硫酸鹽腐蝕對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?；炷亮蛩猁}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，喪失強度和粘性，使 其內(nèi)部機構(gòu)發(fā)生破壞，最終導致混凝土的耐久性 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

2、動力學的硫酸鹽膨脹理論 加拿大渥 太華大學的Ping 和Beaudoin（1992）基于熱動力學 提出了硫酸鹽膨脹理論。該理論認為鈣礬石與水泥膠 體之間的結(jié)晶化壓力是引起膨脹的主要因素，理論還 認為溫度也是引起膨脹量的一個因素，因為它能提高 固體產(chǎn)物的結(jié)晶化壓力。 （2）熱動力學平衡方程模擬硫酸鹽反應(yīng) 西班牙 加泰羅尼亞理工大學的Casanova等利用熱動力學平衡 方程模擬硫酸鹽侵蝕反應(yīng)，該方法用球形幾何模型模 擬硫酸鹽對混凝土的腐蝕程度。研究結(jié)果表明采用物 理和化學相結(jié)合的方法對混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕程度進行預(yù) 測可以得到良好的效果。 （3）非飽和溶液中的數(shù)學模型 加拿大魁北克拉 瓦爾大學的Marc

3、hand（2002）在低濃度硫酸鈉 溶液對混凝土耐久性的影響方面進行了理論分析， 并提出一個在非飽和溶液中的數(shù)學模型。此模型 既考慮了離子和流體的擴散，也考慮了固相的化 學平衡。運用這個數(shù)學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 度對擴散性能的影響規(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)進一步說明了水灰比 是控制混凝土耐久性的一個重要指標。 （1）化學侵蝕：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

4、硫酸鹽結(jié)晶型 （3）物理化學侵蝕：MgSO4溶蝕-結(jié)晶型 硫酸鹽侵蝕過程中鈣礬石、石膏和鈣硅石的產(chǎn)生 對混凝土產(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，導致 水泥石強度和粘結(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） 當侵蝕溶液中SO42-的濃度1000mg/L 以下時，只 有鈣礬石生成

5、。當溶液中SO42-大于1000mg/L 時， 若水泥石的毛細孔為飽和石灰溶液所填充，不僅 會有鈣礬石生成，而且還會有石膏結(jié)晶析出。在 SO42- 濃度相當大的變化范圍內(nèi)，石膏結(jié)晶侵蝕 只起從屬作用，只有在SO42-濃度非常高時，石 膏結(jié)晶侵蝕才起主導作用。事實上，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作用，因為水分蒸發(fā)使 侵蝕溶液濃縮，從而導致石膏結(jié)晶的形成。 混凝土受此類腐蝕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。 其作用機理為該反應(yīng)析出帶有結(jié)晶

6、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，鹽液在毛細管抽吸作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 強烈破壞。這種反應(yīng)生成的石膏晶體或鈣礬石晶體會 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 成混凝土強度和粘結(jié)性的損失。其特點為嚴重的硫酸 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

7、為石膏，厚 度為20-70m。 MgSO4侵蝕是對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，二者互相疊 加，構(gòu)成嚴重的復合侵蝕。 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 密實密實 性性 3、采、采 用高用高 壓蒸壓蒸 汽養(yǎng)汽養(yǎng) 護護

8、4、增、增 設(shè)必設(shè)必 要的要的 保護保護 層層 5、嚴、嚴 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，合理選擇水泥品種。當采用火山灰質(zhì)或粉 煤灰摻料與抗硫酸鹽水泥聯(lián)合使用時，配制的混 凝土對抗硫酸鹽侵蝕有顯著的效果。摻硅粉等超 細混合材的混凝土，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 度不高，而遭受了嚴重的

9、侵蝕。水泥水化需水量 僅為水泥質(zhì)量的1015%左右, 而實際需水量(由 于施工等因素的要求) 高達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)計混凝土的配合比，摻適當?shù)耐饧觿┘?改善施工方法等措施均能提高混凝土的密實度。 另外，還可在混凝土表面進行碳化處理，生成難 溶的碳酸鈣外殼，使混凝土表面進一步密實，也 可以減少硫酸鹽侵蝕。 高壓蒸汽養(yǎng)護是在高溫高壓環(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，獲得一定強度和各種性能。采用高壓蒸汽養(yǎng) 護能消除游離的Ca(OH)2，同時C2S（硅酸二鈣）

10、 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。 當侵蝕作用較強上述措施不能奏效時,可在混凝土 表面加上耐腐蝕性強且不透水的保護層(如瀝青、 塑料、玻璃等)，可防止硫酸鹽等侵蝕介質(zhì)進入混 凝土內(nèi)部。瀝青、塑料和石材等保護層由于本身 耐腐蝕性強且不易透水，可以阻止或減緩硫酸根 等侵蝕性介質(zhì)對混凝土的腐蝕。但過大的保護層 厚度會使構(gòu)件受力后產(chǎn)生的裂縫寬度過大，會影 響其使用性能同時造成經(jīng)濟上的浪費，我國在 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范中規(guī)定了保護層的厚度。 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?；炷?質(zhì)量，必須堅持正確的施工工藝。 比如