文|季婉白
编辑|季婉白
前言
混凝土在人类工程建设史上的地位举足轻重，目前混凝土仍是用量最大、应用最为广泛的建筑材料之一。
然而混凝土结构不得不面对的挑战是自然界的各种侵蚀作用，其中盐环境对混凝土结构耐久性的影响是不容忽视的。
海水、地下水、土壤等中都含有丰富的盐类，盐类侵蚀环境使得许多混凝土结构在尚未达到设计使用寿命之前就发生劣化，混凝土的安全和正常使用受到严重影响。
一般来说，对混凝土结构影响显著的较常见盐类主要是氨盐和硫酸盐，海水中的盐以氨盐为主，海港工程、跨海大桥、滨海建筑均暴露在海水或盐雾环境中四，大陆北方由于除冰盐的使用，道路工程也面临氨盐的侵蚀威胁。
硫酸盐除了普遍存在于海水和地下水中，也存在于土壤中，大陆西部地区的青海、西藏、甘肃、宁夏等地均有大面积盐渍土，土壤中含有大量硫酸根离子。
建筑物、桥梁和道路埋入和接近土壤的部分遭受到严重侵蚀破坏，与混凝土结构耐久性劣化并行而来的是高额的修复加固费用，因此盐类侵蚀环境造成的经济损失巨大。
因此，氨盐和硫酸盐环境下混凝土材料的耐久性问题一直以来都是工程界关注的焦点，广大学者也在该方向不断尝试突破。
旨在阐释盐环境下有害离子在混凝土中的传输机理与影响因素，并着力构建理论计算与分析模型，这对混凝土结构的寿命预测以及新建结构的耐久性优化设计具有重要意义。
氯盐环境下混凝土材料耐久性研究
氨盐对混凝土材料本身的侵蚀性较小，但它是引起钢筋锈蚀的最主要因素，混凝土保护层将钢筋与外界侵蚀性环境隔离。
但是由于混凝土的裂缝和孔隙结构的存在，随着在侵蚀性环境中时间的增长，氨离子会逐渐透过混凝土保护层而到达钢筋的表面，进而导致钢筋锈蚀。
因此现有研究主要关注氨离子在混凝土中的迁移规律及传输模型的建立。
现有针对氨离子在混凝土中的扩散行为进行研究的试验方法主要包括两大类，一是自由扩散法，二是电场加速法。
混凝土试件的整体或部分长时间置于氨盐溶液中或者常温干湿循环环境下，氯离子通过自由扩散进入混凝中，称为自由扩散法。
试件取出后再采用化学分析方法例如沉淀-滴定法、电极法和离子色谱法等，对混凝土中复离子含量的空间分布进行测定，考虑到试验的可操作性无法完全模拟真实环境下离子在结构中的长期自由扩散状态，试验室中一般会采用提高溶液浓度的方式进行加速试验。
即便如此，试验通常也耗时较长，但因为不掺加更多附加因素，对离子传输机理的影响较小，与实际状态更为接近，在电场作用下，氯离子在水泥基介质中的迁移速率明显快于自由扩散。
因此电场加速的测试方法相继面世并得到广泛使用，采用非稳态点离子快速迁移试验法(RCM法)对氨离子在混凝中的运移行为进行了研究，该方法具有快速简便的优势但易受试件缺陷等因素影响。
我们还采用了库伦试验法，优点同样是方便快速，但因通过试件的电量不仅与氯离子相关，还与孔溶液中其他离子相关，测试结果并非完全准确，另外电压会导致溶液的温度升高，这也会影响试验结果的准确性。
电场加速法由于具有可重复、方便快速和可定量评价的特点被GB/T50082-2009、ASTMC1202和NTBuild492等国内外规范采纳使用，一般采用专用测试仪器进行。
电场加速法也在不断完善和改进中，一些学者通过改变通电电压、稳定溶液浓度与温度以及引入孔溶液参数等方式使该方法能更加准确地评价混凝土的抗氨离子渗透性能。
电场加速法目前适用于氯离子常环境下的加速迁移，在此基础上叠加多种因素暂未能实现，另外该方法也能在一定程度上模拟地铁混凝土结构受到的杂散电流影响。
氯离子迁移扩散模型研究对氨盐环境下的混凝土结构进行寿命预测的重要基础是建立合理有效的氯离子迁移扩散模型。
但由于影响氯离子在混凝土中扩散行为的因素较多，包括氨离子浓度梯度、混凝土的氨离子结合能力、骨料尺寸及分布、水胶比、混凝土完整性、缺陷与孔结构等等，因此针对模型的研究侧重点各不相同，通过不同理论得到的氨离子扩散模型在形式上非常丰富。
氯离子迁移扩散模型研究
对氨盐环境下的混凝土结构进行寿命预测的重要基础是建立合理有效的氨离子迁移扩散模型，但由于影响氯离子在混凝土中扩散行为的因素较多。
包括复离子浓度模度、混凝土的氨离子结合能力、骨料尺寸及分布、水胶比，混凝土完整性、缺陷与孔结构等等，因此针对模型的研究侧重点各不相同，通过不同理论得到的氨离子扩散模型在形式上非常丰富。
针对氯离子扩散模型的宏观研究一般将混凝土假设为一个均质材料，基于Fick第二定律对复离子迁移行为进行描述是一个主流研究方向，Fick第二扩散定律简单模型用于表达混凝土的氯离子扩散过程具有一定局限性，氨离子结合能力、扩散系数的时变性和结构微损伤应当在推导模型时进行综合考量。
我们发现混凝土的盐雾侵蚀试验得到的氨离子扩散规律与由Fick第二定律解析解结果存在一定差距因此通过引入环境系数对其进行修正，仅考虑了环境因素的影响。
为了更加系统全面地修正模型，较好地解决了氨离子结合及其非线性、混凝土劣化效应以及扩散系数的时间依赖性问题。
除了综合考虑结构劣化、氯离子结合作用以及时间的因素外还对温度引起的扩散系数变化进行了考量，建立了氨离子宗合机制扩散模型，并通过试验和工程进行了验证。
借助基于Fick第二定律建立的模型进行开裂混凝士的氯离子迁移数值模拟，其中氯离子迁移模型考了扩散系数会受到氨离子结合能力、环境温度和时间因素的影响，增加了对应各个因素的调整系数。
对参考状态下扩散系数表达式进行修正，而裂缝仅在数值建模时考虑，因此水灰比应力状态以及湿度影响也在一些模型中也得到了体现。
总的来说，基于Fick第二定律建立氯离子扩散模型，关键在于对氨离子扩散系数的修正，不同因素对扩散系数的影响应有更多基础理论和试验数据作为支撑，如此才能得到更为精确和适用性更强的模型。
建立混凝土细观模型有助于更精细准确地模拟氨离子在混凝土中的传输，近些年这方面的研究得到了广泛关注。
建立的混凝土二维有限元模型由骨料和水泥浆体二相材料组成，氯离子在此模型中的传输与等效均质模型相比有所滞后，刚建立了由粗骨料、砂浆和界面过度区组成的细观二维混凝土数值模型。
通过参数分析，认为氨离子扩散系数对界面过渡区的扩散性以及水灰比的变化更加敏感网，建立包含骨料、界面过渡区和水泥浆体三类组成的连续平行多相传输模型，阐述了骨料和对应界面过渡区对混凝土和砂浆内部氨离子传输过程的影响。
推导得到混凝土中氯离子的有效扩散系数的解析表达式，建立包含球形或球形骨料的三维三相交互式有限元模型，分析骨料尺寸及体积含量、水灰比、水化程度和界面过渡区孔隙梯度对氨离子扩散特征的影响。
有效扩散系数与骨料掺入造成的界面过渡区体积含量与离子迁移路径曲折度之间的关系，提出一种考虑骨料对砂浆和混凝土渗透性彤响的氨离子扩散预测模型，基于试验结果回归分析得到了氯离子渗透性与毛细孔孔隙率之间的关系，该模型还引入了界面过渡区的孔隙率和骨料的形状函数。
综上看来，细观模型由二维到三维、由二相组成到三相组成、由球形骨料到异形骨料的进阶令其越来越能真实反应氨离子在混凝土中的迁移状态，而界面过渡区的影响已基本被纳入全部模型的考虑范围。
由于非均质前提下骨料的形状、尺寸及分布对氨离子扩散的影响权重较高，未来在骨料特征的参数化技术方面寻求突破对于细观模型的仿真效果至关重要。
硫酸盐环境下混凝土材料耐久性研究
硫酸盐渗人混凝土中，会产生物理侵蚀作用和化学侵蚀作用，进而导致混凝土的胀裂和剥落，不仅降低混凝士自身的力学性能，并且削弱了混凝土对其内部钢筋的保护作用，钢筋的锈蚀将会进一步造成结构的承载性能劣化因此硫酸盐侵蚀成为了影响混凝土结构耐久性的重要因素之一。
针对硫酸盐环境开展的混凝土耐久性试验研究一般通过自由扩散的方法进行，主要包括长期浸泡和干湿循环两种方式。
长期浸泡更能反映工程实际，针对海洋环境、地下水富存环境的研究通常采用该方式，相对长期浸泡，重复地由湿到干的转换使得混凝土内部盐结晶总量不断递增。
因此干湿循环的方式会加速硫酸盐对混凝土的侵蚀国可模拟水位变动、浪溅以及潮汐等实际环境，后者的侵蚀速度可达到前者的5-8倍。
干湿循环也被GB/T50082《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中的抗硫酸盐侵蚀试验所采用，然而干湿循环方式也存在一些弊端，比如为了加快试验速度，混凝土的干燥过程大多采用烘箱烘干。
烘干温度从40-105°c不等，不同温度下硫酸盐的侵蚀机理与侵蚀产物存在差异，因此在试验方法不能统一的情况下，各研究的试验结果的可比性一般，相应的试验结论具有一定局限性但使用同一种方法评价不同材料组成混凝土的抗硫酸盐侵蚀性是完全可行的。
结论
近些年，通过国内外学者的共同努力，氨盐和硫酸盐环境下混凝士材料的耐久性方面取得了丰硕的研究成果为进一步研究奠定了重要的前期基础。
本文通过对部分研究工作进行整理与分析，对未来该领域的研究趋势进行了展望。得到以下初步结论：
试验方法方面，由于自由扩散法控制附加因素的介入，对离子传输机理的影响较小，与实际状态更为接近。
基于Fick第二定律建立氨离子扩散模型，关键在于对氨离子扩散系数的修正。不同因素对扩散系数的影响应有更多基础理论和试验数据作为支撑。细观模型方面在骨料特征的参数化技术方面寻求突破对于其仿真效果至关重要。
由于影响硫酸盐侵蚀的因素较多且系统性试验较少，因此已有模型的适用性存在局限，应寻求突破建立全面涵盖各类因素的模型。
建立自然盐环境与试验室盐环境的对应关系、保证混凝土的试验室状态与其实际服役状态的一致性以及建立特定环境下混凝土耐久性损伤的时变模型对服务工程应用具有重要意义。
参考文献
[1] 硫酸盐腐蚀下混凝土损伤行为研究. 徐惠.中国矿业大学,2012
[2] 混凝土盐结晶侵蚀机理与评价方法. 马昆林.中南大学,2009
[3] 西部地区严酷环境下混凝土的耐久性与寿命预测. 金祖权.东南大学,2006
[4] 掺矿物掺合料水泥基材料的抗硫酸盐侵蚀性研究. 高礼雄.中国建筑材料科学研究院,2005
[5] 盐湖地区高性能混凝土的耐久性、机理与使用寿命预测方法. 余红发.东南大学,2004
[6] 冻融循环与外部弯曲应力、盐溶液复合作用下混凝土的耐久性与寿命预测. 慕儒.东南大学,2000