Modeling of frost salt scaling盐剥离机理翻译.doc

Mechanism for Salt Scaling John J. Valenza II* and George W. Scherer 在过去60年里，处在寒冷环境中的混凝土基础设施由于“盐剥离”已经发生了劣化。“盐剥离”是由于盐溶液的存在，而在冻结过程中导致的混凝土表面的破坏。“盐剥离”降低了混凝土的力学完整性，因此要花费大量的费用来维修和替换。我们可以通过对浸泡在溶液中的混凝土试块进行冻融循环实验来展示“盐剥离”现象。盐剥离最显著的特征如下：当溶液为纯水时，不会发生盐剥离现象;当溶液浓度很低时，盐剥离变的严重；当溶液浓度超过6%时，盐剥离破坏停止。尽管有着大量的研究，但是能够合理解释盐剥离破坏的机理直到最近才被确定。在这篇文章中，我们将证明盐剥离是冰的断裂行为导致的结果。由于冰和混凝土热膨胀系数的差异将导致应力上升，当温度降低时，这种应力会使冰处于受拉状态。考虑到冰的力学和弹性性能，热膨胀系数的差异将不会使纯冰产生裂缝，但是在合适的溶液浓度中将易于产生裂缝。结冰盐上的裂缝扩展到基底，导致混凝土表面破坏。浓度很高时，冰不会形成具有足够刚度的结构而产生很大的应力，因此不会发生破坏。通过断裂力学可以预测裂缝的形态。 混凝土是世界上应用最广泛的材料。它的原材料来源广泛，所以价格相对便宜，但是它构成了大量的耐久性问题，导致维修费用很高。The National Research Council估计美国每年用于基础设施维修的费用将近500亿美元，而每年用于新建的道路、桥梁和枢纽的费用在1000亿美元。显而易见的，提高混凝土的耐久性具有巨大的社会和经济影响。 盐剥离是指由于水泥基体表面的盐溶液冻结而产生的混凝土表面破坏。盐剥离是由小碎片和鳞片的逐渐脱落组成。这些性质于20世纪50年代在实验室试验中第一次被发现的，并且随后在现场试验中被得以证实。在中度向极端条件发展的情况下，粗骨料的暴露表示劣化的最终形成。 寒冷气候下，盐经常被用来除去公路与人行道上的积雪。因此在这种气候下，盐剥离是水泥基体材料所要面临的主要的耐久性问题。尽管单纯的盐剥离不会使结构失效，但它能加速诸如一些氯化物侵蚀，及加速增加饱和溶液浓度。前者致使钢筋易受侵蚀，而后者使混凝土因内部冻结作用而引起强度丧失。这些决定着混凝土的服役寿命。 大量的室内实验和现场实验的研究已明确了混凝土表面盐剥离的特性，但是却解释不了造成盐剥离的原因。众所周知的一个特性就是盐的含量在某个量时所发生的破坏最为严重。被广泛接受的是溶质浓度在3%时发生的盐剥离最严重，与所使用的溶质无关。已提出了若干盐剥离的机理，但是直到目前为之，没有一个机理能够解释观察到的所有特性。在下一节里，我们将总结盐剥离的特性，并提出一个能够说明所有现象的解释。 图（2）是盐剥离的一个最经典的的研究结果，证实了最劣浓度的存在。 把混凝土试块浸泡在不同的溶质浓度的溶液中，然后进行冻融循环试验。这个试验 最引人注目的结果是溶质为中等浓度时，破坏最为严重，而且和溶质的种类无关。同时也证实了在冻结之前如果试样没有被溶液完全浸泡，那么就不会发生盐剥离破坏。 稍后的其他实验也证实了最劣的浓度在3%左右，抵抗剥离的标准试验方法也采用的是3%浓度的溶液。 一种标准的试验方法是ASTM的C672标准。把大于等于75mm厚的试样表面覆盖6mm深的溶液，在?17.8±2.8 °C 的温度下冷冻16–18 h，然后再把试件放在23±3 °C下解冻 6–8 h。通过观察破坏的数量变化，把盐剥离分为5个等级：0=没有剥离，5=严重剥离。欧洲的标准用的是同样的循环温度，不同处在于它通过不同冻融循环次数掉下来的碎片的质量来评定破坏程度。这里引用的大多数研究是使用后面的一种改进的方法。 大量的试验揭示出了盐剥离的如下特征： 盐剥离是由小碎片和鳞片的逐渐脱落组成。 溶质浓度在3%时发生的盐剥离最严重，与所使用的溶质无关。 当混凝土表面处于无溶质的溶液池时不会发生盐剥离。 最低温度在-10°C以上时，不会发生盐剥离。当最低温度低于?10 °C时，随着温度的降低以及在这个温度下所处的时间越长盐剥离的损坏程度越大。 引气可改善混凝土的抗盐冻性。 混凝土表面的实验池盐浓度比混凝土孔隙内溶液的浓度更重要。 混凝土对盐剥离的敏感性与对内部冻结作用的敏感性无关。 8. 混凝土的表面强度决定着水泥基体材料抵抗盐剥离的能力。 前面对盐剥离的解释中引入了空隙化学(pore chemistry)(见侧栏2)或者把破坏归结于与内部冻融破坏相同的原因(见侧栏3)。然而以上任何一种解释都不能完全说明上面列举的所有特征。在本文的剩下部分，我们将阐述胶剥落机理是如何解释盐剥离的所有特征的。在下一章，我们将描述盐剥离机理。在第