周南南

(上海市建筑科學(xué)研究院有限公司，上海 200032)

0 引言

城市熱島效應(yīng)導(dǎo)致中心城區(qū)氣溫明顯升高，對(duì)城市地質(zhì)環(huán)境產(chǎn)生了嚴(yán)重影響[1-2]，如改變了地質(zhì)環(huán)境的自然溫度場(chǎng)，增加了土體環(huán)境溫度影響帶的深度，破壞了大氣環(huán)境、水環(huán)境、生態(tài)環(huán)境與地質(zhì)環(huán)境間物質(zhì)和能量的自然循環(huán)，引起土體中濕度發(fā)生改變。對(duì)于瀕海城市，由于海水的滲透作用，加之城市在運(yùn)行過(guò)程中各種廢棄物的入滲，城市局部淺層土中含較多的侵蝕離子，如硫酸根離子、氯離子、鈉離子、鎂離子等。隨著環(huán)境溫度的升高，侵蝕離子的化學(xué)活性增加，根據(jù)Arrhenius方程[3]，溫度每升高10℃，一般化學(xué)反應(yīng)的速率增大2～10倍，增強(qiáng)了其對(duì)建筑物基礎(chǔ)和地下管道的腐蝕。另外，由于城市熱島效應(yīng)使城區(qū)濕度降低，蒸發(fā)量增加，而城市區(qū)域中許多地面被柏油路面或水泥路面等覆蓋，導(dǎo)致土中入滲徑流減少，使土中含水量降低，形成各種干島效應(yīng)，干島效應(yīng)易導(dǎo)致結(jié)晶侵蝕，破壞程度更嚴(yán)重。

調(diào)研發(fā)現(xiàn)，近年來(lái)，有不少關(guān)于早期建造的房屋基礎(chǔ)、地下排水管道、高架橋橋柱根部等位置因硫酸根離子、氯離子等侵蝕導(dǎo)致混凝土膨脹、開裂、剝落的案例，且相關(guān)案例逐漸增多，影響了城市建筑、給排水、交通等生命線工程的安全，造成較大隱患。分析表明，這些侵蝕除與侵蝕離子濃度有關(guān)外，其變化趨勢(shì)與環(huán)境溫度也有一定關(guān)系，但相關(guān)研究較少。盧毅等[4]對(duì)城市熱島效應(yīng)下淺層土中混凝土受硫酸腐蝕進(jìn)行了試驗(yàn)研究，但試驗(yàn)全部采用室內(nèi)快速模擬方法，與室外實(shí)際情況差別較大。部分學(xué)者研究侵蝕離子對(duì)混凝土破壞機(jī)制時(shí)考慮了環(huán)境因素，如Santhanam等[5]證實(shí)了升溫會(huì)加速硫酸鹽的侵蝕；Rodriguez-Navarro等[6]通過(guò)系列試驗(yàn)研究了蒸發(fā)率、相對(duì)濕度等對(duì)硫酸鈉溶液結(jié)晶的影響；Genkinger等[7]通過(guò)試驗(yàn)研究了蒸發(fā)率對(duì)溶液超飽和度的影響，并分析了超飽和度對(duì)各硫酸鈉晶體相形成、成核、生長(zhǎng)的影響；楊全兵等[8]研究了硫酸鈉結(jié)晶對(duì)干濕循環(huán)作用下混凝土剝落破壞、膨脹率和強(qiáng)度的影響，并研究了降溫作用下硫酸鈉溶液體積膨脹率和結(jié)晶壓力變化規(guī)律；Cooke[9]指出在自然干燥的情況下，鹽結(jié)晶在毛細(xì)管邊緣的范圍內(nèi)集中，導(dǎo)致高的超飽和度迅速形成，鹽結(jié)晶侵蝕被增強(qiáng)。上述研究涉及了環(huán)境因素的影響，但試驗(yàn)多在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)通過(guò)不同濃度溶液浸泡的方式完成，與實(shí)際環(huán)境相差較大，相應(yīng)的侵蝕機(jī)制有所不同。

基于以上分析，本文研究實(shí)際環(huán)境溫度對(duì)混凝土受侵蝕離子破壞的影響，以上海地區(qū)為例，考慮2個(gè)室內(nèi)恒溫恒濕標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境和1個(gè)中心城區(qū)環(huán)境，以期為評(píng)估早期的房屋基礎(chǔ)、地下排水管道、高架橋橋柱根部等的耐久性提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 原材料

凝膠材料采用P·O 42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥、S95礦粉、Ⅱ級(jí)粉煤灰，細(xì)骨料采用中砂，粗骨料采用粒徑5～25mm碎石，拌合水采用自來(lái)水，摻加萘系減水劑。

1.2 配合比設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)混凝土配合比為水∶水泥∶礦粉∶粉煤灰∶砂∶碎石∶減水劑=180∶207∶36∶43∶876∶1 028∶2.41(kg/m3)，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C20，坍落度為165mm，28d抗壓強(qiáng)度為27.7MPa。本試驗(yàn)采用100mm×100mm×300mm(長(zhǎng)×寬×高)長(zhǎng)方體試件，混凝土澆筑24h后脫模，然后移至養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28d，養(yǎng)護(hù)室溫度為(20±2)℃，相對(duì)濕度為95%。

1.3 環(huán)境模擬

本試驗(yàn)共設(shè)計(jì)3種環(huán)境，分別為：①恒溫恒濕實(shí)驗(yàn)室水中環(huán)境，溫度為20℃，相對(duì)濕度為60%，標(biāo)記為A環(huán)境；②恒溫恒濕實(shí)驗(yàn)室侵蝕溶液中環(huán)境，溫度為20℃，相對(duì)濕度為60%，標(biāo)記為B環(huán)境；③室外侵蝕溶液中環(huán)境，位于上海中心城區(qū)，標(biāo)記為C環(huán)境，最高月平均溫度為37℃，最低月平均溫度為3℃。

1.4 侵蝕方式

通過(guò)侵蝕溶液半浸泡方式模擬地表侵蝕離子侵蝕情況，如圖1所示。A環(huán)境溶液為自來(lái)水，用于對(duì)比；B環(huán)境和C環(huán)境溶液均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的硫酸鈉溶液。浸泡試驗(yàn)在塑料容器中進(jìn)行，浸泡過(guò)程中為保持侵蝕溶液濃度不變，利用塑料薄膜對(duì)侵蝕溶液進(jìn)行密封，防止揮發(fā)，并定期更換溶液。

圖1 侵蝕溶液半浸泡試件

1.5 測(cè)試內(nèi)容

侵蝕試驗(yàn)共持續(xù)720d，分別在侵蝕0，360，540，720d時(shí)取出試件進(jìn)行宏、微觀測(cè)試。360，540，720d對(duì)應(yīng)時(shí)間分別代表夏季、冬季、夏季。宏觀測(cè)試主要包括表觀現(xiàn)象和抗壓強(qiáng)度，微觀測(cè)試主要利用電鏡掃描儀和能譜儀進(jìn)行侵蝕產(chǎn)物分析，其中，電鏡掃描儀主要用于觀測(cè)侵蝕產(chǎn)物的形貌，能譜儀主要用于分析侵蝕產(chǎn)物的化學(xué)成分。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 表觀現(xiàn)象

各環(huán)境下試件受侵蝕的表觀現(xiàn)象如圖2所示。A環(huán)境溶液為自來(lái)水，試件表觀幾乎無(wú)變化。由于毛細(xì)管吸附產(chǎn)生了“燈芯”作用，在B環(huán)境和C環(huán)境下，混凝土試件在侵蝕溶液表面以上部分雖出現(xiàn)了結(jié)晶侵蝕，但B環(huán)境下結(jié)晶范圍相對(duì)較小，主要集中在侵蝕溶液表面附近，且結(jié)晶體呈須狀，較松散；而C環(huán)境下結(jié)晶布滿侵蝕溶液表面以上整個(gè)試件，包括試件頂面，且結(jié)晶體呈粒狀，較密實(shí)，表明在環(huán)境溫度影響下，試件中侵蝕溶液遷移的距離增加，結(jié)晶侵蝕范圍不斷擴(kuò)大。隨著侵蝕時(shí)間的增加，C環(huán)境下試件由于結(jié)晶侵蝕導(dǎo)致的表觀劣化不斷加重，360d時(shí)表面劣化較嚴(yán)重，540d時(shí)表面已出現(xiàn)較明顯的開裂、剝落，720d時(shí)表面開裂、剝落進(jìn)一步加重。

圖2 各環(huán)境下試件受侵蝕的表觀現(xiàn)象

2.2 抗壓強(qiáng)度劣化規(guī)律

試件在不同侵蝕時(shí)間下的抗壓強(qiáng)度隨環(huán)境劣化規(guī)律如圖3所示，其中，抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)為受侵蝕試件的抗壓強(qiáng)度與同齡期水中試件的抗壓強(qiáng)度比值。侵蝕至360d時(shí)，B環(huán)境下試件抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)為1.0～1.1，表明后期水化作用和膨脹性侵蝕產(chǎn)物對(duì)孔隙的填充作用有利于混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)；C環(huán)境下試件抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)<0.95，表明膨脹性侵蝕產(chǎn)物對(duì)混凝土孔隙結(jié)構(gòu)的破壞已起控制作用，與恒溫恒濕環(huán)境相比，環(huán)境溫度使硫酸鹽侵蝕速度明顯加快。侵蝕至540d時(shí)，B環(huán)境下試件抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)降至1.0以下，C環(huán)境下試件抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)較360d時(shí)明顯降低。侵蝕至720d時(shí)，試件在A，B，C環(huán)境下的抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)分別為1.0，0.74，0.65，環(huán)境溫度的影響進(jìn)一步凸顯。

圖3 抗壓強(qiáng)度劣化規(guī)律

2.3 微觀解釋

侵蝕至720d時(shí)，C環(huán)境下混凝土試件微觀測(cè)試結(jié)果如圖4所示。C環(huán)境下混凝土試件在侵蝕溶液表面以下部分處于濕狀態(tài)，在侵蝕溶液表面以上部分處于干狀態(tài)，由于毛細(xì)管吸附產(chǎn)生了“燈芯”作用，侵蝕溶液不斷向上遷移。

圖4 微觀測(cè)試結(jié)果

在侵蝕溶液表面以下，當(dāng)混凝土受硫酸鹽侵蝕時(shí)，硫酸根離子通過(guò)混凝土孔隙系統(tǒng)傳輸至混凝土內(nèi)部，與氫氧化鈣發(fā)生反應(yīng)生成石膏，石膏進(jìn)一步與混凝土中的含鋁相發(fā)生反應(yīng)生成鈣礬石，當(dāng)鈣礬石吸收了大量水分子，在含鋁相表面呈針狀析出后，形成膨脹內(nèi)應(yīng)力，進(jìn)而造成固相體積膨脹，當(dāng)膨脹內(nèi)應(yīng)力超過(guò)混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)，導(dǎo)致混凝土開裂、破壞[10]。由圖4a，4b可知，C環(huán)境下混凝土內(nèi)部隨處可見鈣礬石，且內(nèi)部裂隙較多，難以發(fā)現(xiàn)氫氧化鈣的存在。

在侵蝕溶液表面以上，由于蒸發(fā)作用，水分不斷由混凝土內(nèi)部向外散發(fā)，導(dǎo)致由表及里鹽溶液不斷濃縮，超飽和狀態(tài)一旦達(dá)到，白色鹽結(jié)晶體迅速生長(zhǎng)，在結(jié)晶體生長(zhǎng)過(guò)程中，結(jié)晶體和孔隙壁之間會(huì)形成超飽和薄膜層，且結(jié)晶體和孔隙壁之間存在能量差異，其允許結(jié)晶體繼續(xù)沿孔隙壁生長(zhǎng)，形成結(jié)晶壓力，從而使混凝土劣化[11]。C環(huán)境下，結(jié)晶范圍布滿侵蝕溶液表面以上試件，包括試件頂面，表明在環(huán)境溫度影響下，試件中侵蝕溶液遷移的距離增加，結(jié)晶侵蝕范圍不斷擴(kuò)大。但總的來(lái)看，在靠近侵蝕溶液表面部分，由于毛細(xì)管吸附產(chǎn)生的“燈芯”作用更大，結(jié)晶侵蝕尤為嚴(yán)重。由圖4c，4d可知，C環(huán)境下白色結(jié)晶體主要為無(wú)水硫酸鈉晶體，這主要是因?yàn)榄h(huán)境溫度使蒸發(fā)作用增強(qiáng)，導(dǎo)致混凝土微孔中侵蝕溶液形成較高的飽和度，高飽和度下，無(wú)水硫酸鈉晶體更易生成。結(jié)晶體生長(zhǎng)在混凝土孔隙壁上形成結(jié)晶壓力，從而產(chǎn)生環(huán)向拉應(yīng)力。已有研究表明，由無(wú)水硫酸鈉晶體導(dǎo)致的環(huán)向拉應(yīng)力幾乎較含有結(jié)晶水的硫酸鈉(Na2SO4·10H2O)晶體大1個(gè)數(shù)量級(jí)，破壞力更大[11]。因此，C環(huán)境下混凝土受結(jié)晶侵蝕劣化程度相對(duì)較嚴(yán)重。

3 結(jié)語(yǔ)

1)環(huán)境溫度影響下混凝土受硫酸鹽侵蝕時(shí)表觀破壞較重。試件在侵蝕溶液表面以下部分屬于溶液侵蝕，在侵蝕溶液表面以上部分屬于結(jié)晶侵蝕，環(huán)境溫度使蒸發(fā)作用增強(qiáng)，導(dǎo)致試件中侵蝕溶液遷移的距離增加，結(jié)晶侵蝕范圍不斷擴(kuò)大。

2)環(huán)境溫度影響下混凝土受硫酸鹽侵蝕時(shí)強(qiáng)度退化明顯，而我國(guó)早期的房屋基礎(chǔ)、地下排水管道等混凝土強(qiáng)度等級(jí)普遍為C20左右，隨著城市熱島效應(yīng)的不斷加重，存在的耐久性隱患不斷增大，需根據(jù)實(shí)際情況及時(shí)開展檢測(cè)評(píng)估工作。

3)混凝土微觀結(jié)構(gòu)變化規(guī)律與其宏觀力學(xué)性能變化規(guī)律一致，從微觀到宏觀證實(shí)了環(huán)境溫度對(duì)混凝土受侵蝕離子破壞的影響較明顯。