混凝土的氯離子擴散系數(shù),完全碳化混凝土的氯離子擴散系數(shù)約為未碳化混凝土的43%。Goni等在鋁酸鈣水泥漿體中摻加NaCl使混凝土達到一定的氯離子含量,再通過在65%相對濕度下對試樣粉末噴射體積分數(shù)為5%的CO2氣體來加速碳化過程,發(fā)現(xiàn)Friedel鹽的碳化并未顯著提高可溶性氯化物的含量。1.1.3促進氯離子擴散Tumidajski等研究發(fā)現(xiàn),二氧化碳氣體的存在降低了氯離子在普通混凝土中的擴散性能,卻提高了氯離子在礦渣混凝土中的擴散性能。Chindaprasirt等研究發(fā)現(xiàn),碳化作用降低了氯離子在普通水泥砂漿中的擴散性能,卻提高了氯離子在火山灰水泥砂漿中的擴散性能。Matsumura等將完全碳化的混凝土試件進行氯鹽噴淋試驗,發(fā)現(xiàn)在40℃和65℃環(huán)境下得到的碳化對氯離子擴散系數(shù)的影響結果恰好相反。許晨等研究表明:碳化產物填充了混凝土孔隙,阻止氯離子滲透;碳化會釋放結合氯離子導致氯離子濃度的局部峰值,加速了氯離子滲透。元成方等研究表明,碳化后,低水膠比(0.35)混凝土的氯離子擴散系數(shù)有所下降,而高水膠比(0.45、0.55)混凝土的氯離子擴散系數(shù)明顯增大。1.2氯離子侵蝕對混凝土鈣化的影響1.2.1氯離子和混凝土體系邢占東等研究發(fā)現(xiàn):經NaCl溶液浸泡后,混凝土的抗碳化性能下降,并且粉煤灰、礦渣雙摻混凝土的抗碳化性能低于普通混凝土;粉煤灰的摻量越多,抗碳化性能下降越明顯。這很可能是由于氯離子與混凝土體系中的大部分Ca(OH)2發(fā)生反應生成CaCl2,使得混凝土體系中大部分Ca(OH)2溶出或以CaCl2的形式溶出,從而限制了粉煤灰的二次水化作用,以致粉煤灰大都以填充材料存在于混凝土的體系中,導致混凝土結構體系中的膠凝體總量下降。李林等研究發(fā)現(xiàn):高性能混凝土的氯離子侵蝕和碳化具有很大的相關性;氯離子滲透系數(shù)越小,碳化速度越快。這表明摻加粉煤灰和礦渣雖然能提高混凝土的抗氯離子侵蝕能力,但會加速或加劇混凝土的碳化。1.2.2混凝土的熱膨脹劉志勇等研究發(fā)現(xiàn),氯離子侵蝕增加了混凝土的吸濕性和相對濕度,減少了混凝土中可入孔的體積,提高了混凝土的密實度,在一定程度上降低了混凝土的碳化速度,但這種影響很有限。許晨等研究表明:由于氯鹽結晶體的填充作用、Friedel鹽的沉積作用、化學吸附作用,氯離子侵入混凝土內將細化混凝土的孔隙結構,提高了混凝土的抗碳化能力。綜上所述,碳化和氯鹽復合作用下混凝土的耐久性退化與單一碳化或氯鹽作用下混凝土的耐久性退化有很大不同。2靜載與氯化作用荷載作用會加劇碳化或氯鹽引起的混凝土損傷劣化,從而加速鋼筋銹蝕。目前,國內外關于靜載與碳化或氯鹽復合作用下混凝土損傷劣化的研究頗多。由于疲勞荷載與環(huán)境因素耦合作用的加載實驗裝置設計復雜,因而關于疲勞荷載與環(huán)境因素耦合作用下結構混凝土耐久性退化的報道較少,且多以間接方式、交替作用來研究交變荷載與腐蝕介質的共同作用。2.1疲勞荷載與環(huán)境Tanaka等研究發(fā)現(xiàn),隨著循環(huán)次數(shù)的增加,混凝土的疲勞損傷增大、微孔體積增加、碳化深度變大,這意味著隨著疲勞發(fā)展,混凝土碳化加速。蔣金洋等根據(jù)混凝土承受的疲勞荷載和大氣環(huán)境,建立了疲勞荷載與大氣環(huán)境復合作用下的混凝土碳化壽命預測模型。機理分析表明,疲勞荷載會導致混凝土裂紋間隙因子減小,從而使混凝土CO2擴散系數(shù)隨其疲勞損傷程度增加而增大。上述學者采用先疲勞后碳化的方法,探討了疲勞荷載對混凝土碳化的影響。2.2礦渣混凝土抗氯離子泄漏Saito等通過測量卸載后混凝土導電量的方法,分析了循環(huán)壓縮荷載對混凝土中氯離子滲透性的影響。結果表明:經受極限強度的60%的循環(huán)荷載時,混凝土導電量會有顯著變化,而循環(huán)荷載水平在小于50%時,對導電量的影響不大;氯離子侵蝕速率隨混凝土殘余應變的增大而增大;并指出循環(huán)壓縮荷載作用下混凝土中氯離子擴散系數(shù)可以用殘余應變來估計,但未給出具體的計算公式。Nakhi等指出,軸壓疲勞荷載在混凝土內引起彈性損傷,加速了氯離子在混凝土內的傳輸;當荷載水平超過60%時,混凝土中氯離子滲透速率開始明顯增大。張武滿等研究了重復荷載作用后一定摻量磨細礦渣混凝土的滲透性。結果表明:應力水平越高,氯離子在混凝土內的滲透速率越大;磨細礦渣摻量不大于30%時,對混凝土抗氯離子滲透性有很好的改善作用。并且,對不同的配合比及應力水平,混凝土滲透性與殘余拉應變的增長趨勢不一致。Xi等通過圖像分析、超聲波探測技術監(jiān)測混凝土表面、內部的損傷,研究了軸心抗壓疲勞與氯離子擴散交互作用下混凝土的氯離子傳輸性能,但未研究混凝土的疲勞性能。結果表明:當荷載水平小于60%時,疲勞荷載引起的彈性損傷加速了氯離子在混凝土內的傳輸;當荷載水平大于60%時,混凝土的氯離子滲透性顯著增大;當荷載水平大于70%時,內部損傷發(fā)展更加迅速。Gontar等采用柔度作為反復載荷作用下混凝土的損傷指標,研究了彎曲疲勞荷載下混凝土的抗氯離子侵蝕性能,建立了混凝土柔度與氯離子侵蝕的關系。結果表明:彎曲疲勞載荷會大大降低混凝土的抗氯離子侵蝕性能。但是,尚未提出以傳輸速度為量化指標的氯離子侵蝕模型。蔣金洋等研究了彎曲疲勞載荷與氯鹽復合作用下混凝土的耐久性退化,指明了混凝土氯離子擴散系數(shù)與殘余拉應變的關系,并從微觀上解釋了疲勞與氯鹽的耦合效應。研究表明:疲勞荷載加劇了氯鹽引起的混凝土損傷進程,使結構混凝土的使用壽命將大大降低。上述研究克服了以往將循環(huán)次數(shù)作為損傷變量的不足,但僅僅考察了疲勞后氯離子的擴散規(guī)律,這與工程實際有一定差距。研究結果可為疲勞與氯鹽耦合下結構混凝土的耐久性評估與剩余壽命預測提供參考。由于礦物摻量、荷載條件及環(huán)境因素的不同,相同殘余應變條件下氯離子的擴散性能也不相同。孫培華等認為,對于以殘余變形為參量的混凝土擴散性需做進一步研究。并且,指明使用超聲波波速作為損傷指標研究疲勞載荷與環(huán)境因素耦合作用下的混凝土中氯離子擴散性能具有可行性。2.3疲勞荷載和氯離子擴散的同步耦合Nakhi在內部掏空的長方體混凝土試件內注入8%的氯化鈉溶液,然后分別對試件進行軸壓應力水平為50%、60%、70%的疲勞加載實驗,并在疲勞過程中采用超聲波探測技術對每次加載前后混凝土內部損傷進行檢測。結果表明:隨應力水平不斷提高,氯離子在混凝土中的濃度及侵入深度不斷增加,當應力水平大于60%時,混凝土滲透性明顯提高;隨著應力水平提高,混凝土內部損傷程度加劇,當應力水平為60%時,試驗前期損傷變化幅度比較大,之后趨于平穩(wěn),而應力水平到達70%時,在試驗的后期疲勞荷載對加速氯離子擴散非常明顯,這種效果在應力水平小于60%時不是很顯著。這是由于試驗過程中加載次數(shù)有限,在較低應力幅值作用下混凝土損傷會處于疲勞破壞發(fā)展過程中的穩(wěn)定發(fā)展階段,所以變化不明顯。陳拴發(fā)等等研究了腐蝕疲勞作用下高性能混凝土的滲透性和破壞機理。結果表明:交變疲勞荷載加大了混凝土的孔隙尺寸和裂隙寬度,使得腐蝕疲勞作用后,混凝土的氯離子擴散系數(shù)顯著增大。王彩輝等通過自行設計的實驗方法,實現(xiàn)了疲勞荷載和氯離子擴散的同步耦合,并采用聲發(fā)射技術對混凝土的疲勞損傷進行三維定位的同步監(jiān)測。結果表明:疲勞荷載加速了氯離子在飽和混凝土、礦渣砂漿中的傳輸,且隨著載荷、溫度的提高,其擴散程度進一步加劇;礦渣的摻入能有效改善砂漿抵抗氯離子侵蝕的性能,其最佳摻量為膠凝材料的30%,但隨著礦渣含量的提高,其對氯離子擴散的抑制效果有所減弱;與交替實驗對比表明,加載過程的動態(tài)效應對氯離子在礦渣砂漿中的傳輸有顯著影響。最終,提出了氯離子在飽和砂漿中的傳輸模型。3混凝土中氯離子侵蝕問題1)總結國內外就結構混凝土在疲勞與碳化或氯鹽復合作用下的耐久性研究進展可見,目前研究重點是混凝土碳化對氯離子侵蝕的影響及疲勞荷載作用后(下)氯離子在混凝土內的傳輸行為。2)混凝土碳化能促進Friedel鹽分解,并釋放一部分結合氯離子,但是能否加速氯離子在混凝土中的侵蝕還有待進一步研究。目前