摘要 簡要分析了影響我國內陸橋梁混凝土耐久性的環(huán)境因素，并在此基礎上篩選出除冰鹽——凍融循環(huán)、干濕循環(huán)硫酸鹽侵蝕、荷載作用下的凍融循環(huán)與荷載作用下的硫酸鹽侵蝕4種典型的雙重環(huán)境因素組合，重點介紹了這4種環(huán)境因素組合作用下橋梁混凝土耐久性試驗方法的研究現(xiàn)狀，并提出了所存在的若干問題。
關鍵詞 長期性能 多重環(huán)境因素 試驗方法 鹽凍循環(huán) 硫酸鹽侵蝕干濕循環(huán)
中圖法分類號：TU528
0前言
橋梁是交通基礎設施中百年大計的工程，在國民經(jīng)濟發(fā)展中起著舉足輕重的作用，其中混凝土橋梁占有非常大的比例。由于混凝土通常被認為是經(jīng)久耐用的材料，且作為保護層，鋼筋也不會發(fā)生銹蝕。因此人們對鋼筋混凝土結構橋梁使用壽命的期望很高，在規(guī)范制定和結構設計時也往往忽視環(huán)境條件的影響。然而，據(jù)國內外實例顯示，因受荷載及腐蝕性介質環(huán)境的多重作用，如鹽凍侵蝕、干濕循環(huán)作用下的硫酸鹽侵蝕、環(huán)境與荷載耦合作用等，相當多的混凝土橋梁在未達到預期的使用年限就過早地破壞，造成嚴重的社會影響和經(jīng)濟浪費。因此，橋梁混凝土耐久性問題已成為國際橋梁界面臨的重大技術問題。
研究橋梁混凝土的耐久性，需要建立合理的試驗方法，以模擬評價其長期使用性能，并在此基礎上指定評價指標來衡量混凝土的耐久性。目前國內外對其進行了大量研究，并建立了一系列的標準試驗方法。本文主要針對影響我國內陸橋梁混凝土長期性能的環(huán)境因素，分析了橋梁混凝土耐久性加速試驗方法的現(xiàn)狀，并提出所存在的一些問題。
1. 多因素環(huán)境及其試驗方法研究
根據(jù)我國不同溫度帶、濕度帶將我國分為若干典型的大區(qū)，在不同的氣候環(huán)境下橋梁混凝土所受的耐久性問題不同，如根據(jù)我國一年中正負溫次數(shù)及平均溫度可以將我國分為兩個大區(qū)，其中北方地區(qū)橋梁混凝土主要受凍融影響，南方主要受高溫和濕度影響；根據(jù)沿海和內陸氣候特點，沿海氣候主要表現(xiàn)氣候較濕潤，橋梁混凝土結構性能劣化主要是由于鋼筋銹蝕，內陸氣候比較干燥，橋梁混凝土主要遭受含鹽類土壤的侵蝕。引起混凝土劣化的破壞因素很多，本文選取抗凍性、外部彎曲應力、除冰鹽、干濕循環(huán)和硫酸鹽侵蝕幾種最重要的因素，也是實際工程中最為普遍的因素進行綜合研究，主要篩選出以下4種典型雙重環(huán)境因素組合，并對其試驗方法進行了探討。
1.1 凍融循環(huán)與除冰鹽共同作用
混凝土的凍融循環(huán)破壞現(xiàn)象在三北普遍存在，而部分地區(qū)的混凝土結構又常常受到各種鹽溶液及多種鹽類混合溶液的作用，除冰鹽是最常見的一種。凍融循環(huán)由于對混凝土內部結構的破壞作用，可以加速氯鹽的侵蝕，而由于氯鹽的存在，加重了凍融破壞的危害；另外，凍融破壞和氯鹽侵蝕不僅降低了混凝土的抗?jié)B性能，而且由于其對混凝土內部結構的破壞，也降低了混凝土的強度性能，同時對混凝土的徐變性能也會產(chǎn)生較大的影響。
除冰鹽凍融目前我國尚未建立國家或行業(yè)標準。國家可供參考的方法主要有美國材料試驗協(xié)會《混凝土表面暴露于除冰鹽時抗鹽凍性的試驗方法》(ASTM C672-03)、國際材料試驗協(xié)會(RILEM)推薦的RILEM TC 176-IDC平板試驗《混凝土抗凍融侵蝕——內部破壞》及RILEM TC 117-FDC CDF試驗《毛細吸鹽凍融試驗方法》、德國國家規(guī)范DIN EN 13687-1: 2002《除冰鹽浸泡凍融循環(huán)試驗》等標準[1]~[3]。
清華大學張國強等人[4]對ASTM C672-03抗鹽凍試驗方法進行了改進。該試驗方法是：取新拌混凝土分層裝入PVC材料Φ110mm×300mm圓柱形試模(帶底蓋)，振動密實，24h后取下試模底蓋，標準養(yǎng)護21d，在自動巖石切片機上帶模鋸切成厚50mm，用Φ112mm×60mmPVC管套接于鋸切試件上，目的是在混凝土試件表面形成高約30mm的鹽溶液池，制作的鹽凍試件如圖1所示，制作好的鹽凍試件重
作為混凝土是否滿足工程要求的依據(jù)。與ASTM C672-03相比，該方法對試件成型尺寸進行調整，主要目的是為了更簡便的形成鹽凍溶液池，還對混凝土抗鹽剝蝕性能的評價進行了定量分析，使試件剝蝕程度的可比性提高。新標養(yǎng)28d后進行鹽凍循環(huán)。鹽凍溶液濃度為4%的CaCl2溶液，鹽凍循環(huán)制度為：在低溫試驗箱中于-17±2.8℃下凍結16~18h，常溫(23±1.7℃)下融化6~8h。評價標準：以50次循環(huán)后其單位面積的剝蝕量(kg/msQ2)來評價其抗鹽凍能力的大小。根據(jù)歐洲公路標準，以是否超過0.8 kg/msQ2
但需要注意的是，現(xiàn)有的鹽凍試驗方法所采用的鹽溶液濃度是不盡相同的，如上述試驗方法所采用的是4%的CaCl2溶液，而哈爾濱工業(yè)大學楊文萃、葛勇等人[5]所采用的是3.5%的NaCl溶液，且據(jù)研究表明鹽凍破壞程度并不隨鹽溶液的增加而增加，因此關于如何選擇溶液濃度，還需深入研究。
1.2 干濕循環(huán)與硫酸鹽侵蝕共同作用
我國的硫酸鹽含量非常豐富，分布較廣。新疆、甘肅、青海等西部地區(qū)的土壤類型屬于內陸鹽土，該類土壤中含有大量的硫酸鹽、氯鹽和鎂鹽等強腐蝕性介質；沿海一帶的土壤類型屬于濱海鹽土，濱海鹽土中的鹽分組成主要是氯鹽和硫酸鹽。這兩種環(huán)境下的鹽土對混凝土及鋼筋混凝土材料具有極強的腐蝕性。干濕循環(huán)的主要作用將加速硫酸鹽的侵蝕進程，從而嚴重影響混凝土的長期性能和耐久性能。
我國國家和行業(yè)標準尚未制訂混凝土材料抗硫酸鹽侵蝕試驗方法，而水泥抗硫酸鹽侵蝕則有標準方法。國內外可供參考的試驗方法有美國材料試驗協(xié)會混凝土硫酸鹽侵蝕試驗方法《對波特蘭水泥沙漿受硫酸鹽侵蝕下潛在膨脹的標準測試方法》(ASTM C452-02)、《硫酸鹽溶液中水泥沙漿長度變化的標準檢測方法》(ASTM C1012-04)、GB749-1965《水泥抗硫酸鹽侵蝕試驗方法》、GB2420-1981《水泥抗硫酸鹽侵蝕快速試驗方法》等標準[6]~[9]。
中國建筑科學研究院冷發(fā)光、馬孝軒等人[10]對中美兩國相關試驗方法標準作了對比，建議將全浸泡試驗和干濕循環(huán)試驗納入《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》，其中干濕循環(huán)硫酸鹽侵蝕試驗方法是：按設計要求的混凝土配合比制作100mm×100mm×100mm試件，靜停1d后拆模，標準養(yǎng)護28d，然后進行干濕循環(huán)硫酸鹽侵蝕試驗。循環(huán)制度是：室內5%NaSO4溶液中浸泡16h，取出晾干1h，放入80℃烘箱中烘干6h，冷卻1h后稱重或壓強度，一個循環(huán)24h，盛溶液的容器采用帶蓋的塑料制品，記錄重量損失5%或強度損失25%時循環(huán)次數(shù)為試驗終止判斷依據(jù)，同時觀察混凝土表面的破損情況。
現(xiàn)有的干濕循環(huán)硫酸鹽侵蝕試驗方法的評價指標也不盡相同，上述試驗方法的評價指標為重量損失和強度損失，暨南大學歐陽東[11]卻對此提出質疑，并提出了體積膨脹率。因此關于如何客觀評價干濕循環(huán)硫酸鹽侵蝕對混凝土的破壞程度，還有待于進一步的研究。
1.3 凍融循環(huán)與荷載耦合作用
在寒冷地區(qū)，絕大多數(shù)混凝土結構都受到凍融循環(huán)與荷載的雙重作用?；炷羶鋈谘h(huán)試驗中，一般認為，在300個凍融循環(huán)內，如果試件的動彈性模量損失大于40%，或重量損失大于5%，便認為混凝土破壞，但這并不能保證有荷載同時作用下其抗凍性滿足要求。
國內外目前尚無關于凍融循環(huán)與荷載耦合作用的試驗標準，僅東南大學慕儒、孫偉等人[12]對荷載作用下混凝土抗凍性進行了系統(tǒng)的研究。其主要試驗方法為：按設計要求的混凝土配合比成型40mm×40mm×160mm抗彎試件，試件成型24h后脫模，標準養(yǎng)護24d后浸入水中4d，再進行荷載作用下的凍融試驗。加荷系統(tǒng)根據(jù)虎克定律通過壓縮彈簧對試件三分點加荷受彎(如圖2所示)。凍融循環(huán)前測定試件的抗彎強度，以此為基準對試件施加應力比為0%、10%、25%、50% 4個等級的荷載。試件施加荷載之后連同加荷裝置一起放入凍融試驗機試驗箱，凍融循環(huán)制度依照GBJ82-85《普通混凝土長期性能和耐久性試驗方法》中的“快凍法”進行。評價標準：根據(jù)GBJ82-85，混凝土在300個循環(huán)內，當試件的動彈性模量下降大于40%或重量損失率大于5%，即認為混凝土破壞。東南大學慕儒、孫偉等人經(jīng)過研究，有荷載作用下的試件都未達到這個標準便因荷載作用而斷裂，50%外部應力作用下各水灰比的混凝試件土只經(jīng)過20~40次凍融循環(huán)便發(fā)生斷裂。
該試驗方法中，承受荷載作用下的試件斷裂后，就認為其已經(jīng)破壞，未對荷載作用下的抗凍性定量分析，對混凝土其它長期性能指標的客觀評價也具有一定的局限性。
1.4 硫酸鹽侵蝕與荷載耦合作用
在沿海一帶和鹽漬地區(qū)，硫酸鹽侵蝕是混凝土老化病害的主要原因之一，我國從50年代開始就做過一些研究工作，但工作狀態(tài)下的混凝土一般都受到荷載和腐蝕的同時作用。
東南大學慕儒、孫偉等人[13]對荷載作用下的混凝土抗硫酸鹽侵蝕也進行了研究。其主要試驗方法為：按設計要求的混凝土配合比成型40mm×40mm×160mm抗彎試件，試件成型24h后脫模，標準養(yǎng)護至28d進行荷載作用下的硫酸鹽侵蝕試驗。加載裝置同1.3中荷載作用下的凍融循環(huán)加載裝置，如圖2所示，同樣對試件三分點加荷受彎，硫酸鹽侵蝕前測定試件的抗彎強度，以此為基準對試件施加應力比為0%、10%、25%、50%4個等級的荷載。試驗采用浸泡法，將加好荷載的試件連同荷載試驗架一起浸沒于裝滿質量分數(shù)為5%Na2SO4溶液的容器中，每周測定一次SO4-2濃度，如有變化及時調整，以保證溶液濃度保持恒定。評價標準：采用相對抗彎強度、相對抗壓強度、相對動彈性模量進行評定。
2. 關于橋梁混凝土長期性能加速試驗方法的若干問題
(1)目前雖然開展了多因素復合作用及荷載與多因素耦合作用試驗研究，但是尚沒有統(tǒng)一的試驗方法。在腐蝕因素、加載設備及荷載應力方面，沒有統(tǒng)一要求，需要進一步規(guī)范。如在進行硫酸鹽腐蝕時，硫酸鹽溶液濃度有的為5%，有的為10%，介質有的用Na2SO4，有的用(NH4)2SO4；在進行氯鹽侵蝕試驗時，鹽溶液濃度有的為3%，有的為4%，介質有的用NaCl，有的用CaCl2；在試驗環(huán)境方面，溫度、濕度還沒有統(tǒng)一要求；在加載設備方面，有的采用彈簧加載，有的采用螺桿加載，甚至有的采用杠桿加載。試驗條件隨意性比較大，試驗結果沒有可比較性，很難用于指導實踐。
(2)目前所采用的混凝土長期性能試驗方法中，其評價指標只限于動彈性模量降低、重量損失、強度損失、試件是否斷裂等，對混凝土的其它長期性能指標不能詳細準確地表征。如進行混凝土抗鹽凍試驗時，只以經(jīng)50次鹽凍循環(huán)后其單位面積剝蝕量是否超過0.8kg/m2作為混凝土是否滿足工程要求的依據(jù)；進行干濕循環(huán)硫酸鹽侵蝕試驗時，只以經(jīng)50次循環(huán)后其重量損失是否小于5%或強度損失是否小于25%作為混凝土的合格標準；進行荷載作用下的凍融循環(huán)試驗時，只以動彈性模量損失是否大于40%或重量損失是否大于5%，試件是否突然斷裂作為混凝土的合格標準。對混凝土的其它性能，如抗?jié)B性、抗彎拉強度、彈性模量、徐變性能及其組成、結構等的變化趨勢，沒有進行詳細的表征。
3 小 結
綜上所述，國內外現(xiàn)行的各種水泥混凝土耐久性標準測試評價方法，由于試驗制度的不統(tǒng)一和評價指標的局限性，難以用于指導實際工程。因此建議結合我國橋梁混凝土的典型腐蝕環(huán)境，在借鑒和消化國內外研究成果的基礎上，建立合理的加速試驗方法，以研究典型復合腐蝕環(huán)境以及荷載與典型腐蝕環(huán)境耦合作用下橋梁混凝土的長期性能和耐久性能的演變規(guī)律，為橋梁混凝土結構的安全評定和相關試驗方法的完善提供必要的理論和技術依據(jù)。
參考文獻：
1 ASTM C672, Standard test method for scaling resistance of concrete surfaces exposed to deicing chemicals[S].
2 RILEM TC 176- IDC 2002, Recommendations of RILEM TC 176: Test methods of frost resistance of concrete[S].
3 DIN EN 13687-1:2002, Products and systems for the protection and repair of concrete structure-test methods Determination of thermal compatibility-Part 1: Freeze-thaw cycling with de-icing salt immersion[S].
4 張國強, 覃維祖. 混凝土抗鹽凍剝蝕試驗方法的研究[J]. 公路交通科技, 2000, 17(02): 5
5 楊文萃, 葛 勇等. 混凝土在鹽溶液中的抗凍性[J]. 低溫建筑技術, 2007, 115(01): 1
6 ASTM C452, Standard test method for potential expansion of Portland cement mortars exposed to sulfate[S].
7 ASTM C1012, Standard test method for length change of hydraulic-cement mortars exposed to a sulfate solution[S].
8 GB749-1965, 水泥抗硫酸鹽侵蝕試驗方法[S].
9 GB2420-1981, 水泥抗硫酸鹽侵蝕快速試驗方法[S].
10 冷發(fā)光, 馬孝軒, 田冠飛. 混凝土抗硫酸鹽侵蝕試驗方法[J]. 東南大學學報(自然科學版), 2006, 36(Ⅱ): 45
11 歐陽東. 混凝土抗硫酸鹽侵蝕試驗的一種新方法[J]. 腐蝕與保護, 2003, 24(09): 369
12 慕 儒, 嚴 安, 孫 偉. 荷載作用下高強混凝土的抗凍性[J]. 東南大學學報, 1998, 28(04): 138
13 慕 儒, 孫 偉, 繆昌文. 荷載作用下高強混凝土的硫酸鹽侵蝕[J]. 工業(yè)建筑, 1999, 29(08): 52
