紫外線輻射對水工混凝土耐久性影響與展望

　　隨著國家西部大開發戰略的實施， 混凝土作為應用較廣泛的建筑材料將會被大量使用。水電工程開發作為戰略實施的重要組成部分， 對混凝土的消耗量是巨大的。西部地區特有的強紫外線輻射、高寒的氣候條件及存在大量鹽湖地區的自然地理條件，對水工混凝土的耐久性會產生很大影響。強紫外線輻射對材料具有老化作用， 使有機材料發生光氧化反應， 水工混凝土長期暴露在這樣的環境下， 其裂化機制雖與有機材料不同， 但仍可能會遭到破壞，

　　從而給大壩的安全性能帶來隱患。服役壽命預測是建立在了解各種侵蝕條件下混凝土劣化機理基礎上的預測混凝土耐久性能的主要方法， 包括單一侵蝕條件和復合侵蝕條件下的壽命預測， 已采用過的預測建筑結構材料的服役壽命方法包括基于經驗的估計法、從相似的材料性能進行推測的方法、加速試驗法、基于化學或物理的預期劣化過程的數學模型法以及應用可靠度與隨機概念的方法。西部地區的水工混凝土會受到強紫外線輻射、凍融循環及硫酸鹽侵蝕等復合侵蝕條件的作用，這大大增加了對其耐久性能預測的難度。

　　一、紫外線輻射

　　青藏高原是世界的屋脊（平均海拔4000~5000m），空氣稀�。� 只相當于海平面的65%）、 干燥（水汽含量是海平面的10%左右），污染少，大氣層吸收和反射日光輻射很少，日光輻射強度較高。統計資料表明， 青藏高原的日光輻射強度高出平原地區12.9%~45.3%， 且增高幅度隨海拔的升高而增大。

　　紫外線是太陽光中波長較短的一種光波， 波長在200~400nm之間， 可分為長波（310~400 nm）、中波（280~310nm） 和短波（200~280 nm）。不同波長的紫外線光波輻射能量不同， 輻射能隨著波長的減小而增大， 輻射能是造成材料老化的主要原因。紫外線老化是指材料在紫外線輻射條件下分子鍵受到破壞而產生的諸如表面變色、龜裂、喪失光澤及拉伸、彎曲、沖擊強度下降等影響正常使用的現象。紫外線輻射對材料的影響多采用紫外線老化箱加速老化的試驗方法進行研究。研究表明， 經紫外線輻射后的瀝青材料針入度減小， 軟化點和黏度增加。對復合材料， 紫外線輻射會引發光化學反應造成大分子鏈斷裂， 致使材料力學性能的惡化。目前， 紫外線輻射對混凝土材料影響的研究對象主要為纖維復合材料（FRP）加固的混凝土�？棺贤饩�老化性能試驗研究表明，不同強度等級混凝土在經過紫外線照射后強度均呈現提高趨勢， 在掃描式電子顯微鏡（SEM）和X 射線衍射（XRD）分析中亦可以看出混凝土的水化反應程度有所加深。另有研究表明， 紫外線輻射對混凝土立方體抗強度影響較小， 卻使得加固的鋼筋混凝土梁的受彎承載力下降很多。關于紫外線輻射對混凝土的劣化機理還未有深入研究， 僅通過老化試驗得到混凝土的力學性能和一些微觀結構的變化。由于劣化機制尚未徹底弄清，目前還沒有學者建立相關的耐久性預測模型。

　　二、復合侵蝕

　　有關紫外線輻射對混凝土性能的影響研究較少，且缺乏與凍融循環、硫酸鹽侵蝕等條件相結合的復合侵蝕研究。為了更好地理解今后包括紫外線輻射在內的復合侵蝕條件下混凝土材料的劣化機理， 有必要弄清凍融與硫酸鹽侵蝕相結合條件下的材料劣化機制。有學者通過試驗發現混凝土在硫酸鈉溶液中凍融時的質量損失比在水中小， 可能因為硫酸鈉溶液結冰以后的物理力學性能與水結冰有很大不同，水結冰后抗壓時的脆性遠大于硫酸鈉溶液凍結而成的冰， 后者抗壓時表現出極大的塑性， 可壓縮性很大。強度等級不同的混凝土在硫酸鈉溶液中抗凍性表現也有所不同， 低強度混凝土由于其自身抗凍性較差， 硫酸鹽侵蝕的作用尚未發揮便因為凍融而破壞， 此時硫酸鈉溶液降低冰點的作用使其動彈模下降比水中慢； 而高強度混凝土抗凍性較好， 凍融破壞要經過較長時間， 這時硫酸鹽對混凝土的侵蝕使得混凝土產生較大的裂縫， 比在水中凍融更早達到破壞�？梢�， 凍融循環和硫酸鹽侵蝕對材料的破壞作用會相互影響， 劣化機制因而也發生變化， 由此推測紫外線輻射對混凝土的老化作用可能會與凍融、硫酸鹽侵蝕條件互相影響， 劣化機理較單一強紫外線輻射條件下復雜。

　　對材料破壞機理的研究是建立其服役壽命預測模型的必要基礎�；炷�土的凍融循環破壞是由于材料內部的孔隙水溶液結冰發生體積膨脹產生的拉應力超過混凝土的抗拉強度造成混凝土開裂引起的。當有鹽溶液侵蝕時， 孔隙水結冰還會造成溶液的濃度梯度， 致使水分遷移并再次結冰膨脹。硫酸鹽對混凝土的侵蝕機理主要是由通過孔隙進入混凝土內部的硫酸鹽與材料發生化學反應生成石膏、鈣礬石，由此造成體積膨脹進而發生開裂， 石膏、鈣礬石的含量比例取決于硫酸鈉的濃度。當溶液中含有碳酸根離子， 并處在一定的溫度條件下， 硫酸鹽侵蝕還有可能導致碳硫硅酸鈣型硫酸鹽侵蝕（TSA） 破壞。

　　目前所建立的混凝土耐久性預測模型有：基于損傷理論研究的凍融循環損傷拋物線模型，提出了損傷加速度概念；根據自然衰變方程及硫酸鹽侵蝕機理，綜合考慮了硫酸根質量濃度、水膠比等因素對混凝土耐久性的影響，建立的混凝土抗硫酸鹽侵蝕耐久壽命的預測模型。在服役壽命預測模型的研究中，應用較廣泛的是建立在菲克定律基礎上的氯離子侵蝕擴散模型，用于鋼筋混凝土的服役壽命預測。這些服役壽命預測模型在一定條件下能夠較好地進行耐久性能預測，但由于實際情況中混凝土的侵蝕條件和劣化機制的復雜性，這些單一侵蝕模型的適用性受到限制。復雜侵蝕條件下混凝土劣化機制的研究與相對應的耐久性預測模型的建立均有很大發展空間。上述服役壽命預測方法，盡管有很多局限性，但對今后建立強紫外線輻射條件下，特別是在紫外線輻射與凍融、硫酸鹽侵蝕復合條件下混凝土的服役壽命模型仍有一定的借鑒作用。http://www.urheilu-kauppa.com