冻融循环作用下混凝土破坏特征辨析

冻融循环作用下混凝土破坏特征辨析

1混凝土耐久性损伤自波兰水泥出版以来，混凝土材料已成为土木工程中不可或缺的建筑材料。目前，它广泛应用于工业和民用建筑工地、桥梁、水库、公路等项目结构。而由于混凝土碳化、氯离子侵蚀、硫酸盐侵蚀、冻融循环、碱骨料反应等作用,混凝土结构出现不同程度的耐久性损伤,造成服役结构过早破坏,已日益引起结构工程界的广泛关注。在冻融循环、硫酸盐侵蚀、碱骨料反应的作用下,混凝土的破坏特征有共同之处,都表现为混凝土开裂、剥落、强度降低,并且都从混凝土表层往里逐渐发展,在实际工程中,需要根据各项损伤特征进行损伤类别的辨别。本文从这三种损伤的机理方面进行总结分析,对三种作用因素造成混凝土损伤的典型特征和主要鉴别方法进行研究。2混凝土冻融特性理论在某一冻结温度下,水结冰产生体积膨胀,过冷水发生迁移,在混凝土中引起各种压力,当压力超过混凝土所能承受的拉应力时,混凝土内部孔隙及微裂缝逐渐增大,扩展并互相连通,混凝土强度逐渐降低,最终混凝土破坏,这就是冻融循环作用造成的混凝土损伤。目前提出的冻融破坏理论主要有静水压经典理论、渗透压理论、冰棱镜理论、基于过冷液体的静水压修正理论、饱水度理论等等。目前公认程度较高的,仍是由美国学者T.C.Powers提出的膨胀压理论和渗透压理论,他认为吸水饱和的混凝土在冻融过程中遭受的破坏力主要有以下两部分:膨胀压力和渗透压力。其中,静水压理论最具有代表性,混凝土在潮湿条件下,首先毛细孔吸满水,混凝土在搅拌成型时都会带一些大的空气泡,这些空气泡内壁也能吸附水,但在常压下很难吸满水,总还能留有没有水的空间。在低温下毛细孔中水结成冰,体积膨胀,趋于把未冻水推向大的空气泡方向流动,这就形成静水压力。冰的饱和蒸汽压小于水,这个蒸汽压的差别推动未冻水向冻结区迁移,这就是渗透压。虽然关于混凝土冻融破坏机理尚无统一理论,但几乎所有学者都认为,决定混凝土抗冻性的主要因素是其孔隙结构,混凝土中的孔隙主要分为凝胶孔、毛细孔和非毛细孔三大类。3混凝土硫酸盐侵蚀机硫酸盐对混凝土的侵蚀分为物理结晶和化学侵蚀两种,当条件具备时,可能是两种侵蚀类型同时发生。3.1盐分结晶侵蚀物理结晶是硫酸盐溶液渗入到混凝土内部,随着水分的蒸发在混凝土中形成盐的晶体,晶体对混凝土产生膨胀应力导致混凝土开裂、剥落、强度降低乃至丧失,该过程不生成新的化学物质,是一个物理作用过程。在《铁路混凝土与砌体工程施工及验收规范》中指出,盐类结晶侵蚀是指在水位变化范围内或干湿循环区内的混凝土在潮湿状态下通过毛细作用吸进各种盐溶液,在干燥条件下蒸发、浓缩而结晶,析出带有结晶水的盐类,产生极大的结晶压力,造成混凝土开裂、破坏,特别是当结构物的一部分浸入盐液中,另一部分暴露在干燥空气中时,盐液在毛细管抽吸作用下上升至液相线以上蒸发,致使盐液浓缩结晶。通过上述结晶反应,生成的结晶产物体积膨胀4~5倍,产生的结晶压力,引起裂缝的产生。硫酸盐物理结晶作用比化学侵蚀作用的速度快,尽管反应的条件都具备,在干湿交替部位或者建筑物的根部,一般来不及发生化学侵蚀作用,物理结晶即已使混凝土胀裂破坏。3.2化学侵蚀硅酸盐水泥熟料主要成分为硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙和铁铝酸四钙,主要水化产物有水化硅酸钙、水化硅酸钙凝胶(简称C-S-H凝胶)、氢氧化钙和水化铝酸钙等。化学侵蚀是指硫酸盐溶液通过渗透、扩散进入到混凝土孔隙中与混凝土中一些固相组分发生反应,生成了一些难溶的盐类矿物,新的产物体积膨胀对混凝土产生膨胀应力,导致混凝土开裂。一般在有流动的硫酸盐溶液情况下易发生化学侵蚀,在隧道中也以此类侵蚀破坏居多。根据化学反应产生的产物不同,硫酸盐化学侵蚀分为石膏腐蚀、钙矾石腐蚀、钙硅石腐蚀、硫酸镁对水化硅酸钙的腐蚀等4种类型。3.2.1so42-侵蚀水泥熟料矿物C3A的水化产物水化铝酸钙(4CaO·Al2O3·19H2O)和水化单硫铝酸钙(3CaO·Al2O3·CaSO4·18H2O)都能与石膏发生反应生成水化三硫铝酸钙(又称钙矾石),钙矾石属三方晶系,其形态呈团聚的并向外放射的六方柱状或针状晶体。当侵蚀溶液中SO42-的浓度较低时(1.0g/L),钙矾石的硫酸盐侵蚀类型占主导地位。环境中的SO42-在渗透和扩散作用下,进入混凝土内部孔隙,并通过溶解结晶反应生成石膏晶体,但并不产生膨胀。随后和水泥水化产物反应生成钙矾石,腐蚀进一步加深,内部出现微裂缝,加快了硫酸根离子的渗透速度。当孔溶液中SO42-过低时,钙矾石会溶解再结晶,在孔隙或者裂缝中形成含有大量结晶水的大晶体,使原有固相体积增加1.5倍以上,晶体互相挤压产生极大的内应力,混凝土表面出现少数粗大的裂缝。此外,钙矾石的形成要消耗一定量的Ca2+,部分Ca2+也可能由水泥石中的C-S-H凝胶提供,使对混凝土强度起主要作用的C-S-H胶体损失,从而导致混凝土强度降低。3.2.2石膏结晶型的硫酸盐侵蚀水泥基材料在高浓度(SO42->1.0g/L)硫酸盐的作用下,pH值达到10.6~11.6时,其内部孔隙和毛细管中所形成的膨胀产物中,不仅有钙矾石,还有二水石膏晶体(CaSO4·2H2O)。当SO42-浓度大于8.0g/L,石膏结晶型的硫酸盐侵蚀将起主导作用。如果混凝土处于水分蒸发或干湿交替状态,即使外界SO42-浓度不高,其内部孔隙中也有大量石膏生成,呈现出石膏结晶型的硫酸盐侵蚀破坏。溶液中的硫酸钠、硫酸钾、硫酸镁与水泥水化产物Ca(OH)2反应生成石膏,Ca(OH)2转变为二水石膏体积将增大1.24倍左右,最终导致水泥基材料的膨胀破坏。也有观点认为石膏的形成并不引起膨胀,SO42-和Ca(OH)2在水泥基材料的毛细孔中形成固态石膏,不会超过反应前孔隙与反应物的体积之和。但国内外学者普遍认为石膏的形成将会引起水泥基材料软化,导致其刚度和强度的降低。因此,石膏类型破坏的试件,虽然表面没有粗大裂纹,但水泥浆体将呈现出软化、分离以及遍体溃散的形态。3.2.3碳硫硅的形成机理硫酸盐侵蚀过程中还产生另一种膨胀性产物——钙硅石,其化学式是CaCO3·CaSO4·CaSiO3·15H2O,它与钙矾石具有同样的结构,一种径向尺寸在0.5μm以下,纵向尺寸为3~4μm的细针状晶体,比钙矾石晶体更纤细。也有研究证明,碳硫硅钙石是羽毛状、结构较细的晶体。碳硫硅钙石的形成机理有溶液反应机理和钙矾石转变机理。(1)溶液反应机理认为,在有充足的水以及适当温度的条件下,碳硫硅钙石将由水泥水化产物C-S-H凝胶与水泥基材料中的石膏、碳酸钙通过反应形成;(2)钙矾石转变机理认为,钙矾石中的Al3+和[SO42-+H2O]分别被C-S-H凝胶中的Si4+和[SO42-+2CO32-]所取代,由此,钙矾石便转变为碳硫硅钙石。当C-S-H凝胶中的Si4+取代钙矾石中的Al3+,Al3+将重新进入混凝土的内部溶液中,导致新钙矾石的形成。可以看出,在硫酸盐环境中,钙矾石转变为碳硫硅钙石的必要条件是混凝土中有足够的Si4+以及CO2-3。现实中,碳硫硅钙石的形成往往包含上述两种原因,即碳硫硅钙石先由钙矾石转变而形成晶核,随后,在碳硫硅钙石晶核附近,更多的碳硫硅钙石可能通过溶液反应机理不断生成。传统硫酸盐侵蚀破坏的主要特征是混凝土结构的膨胀开裂,而碳硫硅钙石型硫酸盐侵蚀直接消耗C-S-H凝胶,使水泥石完全变为一种无强度、松散的烂泥状物质。水泥基材料表面呈现出鼓泡、凸起和胀裂等状态,它的破坏性比其它类型的硫酸盐侵蚀更强。3.2.4c-s-h分解在所有硫酸盐侵蚀类型中,硫酸镁是对混凝土侵蚀破坏最大的一种,其原因是镁离子和硫酸根离子均为侵蚀源,二者叠加,构成严重的复合侵蚀。在生成Mg(OH)2的同时,在Mg(OH)2层里面也有部分石膏和钙矾石生成,他们是SO42-与Ca(OH)2反应生成的。在硫酸镁溶液中Mg2+和SO42-都要和Ca(OH)2反应,因此消耗了大量的Ca(OH)2,使溶液pH值下降,为维持溶液pH值,C-S-H开始分解生成水化硅酸镁(M-S-H)和石膏,水化硅酸镁粘结性很差,且强度不高。从而使水泥石强度下降,粘结性降低。混凝土的最终破坏就是因为C-S-H发生分解,生成M-S-H,从而导致混凝土强度丧失。硫酸镁侵蚀的微观结构通常是在混凝土表层形成双层结构,最外层为水镁石,厚度为40~120μm,内层为石膏(或其它反应产物),厚度为20~70μm。4碱硅酸类碱骨料反应机理及特点混凝土碱骨料反应是混凝土原材料中的水泥、外加剂、混合材料和拌合水中的可溶性碱(Na2或K2O)与骨料中的活性成分在混凝土硬化后发生化学反应,反应生成物吸水膨胀致使混凝土开裂,这种现象称为混凝土碱骨料反应(AlkaliAggregateReaction,简写AAR)。根据反应物的不同和生成产物的不同,可分为三种反应类型。(1)碱—硅酸类反应机理及特点碱硅酸类的碱骨料反应是美国加利福尼亚州公路局的斯坦顿(T.Stanton)于1940年首先提出来的,它是迄今为止对工程损坏最严重、范围最广、研究最多、最为典型的碱骨料反应。碱硅酸类碱骨料反应机理是:高碱水泥在水化时析出的KOH、NaOH和页岩、燧石等含有活性SiO2的骨料发生反应,生成物吸水膨胀,导致混凝土开裂。碱硅酸类碱骨料反应的破坏有三个明显特点:混凝土表面产生杂乱无章的网状裂缝;破坏处的骨料周围出现反应环和反应边;在裂缝中及附近的孔隙中有硅酸钠(钾)凝胶,失水后可硬化或粉化。(2)碱—碳酸盐类反应机理及特点碱碳酸盐类碱骨料反应是加拿大斯文松(E.G.Swenson)1957年提出来的,是混凝土中的碱与具有碱活性的碳酸盐骨料间的反应,目前认为其反应机理是白云石质石灰石骨料脱白云石化以及可能的边沿硅化作用。碱碳酸类碱骨料反应的特点是:反应膨胀的骨料是碳酸盐岩石而不是硅质岩石;混凝土裂缝处未发现有凝胶存在,具有反应环的骨料上存在也很少;反应边较骨料本身的密度还大,与碱—硅酸反应不同。其外观上与碱硅酸反应没有多大的差别。大多数碳酸盐岩没有碱活性。(3)碱—硅酸盐类碱骨料反应机理及特点碱硅酸盐类的碱骨料反应是由加拿大的基洛特(Gillott)于1965提出来的,它由硬砂岩、千枚岩、粘土质岩、蛭石等骨料与NaOH或KOH发生反应,使混凝土膨胀开裂破坏。碱硅酸盐类碱骨料反应的特点是:潜伏期长,反应速度非常缓慢,反应产生的膨胀速度也非常缓慢,往往潜伏30~50年,才呈现出膨胀,继而开裂破坏;膨胀开裂与生成的凝胶物质的量之间缺乏相关性;硅酸盐岩的活性组成(矿物)也不明确;生成的反应环,组织结构,离子动态等与传统的碱—二氧化硅反应不尽一致。关于碱硅酸盐类的反应种类和机理,各国学者有不同的看法。我国唐述明教授曾对此进行了深入研究并做了大量的试验,证明碱硅酸盐反应实质上仍属于碱硅酸反应。但用一般的岩相法和砂浆棒法都不能判断出碱活性。由于其反应速度和膨胀速度均非常缓慢,因而,此类碱骨料反应又可称为慢性膨胀型碱硅酸反应。故一般也将碱—骨料反应分为两种类型:碱—硅酸反应和碱—碳酸盐反应。5不同受伤类型的识别方法5.1不同类型的比较分析根据对这三种耐久性破坏的损伤机理分析,三种损伤特征对比汇总结果见表1。5.1.1损伤由表层向内部发展的原因(1)内因都是由内部物质的体积膨胀产生了膨胀应力,造成混凝土开裂,故混凝土表面出现开裂、剥落是其共同特征。(2)都需要有水的存在,即水是引起这三种耐久性损伤的必要条件,若限制了水的供给,损伤均可以避免。(3)水和侵蚀性介质在混凝土中的渗透过程决定了这三种损伤都是由表及里的逐渐破坏。冻融损伤,混凝土外表面温度要低于内部,外层的饱水程度要高于内部,故损伤由表层向内部发展;硫酸盐侵蚀,硫酸盐浓度随表层向内逐渐递减,反应所需要的水也是从表层向内逐步递减,故硫酸盐侵蚀是由表层向内部发展;碱集料反应,因水是从表层向内部逐渐递减,故反应也是从表层向内部发展。(4)由于水和侵蚀性介质的渗透机理,混凝土的渗透性是这三类损伤的重要影响因素。5.1.2反应时间及条件(1)作用过程不同,分为物理作用和化学作用两种,有时是两种作用同时发生;(2)反应条件不同,如有无腐蚀性介质、腐蚀性介质种类不同;(3)生成产物不同,参与反应的物质不同,生成产物也不同;(4)反应需要的时间不同,有些反应速度快,有些反应速度慢;(5)碱骨料反应是碱与活性骨料之间的反应,故骨料参与反应,这是与其它三类损伤不同特征。5.2混凝土的鉴别目的,主要有三种根据各种损伤的反应条件和破坏特征,可从损伤的表面特征、环境温湿度、环境腐蚀介质、内部损伤特征、化学成分分析、骨料是否参与反应等六个方面对其损伤类型进行鉴别,分析步骤如下:(1)从反应的条件上判断,水的存在或者湿度大才有可能发生上述三种破坏。冻融循环和硫酸盐侵蚀往往是直接与水接触的部位才发生,而碱骨料反应往往在湿度大的部位即可发生;(2)环境温度分析,判断是否有冻融作用;(3)环境介质分析,判断环境介质中是否有硫酸盐和碱性物质的存在;(4)对混凝土内部的化学成分进行检测分析,分析骨料和反应产物情况;(5)反应速度:硫酸盐最快、冻融其次、碱骨料最慢。因素耦合的情况,相对复杂。5.2.1冻融、硫酸盐侵蚀和3种常用影响因素这两类损伤多数发生在与水直接接触部位,且均是由外到里混凝土浆体的逐渐破坏,骨料一般不发生破坏。冻融是因自由水结冰引起的膨胀应力,硫酸盐侵蚀是由于盐的结晶或者新生成的盐类体积膨胀造成开裂,应该说冻融和硫酸盐破坏的特征最为接近,但是外部条件是判断其破坏的重要因素。冻融与周边的水和正负气温密切相关;而硫酸盐侵蚀与周围的盐溶液环境密切相关,但不需要气温达到冰点以下。冻融循环不生成新的化学物质,属于物理作用过程;除物理结晶外,硫酸盐化学腐蚀会生成的新的化学物质,伴随着化学作用过程。在寒冷地区的硫酸盐侵蚀环境中,往往是这两种损伤类型同时存在,从而加速了混凝土结构的破坏。5.2.2碱骨料破坏机理首先正负温度交替是发生冻融的必要条件,冻融循环一般发生在与水直接接触部位,而碱骨料反应可