硫酸鹽腐蝕對(duì)混凝土耐久性的影響

1、組員：彭小斌、熊振華、徐赳混凝土的耐久性破壞主要包括鋼筋的銹蝕、混凝土的碳化、凍融破壞、侵蝕性介質(zhì)的破壞和堿骨料反應(yīng)等。混凝土硫酸鹽侵蝕是危害性較大的一種侵蝕性介質(zhì)破壞，是影響混凝土耐久性的重要因素之一，也是影響因素最復(fù)雜、危害性最大的一種環(huán)境水侵蝕。沿海和內(nèi)陸鹽湖地區(qū)，尤其是在含酸性地下水以及高黏土土壤環(huán)境中大多含有硫酸鹽，混凝土本身也有可能帶有硫酸鹽，在各種條件下對(duì)混凝土產(chǎn)生侵蝕作用，使混凝土發(fā)生膨脹、開裂、剝落等現(xiàn)象，喪失強(qiáng)度和粘性，使其內(nèi)部機(jī)構(gòu)發(fā)生破壞，最終導(dǎo)致混凝土的耐久性降低。（鹽堿地的混凝土）（海水腐蝕的混凝土）（某大壩水下混凝土的腐蝕）（1）基于熱動(dòng)力學(xué)的硫酸鹽膨脹理論 加拿大

2、渥太華大學(xué)的Ping 和Beaudoin（1992）基于熱動(dòng)力學(xué)提出了硫酸鹽膨脹理論。該理論認(rèn)為鈣礬石與水泥膠體之間的結(jié)晶化壓力是引起膨脹的主要因素，理論還認(rèn)為溫度也是引起膨脹量的一個(gè)因素，因?yàn)樗芴岣吖腆w產(chǎn)物的結(jié)晶化壓力。（2）熱動(dòng)力學(xué)平衡方程模擬硫酸鹽反應(yīng) 西班牙加泰羅尼亞理工大學(xué)的Casanova等利用熱動(dòng)力學(xué)平衡方程模擬硫酸鹽侵蝕反應(yīng)，該方法用球形幾何模型模擬硫酸鹽對(duì)混凝土的腐蝕程度。研究結(jié)果表明采用物理和化學(xué)相結(jié)合的方法對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕程度進(jìn)行預(yù)測(cè)可以得到良好的效果。（3）非飽和溶液中的數(shù)學(xué)模型 加拿大魁北克拉瓦爾大學(xué)的Marchand（2002）在低濃度硫酸鈉溶液對(duì)混凝土耐久性的影

3、響方面進(jìn)行了理論分析，并提出一個(gè)在非飽和溶液中的數(shù)學(xué)模型。此模型既考慮了離子和流體的擴(kuò)散，也考慮了固相的化學(xué)平衡。運(yùn)用這個(gè)數(shù)學(xué)模型可以分析不同水灰比、不同類型水泥、不同硫酸鹽濃度以及不同的潮濕度對(duì)擴(kuò)散性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明：暴露在低濃度的硫酸鈉溶液中，混凝土的微觀結(jié)構(gòu)將發(fā)生明顯的改變。硫酸鹽粒子在材料中的滲透不僅是鈣礬石和石膏生成的原因，而且也是氫氧化鈣分解，脫鈣的原因。模擬數(shù)據(jù)進(jìn)一步說明了水灰比是控制混凝土耐久性的一個(gè)重要指標(biāo)。（1）化學(xué)侵蝕：鈣礬石結(jié)晶型；石膏結(jié)晶型；碳硫硅鈣石結(jié)晶型。（2）物理侵蝕：堿金屬硫酸鹽結(jié)晶型（3）物理化學(xué)侵蝕：MgSO4溶蝕-結(jié)晶型 硫酸鹽侵蝕過程中鈣礬石、石

4、膏和鈣硅石的產(chǎn)生對(duì)混凝土產(chǎn)生膨脹破壞作用,這是引起混凝土腐蝕破壞的主要原因。反應(yīng)生成的鹽類礦物可使硬化水泥石中CH和C-S-H等組分溶出或分解，導(dǎo)致水泥石強(qiáng)度和粘結(jié)性能損失。鈣礬石（三硫型水化鋁酸鈣）是溶解度極小的鹽類礦物，它在礦物形態(tài)上是針狀晶體，在原水化鋁酸鈣的固相表面成刺猬狀析出，放射狀向四方生長，互相擠壓而產(chǎn)生極大的內(nèi)應(yīng)力，致使混凝土結(jié)構(gòu)物受到破壞。其破壞特征是在表面出現(xiàn)幾條較粗大的裂縫。（出現(xiàn)水硬性的鈣礬石）當(dāng)侵蝕溶液中SO42-的濃度1000mg/L 以下時(shí)，只有鈣礬石生成。當(dāng)溶液中SO42-大于1000mg/L 時(shí)，若水泥石的毛細(xì)孔為飽和石灰溶液所填充，不僅會(huì)有鈣礬石生成，而且還

5、會(huì)有石膏結(jié)晶析出。在SO42- 濃度相當(dāng)大的變化范圍內(nèi)，石膏結(jié)晶侵蝕只起從屬作用，只有在SO42-濃度非常高時(shí)，石膏結(jié)晶侵蝕才起主導(dǎo)作用。事實(shí)上，若混凝土處于干濕交替狀態(tài)，即使SO42- 的濃度不高，石膏結(jié)晶侵蝕也往往起著主導(dǎo)作用，因?yàn)樗终舭l(fā)使侵蝕溶液濃縮，從而導(dǎo)致石膏結(jié)晶的形成?；炷潦艽祟惛g后沒有明顯的體積膨脹現(xiàn)象，在腐蝕的混凝土的孔隙和裂縫中充滿白色爛泥狀腐蝕產(chǎn)物，它們是碳硫硅鈣石與鈣礬石、石膏以及碳酸鈣等晶體的混合物。其作用機(jī)理為該反應(yīng)析出帶有結(jié)晶水的鹽類，產(chǎn)生極大的結(jié)晶壓力，造成破碎和分裂混凝土的破壞特別是當(dāng)結(jié)構(gòu)物的一部分浸入鹽液中，另一部分暴露在干燥空氣中時(shí)，鹽液在毛細(xì)管抽吸作

6、用下上升至液相線以上蒸發(fā)，然后，致使鹽液濃縮，則很容易引起混凝土強(qiáng)烈破壞。這種反應(yīng)生成的石膏晶體或鈣礬石晶體會(huì)引起混凝土體積膨脹，產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。反應(yīng)將CH轉(zhuǎn)化成MH，降低了水泥石系統(tǒng)的堿度，破壞了C-S-H水化產(chǎn)物穩(wěn)定存在的條件，使C-S-H等水化產(chǎn)物分解，造成混凝土強(qiáng)度和粘結(jié)性的損失。其特點(diǎn)為嚴(yán)重的硫酸鎂侵蝕甚至將混凝土變成完全沒有膠結(jié)性能的糊狀物。其微觀結(jié)構(gòu)通常是在混凝土表層形成雙層結(jié)構(gòu)，第一層為水鎂石，厚度為40-120m ，第二層為石膏，厚度為20-70m。MgSO4侵蝕是對(duì)混凝土侵蝕破壞性最大的一種，即使硅灰混凝土也難以抵抗MgSO4的侵蝕。其原因主要是SO42-和Mg2+均為侵蝕源，

7、二者互相疊加，構(gòu)成嚴(yán)重的復(fù)合侵蝕。1、外部因素、外部因素（1）硫酸根離子濃度 （2）鎂離子濃度 （3）氯離子濃度 （4）環(huán)境pH值 （5）干濕交替和凍融循環(huán)的影響（6）應(yīng)力狀態(tài)2、內(nèi)部因素、內(nèi)部因素 （1）水泥類型 （2）配合比、密實(shí)度 （3）水灰比 （4）摻合料種類及其摻量1、合、合理選理選擇水擇水泥品泥品種種2、提、提高混高混凝土凝土密實(shí)密實(shí)性性3、采、采用高用高壓蒸壓蒸汽養(yǎng)汽養(yǎng)護(hù)護(hù)4、增、增設(shè)必設(shè)必要的要的保護(hù)保護(hù)層層5、嚴(yán)、嚴(yán)把施把施工質(zhì)工質(zhì)量關(guān)量關(guān)6、酸、酸鹽水鹽水泥中泥中摻入摻入耐腐耐腐蝕性蝕性外加外加劑劑配制抗硫酸鹽侵蝕的混凝土，應(yīng)根據(jù)侵蝕環(huán)境的特點(diǎn)，合理選擇水泥品種。當(dāng)采用火山

8、灰質(zhì)或粉煤灰摻料與抗硫酸鹽水泥聯(lián)合使用時(shí)，配制的混凝土對(duì)抗硫酸鹽侵蝕有顯著的效果。摻硅粉等超細(xì)混合材的混凝土，其抗硫酸鹽侵蝕能力也大大提高。資料顯示，硅灰能夠填充水泥顆粒間的孔隙同時(shí)與水化產(chǎn)物生成凝膠體。摻入適量硅灰，可以顯著提高抗壓、抗折、抗?jié)B、防腐、抗沖擊及耐磨性能。 許多工程雖選擇了合適的水泥品種，但由于密實(shí)度不高，而遭受了嚴(yán)重的侵蝕。水泥水化需水量僅為水泥質(zhì)量的1015%左右, 而實(shí)際需水量(由于施工等因素的要求) 高達(dá)4070% , 多余的水分蒸發(fā)后形成連通的孔隙, 侵蝕介質(zhì)就容易滲入水泥石的內(nèi)部, 從而加速了侵蝕。因此，在施工中應(yīng)合理設(shè)計(jì)混凝土的配合比，摻適當(dāng)?shù)耐饧觿┘案纳剖┕し椒?/p>

9、等措施均能提高混凝土的密實(shí)度。另外，還可在混凝土表面進(jìn)行碳化處理，生成難溶的碳酸鈣外殼，使混凝土表面進(jìn)一步密實(shí)，也可以減少硫酸鹽侵蝕。 高壓蒸汽養(yǎng)護(hù)是在高溫高壓環(huán)境下，使混合料中的鈣質(zhì)成分與硅質(zhì)成分等發(fā)生作用，生成水化產(chǎn)物，獲得一定強(qiáng)度和各種性能。采用高壓蒸汽養(yǎng)護(hù)能消除游離的Ca(OH)2，同時(shí)C2S（硅酸二鈣）和C3S（硅酸三鈣）都形成晶體水化物，比常溫下形成的水化硅酸鈣要穩(wěn)定得多，而C3A（鋁酸三鈣）則水化成穩(wěn)定的立方晶系的C3AH6（六水鋁酸三鈣）代替了活潑得多的六方晶系的C4AH12（水化鋁酸四鈣），變成低活性狀態(tài)，改善了混凝土抗硫酸鹽性能。當(dāng)侵蝕作用較強(qiáng)上述措施不能奏效時(shí),可在混凝土表面加上耐腐蝕性強(qiáng)且不透水的保護(hù)層(如瀝青、塑料、玻璃等)，可防止硫酸鹽等侵蝕介質(zhì)進(jìn)入混凝土內(nèi)部。瀝青、塑料和石材等保護(hù)層由于本身耐腐蝕性強(qiáng)且不易透水，可以阻止或減緩硫酸根等侵蝕性介質(zhì)對(duì)混凝土的腐蝕。但過大的保護(hù)層厚度會(huì)使構(gòu)件受力后產(chǎn)生的裂縫寬度過大，會(huì)影響其使用性能同時(shí)造成經(jīng)濟(jì)上的浪費(fèi)，我國在混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定了保護(hù)層的厚度。 任何優(yōu)良的材料都必須采取與之配套的施工技術(shù)與工藝，嚴(yán)把施工質(zhì)量關(guān)，許多工程質(zhì)量事故往往與施工的組織與控制密不可分。要確保混凝土質(zhì)量，必須堅(jiān)持正確的施工工藝。比如