混凝土抗硫酸鹽侵蝕研究綜述

李榮軼

（楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西楊凌712100）

混凝土抗硫酸鹽侵蝕研究綜述

李榮軼

（楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西楊凌712100）

混凝土抗硫酸鹽侵蝕的研究，對(duì)提升混凝土耐久性有著十分積極的作用。主要研究了混凝土硫酸鹽侵蝕類型、機(jī)理、影響因素，總結(jié)了混凝土硫酸鹽侵蝕現(xiàn)狀以及常用防護(hù)措施，為進(jìn)一步進(jìn)行硫酸鹽侵蝕的研究打下了基礎(chǔ)。

混凝土；硫酸鹽侵蝕；類型；機(jī)理；影響因素

硫酸鹽侵蝕是能夠影響混凝土耐久性的重要因素之一。在正常使用條件下，混凝土的耐久壽命一般為50～70年，高性能混凝土可達(dá)100年以上[1]。而硫酸鹽侵蝕會(huì)造成混凝土膨脹、力學(xué)性能下降，承載能力降低等諸多不利影響；會(huì)導(dǎo)致材料質(zhì)量劣化，未到達(dá)到預(yù)期使用壽命時(shí)就無法繼續(xù)使用，產(chǎn)生了極大的浪費(fèi)和不良的社會(huì)影響。因此，混凝土硫酸鹽侵蝕問題研究具有十分重大的現(xiàn)實(shí)意義，受到了廣泛關(guān)注。本文分析、總結(jié)了已有的相關(guān)研究，從硫酸鹽侵蝕類型、機(jī)理、影響因素、研究現(xiàn)狀等方面進(jìn)行了討論。

1 定義范圍

對(duì)于硫酸鹽侵蝕，人們對(duì)它有兩種不同的定義：一是認(rèn)為凡是與硫酸鹽相關(guān)的對(duì)混凝土的侵蝕都可以稱為硫酸鹽侵蝕[2]；另一種是由硫酸鹽離子和水泥水化產(chǎn)物之間的化學(xué)反應(yīng)對(duì)混凝土造成的損壞[3]。長期以來，人們對(duì)混凝土抗硫酸鹽侵蝕的相關(guān)研究都是以第二種觀點(diǎn)為主。

2 混凝土硫酸鹽侵蝕的類型與機(jī)理

硫酸鹽對(duì)混凝土的侵蝕屬于結(jié)晶性侵蝕，混凝土受到侵蝕以后，表面發(fā)白，體積膨脹，從棱角處開始表面開裂、剝落，使混凝土易碎，甚至出現(xiàn)松散狀態(tài)；有時(shí)還會(huì)出現(xiàn)水泥漿體嚴(yán)重軟化而失去膠結(jié)能力、強(qiáng)度嚴(yán)重下降的現(xiàn)象，而不是體積膨脹[4]。所以，可以根據(jù)反應(yīng)產(chǎn)物和相應(yīng)產(chǎn)生的破壞現(xiàn)象的不同將硫酸鹽對(duì)混凝土的侵蝕分為以下幾類:

2.1 硫酸鹽結(jié)晶型物理侵蝕[5-7]

當(dāng)混凝土孔隙溶液中硫酸鹽達(dá)到一定濃度時(shí)，在沒有與混凝土組分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)之前，會(huì)有硫酸鹽結(jié)晶析出，具體表現(xiàn)為體積膨脹，產(chǎn)生的結(jié)晶壓力使混凝土開裂，以此產(chǎn)生侵蝕現(xiàn)象。以Na2SO4為例反應(yīng)方程式如下式：

2.2 鈣礬石（AFt）結(jié)晶型侵蝕[5-8]

硫酸鹽對(duì)混凝土的侵蝕主要是因?yàn)?，硫酸鹽能與水泥石中的氫氧化鈣反應(yīng)生成硫酸鈣，當(dāng)侵蝕溶液中SO42-的濃度在1 000 mg/L以下時(shí)，硫酸鈣繼續(xù)與固態(tài)水化鋁酸鈣反應(yīng)生成三硫型水化硫鋁酸鈣，即生成鈣礬石。以Na2SO4為例反應(yīng)方程式如下式：

鈣礬石溶解度極低，在石灰濃度非常低的溶液中也能夠穩(wěn)定存在。能夠穩(wěn)定存在于石灰濃度很低的溶液中，能夠與水結(jié)合，結(jié)合后以及膨脹約1.5倍，即形成了鈣礬石結(jié)晶[9]，呈針狀結(jié)晶，引起很大的內(nèi)應(yīng)力，會(huì)在混凝土表面形成大裂縫。人們常常通過控制液相堿度來減輕其對(duì)混凝土的侵蝕作用。

2.3 石膏結(jié)晶型侵蝕[5-8]

轉(zhuǎn)變?yōu)槭喾磻?yīng)的發(fā)生會(huì)導(dǎo)致體積增加1.24倍，引起很大的內(nèi)應(yīng)力，混凝土開裂。同時(shí)由于Ca(OH)2不僅是水化硅酸鈣凝膠(C-S-H)等水化產(chǎn)物穩(wěn)定存在的基礎(chǔ)，而且也是硬化水泥漿體的重要組成部分。所以Ca(OH)2的消耗會(huì)導(dǎo)致混凝土的耐久性降低。石膏結(jié)晶對(duì)混凝土侵蝕會(huì)導(dǎo)致其遍體遺散而不是同鈣礬石一樣出現(xiàn)裂紋[9,10]。

2.4 碳硫硅鈣（TSA）石結(jié)晶型侵蝕[5-8]

碳硫硅鈣石的結(jié)構(gòu)Ca6[Si(OH)6]2·24H2O·[(SO4)2· (CO3)2]與鈣礬石相似，且都為針狀。在具備硫酸根離子、碳酸根離子、SiO3基團(tuán)、低于15℃、充足水的條件下，會(huì)發(fā)生碳硫硅鈣石結(jié)晶型侵蝕。反應(yīng)方程式如下式：

該類侵蝕不能從宏觀上觀察到，是一種漸進(jìn)的侵蝕，能夠直接導(dǎo)致C-S-H凝膠解體，逐漸使水泥石變?yōu)闊o強(qiáng)度、無粘結(jié)力的砂石混合物。這種侵蝕具有隱蔽性，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的破壞力更強(qiáng)。

2.5 硫酸鎂雙侵蝕型[5-8]

該類侵蝕是所有侵蝕中危害最大的一種，原因是Mg2+和SO42-均能對(duì)混凝土造成腐蝕，并且能夠發(fā)生協(xié)同作用，復(fù)合腐蝕的破壞作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于二者單獨(dú)腐蝕的加和。反應(yīng)過程為，首先MgSO4與水泥中的Ca(OH)2作用生成Mg(OH)2與石膏。隨后反應(yīng)生成的石膏或鈣礬石引起混凝土體積膨脹，將C-S-H轉(zhuǎn)化成C-M-H，降低了水泥石系統(tǒng)的堿度，降低了混凝土的強(qiáng)度、剛度和粘結(jié)力，使其變脆。在實(shí)際工程中嚴(yán)重時(shí)能夠?qū)⒒炷磷兂赏耆珱]有膠結(jié)性能的糊狀物。反應(yīng)方程式如下式：

3 混凝土硫酸鹽侵蝕影響因素

影響混凝土硫酸侵蝕的因素多種多樣，總體來說可分為內(nèi)部因素和外部因素。

3.1 內(nèi)部因素

3.1.1 水泥化學(xué)組成

硫酸鹽對(duì)混凝土侵蝕實(shí)際上是硫酸根與水泥石中的礦物發(fā)生了物理化學(xué)反應(yīng)[11]，對(duì)其結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞?；炷量沽蛩猁}侵蝕能力主要取決于C3A和C3S在水泥中的含量。因?yàn)殁}礬石的形成必須有C3A水化析出水化鋁酸鈣，而石膏的形成必須有C3S水化析出氫氧化鈣。降低C3A和C3S在混凝土中的含量對(duì)提高混凝土抗硫酸鹽侵蝕能力起到了積極的作用。

因此，對(duì)于實(shí)際工程中需要進(jìn)行抗硫酸鹽侵蝕的部分C3A的含量一般都要求控制在5%～8%之間[13]。3.1.2混合材料的摻量

活性摻料粉煤灰、礦渣、硅灰等的雙摻、混摻等能夠提高混凝土抗硫酸鹽侵蝕能力。一般來說，摻料越多，抗腐蝕能力越強(qiáng)[14]。混凝土中加入摻料后可以降低C3A和C3S的含量，同時(shí)還會(huì)發(fā)生二次水化反應(yīng)，使得侵蝕介質(zhì)浸入混凝土受阻，增強(qiáng)了混凝土受硫酸鹽侵蝕能力。

3.1.3 混凝土的孔隙含量及分布

致密性好、孔隙含量少且連通孔少的混凝土抗硫酸鹽能力強(qiáng)。，在一定范圍內(nèi)混凝土密實(shí)度越高，水灰比、砂漿的砂膠比越低，孔隙含量越少，混凝土抗硫酸鹽能力越強(qiáng)。

3.2 外部因素

3.2.1 溶液濃度

對(duì)于硫酸鹽溶液，有研究表明當(dāng)其濃度小于一定值時(shí)，混凝土受硫酸鹽侵蝕速度隨濃度提高而增加，但當(dāng)濃度超過一定值時(shí)，混凝土硫酸鹽侵蝕速度反而變慢[4]，在該范圍內(nèi)，存在一個(gè)最快侵蝕速度。低濃度硫酸鹽與水泥作用生成鈣礬石，高濃度則生成石膏，濃度介于二者之間則同時(shí)生成鈣礬石和石膏。

3.2.2 溶液pH值

根據(jù)席耀中[16]對(duì)溶液pH值與混凝土侵蝕關(guān)系的研究，可以知道溶液pH減小時(shí)，侵蝕反應(yīng)不斷發(fā)生改變，當(dāng)溶液的pH在12.5～12范圍內(nèi)，鈣礬石析出；當(dāng)pH值在11.6-10.6范圍內(nèi)，石膏析出；當(dāng)pH值小于12.5時(shí)，C-S-H凝膠溶解后再結(jié)晶，鈣硅比逐漸降低，由pH值在12.5時(shí)的鈣硅比2.12降到pH值為8.8時(shí)的鈣硅比0.5[11]，引起混凝土孔隙率、彈性模量等性質(zhì)發(fā)生變化。

3.2.3 陽離子[15]

主要討論Mg2+的影響，Mg2+的存在會(huì)加劇混凝土侵蝕，生成了Mg(OH)2，使液相中石灰深度降低，加快了侵蝕作用。同時(shí)生成的石膏能夠繼續(xù)作用生成鈣礬石，多種侵蝕的協(xié)同作用加劇了硫酸鹽對(duì)混凝土的侵蝕。

3.2.4 陰離子[12]

主要討論Cl-的影響，Cl-的存在可以有效緩解硫酸鹽對(duì)混凝土的侵蝕。當(dāng)Cl-與SO42-共存時(shí)，Cl-會(huì)首先滲透進(jìn)入混凝土內(nèi)部，與OH-作用；當(dāng)Cl-濃度較高時(shí)，還會(huì)與水化鋁酸鈣反應(yīng)，間接緩解了鈣礬石結(jié)晶的侵蝕作用。從而降低了硫酸鹽對(duì)混凝土的侵蝕速度。

3.2.5 溶液溫度

溫度過高或過低都會(huì)對(duì)硫酸鹽侵蝕產(chǎn)生影響。溫度過低，侵蝕水分結(jié)冰，侵蝕溶液無法正常深入，對(duì)第一階段侵蝕影響較大；而溫度過高會(huì)導(dǎo)致，水分快速流失，膨脹階段影響較大[17]。

對(duì)于實(shí)際工程中的硫酸鹽對(duì)混凝土的侵蝕并不是只有一種因素作用，往往都是多種因素協(xié)同作用，這樣加劇了混凝土的侵蝕，我們應(yīng)該更加關(guān)注各種因素的協(xié)同作用機(jī)理，以加強(qiáng)對(duì)混凝土的防護(hù)。

4 工程常用抗硫酸鹽侵蝕保護(hù)措施[18]

4.1 合理選擇混凝土原料

選擇含硫酸鹽少的集料、拌合水及外加劑等；選用C3A和C3S含量低的抗硫酸鹽水泥。摻入礦物摻合料是改善混凝土抗硫酸鹽侵蝕能力的一種重要方法，改善混凝土結(jié)構(gòu)的同時(shí)也能夠適當(dāng)阻止硫酸鹽對(duì)混凝土的侵蝕。

4.2 改善孔隙結(jié)構(gòu)，提高混凝土致密度

盡可能使得混凝土致密性好、孔隙含量少且連通孔少，該措施能夠在一定程度上阻礙硫酸鹽進(jìn)入混凝土內(nèi)部?？梢酝ㄟ^合適的配合比設(shè)計(jì)，盡可能降低用水量，進(jìn)行適當(dāng)養(yǎng)護(hù)，加入合適摻料等措施減少混凝土孔隙含量，增加混凝土致密度，從而達(dá)到抑制混凝土硫酸鹽侵蝕的目的。

4.3 增加必要的保護(hù)層[19]

在混凝土表層加上耐腐蝕性強(qiáng)且不透水的保護(hù)層(如瀝青、塑料、玻璃等)，該措施能夠?qū)α蛩猁}進(jìn)行有效的物理防護(hù)，將硫酸鹽與混凝土隔離，一定程度上削減了硫酸鹽對(duì)混凝土的侵蝕作用。

4.4 高壓蒸汽養(yǎng)護(hù)[14]

采用高壓蒸汽養(yǎng)護(hù)能消除游離的Ca(OH)2，C2S(硅酸二鈣)和C3S(硅酸三鈣)都形成晶體水化物；同時(shí)C3A水化成穩(wěn)定的立方晶系的C3AH6，使得活性降低。因此，大大減弱了硫酸鹽對(duì)混凝土的侵蝕作用。

5 展望

目前，學(xué)者們對(duì)于混凝土康硫酸鹽侵蝕已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究，取得了很大進(jìn)展。但仍存在很多不足，筆者認(rèn)為以下幾點(diǎn)需要進(jìn)行進(jìn)一步研究，以在該方面取得更大突破：

（1）實(shí)驗(yàn)室模擬環(huán)境與混凝土實(shí)際工作環(huán)境相差較大，如何將二者聯(lián)系統(tǒng)一是一個(gè)重要問題，只有將二者相關(guān)聯(lián)才能保證研究成果的實(shí)效性，在實(shí)際工程中應(yīng)用效果更佳。

（2）目前的研究大多圍繞單一元素的研究，這樣研究得出結(jié)論比較片面，實(shí)際工程中硫酸鹽對(duì)混凝土的侵蝕往往是多種因素共同作用的結(jié)果。只有更加深入研究多種因素的影響才能達(dá)到更好的混凝土抗硫酸鹽腐蝕效果。

（3）現(xiàn)有研究中，大多數(shù)集中在材料方面的研究而忽略了水泥結(jié)構(gòu)的影響，應(yīng)當(dāng)將二者有機(jī)結(jié)合起來，以期更大的突破。

（4）隨著技術(shù)的發(fā)展，越來越多的新型高性能混凝土應(yīng)用到實(shí)際工程中，而大多數(shù)研究者的研究仍針對(duì)普通混凝土，研究對(duì)象已經(jīng)與實(shí)際應(yīng)用脫節(jié)，應(yīng)注意二者區(qū)別，使研究成果更具有實(shí)用性。

6 結(jié)語

混凝土用于工程建設(shè)已有160多年的歷史了，國外對(duì)于混凝土抗硫酸鹽的研究已經(jīng)十分深入，而我國在該方面研究還有所欠缺，至今還沒有出臺(tái)混凝土硫酸鹽侵蝕的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)與試驗(yàn)方法的標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)今人們?cè)絹碓秸J(rèn)識(shí)到硫酸鹽對(duì)混凝土破壞的嚴(yán)重性，相信在廣大科研工作者的共同努力下，混凝土的抗硫酸鹽侵蝕能力越來越強(qiáng)，混凝土的應(yīng)用范圍將會(huì)更廣。

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Review of Research on Sulfate Resistance of Concrete

LI Rong-yi
（Yangling Vocational and Technical College,Shaanxi Yangling 712100,China）

The study of concrete resistance to sulfate attack has a positive effect on the durability of concrete.In this paper,types,mechanism and influencing factors of sulfate attack of concrete were studied.At the same time,the existing research results of sulfate attack on concrete were summarized,which could lay the foundation for further study on sulfate attack.

Concrete;Sulfate attack;Type;Mechanism;Influencing factor

TQ 178

A

1671-0460（2017）03-0533-03

2017-01-08

李榮軼（1980-），男，陜西咸陽人，講師。