摘要 简要分析了影响我国内陆桥梁混凝土耐久性的环境因素，并在此基础上筛选出除冰盐——冻融循环、干湿循环硫酸盐侵蚀、荷载作用下的冻融循环与荷载作用下的硫酸盐侵蚀4种典型的双重环境因素组合，重点介绍了这4种环境因素组合作用下桥梁混凝土耐久性试验方法的研究现状，并提出了所存在的若干问题。
关键词 长期性能 多重环境因素 试验方法 盐冻循环 硫酸盐侵蚀干湿循环
中图法分类号：TU528
0前言
桥梁是交通基础设施中百年大计的工程，在国民经济发展中起着举足轻重的作用，其中混凝土桥梁占有非常大的比例。由于混凝土通常被认为是经久耐用的材料，且作为保护层，钢筋也不会发生锈蚀。因此人们对钢筋混凝土结构桥梁使用寿命的期望很高，在规范制定和结构设计时也往往忽视环境条件的影响。然而，据国内外实例显示，因受荷载及腐蚀性介质环境的多重作用，如盐冻侵蚀、干湿循环作用下的硫酸盐侵蚀、环境与荷载耦合作用等，相当多的混凝土桥梁在未达到预期的使用年限就过早地破坏，造成严重的社会影响和经济浪费。因此，桥梁混凝土耐久性问题已成为国际桥梁界面临的重大技术问题。
研究桥梁混凝土的耐久性，需要建立合理的试验方法，以模拟评价其长期使用性能，并在此基础上指定评价指标来衡量混凝土的耐久性。目前国内外对其进行了大量研究，并建立了一系列的标准试验方法。本文主要针对影响我国内陆桥梁混凝土长期性能的环境因素，分析了桥梁混凝土耐久性加速试验方法的现状，并提出所存在的一些问题。
1. 多因素环境及其试验方法研究
根据我国不同温度带、湿度带将我国分为若干典型的大区，在不同的气候环境下桥梁混凝土所受的耐久性问题不同，如根据我国一年中正负温次数及平均温度可以将我国分为两个大区，其中北方地区桥梁混凝土主要受冻融影响，南方主要受高温和湿度影响；根据沿海和内陆气候特点，沿海气候主要表现气候较湿润，桥梁混凝土结构性能劣化主要是由于钢筋锈蚀，内陆气候比较干燥，桥梁混凝土主要遭受含盐类土壤的侵蚀。引起混凝土劣化的破坏因素很多，本文选取抗冻性、外部弯曲应力、除冰盐、干湿循环和硫酸盐侵蚀几种最重要的因素，也是实际工程中最为普遍的因素进行综合研究，主要筛选出以下4种典型双重环境因素组合，并对其试验方法进行了探讨。
1.1 冻融循环与除冰盐共同作用
混凝土的冻融循环破坏现象在三北普遍存在，而部分地区的混凝土结构又常常受到各种盐溶液及多种盐类混合溶液的作用，除冰盐是最常见的一种。冻融循环由于对混凝土内部结构的破坏作用，可以加速氯盐的侵蚀，而由于氯盐的存在，加重了冻融破坏的危害；另外，冻融破坏和氯盐侵蚀不仅降低了混凝土的抗渗性能，而且由于其对混凝土内部结构的破坏，也降低了混凝土的强度性能，同时对混凝土的徐变性能也会产生较大的影响。
除冰盐冻融目前我国尚未建立国家或行业标准。国家可供参考的方法主要有美国材料试验协会《混凝土表面暴露于除冰盐时抗盐冻性的试验方法》(ASTM C672-03)、国际材料试验协会(RILEM)推荐的RILEM TC 176-IDC平板试验《混凝土抗冻融侵蚀——内部破坏》及RILEM TC 117-FDC CDF试验《毛细吸盐冻融试验方法》、德国国家规范DIN EN 13687-1: 2002《除冰盐浸泡冻融循环试验》等标准[1]~[3]。
清华大学张国强等人[4]对ASTM C672-03抗盐冻试验方法进行了改进。该试验方法是：取新拌混凝土分层装入PVC材料Φ110mm×300mm圆柱形试模(带底盖)，振动密实，24h后取下试模底盖，标准养护21d，在自动岩石切片机上带模锯切成厚50mm，用Φ112mm×60mmPVC管套接于锯切试件上，目的是在混凝土试件表面形成高约30mm的盐溶液池，制作的盐冻试件如图1所示，制作好的盐冻试件重
作为混凝土是否满足工程要求的依据。与ASTM C672-03相比，该方法对试件成型尺寸进行调整，主要目的是为了更简便的形成盐冻溶液池，还对混凝土抗盐剥蚀性能的评价进行了定量分析，使试件剥蚀程度的可比性提高。新标养28d后进行盐冻循环。盐冻溶液浓度为4%的CaCl2溶液，盐冻循环制度为：在低温试验箱中于-17±2.8℃下冻结16~18h，常温(23±1.7℃)下融化6~8h。评价标准：以50次循环后其单位面积的剥蚀量(kg/msQ2)来评价其抗盐冻能力的大小。根据欧洲公路标准，以是否超过0.8 kg/msQ2
但需要注意的是，现有的盐冻试验方法所采用的盐溶液浓度是不尽相同的，如上述试验方法所采用的是4%的CaCl2溶液，而哈尔滨工业大学杨文萃、葛勇等人[5]所采用的是3.5%的NaCl溶液，且据研究表明盐冻破坏程度并不随盐溶液的增加而增加，因此关于如何选择溶液浓度，还需深入研究。
1.2 干湿循环与硫酸盐侵蚀共同作用
我国的硫酸盐含量非常丰富，分布较广。新疆、甘肃、青海等西部地区的土壤类型属于内陆盐土，该类土壤中含有大量的硫酸盐、氯盐和镁盐等强腐蚀性介质；沿海一带的土壤类型属于滨海盐土，滨海盐土中的盐分组成主要是氯盐和硫酸盐。这两种环境下的盐土对混凝土及钢筋混凝土材料具有极强的腐蚀性。干湿循环的主要作用将加速硫酸盐的侵蚀进程，从而严重影响混凝土的长期性能和耐久性能。
我国国家和行业标准尚未制订混凝土材料抗硫酸盐侵蚀试验方法，而水泥抗硫酸盐侵蚀则有标准方法。国内外可供参考的试验方法有美国材料试验协会混凝土硫酸盐侵蚀试验方法《对波特兰水泥沙浆受硫酸盐侵蚀下潜在膨胀的标准测试方法》(ASTM C452-02)、《硫酸盐溶液中水泥沙浆长度变化的标准检测方法》(ASTM C1012-04)、GB749-1965《水泥抗硫酸盐侵蚀试验方法》、GB2420-1981《水泥抗硫酸盐侵蚀快速试验方法》等标准[6]~[9]。
中国建筑科学研究院冷发光、马孝轩等人[10]对中美两国相关试验方法标准作了对比，建议将全浸泡试验和干湿循环试验纳入《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》，其中干湿循环硫酸盐侵蚀试验方法是：按设计要求的混凝土配合比制作100mm×100mm×100mm试件，静停1d后拆模，标准养护28d，然后进行干湿循环硫酸盐侵蚀试验。循环制度是：室内5%NaSO4溶液中浸泡16h，取出晾干1h，放入80℃烘箱中烘干6h，冷却1h后称重或压强度，一个循环24h，盛溶液的容器采用带盖的塑料制品，记录重量损失5%或强度损失25%时循环次数为试验终止判断依据，同时观察混凝土表面的破损情况。
现有的干湿循环硫酸盐侵蚀试验方法的评价指标也不尽相同，上述试验方法的评价指标为重量损失和强度损失，暨南大学欧阳东[11]却对此提出质疑，并提出了体积膨胀率。因此关于如何客观评价干湿循环硫酸盐侵蚀对混凝土的破坏程度，还有待于进一步的研究。
1.3 冻融循环与荷载耦合作用
在寒冷地区，绝大多数混凝土结构都受到冻融循环与荷载的双重作用。混凝土冻融循环试验中，一般认为，在300个冻融循环内，如果试件的动弹性模量损失大于40%，或重量损失大于5%，便认为混凝土破坏，但这并不能保证有荷载同时作用下其抗冻性满足要求。
国内外目前尚无关于冻融循环与荷载耦合作用的试验标准，仅东南大学慕儒、孙伟等人[12]对荷载作用下混凝土抗冻性进行了系统的研究。其主要试验方法为：按设计要求的混凝土配合比成型40mm×40mm×160mm抗弯试件，试件成型24h后脱模，标准养护24d后浸入水中4d，再进行荷载作用下的冻融试验。加荷系统根据虎克定律通过压缩弹簧对试件三分点加荷受弯(如图2所示)。冻融循环前测定试件的抗弯强度，以此为基准对试件施加应力比为0%、10%、25%、50% 4个等级的荷载。试件施加荷载之后连同加荷装置一起放入冻融试验机试验箱，冻融循环制度依照GBJ82-85《普通混凝土长期性能和耐久性试验方法》中的“快冻法”进行。评价标准：根据GBJ82-85，混凝土在300个循环内，当试件的动弹性模量下降大于40%或重量损失率大于5%，即认为混凝土破坏。东南大学慕儒、孙伟等人经过研究，有荷载作用下的试件都未达到这个标准便因荷载作用而断裂，50%外部应力作用下各水灰比的混凝试件土只经过20~40次冻融循环便发生断裂。
该试验方法中，承受荷载作用下的试件断裂后，就认为其已经破坏，未对荷载作用下的抗冻性定量分析，对混凝土其它长期性能指标的客观评价也具有一定的局限性。
1.4 硫酸盐侵蚀与荷载耦合作用
在沿海一带和盐渍地区，硫酸盐侵蚀是混凝土老化病害的主要原因之一，我国从50年代开始就做过一些研究工作，但工作状态下的混凝土一般都受到荷载和腐蚀的同时作用。
东南大学慕儒、孙伟等人[13]对荷载作用下的混凝土抗硫酸盐侵蚀也进行了研究。其主要试验方法为：按设计要求的混凝土配合比成型40mm×40mm×160mm抗弯试件，试件成型24h后脱模，标准养护至28d进行荷载作用下的硫酸盐侵蚀试验。加载装置同1.3中荷载作用下的冻融循环加载装置，如图2所示，同样对试件三分点加荷受弯，硫酸盐侵蚀前测定试件的抗弯强度，以此为基准对试件施加应力比为0%、10%、25%、50%4个等级的荷载。试验采用浸泡法，将加好荷载的试件连同荷载试验架一起浸没于装满质量分数为5%Na2SO4溶液的容器中，每周测定一次SO4-2浓度，如有变化及时调整，以保证溶液浓度保持恒定。评价标准：采用相对抗弯强度、相对抗压强度、相对动弹性模量进行评定。
2. 关于桥梁混凝土长期性能加速试验方法的若干问题
(1)目前虽然开展了多因素复合作用及荷载与多因素耦合作用试验研究，但是尚没有统一的试验方法。在腐蚀因素、加载设备及荷载应力方面，没有统一要求，需要进一步规范。如在进行硫酸盐腐蚀时，硫酸盐溶液浓度有的为5%，有的为10%，介质有的用Na2SO4，有的用(NH4)2SO4；在进行氯盐侵蚀试验时，盐溶液浓度有的为3%，有的为4%，介质有的用NaCl，有的用CaCl2；在试验环境方面，温度、湿度还没有统一要求；在加载设备方面，有的采用弹簧加载，有的采用螺杆加载，甚至有的采用杠杆加载。试验条件随意性比较大，试验结果没有可比较性，很难用于指导实践。
(2)目前所采用的混凝土长期性能试验方法中，其评价指标只限于动弹性模量降低、重量损失、强度损失、试件是否断裂等，对混凝土的其它长期性能指标不能详细准确地表征。如进行混凝土抗盐冻试验时，只以经50次盐冻循环后其单位面积剥蚀量是否超过0.8kg/m2作为混凝土是否满足工程要求的依据；进行干湿循环硫酸盐侵蚀试验时，只以经50次循环后其重量损失是否小于5%或强度损失是否小于25%作为混凝土的合格标准；进行荷载作用下的冻融循环试验时，只以动弹性模量损失是否大于40%或重量损失是否大于5%，试件是否突然断裂作为混凝土的合格标准。对混凝土的其它性能，如抗渗性、抗弯拉强度、弹性模量、徐变性能及其组成、结构等的变化趋势，没有进行详细的表征。
3 小 结
综上所述，国内外现行的各种水泥混凝土耐久性标准测试评价方法，由于试验制度的不统一和评价指标的局限性，难以用于指导实际工程。因此建议结合我国桥梁混凝土的典型腐蚀环境，在借鉴和消化国内外研究成果的基础上，建立合理的加速试验方法，以研究典型复合腐蚀环境以及荷载与典型腐蚀环境耦合作用下桥梁混凝土的长期性能和耐久性能的演变规律，为桥梁混凝土结构的安全评定和相关试验方法的完善提供必要的理论和技术依据。
参考文献：
1 ASTM C672, Standard test method for scaling resistance of concrete surfaces exposed to deicing chemicals[S].
2 RILEM TC 176- IDC 2002, Recommendations of RILEM TC 176: Test methods of frost resistance of concrete[S].
3 DIN EN 13687-1:2002, Products and systems for the protection and repair of concrete structure-test methods Determination of thermal compatibility-Part 1: Freeze-thaw cycling with de-icing salt immersion[S].
4 张国强, 覃维祖. 混凝土抗盐冻剥蚀试验方法的研究[J]. 公路交通科技, 2000, 17(02): 5
5 杨文萃, 葛 勇等. 混凝土在盐溶液中的抗冻性[J]. 低温建筑技术, 2007, 115(01): 1
6 ASTM C452, Standard test method for potential expansion of Portland cement mortars exposed to sulfate[S].
7 ASTM C1012, Standard test method for length change of hydraulic-cement mortars exposed to a sulfate solution[S].
8 GB749-1965, 水泥抗硫酸盐侵蚀试验方法[S].
9 GB2420-1981, 水泥抗硫酸盐侵蚀快速试验方法[S].
10 冷发光, 马孝轩, 田冠飞. 混凝土抗硫酸盐侵蚀试验方法[J]. 东南大学学报(自然科学版), 2006, 36(Ⅱ): 45
11 欧阳东. 混凝土抗硫酸盐侵蚀试验的一种新方法[J]. 腐蚀与保护, 2003, 24(09): 369
12 慕 儒, 严 安, 孙 伟. 荷载作用下高强混凝土的抗冻性[J]. 东南大学学报, 1998, 28(04): 138
13 慕 儒, 孙 伟, 缪昌文. 荷载作用下高强混凝土的硫酸盐侵蚀[J]. 工业建筑, 1999, 29(08): 52
