硫酸盐侵蚀下混凝土构筑物水分蒸发区破坏机理研究

Recently, the study of sulfate attack on concrete in evaporation zone of concrete elements has been becoming one of hot issues. The damaged cases, such as tunnel, bridge pier and concrete pole, caused by sulfate attack in western region of China support that the concrete in evaporation part was severer deteriorated in a short period, on the opposite, the concrete immersed in the sulfate environment was kept soundly. It is still a confused world about the mechanism causing concrete damage. In the present project, an exploration to survey typical cases of concrete damage occurring in evaporation zone caused by sulfate attack will be carried out in western region of China. Based on the survey results, environment simulating test, pore solution expression test, color reaction test will be used to study the effects of N2, CO2, temperature and humidity on the formation and concentration of pore solution zone in evaporation part, salt crystallization and chemical reactions; the relationships among chemical and physical reactions in the pore solution in evaporation part, external conditions and phase compositions will be analyzed by means of phase analysis and chemical analysis respectively; the effect of chemical and physical reactions in the pore solution on the development of concrete performance will be discussed according to the results of micro and macro-analysis. At last, the mechanism of concrete damage in evaporation zone will be proposed. Therefore, this project will be very important for providing experimental and theoretical experiences to enrich and perfect the durability design of new concrete structures, and especially to make sulfate-resisting concrete used in the elements partially immersed in the groundwater or soil containing a large amount of sulfates in western region of China.

混凝土构筑物水分蒸发区的硫酸盐侵蚀破坏现成为研究热点之一，我国西部地区的一些工程实例也表明：处于富含硫酸盐的水、土环境中的桥墩、隧道、电杆等混凝土构筑物，破坏最严重、最快的部位就是水分蒸发区，而不是地下部位，但国内外对其破坏机理是物理盐结晶的观点还缺乏一致认识。 本项目将在典型破坏实例调研的基础上，采用混凝土试件的环境模拟试验、孔溶液压滤,显色反应等方法，研究N2、CO2气体、温度、湿度等环境条件下试件水分蒸发区孔溶液区的形成、浓缩、盐结晶、化学反应等过程动力学；采用现代物相与化学分析方法，研究试件水分蒸发区孔溶液中硫酸盐的物理化学变化及其与环境条件、物相组成间的关系；采用微观分析和性能测试等方法，研究孔溶液中硫酸盐的物理化学变化对混凝土性能的影响。揭示混凝土构件水分蒸发区硫酸盐侵蚀破坏机理，并为丰富和完善我国混凝土结构耐久性设计理论、西部地区耐腐蚀混凝土配合比设计等提供技术支持。

在世界各国有关混凝土耐久性规范中，只有美国混凝土协会在其混凝土耐久性规范中将“混凝土盐结晶破坏”单独成章，我国混凝土耐久性设计规范中只有“混凝土化学侵蚀破坏”的规定，没有对“混凝土物理盐结晶破坏”进行规定。然而，美国混凝土协会耐久性规范中关于“混凝土盐结晶破坏”的定义不清晰、不符合多孔材料盐结晶破坏经典理论，耐久性关键设计参数缺乏试验依据。本课题首先对美国混凝土协会耐久性规范中存在的问题和已有混凝土硫酸盐物理盐结晶破坏的研究结果进行了综述，提出了具体的研究内容和研究方案；调研了成昆铁路隧道受硫酸盐侵蚀破坏的工程实例，提出了水分蒸发区混凝土受硫酸盐侵蚀破坏的裂化模式；通过研究不同品种水泥混凝土蒸发区受不同盐侵蚀破坏的机理，拓展了混凝土盐结晶破坏的范畴，提出了混凝土中发生盐结晶破坏的前提条件是混凝土与结晶盐之间没有化学反应，重新定义了混凝土盐结晶破坏；揭示了混凝土碳化是导致水分蒸发区混凝土的破坏机理从化学侵蚀破坏转变为物理盐结晶破坏的原因，得到混凝土碳化深度与混凝土质量损失呈指数函数关系；阐明了硫酸盐侵蚀下水分蒸发区硅酸盐水泥混凝土破坏机理包括表层碳化混凝土中的盐结晶破坏和内部化学侵蚀破坏两部分；澄清了矿物掺合料加剧水分蒸发区混凝土受硫酸盐侵蚀破坏的原因包括：加剧混凝土碳化、产生盐结晶破坏；活性成分被高浓度硫酸盐孔溶液激发，生成大量的化学侵蚀产物。课题研究成果为完善我国及其他国家有关混凝土盐结晶破坏相关技术标准提供了新观点、新知识和新认识。.课题研究共计发表论文10篇，其中Q1、Q2区SCI收录3篇；EI收录6篇。申请专利1项。培养硕士研究生4名，1人获研究生国家奖学金，1人获湖南省优秀硕士论文。