陳沁宇 陳信宇

摘 要：總結(jié)目前國(guó)內(nèi)外混凝土溶蝕試驗(yàn)研究的研究現(xiàn)狀，介紹混凝土溶蝕試驗(yàn)常用的試驗(yàn)方法以及影響混凝土耐久性的外部因素。重點(diǎn)對(duì)溶蝕試驗(yàn)方案作出歸納和總結(jié)，指出各方法的優(yōu)缺點(diǎn)。最后在現(xiàn)有的溶蝕試驗(yàn)的研究成果上提出有待解決的問(wèn)題和展望。

關(guān)鍵詞：水工混凝土；溶蝕；試驗(yàn)方法

1 概述

水工混凝土，顧名思義，就是用于水工建筑物的混凝土。水工混凝土長(zhǎng)期與大氣和水接觸，常會(huì)受到日曬、沖刷和溶蝕等作用。本文著重論述溶蝕作用對(duì)混凝土的影響。

林芳榮[1]在文獻(xiàn)中指出，混凝土的溶蝕可以大致分成三個(gè)階段：第一階段：混凝土淺表的石灰溶解并附著在混凝土表面形成一層飽和層；第二階段：混凝土表面的石灰向周圍水環(huán)境中擴(kuò)散；第三階段：混凝土內(nèi)部的石灰沿著毛細(xì)管向外擴(kuò)散。自那時(shí)起，混凝土溶蝕問(wèn)題開(kāi)始逐漸受到國(guó)內(nèi)學(xué)者的高度關(guān)注。

由于水工混凝土在不同水環(huán)境中所受的水壓力不同，可將混凝土在水中的溶蝕過(guò)程分為兩類，即：（1）接觸溶蝕：當(dāng)混凝土所受水壓力小到可忽略時(shí)所受到的溶蝕作用；（2）滲透溶蝕：當(dāng)混凝土所受水壓力不可忽略時(shí)所受到的溶蝕作用。大壩蓄水后，混凝土大面積與水接觸，會(huì)產(chǎn)生接觸溶蝕；同時(shí)，在水的壓力作用下，滲水不可避免，會(huì)產(chǎn)生滲透溶蝕。在長(zhǎng)時(shí)間溶蝕過(guò)程中，混凝土的鈣離子會(huì)流失，膠結(jié)物會(huì)受到破壞，這也是水工混凝土的常見(jiàn)病害之一。為了研究水工混凝土的溶蝕機(jī)理，必定要對(duì)其做一系列的實(shí)驗(yàn)。而溶蝕試驗(yàn)是一個(gè)需要耗費(fèi)大量的人力、物力、財(cái)力和時(shí)間的漫長(zhǎng)試驗(yàn)過(guò)程，。目前，混凝土的溶蝕試驗(yàn)尚沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)方法，本文主要就混凝土溶蝕特性的試驗(yàn)方法進(jìn)行總結(jié)評(píng)述。

2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

第一類方法是浸泡法。其中，浸泡法又分為直接浸泡法和破碎浸泡法。

a.直接浸泡法。將完整的混凝土試件放入水環(huán)境中進(jìn)行溶蝕試驗(yàn)?？刹捎昧⑹桨虢?、臥式半浸和臥式全浸等浸泡方式，如下圖所示。

若試件為立方體則不存在立式半浸和臥式半浸的分別。肖海英[2]等人通過(guò)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)：浸泡方式對(duì)混凝土的溶蝕破壞影響較大。在不同浸泡方式下，混凝土的彎曲抗蝕系數(shù)對(duì)腐蝕性液體的敏感次序?yàn)椋毫⑹桨虢?水平半浸>水平全浸。采用立式半浸泡腐蝕方式下混凝土的彎曲抗蝕系數(shù)，可快速評(píng)定混凝土的耐腐蝕性。

b.破碎浸泡法。該方法是將經(jīng)過(guò)養(yǎng)護(hù)到一定齡期的混凝土試件打碎后進(jìn)行篩分，再取一定粒徑范圍的混凝土顆粒作為試樣，將試樣放入水環(huán)境中浸泡一段時(shí)間后，測(cè)出水環(huán)境中Ca2+的濃度變化，從而判定混凝土試樣的溶蝕程度。此方法易于操作，試驗(yàn)結(jié)果復(fù)現(xiàn)性好。但是缺點(diǎn)是所取的試樣經(jīng)破碎后體積較小，無(wú)法建立Ca2+溶出量和表征混凝土溶蝕程度物理量之間的數(shù)值關(guān)系[3]，也很難測(cè)出Ca2+溶出后對(duì)混凝土在宏觀上的影響。

第二類方法是穿流法。該方法是將水在高壓力和高水力坡度下穿過(guò)試件，然后測(cè)定滲透液的量以及其中的Ca2+含量。此方法可以很好地模擬擋水建筑物的實(shí)際工作中的情況，但尚未用于酸或其他侵蝕溶液。前蘇聯(lián)和我國(guó)都采用過(guò)此方法進(jìn)行過(guò)水工混凝土溶蝕特性試驗(yàn)。

第三類方法射流法?；炷猎嚰?jīng)高壓水槍噴射之后觀察其表面的溶蝕程度。該方法可以近似模擬接觸溶蝕時(shí)的實(shí)際情況。但該方法不光耗時(shí)長(zhǎng)，且除了接觸溶蝕作用外，還有水的沖刷作用。

李新宇[3]在此方法的基礎(chǔ)上，采用了新的試驗(yàn)方法，將試件浸泡在去離子水中，并保持定期換水（3天左右為一周期），同時(shí)用攪拌機(jī)攪拌去離子水模擬真實(shí)水流，減小了機(jī)械沖刷作用。根據(jù)去離子水前后Ca2+濃度變化，計(jì)算溶蝕量推斷混凝土的溶蝕程度。

由于溶蝕試驗(yàn)周期較長(zhǎng)，為了節(jié)約實(shí)驗(yàn)時(shí)間，相關(guān)研究人員采用了一些加速方法。

第一種是日本的Hiorhissiat等人發(fā)明了電化學(xué)加速試驗(yàn)方法。孫雙鑫等[4]將試件接入電路前進(jìn)行飽水處理，飽水24小時(shí)后采用并聯(lián)的方式將試件接入電路，外接60V電壓，室內(nèi)溫度穩(wěn)定在25℃左右。每組試件溶蝕時(shí)間總共為14d。接通電壓后，每天進(jìn)行鈣離子溶出量、ph值的測(cè)量，以7d為周期更換一次去離子水。隨著反應(yīng)的進(jìn)行，溶液中溶出的鈣離子濃度在試驗(yàn)的第一個(gè)周期內(nèi)增長(zhǎng)速度較快，更換試驗(yàn)裝置中的溶液后第二個(gè)周期鈣離子濃度增加速度逐漸趨于穩(wěn)定。電化學(xué)技術(shù)加速了鈣離子的解析速度，無(wú)疑在混凝土溶蝕試驗(yàn)方法中具有里程碑的意義。

第二種是用硝酸銨溶液進(jìn)行加速?？紫橹5]等人采用浸泡法，配制 1 mol/L 硝酸銨溶液，試件底面、頂面涂刷環(huán)氧涂層，放入硝酸銨溶液中。10、25、45 d 時(shí)更換一次溶蝕介質(zhì)。試驗(yàn)結(jié)果表明，硝酸銨溶液能夠很好的模擬并加速大壩混凝土溶蝕進(jìn)程，加速溶蝕的驅(qū)動(dòng)力是硝酸銨與水泥水化產(chǎn)物發(fā)生酸堿中和反應(yīng)生產(chǎn)溶解度很高的硝酸鈣。

在上述試驗(yàn)方法中，都僅采用單一影響因素來(lái)設(shè)計(jì)試驗(yàn)方法。而在實(shí)際情況中，水工混凝土不止受單一因素的影響，而是同時(shí)受力學(xué)、化學(xué)、溫度等因素的影響。LeBellégo[6]等最早對(duì)水泥基材料進(jìn)行力學(xué)-化學(xué)耦合的試驗(yàn)研究。研究人員采用位移控制，用硝酸銨溶液浸泡砂漿梁，再分別施加三點(diǎn)彎曲荷載和豎向荷載，直到試件發(fā)生破壞，通過(guò)測(cè)量不同的溶蝕時(shí)間對(duì)應(yīng)的砂漿梁的力學(xué)指標(biāo)以及溶蝕程度等情況來(lái)表征力學(xué)—化學(xué)耦合作用的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明，力學(xué)—化學(xué)耦合作用下梁的強(qiáng)度損失明顯大于單因素作用下梁的強(qiáng)度損失，表明力學(xué)作用下產(chǎn)生的微裂縫會(huì)加速離子的溶出并加快試件的溶蝕速率。然而此實(shí)驗(yàn)只是針對(duì)砂漿梁做的，而不是針對(duì)混凝土。張研[7-9]等用化學(xué)—力學(xué)損傷本構(gòu)模型來(lái)描述混凝土應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系，數(shù)值計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。

通常，檢驗(yàn)混凝凝土溶蝕程度的方法有：（1）超聲波無(wú)損檢測(cè)方法。根據(jù)超聲波在混凝土中的傳播速度、傳播頻率、振幅等參數(shù)判斷混凝土內(nèi)部缺陷。（2）測(cè)定離子溶出量或相關(guān)的離子濃度變化。（3）測(cè)定抗壓強(qiáng)度等力學(xué)指標(biāo)。（4）CT掃描混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

（5）將混凝土試件切開(kāi)滴加酚酞試劑進(jìn)行顯色反應(yīng)，觀察紅色區(qū)域的范圍。（6）若采用Cl-或SO2-4進(jìn)行溶蝕試驗(yàn)，可將混凝土試件剖開(kāi)，在切割面上滴加硝酸銀試劑觀察產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)的范圍。

3 展望

由于溶蝕本身的復(fù)雜性，目前世界上關(guān)于混凝土溶蝕的理論尚未完備，有待進(jìn)一步探索。放眼未來(lái)，可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)一步開(kāi)展研究：

（1）研究人員通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)控制單一因素對(duì)混凝土進(jìn)行溶蝕實(shí)驗(yàn)，豐富了溶蝕的相關(guān)理論。而實(shí)際工程中，水工混凝土通常會(huì)受到多種因素的影響，但是多因素控制實(shí)驗(yàn)及其理論研究依舊不夠成熟。如凍融、硫酸根離子、氯離子、溫度、水壓力等聯(lián)合破壞機(jī)理。

（2）目前大部分溶蝕試驗(yàn)的水環(huán)境采用去離子水或低硬度水，然而在實(shí)際工況中，水環(huán)境中通常含有一定濃度的Cl-、SO2-4和CO2-3，其相關(guān)的溶蝕機(jī)理還有待完善。

（3）實(shí)驗(yàn)室內(nèi)很多方法實(shí)驗(yàn)周期長(zhǎng)，一些加速方法雖然試驗(yàn)周期短，但其與實(shí)際結(jié)果的吻合性還需進(jìn)一步研究和證明。

（4）實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，最佳浸泡時(shí)間、水的更換頻率等操作細(xì)節(jié)還需進(jìn)一步完善。

（5）很多試驗(yàn)方法未對(duì)試件的形狀、尺寸進(jìn)行規(guī)定，尺寸效應(yīng)也需在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中進(jìn)行考慮。

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