摘要 簡(jiǎn)要分析了影響我國(guó)內(nèi)陸橋梁混凝土耐久性的環(huán)境因素，并在此基礎(chǔ)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(diǎn)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(yàn)方法的研究現(xiàn)狀，并提出了所存在的若干問(wèn)題。
關(guān)鍵詞 長(zhǎng)期性能 多重環(huán)境因素 試驗(yàn)方法 鹽凍循環(huán) 硫酸鹽侵蝕干濕循環(huán)
中圖法分類號(hào)：TU528
0前言
橋梁是交通基礎(chǔ)設(shè)施中百年大計(jì)的工程，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)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(rèn)為是經(jīng)久耐用的材料，且作為保護(hù)層，鋼筋也不會(huì)發(fā)生銹蝕。因此人們對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)橋梁使用壽命的期望很高，在規(guī)范制定和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)也往往忽視環(huán)境條件的影響。然而，據(jù)國(guó)內(nèi)外實(shí)例顯示，因受荷載及腐蝕性介質(zhì)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(dāng)多的混凝土橋梁在未達(dá)到預(yù)期的使用年限就過(guò)早地破壞，造成嚴(yán)重的社會(huì)影響和經(jīng)濟(jì)浪費(fèi)。因此，橋梁混凝土耐久性問(wèn)題已成為國(guó)際橋梁界面臨的重大技術(shù)問(wèn)題。
研究橋梁混凝土的耐久性，需要建立合理的試驗(yàn)方法，以模擬評(píng)價(jià)其長(zhǎng)期使用性能，并在此基礎(chǔ)上指定評(píng)價(jià)指標(biāo)來(lái)衡量混凝土的耐久性。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)其進(jìn)行了大量研究，并建立了一系列的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法。本文主要針對(duì)影響我國(guó)內(nèi)陸橋梁混凝土長(zhǎng)期性能的環(huán)境因素，分析了橋梁混凝土耐久性加速試驗(yàn)方法的現(xiàn)狀，并提出所存在的一些問(wèn)題。
1. 多因素環(huán)境及其試驗(yàn)方法研究
根據(jù)我國(guó)不同溫度帶、濕度帶將我國(guó)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(wèn)題不同，如根據(jù)我國(guó)一年中正負(fù)溫次數(shù)及平均溫度可以將我國(guó)分為兩個(gè)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(nèi)陸氣候特點(diǎn)，沿海氣候主要表現(xiàn)氣候較濕潤(rùn)，橋梁混凝土結(jié)構(gòu)性能劣化主要是由于鋼筋銹蝕，內(nèi)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(yīng)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(shí)際工程中最為普遍的因素進(jìn)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(duì)其試驗(yàn)方法進(jìn)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(jié)構(gòu)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(jiàn)的一種。凍融循環(huán)由于對(duì)混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(duì)混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的破壞，也降低了混凝土的強(qiáng)度性能，同時(shí)對(duì)混凝土的徐變性能也會(huì)產(chǎn)生較大的影響。
除冰鹽凍融目前我國(guó)尚未建立國(guó)家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)家可供參考的方法主要有美國(guó)材料試驗(yàn)協(xié)會(huì)《混凝土表面暴露于除冰鹽時(shí)抗鹽凍性的試驗(yàn)方法》(ASTM C672-03)、國(guó)際材料試驗(yàn)協(xié)會(huì)(RILEM)推薦的RILEM TC 176-IDC平板試驗(yàn)《混凝土抗凍融侵蝕——內(nèi)部破壞》及RILEM TC 117-FDC CDF試驗(yàn)《毛細(xì)吸鹽凍融試驗(yàn)方法》、德國(guó)國(guó)家規(guī)范DIN EN 13687-1: 2002《除冰鹽浸泡凍融循環(huán)試驗(yàn)》等標(biāo)準(zhǔn)[1]~[3]。
清華大學(xué)張國(guó)強(qiáng)等人[4]對(duì)ASTM C672-03抗鹽凍試驗(yàn)方法進(jìn)行了改進(jìn)。該試驗(yàn)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(dòng)密實(shí)，24h后取下試模底蓋，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)21d，在自動(dòng)巖石切片機(jī)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(duì)試件成型尺寸進(jìn)行調(diào)整，主要目的是為了更簡(jiǎn)便的形成鹽凍溶液池，還對(duì)混凝土抗鹽剝蝕性能的評(píng)價(jià)進(jìn)行了定量分析，使試件剝蝕程度的可比性提高。新標(biāo)養(yǎng)28d后進(jìn)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(yàn)箱中于-17±2.8℃下凍結(jié)16~18h，常溫(23±1.7℃)下融化6~8h。評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：以50次循環(huán)后其單位面積的剝蝕量(kg/msQ2)來(lái)評(píng)價(jià)其抗鹽凍能力的大小。根據(jù)歐洲公路標(biāo)準(zhǔn)，以是否超過(guò)0.8 kg/msQ2
但需要注意的是，現(xiàn)有的鹽凍試驗(yàn)方法所采用的鹽溶液濃度是不盡相同的，如上述試驗(yàn)方法所采用的是4%的CaCl2溶液，而哈爾濱工業(yè)大學(xué)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(guān)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(guó)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(nèi)陸鹽土，該類土壤中含有大量的硫酸鹽、氯鹽和鎂鹽等強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)；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(duì)混凝土及鋼筋混凝土材料具有極強(qiáng)的腐蝕性。干濕循環(huán)的主要作用將加速硫酸鹽的侵蝕進(jìn)程，從而嚴(yán)重影響混凝土的長(zhǎng)期性能和耐久性能。
我國(guó)國(guó)家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)尚未制訂混凝土材料抗硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)方法，而水泥抗硫酸鹽侵蝕則有標(biāo)準(zhǔn)方法。國(guó)內(nèi)外可供參考的試驗(yàn)方法有美國(guó)材料試驗(yàn)協(xié)會(huì)混凝土硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)方法《對(duì)波特蘭水泥沙漿受硫酸鹽侵蝕下潛在膨脹的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法》(ASTM C452-02)、《硫酸鹽溶液中水泥沙漿長(zhǎng)度變化的標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)方法》(ASTM C1012-04)、GB749-1965《水泥抗硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)方法》、GB2420-1981《水泥抗硫酸鹽侵蝕快速試驗(yàn)方法》等標(biāo)準(zhǔn)[6]~[9]。
中國(guó)建筑科學(xué)研究院冷發(fā)光、馬孝軒等人[10]對(duì)中美兩國(guó)相關(guān)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)作了對(duì)比，建議將全浸泡試驗(yàn)和干濕循環(huán)試驗(yàn)納入《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，其中干濕循環(huán)硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)方法是：按設(shè)計(jì)要求的混凝土配合比制作100mm×100mm×100mm試件，靜停1d后拆模，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d，然后進(jìn)行干濕循環(huán)硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)。循環(huán)制度是：室內(nèi)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(qiáng)度，一個(gè)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(qiáng)度損失25%時(shí)循環(huán)次數(shù)為試驗(yàn)終止判斷依據(jù)，同時(shí)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(yàn)方法的評(píng)價(jià)指標(biāo)也不盡相同，上述試驗(yàn)方法的評(píng)價(jià)指標(biāo)為重量損失和強(qiáng)度損失，暨南大學(xué)歐陽(yáng)東[11]卻對(duì)此提出質(zhì)疑，并提出了體積膨脹率。因此關(guān)于如何客觀評(píng)價(jià)干濕循環(huán)硫酸鹽侵蝕對(duì)混凝土的破壞程度，還有待于進(jìn)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(jié)構(gòu)都受到凍融循環(huán)與荷載的雙重作用?；炷羶鋈谘h(huán)試驗(yàn)中，一般認(rèn)為，在300個(gè)凍融循環(huán)內(nèi)，如果試件的動(dòng)彈性模量損失大于40%，或重量損失大于5%，便認(rèn)為混凝土破壞，但這并不能保證有荷載同時(shí)作用下其抗凍性滿足要求。
國(guó)內(nèi)外目前尚無(wú)關(guān)于凍融循環(huán)與荷載耦合作用的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，僅東南大學(xué)慕儒、孫偉等人[12]對(duì)荷載作用下混凝土抗凍性進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。其主要試驗(yàn)方法為：按設(shè)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)24d后浸入水中4d，再進(jìn)行荷載作用下的凍融試驗(yàn)。加荷系統(tǒng)根據(jù)虎克定律通過(guò)壓縮彈簧對(duì)試件三分點(diǎn)加荷受彎(如圖2所示)。凍融循環(huán)前測(cè)定試件的抗彎強(qiáng)度，以此為基準(zhǔn)對(duì)試件施加應(yīng)力比為0%、10%、25%、50% 4個(gè)等級(jí)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(yàn)機(jī)試驗(yàn)箱，凍融循環(huán)制度依照GBJ82-85《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性試驗(yàn)方法》中的“快凍法”進(jìn)行。評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：根據(jù)GBJ82-85，混凝土在300個(gè)循環(huán)內(nèi)，當(dāng)試件的動(dòng)彈性模量下降大于40%或重量損失率大于5%，即認(rèn)為混凝土破壞。東南大學(xué)慕儒、孫偉等人經(jīng)過(guò)研究，有荷載作用下的試件都未達(dá)到這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)便因荷載作用而斷裂，50%外部應(yīng)力作用下各水灰比的混凝試件土只經(jīng)過(guò)20~40次凍融循環(huán)便發(fā)生斷裂。
該試驗(yàn)方法中，承受荷載作用下的試件斷裂后，就認(rèn)為其已經(jīng)破壞，未對(duì)荷載作用下的抗凍性定量分析，對(duì)混凝土其它長(zhǎng)期性能指標(biāo)的客觀評(píng)價(jià)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(guó)從50年代開(kāi)始就做過(guò)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(shí)作用。
東南大學(xué)慕儒、孫偉等人[13]對(duì)荷載作用下的混凝土抗硫酸鹽侵蝕也進(jìn)行了研究。其主要試驗(yàn)方法為：按設(shè)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至28d進(jìn)行荷載作用下的硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)。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(duì)試件三分點(diǎn)加荷受彎，硫酸鹽侵蝕前測(cè)定試件的抗彎強(qiáng)度，以此為基準(zhǔn)對(duì)試件施加應(yīng)力比為0%、10%、25%、50%4個(gè)等級(jí)的荷載。試驗(yàn)采用浸泡法，將加好荷載的試件連同荷載試驗(yàn)架一起浸沒(méi)于裝滿質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%Na2SO4溶液的容器中，每周測(cè)定一次SO4-2濃度，如有變化及時(shí)調(diào)整，以保證溶液濃度保持恒定。評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：采用相對(duì)抗彎強(qiáng)度、相對(duì)抗壓強(qiáng)度、相對(duì)動(dòng)彈性模量進(jìn)行評(píng)定。
2. 關(guān)于橋梁混凝土長(zhǎng)期性能加速試驗(yàn)方法的若干問(wèn)題
(1)目前雖然開(kāi)展了多因素復(fù)合作用及荷載與多因素耦合作用試驗(yàn)研究，但是尚沒(méi)有統(tǒng)一的試驗(yàn)方法。在腐蝕因素、加載設(shè)備及荷載應(yīng)力方面，沒(méi)有統(tǒng)一要求，需要進(jìn)一步規(guī)范。如在進(jìn)行硫酸鹽腐蝕時(shí)，硫酸鹽溶液濃度有的為5%，有的為10%，介質(zhì)有的用Na2SO4，有的用(NH4)2SO4；在進(jìn)行氯鹽侵蝕試驗(yàn)時(shí)，鹽溶液濃度有的為3%，有的為4%，介質(zhì)有的用NaCl，有的用CaCl2；在試驗(yàn)環(huán)境方面，溫度、濕度還沒(méi)有統(tǒng)一要求；在加載設(shè)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(yàn)條件隨意性比較大，試驗(yàn)結(jié)果沒(méi)有可比較性，很難用于指導(dǎo)實(shí)踐。
(2)目前所采用的混凝土長(zhǎng)期性能試驗(yàn)方法中，其評(píng)價(jià)指標(biāo)只限于動(dòng)彈性模量降低、重量損失、強(qiáng)度損失、試件是否斷裂等，對(duì)混凝土的其它長(zhǎng)期性能指標(biāo)不能詳細(xì)準(zhǔn)確地表征。如進(jìn)行混凝土抗鹽凍試驗(yàn)時(shí)，只以經(jīng)50次鹽凍循環(huán)后其單位面積剝蝕量是否超過(guò)0.8kg/m2作為混凝土是否滿足工程要求的依據(jù)；進(jìn)行干濕循環(huán)硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)時(shí)，只以經(jīng)50次循環(huán)后其重量損失是否小于5%或強(qiáng)度損失是否小于25%作為混凝土的合格標(biāo)準(zhǔn)；進(jìn)行荷載作用下的凍融循環(huán)試驗(yàn)時(shí)，只以動(dòng)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(biāo)準(zhǔn)。對(duì)混凝土的其它性能，如抗?jié)B性、抗彎拉強(qiáng)度、彈性模量、徐變性能及其組成、結(jié)構(gòu)等的變化趨勢(shì)，沒(méi)有進(jìn)行詳細(xì)的表征。
3 小 結(jié)
綜上所述，國(guó)內(nèi)外現(xiàn)行的各種水泥混凝土耐久性標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試評(píng)價(jià)方法，由于試驗(yàn)制度的不統(tǒng)一和評(píng)價(jià)指標(biāo)的局限性，難以用于指導(dǎo)實(shí)際工程。因此建議結(jié)合我國(guó)橋梁混凝土的典型腐蝕環(huán)境，在借鑒和消化國(guó)內(nèi)外研究成果的基礎(chǔ)上，建立合理的加速試驗(yàn)方法，以研究典型復(fù)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(zhǎng)期性能和耐久性能的演變規(guī)律，為橋梁混凝土結(jié)構(gòu)的安全評(píng)定和相關(guān)試驗(yàn)方法的完善提供必要的理論和技術(shù)依據(jù)。
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