3.3　腐蝕-滲透綜合作用下的混凝土結(jié)構(gòu)愈合和破壞機(jī)理

為了清晰探索混凝土在腐蝕介質(zhì)中的劣化機(jī)理，采用了微觀分析混凝土水化產(chǎn)物的手段。首先將水膠比為0.38的試驗組中，選取未預(yù)留裂縫的參照試件、在低濃度腐蝕溶液1中進(jìn)行滲透試驗的試件、在高濃度腐蝕溶液2中進(jìn)行滲透試驗的試件以及在復(fù)合碳酸腐蝕溶液3中進(jìn)行滲透試驗的試件，分別標(biāo)記為0.38-C、0.38-1、0.38-2以及0.38-3，然后取其水泥砂漿部分逐一進(jìn)行XRD試驗分別測定各個試件的水化產(chǎn)物，其XRD對比譜圖如圖3.13所示。

從圖3.13中可以看出，4個試件的X射線衍射圖譜大致相同。由于進(jìn)行的是混凝土砂漿XRD試驗，所以圖譜中都出現(xiàn)了比較明顯的α-SiO2衍射峰，而4張圖比較明顯的區(qū)別在處于α-SiO2衍射峰右側(cè)的第一個衍射峰，即AFt的衍射峰。作為參比的無裂縫混凝土試件與預(yù)留裂縫處于較輕腐蝕情況的溶液1中的試件，其AFt的衍射峰明顯小于在高濃度腐蝕溶液2以及復(fù)合碳酸溶液3中試件的AFt衍射峰。這是由于腐蝕溶液中的硫酸鹽與水化產(chǎn)物反應(yīng)生成硫鋁酸鹽，在高濃度氯鹽-硫酸鎂腐蝕溶液2以及高濃度氯鹽-硫酸鎂-碳酸腐蝕溶液3中試件一直處于循環(huán)腐蝕溶液中，反應(yīng)得以持續(xù)進(jìn)行；而處于低濃度氯離子-硫酸鹽腐蝕溶液1中的試件在3個月后裂縫自愈合，反應(yīng)終止。

3.3.1　低濃度氯鹽-硫酸鹽溶液中

到達(dá)試驗齡期后，將抗?jié)B實驗儀器上的試件卸下進(jìn)行劈裂，在試件中取凈漿試樣進(jìn)行掃描電鏡拍攝并結(jié)合EDS能譜分析水泥硬化漿體中水化產(chǎn)物的成分。圖3.14為在低濃度氯鹽-硫酸鹽溶液中進(jìn)行循環(huán)滲透試驗的混凝土試件凈漿的水泥水化產(chǎn)物的SEM圖以及部分EDS能譜分析結(jié)果。

從低濃度氯鹽-硫酸鹽溶液中的試件水泥凈漿中，可以觀測到大量水化硅酸鈣或水化鋁酸鈣凝膠生成，同時還含有大量的氫氧化鈣成分。還可以從微觀檢測中看出，水泥水化產(chǎn)物與硫酸根離子反應(yīng)生成的桿狀鈣礬石聚集形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，與膨脹性水化產(chǎn)物一起，可以形成對混凝土內(nèi)部裂紋的阻斷。這與宏觀試驗的結(jié)果是相符合的，裂縫面在產(chǎn)生自愈合效應(yīng)阻斷與腐蝕溶液接觸后，大量的自身水化產(chǎn)物沒有被腐蝕溶液侵蝕反應(yīng)消耗，使得混凝土的性能并沒有急劇劣化，由于氫氧化鈣產(chǎn)物的大量存在，混凝土內(nèi)部p H值可以維持在較高的數(shù)值，使鋼筋鈍化膜重新形成，阻止了鋼筋銹蝕。

在低濃度氯離子-硫酸鹽腐蝕溶液中進(jìn)行滲透試驗的試件，溶液也不再能夠通過預(yù)留裂縫滲出，與此同時，試件內(nèi)部預(yù)埋的鋼筋電極電位也開始負(fù)向減小，鋼筋與腐蝕液重新分離，鈍化膜重新形成，也就是說，混凝土在通過自身的進(jìn)一步水化反應(yīng)形成的水化產(chǎn)物和與腐蝕液反應(yīng)生成的膨脹物質(zhì)堵塞了試件預(yù)留的內(nèi)部通道，實現(xiàn)了自愈合的效應(yīng)。

能夠產(chǎn)生這一現(xiàn)象的主要原因是：在試驗初期，腐蝕溶液通過預(yù)留裂縫滲入混凝土試件中，鋼筋與腐蝕液充分接觸，氯離子激發(fā)鋼筋表面鈍化膜，形成電化學(xué)反應(yīng)，鋼筋電極電位負(fù)向升高，鋼筋開始進(jìn)入腐蝕階段。隨著反應(yīng)的進(jìn)一步進(jìn)行，硫酸鹽與水泥凝膠反應(yīng)，形成石膏等膨脹性的水化產(chǎn)物，另外，反應(yīng)大量生成的產(chǎn)物鈣礬石能夠形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，與礦渣和粉煤灰二次水化產(chǎn)物結(jié)合堵塞預(yù)留裂縫，此時混凝土內(nèi)部重新與腐蝕溶液分離，鋼筋鈍化膜重新形成。

3.3.2　高濃度氯鹽-硫酸鎂溶液中

圖3.15是高濃度氯鹽-硫酸鎂溶液中試件硬化水泥漿的SEM圖片。

在硫酸根離子在鎂離子的共同作用下，由于生成物中氫氧化鎂沉淀的溶解度極低，致使硫酸根離子與混凝土中的C-S-H凝膠反應(yīng)可以持續(xù)進(jìn)行直至硬化水泥漿中的膠凝材料完全失效為止，故而對于混凝土的破壞更為嚴(yán)重，在圖3.15中可以看出大量的桿狀鈣礬石產(chǎn)物形成，伴隨這些晶體的成長，混凝土內(nèi)部的壓力逐漸增強，使得混凝土因膨脹而大量開裂。

試件加載到抗?jié)B機(jī)進(jìn)行循環(huán)有壓抗?jié)B試驗后，腐蝕溶液立刻貫穿試件，在齡期為期一年的試件時間內(nèi)，鋼筋的電極電位始終處于腐蝕電位臨界點以上，腐蝕溶液始終保持循環(huán)滲透狀態(tài)，部分試件甚至有結(jié)晶出現(xiàn)。試件到達(dá)齡期后，劈裂將鋼筋取出，鋼筋完全銹蝕。

與低濃度氯鹽-硫酸鹽溶液中的試驗相比較，高濃度氯鹽-硫酸鎂溶液中試件的破壞嚴(yán)重。其中的原因不僅由于氯離子濃度的增加，而且由于大量鎂離子的存在加速了混凝土的破壞過程。鎂離子的存在保證了氯離子以及硫酸根離子與水泥水化產(chǎn)物反應(yīng)的持續(xù)進(jìn)行，一方面弱化了試件內(nèi)部的堿度，導(dǎo)致鋼筋銹蝕，無法重新形成鈍化膜；另一方面破壞了混凝土內(nèi)部的C-S-H凝膠結(jié)構(gòu)，使得在高濃度氯鹽-硫酸鎂溶液中循環(huán)的試件無法像在低濃度氯鹽-硫酸鈣溶液的試件那樣通過二次水化的產(chǎn)物填補預(yù)留裂縫，使得試件內(nèi)部長期浸沒在腐蝕溶液中，直至完全破壞。

3.3.3　高濃度氯鹽-硫酸鎂-碳酸溶液中

圖3.16是高濃度氯鹽-硫酸鎂-碳酸溶液中試件硬化水泥漿體的SEM圖。由于碳酸的影響，試件水化產(chǎn)物中的氫氧化鈣被大量消耗，形成沒有膠結(jié)能力的碳酸鈣晶體。

相比之下，在高濃度氯鹽-硫酸鎂-碳酸溶液進(jìn)行試驗的試件是三組中腐蝕程度最為嚴(yán)重的。鋼筋電位升高的速度也最快。在復(fù)合侵蝕性碳酸的腐蝕溶液中，由于侵蝕性碳酸的存在使得混凝土試件內(nèi)部p H值下降，導(dǎo)致鋼筋鈍化膜輕易破壞，加速氯離子對于鋼筋的腐蝕。硫酸鎂腐蝕破壞和侵蝕性碳酸腐蝕破壞共同作用下，混凝土中的C-S-H凝膠會轉(zhuǎn)變成質(zhì)地松散不具有膠凝性的碳硫硅鈣石，這種多重因素的循環(huán)侵蝕導(dǎo)致混凝土試件完全破壞。