基于环境侵蚀的混凝土耐久性能测试分析★

詹钦鹏 尹遇学 吴多 张智越 常康

(南昌工程学院土木与建筑工程学院，江西 南昌 330099)

1 概述

混凝土作为常见的建筑材料，被广泛应用于各类房屋、桥梁等工程结构的建设中[1]。长久以来国内外学者以混凝土材料为对象开展了各类受力特性和耐久性能研究[2]，这大大推动了混凝土材料和各类技术的革新发展。目前各类纤维混凝土构件[3]、再生混凝土构件[4]、UHPC构件[5]等改进型混凝土构件的应用继续推动着结构向高耸、大跨化发展。

但由于混凝土材料本身存在抗裂性差、受外部环境影响大等缺陷，且在运营阶段期间易受到各类直接、间接荷载影响，大大影响了其安全、适用和耐久性能[6]。因此，继续针对各类混凝土材料进行进一步探讨研究意义重大。

2 外部环境侵蚀分析

混凝土构件应用广泛，所处环境也错综复杂。据相关机构不完全统计，由构件的耐久性损伤导致的结构失效占很大比例[7]。究其原因，外部环境中的高温、冻融、酸碱侵蚀、碳化、紫外线辐射、湿度等影响因素会对混凝土的正常运营产生各种不良影响[8]，具体如下。

2.1 外部单环境因素影响分析

2.1.1温度影响

差异化的温度作为自然环境的典型表现形式，对混凝土等材料在使用过程中的各项性能有较大影响。目前基于高、低温环境下的普通混凝土构件的各类力学性能已经得到广泛研究，具备较为成熟的理论。但日益发展的各类纤维混凝土、再生混凝土和UHPC的温度变化效应还有待进一步探讨研究。

赵燕茹等[9]通过开展玄武岩纤维混凝土的高温试验后发现，不同温度下的抗力性能变化具有一定差异，且相比于纤维掺量高温对其性能影响更大。基于此，彭帅等[10]开展了钢纤维混凝土试件在高温条件下的动态压缩试验，其结果表明混凝土具有较强的温度损伤效应，并进一步验证了钢纤维的掺量对构件的抗力性能有一定的增强效应。但高温作用下导致的爆裂风险，也会严重影响混凝土构件的安全运营。

冻融方面的研究，目前也多集中于纤维材料和其他改性材料复合混凝土结构的损伤规律和应力破坏方面的研究。张伟等[11]通过测定并计算不同纤维掺量混凝土冻融前后的动弹性模量，其结果表明钢—聚丙烯—聚酯三元混杂纤维对冻融损伤有较好抑制效果，且外部弯曲应力也是影响冻融损伤的重要因素。而邱继生等[12]的研究表明，在混凝土中掺加一定含量的煤矸石可提高其抗冻性能。

2.1.2碳化影响

由于碳化会影响各类混凝土结构的内部组织构造，因此也可作为混凝土的耐久性指标，用来表征混凝土的状态。近几年来，国内外学者基于碳化方面开展了诸多废旧料掺量、碳化深度预测方面的研究。李志凯等[13]通过开展煤矸石陶粒混凝土的快速碳化试验后发现，其碳化深度的变化规律类似于普通混凝土，大体上与时间的平方根成线性关系，且当煤矸石陶粒掺量为20%时，其抗碳化性能最好。李波等[14]的研究表明，矿渣粉、粉煤灰和石灰石粉等掺和料的掺入对混凝土碳化深度具有差异化影响。

2.1.3化学侵蚀影响

混凝土结构在运营使用过程中会持续受到土壤、湖泊中存在的各类酸碱离子的侵蚀，发生各类物理化学变化。在硫酸盐、氯盐等化学环境的长期侵蚀下，常会导致结构性能的逐渐劣化。为进一步研究其损伤机理，减少混凝土构件的化学侵蚀破坏，目前多采用电化学加速试验、外加掺合料等方式对其规律进行探讨。如李贺等[15]研究了再生骨料、水灰比、废弃纤维等因素对混凝土抗硫酸盐侵蚀的影响规律，其试验结果表明再生骨料的改善，对侵蚀初期具有一定改善。且外掺0.02%～0.04%的废弃纤维对混凝土抗侵蚀性能有较好提高效果。潘一鸣等[16]的研究结果表明，对于混凝土而言碳酸盐的侵蚀结果比硫酸盐更严重。

2.2 外部复合环境因素影响分析

自然环境错综复杂，影响各类混凝土构件运营的外部环境往往是多方面、复合作用的。因此基于外部环境影响的耐久性能分析通常不是各类单环境因素，而是冻融、盐类侵蚀和碳化等外部环境的复合影响。张立群等[17]通过各类耐久性试验表明由于硅灰自密实混凝土的密实度较好，因此在冻融作用后，其抗碳化能力较普通混凝土更强。李北星等[18]研究了酸雨—冻融耦合侵蚀对混凝土性能劣化的规律，其结果表明冻融会加剧混凝土内部开裂，加速酸雨的酸性化效果，从而导致混凝土结构的进一步劣化。

3 混凝土耐久性测试分析

3.1 测试装置

经过数10年的仪器学科的发展，目前已有不少设备可用于测试混凝土的各项耐久性能，表1列出了部分耐久性能的测试仪器设备。

表1 测试耐久性指标的仪器情况

由表1可知，对于不同的混凝土耐久性能指标，可以采用不同的仪器设备进行实验室的模拟。但有时候也可采用相近仪器替代。如测试混凝土的抗冻性能时，既可采用如表1所示的冻融试验箱，也可利用低温箱和恒温水浴箱组合进行[19]。

3.2 测试方案分析

对于混凝土材料的检测，通常需要对构件进行各类侵蚀环境的模拟，然后再测试其力学行为进行分析。因此，其耐久性能测试通常是多仪器组合进行的。

如刘俊龙[20]在常规的粗骨料中掺入陶粒等轻骨料并加入粉煤灰、矿渣粉等掺合料与水泥、水、外加剂共同拌合，进行矿物掺合料轻骨料混凝土的制备。在标准养护后测试其各项性能指标。一方面，测试该混凝土的立方体抗压强度和棱柱体抗压强度，分析其破坏特征并采用扫描电镜观测其微观结构破坏；另一方面，测试该混凝土的各项耐久性指标，分析其耐久性能，如图1所示。

4 结论

本文以混凝土耐久性测试分析为对象，对影响构件运营的各种外部侵蚀环境进行阐述，并综述当前各类耐久性指标的研究进展。基于此对测试混凝土耐久性的设备和通用测试方案进行分析，为后期相关仪器的制作和试验的开展提供参考。