海洋环境下混凝土的损伤劣化分析

海洋环境下混凝土的损伤劣化分析

建筑物的防护结构在负荷和环境中起着共同作用。如近海桥梁、滨海桥梁、海洋平台等承受静载、动载作用的同时,还受到二氧化碳、氯离子等的长期侵蚀。由于盐害、中性化、冻害等劣化作用的影响,加之重载车辆来往频度的增加,我国有些混凝土桥梁在投入使用10年左右,就因钢筋锈蚀提前发生耐久性失效。混凝土碳化和氯离子侵蚀是引起混凝土结构中钢筋锈蚀的两大主要原因。荷载(尤其是动载)作用造成的损伤加速和加剧了混凝土碳化和氯离子侵蚀。桥梁的服役条件越来越复杂且严酷,如东海大桥、杭州湾大桥、胶州湾大桥。如何才能保证达到混凝土桥梁结构设计的服役寿命呢?应该说混凝土材料自身的耐久性是关键、是要害、也是核心。因为有害的物质多以气体或液体形式出现,并通过混凝土自身不同尺度的孔隙向混凝土内部传输。如在海洋大气环境、除冰盐环境下,充足的氧气供应、混凝土碳化和氯离子侵蚀的耦合作用,大大降低了氯离子的阈值浓度,造成结构混凝土损伤速率加大、钢筋锈蚀加速。如果再与荷载耦合,混凝土结构的损伤劣化就会进一步加速和加剧,混凝土结构服役寿命必将相应地缩短。目前,国内外对静载与碳化或氯盐复合作用下结构混凝土损伤劣化的研究颇多[6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18],而对疲劳荷载与碳化或氯盐复合作用下结构混凝土耐久性退化的研究较少。这使得结构混凝土在疲劳与碳化和氯盐耦合作用下的损伤劣化过程及服役寿命不得而知,亟待解决。本文从材料学角度对混凝土碳化和氯离子侵蚀的相互影响、疲劳与碳化或氯盐复合作用下混凝土的性能退化进行了总结与分析,并指明了亟需研究和探索的问题。1复合混凝土材料目前,国内外对混凝土在单一碳化或氯离子侵蚀作用下的耐久性劣化研究颇多,取得了丰硕的成果,并出版了许多专著。但对混凝土在碳化和氯离子侵蚀复合作用下的耐久性劣化研究较少,尚未达成共识,甚至得到相反的结论。究其原因,主要是由于试件配比、研究方法、实验手段的不同。1.1混凝土钙化对氯离子侵蚀的影响混凝土碳化和氯离子侵蚀共同作用时,碳化对氯离子侵蚀的影响占主导地位。1.1.1粉煤灰混凝土的氯离子扩散特性Papadakis等、Claisse等、柳俊哲、张鹏等、金祖权等、苏卿等、万小梅、元成方等等研究发现,碳化反应降低了混凝土孔隙溶液的pH值,促进了水泥石中Friedel盐的分解,粗化了混凝土的孔隙,引起了混凝土微观结构的重分布,破坏了混凝土基体原有的过滤机制,增加了混凝土中氯离子的含量,提高了混凝土中氯离子的扩散系数,加快了混凝土中氯离子的扩散速度。刘志勇、白轲等、孙丛涛等研究发现,粉煤灰的掺入减少了生成Ca(OH)2的量,更加降低了混凝土内部的pH值,使得碳化作用进一步增大了粉煤灰混凝土的氯离子扩散系数。Montemor等研究表明:加速碳化与氯盐复合作用使粉煤灰混凝土的抗氯离子侵蚀性能降低,且粉煤灰含量越高氯离子含量越高;而自然碳化与氯盐复合作用下粉煤灰含量越高氯离子含量越低。这可能是由于混凝土碳化总是伴随着扩散和反应两个主要动力学过程,加速碳化速率受反应速率控制,而自然碳化速率主要受CO2扩散速率控制。龚傲龙等研究表明:碳化作用使得稳态条件下胶凝材料结合的氯离子释放,当pH值降到11.5时,70%以上结合氯离子都会被释放出来;粉煤灰、矿渣具有提高胶凝材料中结合氯离子稳定性的作用;XRD分析证实,碳化作用会使水泥石中Friedel盐分解,从而造成结合氯离子的释放。牛荻涛等研究表明:碳化作用加快了混凝土中氯离子的扩散速度,提高了混凝土中氯离子的含量,相对于混凝土碳化对结合氯离子的释放作用,碳化导致的混凝土微观结构重分布对氯离子扩散的加速作用占主导地位。1.1.2混凝土的氯离子扩散Puatatsananon等采用二维非线性有限差分程序,分析了氯离子和碳化共同作用下钢筋混凝土的劣化机理。研究发现,碳化生成了碳酸钙,使混凝土孔隙减少,从而阻碍氯离子在混凝土中的扩散。郑永来等研究发现,混凝土(W/C=0.55)碳化降低了内部的孔隙率,提高了混凝土的密实度,由此降低了混凝土的氯离子扩散系数,完全碳化混凝土的氯离子扩散系数约为未碳化混凝土的43%。Goni等在铝酸钙水泥浆体中掺加NaCl使混凝土达到一定的氯离子含量,再通过在65%相对湿度下对试样粉末喷射体积分数为5%的CO2气体来加速碳化过程,发现Friedel盐的碳化并未显著提高可溶性氯化物的含量。1.1.3促进氯离子扩散Tumidajski等研究发现,二氧化碳气体的存在降低了氯离子在普通混凝土中的扩散性能,却提高了氯离子在矿渣混凝土中的扩散性能。Chindaprasirt等研究发现,碳化作用降低了氯离子在普通水泥砂浆中的扩散性能,却提高了氯离子在火山灰水泥砂浆中的扩散性能。Matsumura等将完全碳化的混凝土试件进行氯盐喷淋试验,发现在40℃和65℃环境下得到的碳化对氯离子扩散系数的影响结果恰好相反。许晨等研究表明:碳化产物填充了混凝土孔隙,阻止氯离子渗透;碳化会释放结合氯离子导致氯离子浓度的局部峰值,加速了氯离子渗透。元成方等研究表明,碳化后,低水胶比(0.35)混凝土的氯离子扩散系数有所下降,而高水胶比(0.45、0.55)混凝土的氯离子扩散系数明显增大。1.2氯离子侵蚀对混凝土钙化的影响1.2.1氯离子和混凝土体系邢占东等研究发现:经NaCl溶液浸泡后,混凝土的抗碳化性能下降,并且粉煤灰、矿渣双掺混凝土的抗碳化性能低于普通混凝土;粉煤灰的掺量越多,抗碳化性能下降越明显。这很可能是由于氯离子与混凝土体系中的大部分Ca(OH)2发生反应生成CaCl2,使得混凝土体系中大部分Ca(OH)2溶出或以CaCl2的形式溶出,从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体系中,导致混凝土结构体系中的胶凝体总量下降。李林等研究发现:高性能混凝土的氯离子侵蚀和碳化具有很大的相关性;氯离子渗透系数越小,碳化速度越快。这表明掺加粉煤灰和矿渣虽然能提高混凝土的抗氯离子侵蚀能力,但会加速或加剧混凝土的碳化。1.2.2混凝土的热膨胀刘志勇等研究发现,氯离子侵蚀增加了混凝土的吸湿性和相对湿度,减少了混凝土中可入孔的体积,提高了混凝土的密实度,在一定程度上降低了混凝土的碳化速度,但这种影响很有限。许晨等研究表明:由于氯盐结晶体的填充作用、Friedel盐的沉积作用、化学吸附作用,氯离子侵入混凝土内将细化混凝土的孔隙结构,提高了混凝土的抗碳化能力。综上所述,碳化和氯盐复合作用下混凝土的耐久性退化与单一碳化或氯盐作用下混凝土的耐久性退化有很大不同。2静载与氯化作用荷载作用会加剧碳化或氯盐引起的混凝土损伤劣化,从而加速钢筋锈蚀。目前,国内外关于静载与碳化或氯盐复合作用下混凝土损伤劣化的研究颇多。由于疲劳荷载与环境因素耦合作用的加载实验装置设计复杂,因而关于疲劳荷载与环境因素耦合作用下结构混凝土耐久性退化的报道较少,且多以间接方式、交替作用来研究交变荷载与腐蚀介质的共同作用。2.1疲劳荷载与环境Tanaka等研究发现,随着循环次数的增加,混凝土的疲劳损伤增大、微孔体积增加、碳化深度变大,这意味着随着疲劳发展,混凝土碳化加速。蒋金洋等根据混凝土承受的疲劳荷载和大气环境,建立了疲劳荷载与大气环境复合作用下的混凝土碳化寿命预测模型。机理分析表明,疲劳荷载会导致混凝土裂纹间隙因子减小,从而使混凝土CO2扩散系数随其疲劳损伤程度增加而增大。上述学者采用先疲劳后碳化的方法,探讨了疲劳荷载对混凝土碳化的影响。2.2矿渣混凝土抗氯离子泄漏Saito等通过测量卸载后混凝土导电量的方法,分析了循环压缩荷载对混凝土中氯离子渗透性的影响。结果表明:经受极限强度的60%的循环荷载时,混凝土导电量会有显著变化,而循环荷载水平在小于50%时,对导电量的影响不大;氯离子侵蚀速率随混凝土残余应变的增大而增大;并指出循环压缩荷载作用下混凝土中氯离子扩散系数可以用残余应变来估计,但未给出具体的计算公式。Nakhi等指出,轴压疲劳荷载在混凝土内引起弹性损伤,加速了氯离子在混凝土内的传输;当荷载水平超过60%时,混凝土中氯离子渗透速率开始明显增大。张武满等研究了重复荷载作用后一定掺量磨细矿渣混凝土的渗透性。结果表明:应力水平越高,氯离子在混凝土内的渗透速率越大;磨细矿渣掺量不大于30%时,对混凝土抗氯离子渗透性有很好的改善作用。并且,对不同的配合比及应力水平,混凝土渗透性与残余拉应变的增长趋势不一致。Xi等通过图像分析、超声波探测技术监测混凝土表面、内部的损伤,研究了轴心抗压疲劳与氯离子扩散交互作用下混凝土的氯离子传输性能,但未研究混凝土的疲劳性能。结果表明:当荷载水平小于60%时,疲劳荷载引起的弹性损伤加速了氯离子在混凝土内的传输;当荷载水平大于60%时,混凝土的氯离子渗透性显著增大;当荷载水平大于70%时,内部损伤发展更加迅速。Gontar等采用柔度作为反复载荷作用下混凝土的损伤指标,研究了弯曲疲劳荷载下混凝土的抗氯离子侵蚀性能,建立了混凝土柔度与氯离子侵蚀的关系。结果表明:弯曲疲劳载荷会大大降低混凝土的抗氯离子侵蚀性能。但是,尚未提出以传输速度为量化指标的氯离子侵蚀模型。蒋金洋等研究了弯曲疲劳载荷与氯盐复合作用下混凝土的耐久性退化,指明了混凝土氯离子扩散系数与残余拉应变的关系,并从微观上解释了疲劳与氯盐的耦合效应。研究表明:疲劳荷载加剧了氯盐引起的混凝土损伤进程,使结构混凝土的使用寿命将大大降低。上述研究克服了以往将循环次数作为损伤变量的不足,但仅仅考察了疲劳后氯离子的扩散规律,这与工程实际有一定差距。研究结果可为疲劳与氯盐耦合下结构混凝土的耐久性评估与剩余寿命预测提供参考。由于矿物掺量、荷载条件及环境因素的不同,相同残余应变条件下氯离子的扩散性能也不相同。孙培华等认为,对于以残余变形为参量的混凝土扩散性需做进一步研究。并且,指明使用超声波波速作为损伤指标研究疲劳载荷与环境因素耦合作用下的混凝土中氯离子扩散性能具有可行性。2.3疲劳荷载和氯离子扩散的同步耦合Nakhi在内部掏空的长方体混凝土试件内注入8%的氯化钠溶液,然后分别对试件进行轴压应力水平为50%、60%、70%的疲劳加载实验,并在疲劳过程中采用超声波探测技术对每次加载前后混凝土内部损伤进行检测。结果表明:随应力水平不断提高,氯离子在混凝土中的浓度及侵入深度不断增加,当应力水平大于60%时,混凝土渗透性明显提高;随着应力水平提高,混凝土内部损伤程度加剧,当应力水平为60%时,试验前期损伤变化幅度比较大,之后趋于平稳,而应力水平到达70%时,在试验的后期疲劳荷载对加速氯离子扩散非常明显,这种效果在应力水平小于60%时不是很显著。这是由于试验过程中加载次数有限,在较低应力幅值作用下混凝土损伤会处于疲劳破坏发展过程中的稳定发展阶段,所以变化不明显。陈拴发等等研究了腐蚀疲劳作用下高性能混凝土的渗透性和破坏机理。结果表明:交变疲劳荷载加大了混凝土的孔隙尺寸和裂隙宽度,使得腐蚀疲劳作用后,混凝土的氯离子扩散系数显著增大。王彩辉等通过自行设计的实验方法,实现了疲劳荷载和氯离子扩散的同步耦合,并采用声发射技术对混凝土的疲劳损伤进行三维定位的同步监测。结果表明:疲劳荷载加速了氯离子在饱和混凝土、矿渣砂浆中的传输,且随着载荷、温度的提高,其扩散程度进一步加剧;矿渣的掺入能有效改善砂浆抵抗氯离子侵蚀的性能,其最佳掺量为胶凝材料的30%,但随着矿渣含量的提高,其对氯离子扩散的抑制效果有所减弱;与交替实验对比表明,加载过程的动态效应对氯离子在矿渣砂浆中的传输有显著影响。最终,提出了氯离子在饱和砂浆中的传输模型。3混凝土中氯离子侵蚀问题1)总结国内外就结构混凝土在疲劳与碳化或氯盐复合作用下的耐久性研究进展可见,目前研究重点是混凝土碳化对氯离子侵蚀的影响及疲劳荷载作用后(下)氯离子在混凝土内的传输行为。2)混凝土碳化能促进Friedel盐分解,并释放一部分结合氯离子,但是能否加速氯离子在混凝土中的侵蚀还有待进一步研究。目前