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(hù)結(jié)構(gòu)在負(fù)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(tái)等承受靜載、動(dòng)載作用的同時(shí),還受到二氧化碳、氯離子等的長(zhǎng)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(chē)輛來(lái)往頻度的增加,我國(guó)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。混凝土碳化和氯離子侵蝕是引起混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋銹蝕的兩大主要原因。荷載(尤其是動(dòng)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(lái)越復(fù)雜且嚴(yán)酷,如東海大橋、杭州灣大橋、膠州灣大橋。如何才能保證達(dá)到混凝土橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的服役壽命呢?應(yīng)該說(shuō)混凝土材料自身的耐久性是關(guān)鍵、是要害、也是核心。因?yàn)橛泻Φ奈镔|(zhì)多以氣體或液體形式出現(xiàn),并通過(guò)混凝土自身不同尺度的孔隙向混凝土內(nèi)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(yīng)、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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的損傷劣化就會(huì)進(jìn)一步加速和加劇,混凝土結(jié)構(gòu)服役壽命必將相應(yīng)地縮短。目前,國(guó)內(nèi)外對(duì)靜載與碳化或氯鹽復(fù)合作用下結(jié)構(gòu)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(duì)疲勞荷載與碳化或氯鹽復(fù)合作用下結(jié)構(gòu)混凝土耐久性退化的研究較少。這使得結(jié)構(gòu)混凝土在疲勞與碳化和氯鹽耦合作用下的損傷劣化過(guò)程及服役壽命不得而知,亟待解決。本文從材料學(xué)角度對(duì)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(fù)合作用下混凝土的性能退化進(jìn)行了總結(jié)與分析,并指明了亟需研究和探索的問(wèn)題。1復(fù)合混凝土材料目前,國(guó)內(nèi)外對(duì)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(zhuān)著。但對(duì)混凝土在碳化和氯離子侵蝕復(fù)合作用下的耐久性劣化研究較少,尚未達(dá)成共識(shí),甚至得到相反的結(jié)論。究其原因,主要是由于試件配比、研究方法、實(shí)驗(yàn)手段的不同。1.1混凝土鈣化對(duì)氯離子侵蝕的影響混凝土碳化和氯離子侵蝕共同作用時(shí),碳化對(duì)氯離子侵蝕的影響占主導(dǎo)地位。1.1.1粉煤灰混凝土的氯離子擴(kuò)散特性Papadakis等、Claisse等、柳俊哲、張鵬等、金祖權(quán)等、蘇卿等、萬(wàn)小梅、元成方等等研究發(fā)現(xiàn),碳化反應(yīng)降低了混凝土孔隙溶液的pH值,促進(jìn)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(guān)結(jié)構(gòu)的重分布,破壞了混凝土基體原有的過(guò)濾機(jī)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(kuò)散系數(shù),加快了混凝土中氯離子的擴(kuò)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(nèi)部的pH值,使得碳化作用進(jìn)一步增大了粉煤灰混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)。Montemor等研究表明:加速碳化與氯鹽復(fù)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(fù)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(kuò)散和反應(yīng)兩個(gè)主要?jiǎng)恿W(xué)過(guò)程,加速碳化速率受反應(yīng)速率控制,而自然碳化速率主要受CO2擴(kuò)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(jié)合的氯離子釋放,當(dāng)pH值降到11.5時(shí),70%以上結(jié)合氯離子都會(huì)被釋放出來(lái);粉煤灰、礦渣具有提高膠凝材料中結(jié)合氯離子穩(wěn)定性的作用;XRD分析證實(shí),碳化作用會(huì)使水泥石中Friedel鹽分解,從而造成結(jié)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(kuò)散速度,提高了混凝土中氯離子的含量,相對(duì)于混凝土碳化對(duì)結(jié)合氯離子的釋放作用,碳化導(dǎo)致的混凝土微觀(guān)結(jié)構(gòu)重分布對(duì)氯離子擴(kuò)散的加速作用占主導(dǎo)地位。1.1.2混凝土的氯離子擴(kuò)散Puatatsananon等采用二維非線(xiàn)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(jī)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(kuò)散。鄭永來(lái)等研究發(fā)現(xiàn),混凝土(W/C=0.55)碳化降低了內(nèi)部的孔隙率,提高了混凝土的密實(shí)度,由此降低了混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù),完全碳化混凝土的氯離子擴(kuò)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(dá)到一定的氯離子含量,再通過(guò)在65%相對(duì)濕度下對(duì)試樣粉末噴射體積分?jǐn)?shù)為5%的CO2氣體來(lái)加速碳化過(guò)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(jìn)氯離子擴(kuò)散Tumidajski等研究發(fā)現(xiàn),二氧化碳?xì)怏w的存在降低了氯離子在普通混凝土中的擴(kuò)散性能,卻提高了氯離子在礦渣混凝土中的擴(kuò)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(kuò)散性能,卻提高了氯離子在火山灰水泥砂漿中的擴(kuò)散性能。Matsumura等將完全碳化的混凝土試件進(jìn)行氯鹽噴淋試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)在40℃和65℃環(huán)境下得到的碳化對(duì)氯離子擴(kuò)散系數(shù)的影響結(jié)果恰好相反。許晨等研究表明:碳化產(chǎn)物填充了混凝土孔隙,阻止氯離子滲透;碳化會(huì)釋放結(jié)合氯離子導(dǎo)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(kuò)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(kuò)散系數(shù)明顯增大。1.2氯離子侵蝕對(duì)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(jīng)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(yīng)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(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)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(guān)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(huì)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(duì)濕度,減少了混凝土中可入孔的體積,提高了混凝土的密實(shí)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(jié)晶體的填充作用、Friedel鹽的沉積作用、化學(xué)吸附作用,氯離子侵入混凝土內(nèi)將細(xì)化混凝土的孔隙結(jié)構(gòu),提高了混凝土的抗碳化能力。綜上所述,碳化和氯鹽復(fù)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(huì)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(guó)內(nèi)外關(guān)于靜載與碳化或氯鹽復(fù)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(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)復(fù)雜,因而關(guān)于疲勞荷載與環(huán)境因素耦合作用下結(jié)構(gòu)混凝土耐久性退化的報(bào)道較少,且多以間接方式、交替作用來(lái)研究交變荷載與腐蝕介質(zhì)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(fù)合作用下的混凝土碳化壽命預(yù)測(cè)模型。機(jī)理分析表明,疲勞荷載會(huì)導(dǎo)致混凝土裂紋間隙因子減小,從而使混凝土CO2擴(kuò)散系數(shù)隨其疲勞損傷程度增加而增大。上述學(xué)者采用先疲勞后碳化的方法,探討了疲勞荷載對(duì)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(guò)測(cè)量卸載后混凝土導(dǎo)電量的方法,分析了循環(huán)壓縮荷載對(duì)混凝土中氯離子滲透性的影響。結(jié)果表明:經(jīng)受極限強(qiáng)度的60%的循環(huán)荷載時(shí),混凝土導(dǎo)電量會(huì)有顯著變化,而循環(huán)荷載水平在小于50%時(shí),對(duì)導(dǎo)電量的影響不大;氯離子侵蝕速率隨混凝土殘余應(yīng)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(kuò)散系數(shù)可以用殘余應(yīng)變來(lái)估計(jì),但未給出具體的計(jì)算公式。Nakhi等指出,軸壓疲勞荷載在混凝土內(nèi)引起彈性損傷,加速了氯離子在混凝土內(nèi)的傳輸;當(dāng)荷載水平超過(guò)60%時(shí),混凝土中氯離子滲透速率開(kāi)始明顯增大。張武滿(mǎn)等研究了重復(fù)荷載作用后一定摻量磨細(xì)礦渣混凝土的滲透性。結(jié)果表明:應(yīng)力水平越高,氯離子在混凝土內(nèi)的滲透速率越大;磨細(xì)礦渣摻量不大于30%時(shí),對(duì)混凝土抗氯離子滲透性有很好的改善作用。并且,對(duì)不同的配合比及應(yīng)力水平,混凝土滲透性與殘余拉應(yīng)變的增長(zhǎng)趨勢(shì)不一致。Xi等通過(guò)圖像分析、超聲波探測(cè)技術(shù)監(jiān)測(cè)混凝土表面、內(nèi)部的損傷,研究了軸心抗壓疲勞與氯離子擴(kuò)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(jié)果表明:當(dāng)荷載水平小于60%時(shí),疲勞荷載引起的彈性損傷加速了氯離子在混凝土內(nèi)的傳輸;當(dāng)荷載水平大于60%時(shí),混凝土的氯離子滲透性顯著增大;當(dāng)荷載水平大于70%時(shí),內(nèi)部損傷發(fā)展更加迅速。Gontar等采用柔度作為反復(fù)載荷作用下混凝土的損傷指標(biāo),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(guān)系。結(jié)果表明:彎曲疲勞載荷會(huì)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(biāo)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(fù)合作用下混凝土的耐久性退化,指明了混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)與殘余拉應(yīng)變的關(guān)系,并從微觀(guān)上解釋了疲勞與氯鹽的耦合效應(yīng)。研究表明:疲勞荷載加劇了氯鹽引起的混凝土損傷進(jìn)程,使結(jié)構(gòu)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(kuò)散規(guī)律,這與工程實(shí)際有一定差距。研究結(jié)果可為疲勞與氯鹽耦合下結(jié)構(gòu)混凝土的耐久性評(píng)估與剩余壽命預(yù)測(cè)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(yīng)變條件下氯離子的擴(kuò)散性能也不相同。孫培華等認(rèn)為,對(duì)于以殘余變形為參量的混凝土擴(kuò)散性需做進(jìn)一步研究。并且,指明使用超聲波波速作為損傷指標(biāo)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(kuò)散性能具有可行性。2.3疲勞荷載和氯離子擴(kuò)散的同步耦合Nakhi在內(nèi)部掏空的長(zhǎng)方體混凝土試件內(nèi)注入8%的氯化鈉溶液,然后分別對(duì)試件進(jìn)行軸壓應(yīng)力水平為50%、60%、70%的疲勞加載實(shí)驗(yàn),并在疲勞過(guò)程中采用超聲波探測(cè)技術(shù)對(duì)每次加載前后混凝土內(nèi)部損傷進(jìn)行檢測(cè)。結(jié)果表明:隨應(yīng)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(dāng)應(yīng)力水平大于60%時(shí),混凝土滲透性明顯提高;隨著應(yīng)力水平提高,混凝土內(nèi)部損傷程度加劇,當(dāng)應(yīng)力水平為60%時(shí),試驗(yàn)前期損傷變化幅度比較大,之后趨于平穩(wěn),而應(yīng)力水平到達(dá)70%時(shí),在試驗(yàn)的后期疲勞荷載對(duì)加速氯離子擴(kuò)散非常明顯,這種效果在應(yīng)力水平小于60%時(shí)不是很顯著。這是由于試驗(yàn)過(guò)程中加載次數(shù)有限,在較低應(yīng)力幅值作用下混凝土損傷會(huì)處于疲勞破壞發(fā)展過(guò)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(jī)理。結(jié)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(kuò)散系數(shù)顯著增大。王彩輝等通過(guò)自行設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方法,實(shí)現(xiàn)了疲勞荷載和氯離子擴(kuò)散的同步耦合,并采用聲發(fā)射技術(shù)對(duì)混凝土的疲勞損傷進(jìn)行三維定位的同步監(jiān)測(cè)。結(jié)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(kuò)散程度進(jìn)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(duì)氯離子擴(kuò)散的抑制效果有所減弱;與交替實(shí)驗(yàn)對(duì)比表明,加載過(guò)程的動(dòng)態(tài)效應(yīng)對(duì)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(wèn)題1)總結(jié)國(guó)內(nèi)外就結(jié)構(gòu)混凝土在疲勞與碳化或氯鹽復(fù)合作用下的耐久性研究進(jìn)展可見(jiàn),目前研究重點(diǎn)是混凝土碳化對(duì)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(nèi)的傳輸行為。2)混凝土碳化能促進(jìn)Friedel鹽分解,并釋放一部分結(jié)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(jìn)一步研究。目前