陈沁宇 陈信宇

摘 要：总结目前国内外混凝土溶蝕试验研究的研究现状，介绍混凝土溶蚀试验常用的试验方法以及影响混凝土耐久性的外部因素。重点对溶蚀试验方案作出归纳和总结，指出各方法的优缺点。最后在现有的溶蚀试验的研究成果上提出有待解决的问题和展望。

关键词：水工混凝土；溶蚀；试验方法

1 概述

水工混凝土，顾名思义，就是用于水工建筑物的混凝土。水工混凝土长期与大气和水接触，常会受到日晒、冲刷和溶蚀等作用。本文着重论述溶蚀作用对混凝土的影响。

林芳荣[1]在文献中指出，混凝土的溶蚀可以大致分成三个阶段：第一阶段：混凝土浅表的石灰溶解并附着在混凝土表面形成一层饱和层；第二阶段：混凝土表面的石灰向周围水环境中扩散；第三阶段：混凝土内部的石灰沿着毛细管向外扩散。自那时起，混凝土溶蚀问题开始逐渐受到国内学者的高度关注。

由于水工混凝土在不同水环境中所受的水压力不同，可将混凝土在水中的溶蚀过程分为两类，即：（1）接触溶蚀：当混凝土所受水压力小到可忽略时所受到的溶蚀作用；（2）渗透溶蚀：当混凝土所受水压力不可忽略时所受到的溶蚀作用。大坝蓄水后，混凝土大面积与水接触，会产生接触溶蚀；同时，在水的压力作用下，渗水不可避免，会产生渗透溶蚀。在长时间溶蚀过程中，混凝土的钙离子会流失，胶结物会受到破坏，这也是水工混凝土的常见病害之一。为了研究水工混凝土的溶蚀机理，必定要对其做一系列的实验。而溶蚀试验是一个需要耗费大量的人力、物力、财力和时间的漫长试验过程，。目前，混凝土的溶蚀试验尚没有统一的标准方法，本文主要就混凝土溶蚀特性的试验方法进行总结评述。

2 国内外研究现状

第一类方法是浸泡法。其中，浸泡法又分为直接浸泡法和破碎浸泡法。

a.直接浸泡法。将完整的混凝土试件放入水环境中进行溶蚀试验。可采用立式半浸、卧式半浸和卧式全浸等浸泡方式，如下图所示。

若试件为立方体则不存在立式半浸和卧式半浸的分别。肖海英[2]等人通过试验研究发现：浸泡方式对混凝土的溶蚀破坏影响较大。在不同浸泡方式下，混凝土的弯曲抗蚀系数对腐蚀性液体的敏感次序为：立式半浸>水平半浸>水平全浸。采用立式半浸泡腐蚀方式下混凝土的弯曲抗蚀系数，可快速评定混凝土的耐腐蚀性。

b.破碎浸泡法。该方法是将经过养护到一定龄期的混凝土试件打碎后进行筛分，再取一定粒径范围的混凝土颗粒作为试样，将试样放入水环境中浸泡一段时间后，测出水环境中Ca2+的浓度变化，从而判定混凝土试样的溶蚀程度。此方法易于操作，试验结果复现性好。但是缺点是所取的试样经破碎后体积较小，无法建立Ca2+溶出量和表征混凝土溶蚀程度物理量之间的数值关系[3]，也很难测出Ca2+溶出后对混凝土在宏观上的影响。

第二类方法是穿流法。该方法是将水在高压力和高水力坡度下穿过试件，然后测定渗透液的量以及其中的Ca2+含量。此方法可以很好地模拟挡水建筑物的实际工作中的情况，但尚未用于酸或其他侵蚀溶液。前苏联和我国都采用过此方法进行过水工混凝土溶蚀特性试验。

第三类方法射流法。混凝土试件经高压水枪喷射之后观察其表面的溶蚀程度。该方法可以近似模拟接触溶蚀时的实际情况。但该方法不光耗时长，且除了接触溶蚀作用外，还有水的冲刷作用。

李新宇[3]在此方法的基础上，采用了新的试验方法，将试件浸泡在去离子水中，并保持定期换水（3天左右为一周期），同时用搅拌机搅拌去离子水模拟真实水流，减小了机械冲刷作用。根据去离子水前后Ca2+浓度变化，计算溶蚀量推断混凝土的溶蚀程度。

由于溶蚀试验周期较长，为了节约实验时间，相关研究人员采用了一些加速方法。

第一种是日本的Hiorhissiat等人发明了电化学加速试验方法。孙双鑫等[4]将试件接入电路前进行饱水处理，饱水24小时后采用并联的方式将试件接入电路，外接60V电压，室内温度稳定在25℃左右。每组试件溶蚀时间总共为14d。接通电压后，每天进行钙离子溶出量、ph值的测量，以7d为周期更换一次去离子水。随着反应的进行，溶液中溶出的钙离子浓度在试验的第一个周期内增长速度较快，更换试验装置中的溶液后第二个周期钙离子浓度增加速度逐渐趋于稳定。电化学技术加速了钙离子的解析速度，无疑在混凝土溶蚀试验方法中具有里程碑的意义。

第二种是用硝酸铵溶液进行加速。孔祥芝[5]等人采用浸泡法，配制 1 mol/L 硝酸铵溶液，试件底面、顶面涂刷环氧涂层，放入硝酸铵溶液中。10、25、45 d 时更换一次溶蚀介质。试验结果表明，硝酸铵溶液能够很好的模拟并加速大坝混凝土溶蚀进程，加速溶蚀的驱动力是硝酸铵与水泥水化产物发生酸碱中和反应生产溶解度很高的硝酸钙。

在上述试验方法中，都仅采用单一影响因素来设计试验方法。而在实际情况中，水工混凝土不止受单一因素的影响，而是同时受力学、化学、温度等因素的影响。LeBellégo[6]等最早对水泥基材料进行力学-化学耦合的试验研究。研究人员采用位移控制，用硝酸铵溶液浸泡砂浆梁，再分别施加三点弯曲荷载和竖向荷载，直到试件发生破坏，通过测量不同的溶蚀时间对应的砂浆梁的力学指标以及溶蚀程度等情况来表征力学—化学耦合作用的影响，试验结果表明，力学—化学耦合作用下梁的强度损失明显大于单因素作用下梁的强度损失，表明力学作用下产生的微裂缝会加速离子的溶出并加快试件的溶蚀速率。然而此实验只是针对砂浆梁做的，而不是针对混凝土。张研[7-9]等用化学—力学损伤本构模型来描述混凝土应力—应变关系，数值计算与试验结果吻合较好。

通常，检验混凝凝土溶蚀程度的方法有：（1）超声波无损检测方法。根据超声波在混凝土中的传播速度、传播频率、振幅等参数判断混凝土内部缺陷。（2）测定离子溶出量或相关的离子浓度变化。（3）测定抗压强度等力学指标。（4）CT扫描混凝土内部结构。

（5）将混凝土试件切开滴加酚酞试剂进行显色反应，观察红色区域的范围。（6）若采用Cl-或SO2-4进行溶蚀试验，可将混凝土试件剖开，在切割面上滴加硝酸银试剂观察产生化学反应的范围。

3 展望

由于溶蚀本身的复杂性，目前世界上关于混凝土溶蚀的理论尚未完备，有待进一步探索。放眼未来，可以从以下几个方面进一步开展研究：

（1）研究人员通过大量实验控制单一因素对混凝土进行溶蚀实验，丰富了溶蚀的相关理论。而实际工程中，水工混凝土通常会受到多种因素的影响，但是多因素控制实验及其理论研究依旧不够成熟。如冻融、硫酸根离子、氯离子、温度、水压力等联合破坏机理。

（2）目前大部分溶蚀试验的水环境采用去离子水或低硬度水，然而在实际工况中，水环境中通常含有一定浓度的Cl-、SO2-4和CO2-3，其相关的溶蚀机理还有待完善。

（3）实验室内很多方法实验周期长，一些加速方法虽然试验周期短，但其与实际结果的吻合性还需进一步研究和证明。

（4）实验过程中，最佳浸泡時间、水的更换频率等操作细节还需进一步完善。

（5）很多试验方法未对试件的形状、尺寸进行规定，尺寸效应也需在实验过程中进行考虑。

参考文献：

[1]林芳荣.介绍混凝土溶蚀试验[J].人民长江，1957（9）： 26-29.

[2]肖海英，葛勇，张宝生，等.浸泡方式对混凝土腐蚀性的研究[A].沿海地区混凝土结构耐久性及其设计方法[C].中国深圳：中国土木工程学会，2004.

[3]李新宇， 方坤河.水工碾压混凝土接触溶蚀特性研究[J].混凝土，2002， （12）： 12-17.

[4]孙双鑫.基于电化学加速机理的塑性混凝土溶蚀行为研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学土木工程学院，2011.

[5]孔祥芝，陈改新，纪国晋，李曙光.硝酸铵溶液加速大坝混凝土溶蚀进程的试验研究.混凝土，2017.4，35

[6]Le Bellégo G.，Pijaudier-Cabot G.，Gérard B.Chemo-mechanical effects in mortar beams subjected to water hydrolysis[J]. Journal of Engineering Mechanics， 2000， 126（3）： 266-272.

[7]张研，张子明，邵建富.混凝土化学-力学损伤本构模型[J].工程力学， 2006， 23（9）： 153-156.

[8]张研，宋智通.水泥基材料的化学-力学耦合作用[J].计算力学学报， 2009， 26（5）： 697-702.

[9]张研，张子明，宋智通.混凝土化学-力学耦合作用的非局部损伤模型[J].固体力学学报， 2007， 28（2）： 172-177.