硫酸盐环境中隧道衬砌化学—应力耦合作用机理研究

彭彰林 徐林生

摘 要：文章对服役于硫酸盐环境中混凝土结构物的性能退化机理进行研究探讨，分别阐述了三大不同类别硫酸盐侵蚀破坏的作用机理，着重分析了化学场、应力场两场耦合作用对混凝土材料性能造成的影响，并探讨了不同拉应力水平作用下材料抗压强度、相对动弹性模量的时变规律。

关键词：多场耦合；硫酸盐侵蚀；材料性能；劣化机理

中图分类号：U455.91 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）10-0058-02

Abstract： In this paper， the mechanism of performance degradation of concrete structures serving in sulphate environment is studied， and the action mechanism of three different kinds of sulphate erosion and destruction is expounded respectively. The influence of the coupling of chemical field and stress field on the properties of concrete is analyzed emphatically， and the time-varying law of compressive strength and relative dynamic elastic modulus of the material under different tensile stress levels is discussed.

Keywords： multiple field coupling； sulfate erosion； material properties； degradation mechanism

1 概述

硫酸盐作用下混凝土的劣化破损研究已展开一百余年，但其机理仍未完全揭晓，地层中较常见的硫酸盐有Na2SO4、K2SO4、MgSO4、（NH4）SO4，等，虽然整个劣化过程中包含着化学腐蚀、应力损伤、盐结晶破损等作用，但人们常习惯于将混凝土构件的硫酸盐侵蚀破坏单纯的归结为化学侵蚀过程，而常常忽略围岩压力即衬砌结构所处应力场的影响。随着硫酸盐环境中混凝土腐蚀破损机理研究的深入推进，人们逐渐意识到，混凝土结构服役应力场环境的重要性。

2 硫酸盐化学腐蚀机理简述

按照致使混凝土结构破坏瓦解的主要因素来分，可將硫酸盐环境中混凝土材料的劣化破损分成，物理侵蚀、化学侵蚀以及化学物理侵蚀三大类别[1]，现将三者区别分述如下：

2.1 物理侵蚀破坏

以盐结晶膨胀破坏占主导地位的物理性侵蚀劣化，其机理是混凝土孔融液中盐的过饱和结晶，结晶产生膨胀压，最后致使材料膨胀开裂发生破坏，是一种物相上的结构调整，较常见的是硫酸钠、硫酸镁的饱和结晶破坏。

2.2 化学侵蚀破坏

以消耗水化胶结材料C-S-H、CH或生成无胶结能力物质为主要劣化因素的化学侵蚀，这种破坏几乎无明显的外观变化，连续布满试件，整个劣化破损潜在进行，但材料内部胶结力变差，力学性能耗散严重，正因如此，其后果将更为严重，硫酸镁的侵蚀作用就属这类破坏，其反应方程式如下：

MgSO4+Ca（OH）2+2H2O→CaSO4·2H2O+Mg（OH）2

xMgSO4+（xCaO·ySiO2·zH2O）+（3x+0.5y-z）H2O→xMg（OH）2+x（CaSO4·2H2O）+0.5y（2SiO2·H2O）

SiO2·nH2O+4Mg（OH）2→4MgO·SiO2·8.5H2O+（n-4.5）

H2O

2.3 化学物理侵蚀破坏

上述两种劣化作用均有，相互交织、互相影响，是最常见的硫酸盐腐蚀劣化，硫酸钠的侵蚀作用就属这类破坏，其反应方程式如下：

3CaO·Al2O3·6H2O+3Ca2++3SO42-+26H2O→3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O

3 化学场-应力场耦合作用机理

众所皆知，混凝土结构如果长期服役于含硫酸盐的侵蚀性环境中，则其各项性能均会出现不同程度的劣化耗散，加之，此时结构总承受着一定的外界荷载，应力场的作用会对材料内部微观结构造成影响，将会加剧或是削弱化学场（本文仅讨论含硫酸盐的化学腐蚀环境）对混凝土的侵蚀作用。

3.1 化学场对应力场的影响

混凝土结构若是仅承受同一水平的荷载作用，无硫酸盐侵蚀，则对混凝土的服役性能影响不大，因为正常工作中混凝土结构所承受的应力，仅仅是有助于其内部微小裂纹的扩展，若是没有硫酸盐的腐蚀作用，这些微小的裂纹很难相互连通，更别说诱发开裂，其过早的劣化破损应归结为强度问题[2]。

如若没有化学场的存在，那么由外部荷载作用产生的应力场分布稳定，随工作时间的推移变化不明显，因为在一般环境中服役的混凝土结构比较稳定，材料的耐久性优良。化学场的出现会对混凝土材料产生或大或小的破坏作用，常引起内部微观结构发生变化，进而导致应力场自发调整，即应力重分布。

3.2 应力场对化学场的影响

随着应力场内不同部位应力属性（使构件受拉、受压等）的变化，硫酸盐化学场的侵蚀作用也会随之受到不同的影响，薛耀东等学者在试验研究中发现，不同应力状态下的混凝土试件若要达到相同的破损程度，那么处于较大压应力状态下的试件，在侵蚀时间上要比处于无应力状态、较小压应力状态以及拉应力状态的试件长得多。也就是说，试件所承受的压应力有利于抵抗硫酸盐的腐蚀破坏作用，而拉应力的出现对混凝土的抗硫酸盐腐蚀有着不利作用。

这一现象可从微观层面上来做出解释，当试件处于无应力状态时，由多孔材料的特性可知，硫酸盐可以通过毛细通道逐步渗透扩散至混凝土内部，并与那里的水化物质发生化学反应生成膨胀性结晶盐如AFt或其他侵蚀物质，腐蚀由外至内逐层破坏，最后使混凝土材料变得疏松而丧失承载能力。若是试件处于拉应力状态，由于混凝土材料的抗拉强度很低，所以在拉应力的作用下更容易产生应力损伤，即处于拉应力状态试件内部的“侵蚀通道”比无应力状态要多，所以其劣化速度更快、破损程度更严重。若是试件处于压应力状态，压力的存在使得混凝土材料内部的毛细孔隙被压缩，微裂纹减少，有利于结构致密，因内部“侵蚀通道”变窄，自然就降低了硫酸盐的侵蚀速率，所以在相同的时间里其内部生成的侵蚀性物质较少，即膨胀应力减小，宏观上表现为抗硫酸盐侵蚀性能较好。不同部位的隧道衬砌结构，其内部的应力状态各不相同，所以自然得出：同一混凝土结构，因不同部位应力状态存在着差异，就算化学场“场强”处处一致，即外界环境中蚀性离子分布均匀，其受硫酸盐腐蚀破坏的程度也会有很大不同，这与受硫酸盐侵蚀破坏的实际工程病害特征分布相符。

4 拉应力作用对材料力学性能的影响

4.1 应力比对抗压强度的影响

已有的试验研究成果表明，其他条件一定，长期承受弯拉应力作用下的混凝土试件，其抗压强度变化规律与不受荷载作用时基本一致，总体来说其变化趋势均为先增大后减小。只是当应力比（即实际弯拉应力与极限抗拉强度的比值）较大，如大于0.6时，混凝土结构内部出现了应力损伤，原有的微观孔隙结构被改变，出现了较多的微小损伤裂纹，使得环境中硫酸盐的渗透入侵速率增大，在孔隙面上快速生成膨胀性结晶体，但是随着微裂纹的出现材料的孔隙率也被增大了，所以在腐蚀劣化初期宏观上表现为应力比小的试件强度变化率大。

到了腐蚀劣化的中后期，由于应力比较大的混凝土试件受损更为严重，结构体系“松散”，则有应力比大的试件强度变化率更大，同时其强度峰值要稍低而且强度上升期时间也稍短。董宜森等学者的研究成果就很好的佐证了上述变化规律，他们在试验中发现，混凝土试件的起裂荷载与其极限强度的比值PQ/Pmax大致分布在0.55～0.90之间，起裂韧度和失稳韧度在侵蚀前期均有所增大，下降的時间转折点分别是第30天和第60天，同时得出在硫酸盐的侵蚀作用下，混凝土材料的起裂韧度比失稳韧度更敏感。

4.2 应力比对相对动弹性模量的影响

若混凝土试件处于不同程度的拉应力状态，那么由于应力损伤的存在，应力比越大，试件内部微损伤裂纹越多，而且这种微小裂纹常与毛细孔隙连通，加密了侵蚀性离子的“传输”通道，极大促进了硫酸盐对混凝土的侵蚀作用，进而导致试件的动弹性模量下降速率变快，破损越严重。当应力比较小时，材料的时变曲线呈现出明显的三阶段，即初始劣化阶段、平稳发展阶段、快速破坏阶段；若是应力比大于0.6，时变曲线下降的三个阶段已不再明显，而是以较大的斜率持续下降[3]。

5 结束语

研究双因素甚至是多因素耦合作用下，混凝土结构物的劣化破损机理，摆脱了传统从单因素着手研究实际问题的局限性，这样有助于揭露事物的本质，更好的反映混凝土结构的实际服役情况。

应力场属性的变化会对化学场产生两种截然不同的影响，因为混凝土是一种抗压材料，一定压应力的作用有利于材料性能的发挥，使其内部结构更致密，相对而言就“削弱”了化学场的侵蚀作用；相反拉应力的出现，易对材料造成应力损伤，使其内部微观孔隙增多，也就“增强”了化学场的侵蚀作用，而且拉应力比越大，材料的抗压强度、相对动弹性模量等性能指标下降越严重。化学场的侵蚀作用会对应力场造成影响，这种影响相较于无硫酸盐侵蚀情况十分明显，由化学侵蚀造成的结构松散、开裂破损，改变了混凝土的材料性能，会引起应力场的自调整。

参考文献：

[1]杜建民，梁咏宁，张风杰.地下结构混凝土硫酸盐腐蚀机理及性能退化[M].北京：中国铁道出版社，2011.

[2]慕儒，孙伟.荷载作用下高强混凝土的硫酸盐侵蚀[J].工业建筑，1999，29（8）：52-55.

[3]徐惠，陈占清，郭晓倩.硫酸盐腐蚀下高性能混凝土物理力学性能及影响因素[J].煤炭学报，2012，37（2）：216-220.

[4]薛耀东，曹怀建，李清，等.不同应力状态下混凝土硫酸盐侵蚀试验研究[J].施工技术，2014，43（增刊）：299-302.

[5]孙建新.多因素协同作用下混凝土抗硫酸盐侵蚀性研究[J].铁道建筑，2010（9）：132-133.

[6]董宜森，王海龙，金伟良.硫酸盐侵蚀环境下混凝土双K断裂参数试验研究[J].浙江大学学报，2012，46（1）：58-63.

[7]秦虎，安亚丽，张峰，等.硫酸盐渍土及其改良土强度特性对比分析[J].科技创新与应用，2016（01）：13-14.