硫酸盐与外力共同作用下混凝土桩基础耐久性研究

杜祥帅 仇培涛 孙晨 许竟成 沙宇尧 赵祥岍

【摘要】在硫酸鹽与外力共同作用的影响下，普通混凝土往往会受其影响从而引起性能上的变化。在我国的混凝土工程中，大多以硫酸盐化学侵蚀较为常见，并主要集中在沿海和内地盐湖地区。在这些地区环境影响下，无任何防护的普通混凝土可能会在短短几个月内被侵蚀脱落，使得钢筋的保护层逐渐减少，甚至出现混凝土钢筋裸露的现象，这严重影响了建筑物结构的安全性，造成极大的危害，因此硫酸盐腐蚀环境下对混凝土的耐久性研究就显得尤为重要。

【关键词】硫酸盐侵蚀；裸露；危害；研究

普通混凝土是用水泥作胶凝材料，再加上砂、石、水并按一定比例配合而成。建筑结构是撑起建筑物的骨架，而建筑材料则是影响结构的物质基础。混凝土是目前使用最为广泛的建筑材料，有着高强度、低成本的经济优势。是楼房、桥梁、公路等建筑物的首选材料。混凝土的强度也在一步步随时代的发展而增强，到现在已经由原来的低强度发展到如今的高强度甚至是超高强度，这在一定程度上也满足了现代工程的需要。但是近年来，发生在国内外的混凝土及其建筑物崩塌事件屡见不鲜，尤其在早期，在一些沿海或者内湖附近地区，尤为常见。这种现象的发生，不是由于现代混凝土的强度未达标，而是混凝土自身的耐久性太弱，特别是在沿海地区，在物理作用和化学作用的双重影响下，加快了混凝土的使用周期，也造成了一定的经济损失和安全威胁。因此，对于混凝土耐久性的探究具有极大的经济效益和社会意义，不仅是我国建筑结构水平的提升，更在学术研究上具有重要价值。

桩基础是由桩群和承台组成的一种结构，具有承载力高、沉降小、稳定性能好等优点，也是一种古老的承载结构，并有着适用范围广的优势，亦不需要大范围的开挖。桩基础最早出现的形式是木桩，当然现如今这种形式已经很少使用了，现如今使用最多的是钢筋混凝土桩，具有极高稳定性能和经济优势。刚桩随也极强的稳定性，但因其经济成本太高，也很少在工程上使用。因此，钢筋混凝土桩被广泛应用在高层建筑、码头、桥梁等。其受力作用是将荷载传至地下土层，在作用上能承载水平荷载和竖值荷载。当然，桩基础的使用对土层要求较高，需使用在较高硬度的土层上，才会承受其上部荷载[1]。

桩基础的侵蚀破坏主要是由于硫酸盐侵入了其内部结构，并与之发生了一定的反应，这是一个比较复杂的过程。新世纪以来，我国在建筑物的性能上更多的是追求强度，并未过多考虑混凝土建筑物的耐久性能，加之，我国提倡降低成本、追求工程造价的优势，重点考虑现有的强度，在强度方面已经达到了日本、美国等发达国家的发展水平。但随着建筑物的长期使用，据统计，在沿海地区以及内湖地区，曾经高强度的建筑，20年后大多数的建筑物出现了混凝土的损坏、甚至是钢筋的裸露现状。

经调查分析可得，混凝土结构同时受载荷和腐蚀的双重影响，而抗氯离子渗透性能是影响混凝土结构腐蚀破坏的主演因素，因此，对这一研究的探索也显得尤为重要。除此之外，我们通过查阅资料调研发现添加矿物掺合料是目前提高混凝土抗氯离子渗透性能的有效方法之一。

在海洋或者近海附近地区混凝土的机构破坏，主要是以钢筋锈蚀导致的锈胀开裂，但在盐湖和盐碱地硫酸盐侵蚀环境中，混凝土结构的耐久性劣化主要是以硫酸盐结晶膨胀破坏为主。针对混凝土结构侵蚀破坏这一现象，国内外学者进行了大量有益的研究，也取得了一定的成果。但是，近些年来混凝土结构的研究主要集中在地面上部结构，而对于埋于地下的混凝土桩基础却鲜有研究，主要原因在于其桩基础埋于地下，并未引起人们的注意，人们通常认为，混凝土桩基础的耐久性不会存在问题，因此，这一细小方面的研究却几乎空白。与地面结构相比，桩基础具有一定的隐蔽性，桩基础不仅受岩土及地下水的侵蚀作用，还在裸露在大气中的位置受到其环境中二氧化碳和氯离子的侵蚀作用，其复杂程度远远大于地面上的结构。

由于混凝土本上由一些粗骨料和细骨料掺杂混合搅拌而成，所以难免在浇筑过程中存在一些裂缝和气泡等问题，因此，当外界的硫酸盐与混凝土桩基础接触后，会顺着流入桩基础内部结构中，与之发生一系列反映并生成难溶的矿物。一方面导致混凝土桩基础结构膨胀破坏，另一方面会水化产生氢氧化钙和胶凝物质的分离和溶出，进而造成混凝土强度和粘结性的降低[2]。

混凝土桩基础的侵蚀主要包含物理和化学两种过程。物理作用主要是硫酸盐腐蚀混凝土进入其内部后，在混凝土内结晶膨胀，从而导致其表面剥落破坏，关于其机理现如今只有三种观点：固相体积理论、结晶水压理论和盐结晶压力理论。化学作用主要是指水泥水化产物氢氧化钙、钙矾石等等化学元素发生一系列反应，进而引起的破坏机理，据当前研究所得，主要有：钙矾石型、石膏型和混合型。

对实验室各种桩基础试样进行实验，利用水化反应和腐蚀反应惊醒合理简化研究，分析其各组质量变化方程式，根据其守恒定理关系，利用模拟不同环境不同浓度下混凝土的腐蚀作用的实验，从而得出混凝土腐蚀耦合作用下桩基础的力学性能，进而得出其耐久性。

经过大量的查阅资料得知发现：当今对于硫酸盐侵蚀的预防，主要有四种办法：（1）降低水胶比；（2）使用专用抗硫酸盐水泥；（3）在混凝土表面涂防腐保护材料；（4）添加矿物掺合料。但细细分析，前两种方法价格过高，不具有经济优势，第三种耐久保持性过低，周期较短，且施工繁琐。第四种方法具有一定的价格和环保优势，因此在工程实践中得到大量的应用，但其掺和量没有一定的规定，进而可能会造成混凝土性能的不稳定。

经过简化实验得知，影响混凝土性能的因素主要为硅灰、粉煤灰和矿粉的掺和量，会带来一定的利或者弊，因此，进行第四种方法添加掺合料时，应慎重选择，尤其要考虑其对混凝土性能的影响。

由于目前实验还未能满足硫酸盐腐蚀后性能的变化及多方面因素的控制，因此主要通过简化实验，进而查阅资料，根据相应的理论与数值的推算，得出这一项目的研究目的。

参考文献：

[1]陈学雷.硫酸盐侵蚀条件下混凝土耐久性指标分析研究[D].郑州大学，2015.

[2]熊锐，陈拴发，关博文，李祖仲，赵华.硫酸盐腐蚀环境下沥青混合料耐久性能[J].长安大学学报（自然科学版），2011，31（06）：11-15+89.

作者简介：

杜祥帅，徐州工程学院，江苏徐州