段恩朝

摘要：本文根據(jù)結(jié)晶產(chǎn)物和破壞形式的不同闡述了混凝土硫酸鹽侵蝕破壞的四種機(jī)理，分析了影響影響混凝土硫酸鹽侵蝕的內(nèi)因（水泥品種、混凝土的密實(shí)性和配合比）和外因（侵蝕離子濃度、環(huán)境酸度），以及幾種常用摻合料對(duì)混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能的影響，并給出提高混凝土抗硫酸鹽侵蝕的建議、方法。

中圖分類號(hào)：TU528文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-3791(2011)04(a)-0000-00

自從波蘭特水泥誕生之日起，混凝土因取材方便、價(jià)格低廉、施工性好廣泛用于各類工程中，成為目前工程界用量最大的人造材料，并且在今后相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)仍將在各類土木工程中占主導(dǎo)地位。但是由于混凝土多孔的材料特性，為自然界中各種離子的侵蝕提供了天然通道，因此耐久性不足時(shí)常用普通混凝土的主要缺點(diǎn)之一。硫酸鹽侵蝕是混凝土耐久性的一項(xiàng)重要內(nèi)容，同時(shí)也是影響因素最復(fù)雜、危害性最大的一種侵蝕。近年來，由于硫酸鹽侵蝕導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞的工程實(shí)例屢見不鮮，有的甚至已經(jīng)危及了工程的安全運(yùn)行，在鐵路、公路、礦山和水電工程中均發(fā)現(xiàn)了地下水、及地下土壤對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的硫酸鹽侵蝕破壞現(xiàn)象。因此有必要對(duì)混凝土硫酸鹽侵蝕問題進(jìn)行深入的研究和探討。

1混凝土硫酸鹽侵蝕機(jī)理

在實(shí)際工程環(huán)境中，硫酸鹽侵蝕混凝土結(jié)構(gòu)破壞是一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)過程，破壞機(jī)理主要是外界侵蝕介質(zhì)中的硫酸根離子滲透到混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部，遇到水泥石的某些組分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成膨脹性產(chǎn)物，而產(chǎn)生膨脹內(nèi)應(yīng)力，當(dāng)膨脹內(nèi)應(yīng)力超過混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)使混凝土強(qiáng)度嚴(yán)重下降，導(dǎo)致混凝土遭受破壞[1]?；炷猎馐芰蛩猁}侵蝕破壞的主要特征從外觀上看是表面發(fā)白，破壞往往從棱角處開始，隨著侵蝕時(shí)間增長，混凝土產(chǎn)生裂縫開裂并剝落，反應(yīng)生成的非凝膠產(chǎn)物使混凝土強(qiáng)度降低，混凝土呈現(xiàn)出易碎的，甚至松散的狀態(tài)。根據(jù)硫酸鹽侵蝕產(chǎn)物和破壞形式的不同，把硫酸鹽侵蝕破壞分為以下四種類型[2-3]。

（1）鈣礬石膨脹破壞在實(shí)際工程環(huán)境中遇到絕大多數(shù)硫酸鹽，對(duì)混凝土都有危害，主要表現(xiàn)在環(huán)境中的硫酸根離子與水泥石中的Ca(OH)2反應(yīng)生成CaSO4，CaSO4再與水泥石中的固態(tài)水化鋁酸鈣反應(yīng)生成鈣礬石。由于鈣礬石的溶解度極低，并且鈣礬石的形成過程中結(jié)合了大量的結(jié)晶水，其自身體積增大 2~5倍。由于鈣釩石晶體的形態(tài)是針棒狀，在混凝土內(nèi)部生成后以針刺狀向各個(gè)方向析出，導(dǎo)致相互擠壓而形成具有破壞性的內(nèi)應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力超過一定混凝土自身抗拉強(qiáng)度時(shí)，混凝土結(jié)構(gòu)物開裂產(chǎn)生破壞。以Na2SO4為例，其反應(yīng)方程式為

Na2SO4?10H2O+ Ca(OH)2→CaSO4?2H2O+2NaOH+8H2O

4CaO?A12O3?13H2O+3(CaSO4?2H2O)+14H2O

→3CaO?A12O3?3CaSO4?32H2O+Ca(OH)2

（2）石膏膨脹破壞當(dāng)侵蝕溶液中硫酸根離子濃度相當(dāng)高時(shí)（大于1000mg/L），水泥石的毛細(xì)孔若為飽和石灰溶液所填充，不僅會(huì)有鈣礬石生成，而且在水泥石內(nèi)部還會(huì)有二水石膏(CaSO4?2H2O)結(jié)晶析出，Ca(OH)2轉(zhuǎn)變?yōu)槭?，體積增加為原來的兩倍，產(chǎn)生的局部內(nèi)應(yīng)力導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生破壞。以Na2SO4為例，其反應(yīng)方程式為

Ca(OH)2+Na2SO4?10H2O→CaSO4?2H2O+2NaOH+8 H2O

（3）Mg2+和 SO42- 復(fù)合侵蝕Mg2+的存在會(huì)加重SO42-對(duì)混凝土的侵蝕作用，因?yàn)樯傻腗g(OH)2的溶解度很小，反應(yīng)可以完全進(jìn)行下去，所以在一定條件下硫酸鎂的侵蝕作用要比其他硫酸鹽侵蝕更加激烈。Mg(OH)2與硅膠體之間還可以進(jìn)一步反應(yīng)，也可以引起破壞，主要是因?yàn)闅溲趸}轉(zhuǎn)變成為石膏的過程中伴有溶解度極低的低堿氫氧化鎂，導(dǎo)致C-S-H穩(wěn)定性下降并且也容易受到硫酸鹽侵蝕，其反應(yīng)方程式

3CaO?2SiO2?3H2O+3MgSO4+10H2O

→3(CaSO4?2H2O)+Mg(OH)2+2SiO2?4H2O

（4）硅灰石膏型硫酸鹽侵蝕在實(shí)際工程環(huán)境中，CO2的存在使硫酸鹽侵蝕變得更加復(fù)雜，直到近幾年才被國內(nèi)外的學(xué)者所關(guān)注。溶解在水中的CO2與水泥石中的氫氧化鈣會(huì)反應(yīng)生成CaCO3，CaCO3作為硅灰石膏型硫酸鹽侵蝕的反應(yīng)物，受到硫酸鹽和碳酸鹽的不斷侵蝕，混凝土中的水泥石逐漸被分解，受到侵蝕后的混凝土成為一種無粘結(jié)能力的泥狀物質(zhì)，其反應(yīng)方程式

3Ca2++SO42-+CO32-+[Si(OH)6]2-+12H2O→Ca3[Si(OH)6](CO3)(SO4)?12H2O

2影響混凝土硫酸鹽侵蝕因素

影響混凝土硫酸鹽侵蝕的因素從種類上分可以分為內(nèi)因與外因。

（1）影響混凝土硫酸鹽侵蝕的內(nèi)因[2]

混凝土本身的性能是影響混凝土抗硫酸鹽侵蝕的內(nèi)因?；炷链嬖诹蛩猁}侵蝕問題的最根本原因是它本身的孔隙和微裂縫，以及本身所含有的可反應(yīng)物質(zhì)的量，因此混凝土的密實(shí)度與其抗硫酸鹽侵蝕能力密切相關(guān)?；炷恋拿軐?shí)度越高，混凝土內(nèi)部的孔隙數(shù)量就越少，硫酸鹽就越難滲入到混凝土的內(nèi)部，破壞速度就越小?；炷了玫乃嗥贩N、礦物摻合料的種類及數(shù)量與混凝土中可反應(yīng)物質(zhì)的量密切相關(guān)，因此它們也是混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能的重要影響因素。另外水灰比、外加劑以及施工條件等，都會(huì)影響它的抗硫酸鹽性能。因此合理設(shè)計(jì)混凝土的配合比，提高混凝土的密實(shí)度對(duì)改善混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能是非常重要的。

（2）影響混凝土硫酸鹽侵蝕的外因

混凝土結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境是影響硫酸鹽侵蝕的外因，其中主要包括硫酸鹽離子濃度、環(huán)境酸度、環(huán)境溫濕度等。硫酸鹽離子濃度與環(huán)境溫濕度直接影響著反應(yīng)速度，而侵蝕溶液的pH值決定了混凝土硫酸鹽侵蝕破壞的反應(yīng)過程與反應(yīng)產(chǎn)物，侵蝕反應(yīng)隨著溶液pH值的不同而變化。侵蝕溶液的pH為12.5~12時(shí)，主要發(fā)生礬石膨脹性破壞；當(dāng)pH=11.6~10.6時(shí)，二水石膏大量析出，主要發(fā)生石膏膨脹性破壞。

由于混凝土結(jié)構(gòu)的服役環(huán)境往往比較復(fù)雜，因此實(shí)際工程中的硫酸鹽侵蝕破壞并不是單一因素作用的結(jié)果，往往是多種因素綜合作用。為與實(shí)際情況相符，我們?cè)谘芯糠治龌炷亮蛩猁}侵蝕破壞問題時(shí)，不僅要研究單一因素的作用，更重要的是要研究多種因素的耦合作用，分析它們的相互作用機(jī)理及效應(yīng)。

3摻合料對(duì)混凝土硫酸鹽侵蝕的影響

（1）粉煤灰對(duì)混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能的影響[4-5]

已有研究表明，適量粉煤灰的加入能明顯改善混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能，主要因?yàn)橐韵聨讉€(gè)方面：①粉煤灰效應(yīng)使混凝土內(nèi)部的孔隙更加細(xì)化，提高它的密實(shí)度；②粉煤灰活性混合材代替一部分水泥后，降低了混凝土水化產(chǎn)物中C3A的含量，其水化產(chǎn)物水化鋁酸鈣的濃度也相應(yīng)降低，減少了膨脹性物質(zhì)鈣礬石，降低了混凝土內(nèi)部的膨脹壓力；③粉煤灰的二次水化反應(yīng)可以吸收部分Ca(OH)2，降低Ca(OH)2濃度，導(dǎo)致硬化水泥石中可反應(yīng)物質(zhì)的數(shù)量減少。中國建筑材料科學(xué)研究院高禮雄、東北大學(xué)程云虹等人通過試驗(yàn)研究，表明適量粉煤灰可以提高混凝土的抗硫酸鹽侵蝕能力。

（2）硅灰對(duì)混凝土硫酸鹽侵蝕性能的影響

一般情況下，硅灰能提高混凝土抗硫酸鹽（硫酸鎂除外）侵蝕能力。硅灰的成分主要以二氧化硅為主，能與水泥水化產(chǎn)物中的氫氧化鈣發(fā)生反應(yīng)，降低氫氧化鈣的濃度，侵蝕速度也將隨之下降。楊德斌等人通過試驗(yàn)研究了硅灰對(duì)混凝土的硫酸鹽抗蝕能力的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明普通水泥中摻入硅灰可顯著提高抗硫酸鹽侵蝕性能，并且在15%摻量范圍內(nèi)，摻量越大，其抗蝕能力越強(qiáng)。