多重環(huán)境因素作用下橋梁混凝土耐久性試驗(yàn)方法的研究現(xiàn)狀
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)。 參考文獻(xiàn): 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(guó)強(qiáng), 覃維祖. 混凝土抗鹽凍剝蝕試驗(yàn)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(shù), 2007, 115(01): 1 6 ASTM C452, Standard test method for potential 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原作者: 崔 鞏,李北星,袁曉露,周明凱 |
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