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目前有关混凝土结构的稳定性研究
摘要
混凝土的耐久性在过去几十年中引起了人们的极大关注，至今仍是研究热点。本文回顾和讨论了最近关于混凝土耐久性的研究活动，包括主要耐久性问题如碱骨料反应，硫酸盐侵蚀，钢腐蚀和冻融；海洋环境中混凝土的耐久性; 机械载荷与环境因素对混凝土耐久性的耦合效应。此外，还简要回顾了混凝土结构设计中耐久性的考虑。
关键词：耐久性；碱骨料反应；硫酸盐侵蚀；钢筋腐蚀
绪论
波特兰水泥混凝土的耐久性被定义为抵抗风化作用，化学侵蚀，磨损或在暴露于其预期的使用环境下任何其他劣化过程的保持其原始形式能力、质量和使用性能。耐久性问题通常在材料开始恶化时出现。虽然材料恶化没有立即的安全问题，但会逐渐导致结构性损坏，这对结构构成潜在危险。混凝土恶化的原因分类可以分为物理，化学和机械三大类，其中主要的耐久性问题如钢腐蚀开始和发展。为了解决耐久性问题，许多研究人员对这些问题进行了深入研究。研究涵盖碳酸化，碱骨料反应，钢筋腐蚀，硫酸盐侵蚀，CH浸出和冷冻融化的个别课题。如研究人员所指出的，在大多数情况下，混凝土结构的退化是由多种环境因素和加载的综合作用造成的。因此，许多研究人员将其工作从单一机械载荷或环境因素扩展到多个因素的综合影响。作为耐久性研究的结果，许多国家提出了基于耐久性的设计指南或耐久性承载能力统一的使用寿命设计方法。本文首先讨论了基于选定的相应活动的与主要耐久性问题相关的最新研究。在讨论海洋环境中混凝土的耐久性问题后，介绍了基于耐久性的设计理念和方法。
2主要的耐久性问题
以下小节讨论了混凝土中的主要耐久性问题，包括碱骨料反应，硫酸盐侵蚀，钢腐蚀和冻融。
2.1混凝土中的碱骨料反应
混凝土中的碱 - 骨料反应是孔溶液中的碱和聚集体的一些活性化学物质之间的反应。 碱骨料反应的两种一般反应类型分为：白云石灰岩骨料中活性矿物的碱碳酸盐反应和来自无定形二氧化硅的活性矿物的碱-硅反应。评估AAR的常用测试方法有：砂浆棒试验，岩石圆柱法，快速试验方法，加速砂浆棒法，高压釜试验方法，化学收缩试验，混凝土棱镜试验，刚度损伤试验，动态模量和凝胶荧光试验。除了上述这些常规试验之外，Liu和Mukhopadhyay开发了一种复合活化能测量方法，如图所示，用NaOH Ca（OH）2溶液测试高反应性硼硅酸盐玻璃和或不同类型的聚集体。已经证明，随着聚集体和碱溶液之间的ASR的进行，封闭体系中的体积变化呈化学收缩的形式。在那里，作者将记录的变化量随时间推移到ASR的风险潜力和实际反应程度。
通常情况下，AAR的程度受：水的影响，ASR只发生在较高的相对湿度; 碱含量; 混凝土孔隙度和温度。因此，有一些消除AAR反应的建议：利用无特定的聚集体和或非反应性聚集体; 利用低碱度波特兰水泥或混合水泥与足够的火山灰材料; 尽可能多地保持混凝土的干燥，当RH lt;80％时观察不到造成损害; 扩散控制涂层的利用;加入硝酸盐。选择火山灰材料和硝酸盐的影响进行讨论：
（1）掺入足够的反应性硅质颗粒骨架，粉煤灰，矿渣和二氧化硅角砾岩有助于限制ASR膨胀的风险。 Wright等人调查了较高的石灰含量（CaO %gt; 10％）飞灰需要较大比例的水泥替代，以将ASR膨胀减少到0.08％[26]。粉煤灰与CaO 27.3，13.5和2.42％需要31,18和13％的波特兰水泥抵抗ASR。此外，粒径小于30mu;m的二氧化硅-角砾岩的砂浆和混凝土在碱 - 二氧化硅反应性和耐硫酸盐性试验中均显示出比对照混合物更低的膨胀性。
（2）在水泥基材料中添加LiNO3可以降低AAR膨胀，明显影响反应产物的化学成分和形态。此外，产生致密的反应产物，作为硫酸盐侵袭的有效保护屏障。
有趣的是，最近有一些研究发现，初始的ASR凝胶可能会临时使水泥基体变稠。
1）关于碱碳酸盐反应，与Stucovnik等人相比，与具有石灰石骨料的砂浆相比，用活性白云石聚集体的砂浆检测到抗压强度的显着更高的增加。由于在ITZ中以及在颗粒中预先存在的裂纹中形成新的Mg-Si-Al，这种现象被解释为波特兰水泥粘结剂与骨料颗粒之间的更好的互锁。
2）Krivenko等也认为碱敏感聚集体可用于碱活化水泥混凝土，没有任何风险，尽管理论认为是相反的。作者认为，碱活化水泥中的活性氧化铝具有有利的作用，可以有效地控制界面过渡带的结构形成过程，并将膨胀减少到允许的水平，或者完全避免膨胀。
3）贝克塔斯指出，添加碱反应性砖骨料不影响混凝土的工程性能，但通过SEM观察到碱性硅胶和二次钙矾石。
2.2硫酸盐侵蚀引起的恶化
硫酸盐侵蚀是导致混凝土结构膨胀退化的主要因素之一。这种膨胀归因于硫酸根离子与具体结构中的一些水合产物的反应。耐硫酸盐试验通常通过将样品储存在硫酸钠或硫酸镁或两者的混合物中来进行。目前，硫酸盐侵蚀的作用通常通过几个指标来评估：长度变化，质量损失或增加，表面硬度差异，强度和弹性模量下降。然而，这些指标没有提供足够的信息来评估化学反应并了解背后的损害机制，并且这些指标也不能与实际情况下的表现有关。研究由硫酸盐侵蚀引起的混凝土结构退化过程的创新试验方法是必不可少的。
（1）Braganca et al利用电化学阻抗非破坏性地识别硫酸盐侵袭。 阻抗测试通过在开路电位为106至5times;10-2 Hz的频率间隔施加25 mV幅度的交变信号，每十年获得10个点来执行。 从硫酸盐室暴露的增强砂浆获得的电化学阻抗光谱结果表明，即使在初始劣化阶段，该技术也可用于监测系统耐久性的降低。从固化过程中形成水泥水合物与基体中的单硫酸盐副产物的形成，从所得硫酸盐分布和等效电路的分析中确定。
（2）Hachem等提出的新方法 揭示了样品尺寸与耐硫酸盐侵蚀性之间的关系：实验设置，如图1所示。在恒定pH和温度下分别实现7.5和20℃。 通过加入0.5mol / L的硝酸溶液调节pH。 当溶液更新时，测量样品的质量和长度。 从实验结果来看，他们认为硫酸盐侵蚀的加速作用是由于浸出动力学的增加而不是膨胀产物的类型。
（3）通过利用高分辨率同步加速器X射线衍射（SyXRD），Stroh等 发现混凝土在19年的时间内浸入硫酸盐土中，钙矾石被确定为内部区域的主要结晶相，石膏非常接近混凝土表面。
（4）一般来说，形成大量的沙门氏菌研究通常需要一年以上的外部MgSO 4溶液储存方法。 为了克服外部方法的这个耗时的缺点，Li等 建立了一种所谓的内部添加方法来加速实验室中的沙门氏菌形成[41]。 在这种方法中，含有10％硫酸镁的水泥 - 石灰石膏在（5plusmn;2）℃下保存6个月。 有人指出，这种新方法可以为硫酸亚铁硫酸盐攻击研究提供非常快速的方法。
（5）最近，利用可以检测样品振动模式的共振频率变化的材料变化的非线性冲击共振声谱用于监测外部硫酸盐侵袭过程。 图3示出了非线性冲击共振声谱的实验装置。 这种技术已被证明对材料的微裂纹具有高度的敏感性，并且足够由硫酸盐侵蚀造成的低和中膨胀损伤。 非线性冲击共振声谱法测得的结果与微观结构分析结果相符。
硫酸盐反应的物理化学相互作用是一个复杂的过程，取决于许多参数，包括硫酸根离子的浓度，环境温度，水泥/矿物添加剂的用量，水与水泥比，混凝土的扩散性或渗透性，以及补充火山灰外加剂。 一些可以消除硫酸盐攻击的负面影响的有效方法如下：
（1）矿物添加剂：将粉粒状高炉矿渣掺入水泥中有利于提高储存在硫酸盐溶液中的混凝土结构的膨胀减少，因为炉渣会在一定程度上消耗氢氧化钙并导致石膏和钙矾石的减少。据报道，掺入超过30％的低反应性研磨粒状高炉矿渣导致了对硫酸钠和硫酸镁攻击效果的显着提高。 Arribas等人还发现，在一年的暴露后，由于硫酸盐侵蚀，矿渣砂浆的膨胀比控制砂浆的膨胀少。同时，由于不存在内部损伤和渣聚集体的细小部分的反应性，这些矿渣砂浆显示出比对照砂浆更大的强度增加。对于粉煤灰，底灰/循环流化床燃烧灰混凝土混合物也显示出更好的抗外部硫酸侵蚀的能力。考虑到当高钙粉煤灰和矿渣组合的水平达到总水泥质材料的60％时，观察到显着的膨胀减少。关于硅灰，大量的纳米结构胶体二氧化硅的存在可以增强耐硫酸盐侵蚀性，延缓衰变演变。灰飞虱和硅灰在硫酸钠溶液中膨胀极低。此外，Nielsen等人报道使用矿物混合物有利于减少硫黄石的形成。
（2）埋地涂层：埋地深度的增加在一定程度上可以减少硫酸盐侵蚀形成硫酸钠的混凝土变质量。
（3）玻璃粉：与研磨玻璃粉末混合的砂浆显着提高了耐硫酸盐侵蚀性，从而提高了耐久性能。 在砂浆试样的耐硫酸钠试验中，当用适当的10％玻璃粉替代水泥时，发生最小重量损失。
（4）浸没位置：Nehdi et al研究了在循环温度和相对湿度下部分浸入5％硫酸钠溶液中的混凝土的双硫酸盐侵蚀性能，结论是芯部作用作为部分暴露混凝土中溶液的主要输送机理：浸入硫酸盐溶液中的下部 可能遭受化学硫酸盐攻击，而上层对内在孔结构敏感，易受实际硫酸盐侵蚀。
（5）轻量聚集体和粘度调节剂：Bentz et al探索了两种增加砂浆抗硫酸盐侵蚀的新方法：一方面，预先润湿细小的聚集体以增强界面过渡带的微结构，另一方面，轻质聚集体中的孤立孔可能有助于容纳形成膨胀性降解产物，如钙矾石，不产生明显的应力和随后的开裂; 向混凝土混合物中加入粘度调节剂以增加孔溶液的粘度，从而减缓硫酸盐从外部环境的进入。
（6）氧化镁：加入氧化镁可以提高混凝土耐碳酸化，氯化物侵蚀和长期硫酸盐侵蚀[
（7）超增塑剂：混凝土混合物中适量的超增塑剂可以引起高水分减少，从而减少对混凝土的硫酸盐侵蚀，并产生更坚固的基体。
（8）碳酸钡：生产耐硫酸盐水泥的新方法是向熟料中加入碳酸钡。 主要机理是利用钡的能力将硫酸盐固定为非常不溶的重晶石[59]。 已经提出一些最近的建模方法来描述硫酸盐侵蚀的过程，这些模型通过膨胀产物的沉淀来关注微裂缝桥接或孔隙填充：
1）Bary等 在数值积分平台上进行硫酸外来侵蚀的砂浆样品的化学运输机械模拟。 他们认为，微裂纹可能由一些膨胀的次级钙矾石在外部硫酸盐侵蚀和约束力下桥接或填充，如图1所示。
2）Ikumi等人提出了扩散反应数值模型，以模拟暴露于外部硫酸盐侵蚀的混凝土的响应。 所描述的方法允许考虑不同的填充率和容量以适应每个孔径的膨胀产品。
2.3钢结构防腐
由于钢筋腐蚀被认为是在建设工程[62,63]最严重的耐久性问题，如何消除钢筋锈蚀的程度在实际工程中一个令人头疼的问题。 混凝土质量和混凝土覆盖层厚度的组合显然是控制碳酸化和氯化物进入速率的最重要的参数，因此提高混凝土的质量被认为是主要的保护方法。 保护措施包括增加混凝土覆盖层，涂层钢筋，不锈钢和腐蚀抑制剂。
（1）一般来说，嵌入式钢筋的腐蚀时间可能受钢筋混凝土覆盖层的影响[65]。 然而，随着覆盖层的增加，钢筋变得不太有效，并且由于拉伸应力，收缩和热效应引起的开裂的可能性增加[2]。
（2）钢筋的涂层可以通过作为防止侵蚀性物质进入钢表面并在一定程度上提供电绝缘的屏障来提高耐久性能。在最近的一项研究中，与氧化锌和锌底漆涂层相比，环氧树脂涂层明显地显示出比钢铁腐蚀性能更优异的性能，并且可以以各种方式应用于液体或作为熔融的粉末在表面上。 ASTM A775 / A775M-04a（环氧涂层钢筋标准规范）通过静电喷涂法解决了环氧涂层钢筋的基本要求。混凝土浇注前环氧树脂涂层的损伤量被认为是造成不良性能的主要原因[67]。因此，培训对于适当地生产，处理和施加涂层以及修复环氧树脂涂层棒的现场损伤是必要的。此外，混凝土与环氧树脂涂层钢筋之间的粘结性能不如混凝土与常规钢筋一样强大，应改善。
（3）对不锈钢棒的使用进行了一些调查。 已经表明，非焊接AISI304（一种不锈钢）钢筋中的起始腐蚀的氯化物阈值比常规钢筋高出三到五倍。 然而，钢筋的焊接将临界氯化物水平降低了50％。 应该强调的是使用不锈钢钢筋是一种昂贵的解决方案]。
（4）钢（镀锌钢）的锌涂层也被认为是提供耐腐蚀性的良好手段。它既作为牺牲和屏障型涂层。但是，缺点是，像其他金属涂层一样，锌涂层随着时间的推移腐蚀。在给定环境条件下的腐蚀速率将决定涂层厚度的损失以及其有效的时间。通常，金属厚度与暴露于工业气氛的镀锌钢板的有效使用寿命的持续时间相当线性关系[73]。锌的稳定性取决于暴露锌涂层的周围溶液的pH。锌的腐蚀产物可以沉积在锌涂层的表面上并将其密封，从而阻止H2气体的逸出并导致锌涂层的钝化。特别是，如果镀锌和非镀锌钢筋以相同的结构使用，则应特别小心确保两者完全电隔离。
（5）腐蚀抑制剂被认为不仅用作新结构的预防措施，而且也被用作现有结构的预防和修复表面应用外加剂。 各种腐蚀抑制剂可分为[2]：a）吸附抑制剂，其特别对腐蚀过程的阳极或阴极部分反应或两种反应起作用，（b）成膜抑制剂，其或多或少完全阻挡表面，例如基于硅氧烷的腐蚀抑制剂[75-78]和（c）钝化剂，有利于钢的钝化反应。因此，腐蚀抑制剂的机械作用不是因为氯化物离子的存在或pH值下降而导致钝化金属的局部或点腐蚀[79]。混合到自由混凝土中的腐蚀抑制剂可以以两种不同的方式起作用：这些抑制剂可以延长腐蚀开始时间和/或降低钝化后的腐蚀速率[2]。混合抑制剂被认为更可靠，因为将抑制剂添加到混合物中更容易和更安全。一些实验室测试表明，某些腐蚀抑制剂不会显着影响引发腐蚀所需的氯离子的量，但可以降低腐蚀速率[2]。最近，绿色，可持续，环保的腐蚀抑制剂的应用成为有希望的研究热点[80]。一种绿色抑制剂是Bambusa Arundinacea叶提取物，与亚硝酸钙和乙醇胺相比，其具有更好的耐钢腐蚀性。这种提取物可以稳定硅酸钙水合物（C-S-H）凝胶，其在一定程度上防止氢氧化钙转化成方解石和碳铝酸盐相[80]。另一种典型的绿色抑制剂是Anthocleista djalonensis，是一种特殊的叶，茎皮和根皮提取物。 Okeniyi等人的实验数据和预测模型表明只有0.4167％的山楂叶提取物混
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