基于高性能混凝土应力腐蚀机理分析

张义祥 任小敏

摘要：高性能混凝土是按耐久性设计的混凝土，但其在使用过程中，经常会因周围环境侵蚀性介质的浸入而逐渐劣化。产生这种劣化的潜在因素是混凝土中的化学成分和结构，外部条件是环境介质和水的存在，必要条件是外部侵蚀性介质和水能逐渐进入混凝土内部。水泥混凝土结构物很少是在理想环境中存在的，混凝土作为一种结构材料不但其存在环境恶劣，而且大多承受荷载作用，像公路结构物等还要承受频繁的交通荷载作用。因此，混凝土结构物也同时遭受力学、物理和化学的综合作用。下面笔者探讨了高性能混凝土应力腐蚀机理。

关键词：高性能混凝土；应力腐蚀；机理

一、高性能混凝土孔结构和过渡区结构

1、高性能混凝土的孔结构

水泥熟料矿物成分和外加的粉煤灰掺合料遇到水后发生水化反应，生成大量棒针状的钙矾石和细小的纤维状水化硅酸钙，并填充于原先为水所占的空间。随时间增长，生成的水化产物越来越多，晶体长大，水泥混凝土产生收缩。当水泥石的抗拉强度小于收缩应力时，在水泥石内部形成许多比较明显的收缩裂缝，这些裂缝的存在，使水泥混凝土的本体强度通到极大破坏，也导致混凝土宏观强度远低于本体强度。更为严重的是，这些裂缝在未来的使用环境中，给外界腐蚀介质的侵入提供了顺畅的通道，并使得混凝土抗应力腐蚀特性严重降低。

2、高性能混凝土的过渡区结构

新拌混凝土浆体在重力作用下，水泥颗粒向下运动，水向上运动，集料对这种水的运动起到阻碍作用，使水在集料下面形成水囊，并形成明显的内分层同样，水泥熟料颗粒水化放出了大量的Ca2+并由水带到集料一下面，在集料下面富集，形成了界面过渡区。这样，当集料表面存在法向拉应力、切向剪应力或者两者同时存在时，裂缝极易在这一定向结晶层内形成并扩展

二、高性能混凝土应力腐蚀的影响因素

1、腐蚀介质对应力腐蚀的影响

混凝土受腐蚀介质的侵蚀随介质化学性质的不同而不同。

（1）Na 2SO4，MgSO4，MgCI2腐蚀

在硫酸盐腐蚀中，Na 2SO4是最为常见的两种腐蚀介质，能同时腐蚀水泥水化产物氢氧化钙、水化硅酸钙和水化铝酸钙。

Na 2SO4腐蚀的反应式为：

Na 2SO4+Ca（OH）2+2H2O=CaSO4 ·2H20+2NaOH

MgSO4腐蚀的反应式为：

MgSO4+ Ca（OH）2+2H2O= CaSO4 ·2H2O +Mg （OH）2

MgCI2腐蚀：

在地下水、海水中，镁离子、抓离子、硫酸根离子普遍存在，氯化镁与水泥的水化产物Ca（OH）2，有以下反应过程：

MgCI2+ Ca（OH）2=CaCI2+ Mg （0H）2

从Na 2SO4，MgSO4，MgCI2与水泥水化产物的反应可以看出，混凝土劣化的主要原因或根源是Na 2SO4，MgSO4，MgCI2与水化产物形成钙矾石、石青导致的膨胀开裂及硫酸镁导致C-S-H凝胶处于不稳定状态，分解出Ca（OH）2，破坏了C-S-H的凝胶性。另外，在硫酸盐腐蚀早期，与水泥水化产物生成大量AFt ，钙硅石等大分子晶体。这些大分子晶体相互搭接，填满原来由水所占据的空间固体粒子逐渐靠近，使得混凝土内部变得密实，强度有所提高，在应力腐蚀早期，应力的作用，会扩展、加大混凝土内部的孔隙，給大分子晶体生长提供空间，有利于早期强度的提高，这也是应力腐蚀试件强度衰减较慢的原因。但随着时间的延长，混凝土内部剩余空间变少，不断生成的AFt， Ca（OH）2等相没有生长的空间，只能在原空间反复叠加生长，当达到一定程度时，就会在混凝土构件内部产生体积膨胀，使得水泥石与集料分离，而外加应力的存在，更加大了这种分离，引起更多的残余塑性变形，使混凝土密实性变差，强度大大降低，也就使得其抗变形能力降低，即表现为极限弯拉应力降低，在应力腐蚀早期，施加的高应力扩大了内部空间，产生较多微裂缝，有利于AFt相的介入，使得混凝土内部密实，同基准强度相比强度反而提高；施加低应力时，相对产生微裂缝较少，与高应力作用一样，硫酸钠的介入及AFt相的生长是同程度的，相对来说这时AFt相生长空间受到限制，产生一定的内部扩张，使水泥石与集料有所分离，同基准强度相比强度有所下降。

（2）清水腐蚀

当混凝土处于流动的水中时，特别是有水压、冲刷、渗流等作用下，水不断渗透过混凝土，帮助混凝土液相中的Ca（OH）2向浓度更低的环境水中扩散，导致固相游离Ca（OH）2溶解以恢复到被破坏的浓度平衡持续下去，固相游离Ca（OH）2被全部溶解，水泥石液相中Ca（OH）2浓度因得不到补充而开始降低，当低于水泥水化产物稳定存在的极限浓度时，胶凝物质发生分解。

2、干湿循环对应力腐蚀的影响

混凝土在自然环境干湿条件下，腐蚀最容易发生和发展。尤其作为公路工程用混凝土，许多长期处于水、土与大气交界面部位，是腐蚀破坏最突出的地方。在海水、盐碱地一带，干湿交替还容易发生盐的浓缩、结晶过程，对混凝土的腐蚀非常严重，导致桥梁结构、水泥混凝土路面的耐久性降低，水泥混凝土表面3到5年就斑驳粉化。

三、混凝土应力腐蚀机理

1、渗透性

渗透性是评价混凝土耐久性能的一个综合指标、它是指气体、液体或者离子受压力、化学势或者电场的作用，在混凝土中渗透扩散或迁移的难易程度。混凝土渗透性与耐久性间有着密切关系，混凝土获得高耐久性与长寿命的关键是提高混凝土的抗渗性。例如，混凝土发生硫酸盐腐蚀的必要条件是水及腐蚀离子进入混凝土内部，钢筋发生锈蚀破坏需要离子去破坏钢筋钝化膜或者二氧化碳气体破坏混凝土的高碱性环境，以及水分和氧气参与，碳化反应需要二氧化碳和水分的参与等。如果混凝土抗渗性好，水分及有害离子渗透不到混凝土内部就不致造成其损伤破坏。因此，混凝土要获得高性能长寿命，必须具有高的抗渗透性.

2、混凝土应力腐蚀机理

混凝土属于多孔聚集体其中的孔、缝既是主要组分，也是必需成分。在饱和的腐蚀介质溶液中，腐蚀介质及其与水泥水化产物的反应产物以各种形态，充满了混凝土的孔隙和粘结裂缝。受到荷载作用时，混凝土内部的孔隙、裂缝形态和数量发生变化，失去原有的平衡状态，使得混凝土中微粒表面或裂缝中的水膜变薄，如果要恢复到原有厚度，外面的水膜需不断进入。而水膜增厚的过程，必然使混凝土微粒散化，削弱相互间的作用力。同时，使混凝土中裂缝逐步胀裂，胶结作用受到破坏，形成腐蚀溶液的“楔入作用”。而腐蚀产物的膨胀应力、外加应力的作用，会加速这种“楔入作用”的发生。这些作用反复交叉，相互影响，使混凝土出现过早破坏。

四、结语：

以上笔者粗略分析了高性能混凝土应力腐蚀机理，经过实践表明，在混凝土中适量的掺入粉煤灰可以明显改善混凝土的抗应力腐蚀。由于篇幅和水平有限，还有许多内容没涉及到，比如：高性能混凝土腐蚀疲劳特性等，在今后工作中笔者将继续高性能混凝土应力腐蚀进行研究。

参考文献：

[1]王大富，施养杭，黄庆丰《混凝土应力腐蚀研究现状》山西建筑2013，8.

[2]王恩亭.《混凝土应力腐蚀与涂层防护技术》21世纪建筑材料2014，3.