現(xiàn)代混凝土耐鹽類侵蝕性能研究

錢 淼

(南京地下鐵道有限責(zé)任公司開發(fā)分公司，江蘇南京 210008)

0 引言

混凝土已成為世界上用量最大的人造材料，是各國的基礎(chǔ)設(shè)施工程中所使用的最重要材料?；炷猎谑褂眠^程中抵抗各種破壞因素作用的能力，混凝土耐久性的好壞，決定混凝土工程的壽命。它是混凝土的一個(gè)重要性能，因此長期以來受到人們的高度重視。

硫酸鹽、氯鹽、鎂鹽和酸類溶液在一定條件下可產(chǎn)生劇烈的腐蝕作用，導(dǎo)致混凝土的迅速破壞。環(huán)境水作用的破壞過程可概括成為兩種變化:

1)減少組分，即混凝土中的某些組分直接溶解或經(jīng)過分解后溶解;

2)增加組分，即溶液中的某些物質(zhì)進(jìn)入混凝土中產(chǎn)生化學(xué)、物理或物理化學(xué)變化，生成新的產(chǎn)物。

混凝土材料層次的研究雖然已經(jīng)很深入，但是由于環(huán)境因素以及混凝土本身因素的不同所引起的耐久性變化是各不相同的，因此針對具體的混凝土在不同環(huán)境下的耐久性狀況仍需要具體研究。

1 混凝土耐鹽蝕性能研究的現(xiàn)狀

大量的調(diào)查結(jié)果表明［1-5］，處于含鹽環(huán)境(諸如海水、鹽漬土、工業(yè)廢水等)中的混凝土結(jié)構(gòu)比普通環(huán)境中使用的混凝土更易受到破壞，其使用年限遠(yuǎn)比設(shè)計(jì)值要低，人們漸漸認(rèn)識(shí)到鹽類對混凝土的破壞性。

關(guān)于混凝土受鹽害侵蝕的研究大概開始于20世紀(jì)30年代左右;在二十世紀(jì)五六十年代，前蘇聯(lián)、美國和歐洲等地均相繼制定了混凝土抗侵蝕的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn);我國自20世紀(jì)50年代也開始對混凝土鹽害進(jìn)行了研究。

Metha［6］把鹽類對混凝土的腐蝕分成兩大類，一類是化學(xué)腐蝕，另外一類為物理腐蝕。其中化學(xué)腐蝕是指對混凝土基體材料本身的腐蝕。遭受化學(xué)腐蝕的波特蘭水泥基材料通常會(huì)出現(xiàn)兩種破壞形態(tài)，一種是由于C—S—H凝膠解體產(chǎn)生的強(qiáng)度損失，一種是由于體積膨脹而導(dǎo)致的開裂。

1864年，Gllimore指出，Na2SO4能在磚和石頭里結(jié)晶，使之破壞，外表看起來就像結(jié)霜一樣，在潮濕狀態(tài)下，這個(gè)現(xiàn)象嚴(yán)重一些，在海邊更加嚴(yán)重。Schaffer在1932年推斷道:地面以上部分建筑物的幾種破壞情況與鹽造成的風(fēng)化現(xiàn)象有關(guān)，而這又是由于Na2SO4與Na2SO4·10H2O的相互轉(zhuǎn)化造成的。在澳大利亞，尤其是其南部城市阿德萊德一些混凝土基礎(chǔ)和磚墻在地面處遭受破壞，調(diào)查結(jié)果表明是Na2SO4轉(zhuǎn)變?yōu)镹a2SO4·10H2O時(shí)所產(chǎn)生的結(jié)晶壓力造成的［7］。

在加利福尼亞，Haynes，O’Neil和Metha調(diào)查了地面上遭受破壞的混凝土結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)破壞是由鹽的物理侵蝕和鹽在孔隙中結(jié)晶膨脹引起的［8］。Novak和Colville在對加利福尼亞南部地區(qū)的混凝土建筑物進(jìn)行調(diào)查時(shí)，發(fā)現(xiàn)在許多建筑物的地面和墻上及裂縫中有許多白色粉末狀的東西，他們分析了這些粉末的成分，完全找不到作為混凝土鹽類化學(xué)腐蝕的產(chǎn)物(如石膏、鈣礬石等)，因此，得出結(jié)論:這些上部結(jié)構(gòu)的破壞不是由鹽類的化學(xué)腐蝕引起的，而是緣于鹽類結(jié)晶膨脹引起的物理破壞［9］。Hime和Mather在1999年也指出，Na2SO4可以對混凝土造成幾種類型的破壞，其中就包括了由Na2SO4與Na2SO4·10H2O的相互轉(zhuǎn)化和鹽類的結(jié)晶造成的破壞［10］。

在我國的西北地區(qū)［11］，由于分布著大量以硫酸鹽和氯鹽為主的鹽漬土，在惡劣的氣候條件下，鹽漬土的鹽鹵腐蝕和鹽結(jié)晶膨脹腐蝕非常嚴(yán)重。察爾汗鹽湖地區(qū)尤其嚴(yán)重。通過對該地區(qū)具有代表性區(qū)域中的典型建筑物以及湖區(qū)中的電線桿、橋涵等等的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，一般未設(shè)置防護(hù)隔離措施的磚墻，使用1年～2年后，在地面以上20 cm～50 cm范圍內(nèi)均遭嚴(yán)重破壞，墻體中的混凝土石子外露，輕敲即潰，墻體抹面砂漿剝落。究其原因，是因?yàn)椴鞝柡果}湖地處內(nèi)陸，周圍有高山屏蔽，潮濕空氣難以進(jìn)入，該地區(qū)降雨量比較小，年最大降雨量為60 mm，而年蒸發(fā)量則高達(dá)3195 mm～3662 mm，相對濕度低，年定時(shí)平均相對濕度最大為52%，最小為9%。正是由于鹽湖地區(qū)極端干燥，水分蒸發(fā)量大，且空氣中夾帶一定量的鹽分，因此，材料孔隙中吸進(jìn)的鹽類可結(jié)晶膨脹引起物理破壞。

對我國西北、西南和沿海的許多地區(qū)建筑物的調(diào)查和土壤中埋設(shè)試件的長期觀測結(jié)果同樣表明，高濃度鹵水或鹽漬土壤對混凝土的侵蝕作用異常強(qiáng)烈。除了環(huán)境水中硫酸鹽和氯鹽對水泥石的強(qiáng)烈化學(xué)作用之外，在結(jié)構(gòu)的干濕變化部位，由于疊加了鹽類結(jié)晶膨脹物理破壞的因素，大大加速了混凝土的破壞進(jìn)程，成為這類地區(qū)混凝土侵蝕的重要特征。在西北有的地區(qū)，埋設(shè)的混凝土試件僅僅一兩年時(shí)間，露出地面的混凝土就完全潰散坍塌，足見侵蝕作用之嚴(yán)重［12］。

李志國［13］在探討了鹽結(jié)晶破壞機(jī)理后，認(rèn)為因混凝土材料與水接觸產(chǎn)生的毛細(xì)孔提升作用可在數(shù)小時(shí)至數(shù)天內(nèi)完成，而空氣的相對濕度變化亦可由陰雨而在數(shù)小時(shí)至數(shù)天內(nèi)完成一個(gè)循環(huán)。故因鹽結(jié)晶作用而導(dǎo)致的破壞，在兩三個(gè)月內(nèi)可導(dǎo)致混凝土表面開始剝落，1年～2年可發(fā)生露筋露石的嚴(yán)重破壞。鹽結(jié)晶膨脹腐蝕對混凝土材料的破壞是最為迅速最為嚴(yán)重的一種。

混凝土的鹽蝕問題十分普遍，而且往往造成巨大的損失，因此，我國的科研工作者在進(jìn)行室外調(diào)研工作的同時(shí)，也做了大量的實(shí)驗(yàn)室研究工作。研究結(jié)果表明，影響混凝土耐鹽蝕性能的因素很多，歸結(jié)起來可分為內(nèi)因和外因兩個(gè)方面。其中內(nèi)因是指混凝土本身的性能，用于生產(chǎn)混凝土的水泥品種、礦物摻合料的品種和數(shù)量、混凝土本身的密實(shí)度及強(qiáng)度以及外加劑種類和摻量等對其均有影響。外因則包括侵蝕溶液的性質(zhì)和環(huán)境因素等。外因是客觀存在且我們無法控制的，因此，我們主要從內(nèi)因著手來研究混凝土的耐鹽蝕性能及改善措施。

2 防治措施

從已有的研究成果看，針對鹽類對混凝土的腐蝕，各國學(xué)者提出了不少改善或者防治措施，主要從以下幾個(gè)方面著手:

1)選用適當(dāng)?shù)乃嗥贩N。

大量的實(shí)驗(yàn)研究證明，不同水泥品種配制的混凝土具有不同的抗鹽侵蝕能力。以硫酸鹽腐蝕為例，從腐蝕的機(jī)理來看［13］，主要是通過鹽類與混凝土中的水化鋁酸鈣和氫氧化鈣發(fā)生反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)的，而水化鋁酸鈣和氫氧化鈣又分別是C3A和C3S的水化產(chǎn)物。由此可見，適當(dāng)?shù)母淖兯嘀械牡V物組分，就有可能改善混凝土的耐鹽蝕性能。根據(jù)這一思想，就出現(xiàn)了很多有針對性開發(fā)出來的特種水泥混凝土，如:礬土水泥混凝土、堿礦渣水泥混凝土、氯氧鎂水泥混凝土、鐵鋁酸鹽水泥混凝土、抗硫酸鹽混凝土以及抗海水水泥混凝土等［11，14-16］。這種措施針對的主要是鹽類對混凝土的化學(xué)腐蝕。

2)摻礦物質(zhì)摻合料。

這里的礦物質(zhì)摻合料是指火山灰質(zhì)混合材料。火山灰質(zhì)材料是以活性氧化硅和氧化鋁為主要成分的礦物質(zhì)材料，本身不具有或者只具有很小的膠凝性質(zhì)，但是，在有水存在的情況下，處于分散狀態(tài)的具有火山灰活性摻合料細(xì)小顆?？梢耘c氫氧化鈣在常溫下發(fā)生反應(yīng)，形成的化合物還可以提高水泥基材料的各種性能。因此，摻合料常用來作為水泥混凝土的填充材料，在提高混凝土強(qiáng)度和其他各項(xiàng)性能上起著非常重要的作用。大量研究證明，采用礦物摻合料能顯著改善混凝土抗化學(xué)物質(zhì)腐蝕的能力［17-20］。但是，對于改善的效果，有很多影響因素，如摻合料的品質(zhì)指標(biāo)、摻量、摻入方式以及使用外加劑的種類及摻量等對混凝土的抗鹽蝕性能均有很大影響。

3)改善混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)，增加混凝土的密實(shí)度，降低混凝土的滲透性。

滲透性一直都被認(rèn)為是決定混凝土在侵蝕環(huán)境中耐久性的關(guān)鍵因素，Metha認(rèn)為，在抵抗硫酸鹽腐蝕方面，控制混凝土的滲透性比控制水泥的化學(xué)成分更加重要。Khatri的研究也證明，由于增加了混凝土的密實(shí)度而減小了孔隙率，使得水分滲入就比較困難，從而在水泥石內(nèi)部產(chǎn)生有害物質(zhì)的速度和數(shù)量都減小，高密實(shí)度和低滲透性的混凝土具有更好的耐硫酸鹽腐蝕性能［21］。降低水灰比是提高混凝土的密實(shí)度，從而提高混凝土耐蝕性能的另一個(gè)有效方法。而使用高效減水劑可以使水灰比降得更低，且使混凝土有良好的施工性能。如前所述，因?yàn)榈V物摻合料的各種作用效應(yīng)，摻用礦物摻合料也可以改善混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)，提高密實(shí)度。

4)采用表面保護(hù)措施。

在混凝土構(gòu)件表面涂刷防腐涂層，可以防止混凝土直接與混凝土接觸，從而可以保護(hù)混凝土不受侵蝕。研究表明，防腐涂層由于處于構(gòu)件的表面，直接與環(huán)境接觸，很容易受到破壞，需要經(jīng)常維護(hù)，但在短期內(nèi)，防腐涂層的效果還是比較顯著的［14］。另外，在有的海洋建筑中，人們在柱子上處于浪濺區(qū)的部位涂上環(huán)氧薄膜，有效的防止了鹽對混凝土的剝蝕作用［2］。

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