混凝土碳硫硅鈣石型硫酸鹽腐蝕與預(yù)防對策

孟 起，曾慶林 ,劉明瑋

1.金陵科技學(xué)院 建筑工程學(xué)院，江蘇 南京 2 111692；2.江蘇開放大學(xué)，江蘇 南京 210000

1 引言

碳硫硅鈣石型硫酸鹽腐蝕（簡稱TSA）是一種特殊的硫酸鹽腐蝕形式，是由于硫酸鹽的侵入，與水泥的水化產(chǎn)物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而生成腐蝕產(chǎn)物碳硫硅鈣石。碳硫硅鈣石的形成，通常是混凝土水化后產(chǎn)生的水化硅酸鈣（C-S-H 凝膠）在與外界侵入的硫酸鹽或內(nèi)部形成的鈣礬石發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后生成的一種灰白色泥狀物質(zhì)，該物質(zhì)由于幾乎不具備強(qiáng)度，會(huì)導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度大幅降低，因此具有很強(qiáng)的破壞性。碳硫硅鈣石型腐蝕的表征又與傳統(tǒng)的硫酸鹽腐蝕不同，傳統(tǒng)的硫酸鹽腐蝕現(xiàn)象是硫酸鹽的侵入導(dǎo)致混凝土的膨脹和開裂。同時(shí)在微觀分析過程中，碳硫硅鈣石與鈣礬石具有非常相似的的晶體結(jié)構(gòu)，容易被誤認(rèn)為鈣礬石而忽略，因此還具有很強(qiáng)的隱蔽性。

碳硫硅鈣石最早被發(fā)現(xiàn)于瑞典Areskutan的硫化物礦床中。1965 年，美國Erin 和Stark［1］對混凝土中出現(xiàn)的TSA 進(jìn)行了詳細(xì)報(bào)導(dǎo)。1994 年，加拿大首次發(fā)現(xiàn)了混凝土結(jié)構(gòu)因碳硫硅鈣石而發(fā)生TSA 破壞［2］。我國于1985 年發(fā)現(xiàn)位于甘肅省蘭州市的八盤峽水電站局部廊道的混凝土地面遭到嚴(yán)重的TSA 破壞［3］。

本文聚焦于碳硫硅鈣石型腐蝕，對其腐蝕機(jī)理和影響因素進(jìn)行了闡述，探討了針對碳硫硅鈣石型腐蝕問題的預(yù)防對策。

2 腐蝕機(jī)理

根據(jù)現(xiàn)有的研究發(fā)現(xiàn)［4］，TSA 主要有兩種腐蝕機(jī)理：一是溶液反應(yīng)機(jī)理，二是硅鈣礬石轉(zhuǎn)變機(jī)理。但是在實(shí)際工程中，不會(huì)單獨(dú)只存在其中一種機(jī)理。

硅鈣礬石轉(zhuǎn)變機(jī)理中提出，碳硫硅鈣石是由鈣礬石轉(zhuǎn)化而來。在一定條件下，鈣礬石中的Al3+會(huì)與C-S-H 凝膠中的Si4+發(fā)生交換，鈣礬石中的+H2O 會(huì)與+H2O 發(fā)生交換，從而生成硅鈣礬石，硅鈣礬石再進(jìn)一步參與化學(xué)反應(yīng)生成碳硫硅鈣石。反應(yīng)過程如下：

通過觀察碳硫硅鈣石的化學(xué)反應(yīng)方程式可以看出，TSA 從腐蝕開始就是與C-S-H 凝膠、水化鋁酸鈣、鈣礬石等主要水化產(chǎn)物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。隨著化學(xué)反應(yīng)的持續(xù)進(jìn)行，水化產(chǎn)物被逐漸消耗，混凝土逐漸失去膠結(jié)能力，成為灰白色泥狀物。因此，與一般的硫酸鹽腐蝕造成膨脹開裂相比，TSA 對混凝土造成的破壞更為嚴(yán)重。

3 影響因素

3.1 水泥種類

研究發(fā)現(xiàn)［5］，普通硅酸鹽水泥基本不具備抵抗TSA 的能力，抗硫酸鹽水泥只能延緩TSA 破壞的發(fā)生?？煊擦蜾X酸鹽水泥由于水化后的混凝土孔隙率較低，因此具有較強(qiáng)的抗TSA 破壞性能。

3.2 礦物摻和料

研究表明，摻入具有一定活性的粉煤灰能夠在一定程度上提升混凝土的抵抗TSA 破壞能力［6］，摻入礦渣也可以提升混凝土的抗TSA 性能［5］，摻入石灰石粉只能在早期提升混凝土的抗?侵蝕性，但是在后期并不具備抵抗TSA 破壞能力。摻入火山灰反而會(huì)降低混凝土的抗TSA 性能。

3.3 腐蝕介質(zhì)

腐蝕介質(zhì)對碳硫硅鈣石的形成也會(huì)產(chǎn)生一定影響，例如在MgSO4溶液中，MgSO4與Ca（OH）2反應(yīng)生成Mg（OH）2，由于Mg（OH）2溶解度極低，使鈣礬石無法穩(wěn)定存在，從而發(fā)生化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化為碳硫硅鈣石，而Na2SO4在溶液中，鈣礬石相對穩(wěn)定，化學(xué)反應(yīng)不易發(fā)生，因此在Mg2+存在時(shí)，鈣礬石更容易發(fā)生轉(zhuǎn)化，更容易造成TSA 破壞。

4 預(yù)防對策

目前，提高抗TSA 性能而采取的主要對策包括：（1）在拌制混凝土?xí)r，適當(dāng)添加活性礦物摻合料，摻合料能起到代替水泥，較少水泥用量的作用，進(jìn)而減少Ca（OH）2的生成，同時(shí)降低C-S-H 凝膠的水灰比，從而減少生成碳硫硅鈣石的化學(xué)反應(yīng)物。（2）對混凝土在早期養(yǎng)護(hù)過程中與空氣接觸，通過與空氣中的CO2反應(yīng)，在混凝土表面形成CaCO3，使混凝土更加密實(shí)，防止SO42-離子的侵入。（3）設(shè)計(jì)配合比時(shí)，盡量減小水灰比，從而降低混凝土的孔隙率，提高混凝土的密實(shí)度和抗?jié)B性，阻止SO42-離子的侵入。（4）選用Ca（HCOO）2、Ba（NO3）2等化學(xué)外加劑，這些外加劑能夠遲滯生成碳硫硅鈣石的化學(xué)反應(yīng)，從而推遲TSA 破壞的發(fā)生，提高抗TSA 性能。

5 結(jié)語

現(xiàn)有的研究大多針對現(xiàn)象更加明顯的傳統(tǒng)硫酸鹽腐蝕，而忽視了對TSA 的研究。研究已表明TSA 具有更大的危害性。因此全面開展針對TSA 問題的深入研究，對提高混凝土耐久性，提升混凝土使用壽命具有重大的意義。