硫酸鹽腐蝕對(duì)混凝土耐久性的影響

硫酸鹽腐蝕對(duì)混凝土耐久性的影響

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(fù)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(duì)混凝土產(chǎn)生侵蝕作用，使混凝土發(fā)生膨脹、開(kāi)裂、剝落等現(xiàn)象，喪失強(qiáng)度和粘性，使其內(nèi)部機(jī)構(gòu)發(fā)生破壞，最終導(dǎo)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）一.硫酸鹽侵蝕理論模型

（1）基于熱動(dòng)力學(xué)的硫酸鹽膨脹理論

加拿大渥太華大學(xué)的Ping和Beaudoin（1992）基于熱動(dòng)力學(xué)提出了硫酸鹽膨脹理論。該理論認(rèn)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(rèn)為溫度也是引起膨脹量的一個(gè)因素，因?yàn)樗芴岣吖腆w產(chǎn)物的結(jié)晶化壓力。（2）熱動(dòng)力學(xué)平衡方程模擬硫酸鹽反應(yīng)

西班牙加泰羅尼亞理工大學(xué)的Casanova等利用熱動(dòng)力學(xué)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(duì)混凝土的腐蝕程度。研究結(jié)果表明采用物理和化學(xué)相結(jié)合的方法對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕程度進(jìn)行預(yù)測(cè)可以得到良好的效果。（3）非飽和溶液中的數(shù)學(xué)模型

加拿大魁北克拉瓦爾大學(xué)的Marchand（2002）在低濃度硫酸鈉溶液對(duì)混凝土耐久性的影響方面進(jìn)行了理論分析，并提出一個(gè)在非飽和溶液中的數(shù)學(xué)模型。此模型既考慮了離子和流體的擴(kuò)散，也考慮了固相的化學(xué)平衡。運(yùn)用這個(gè)數(shù)學(xué)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(duì)擴(kuò)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(jìn)一步說(shuō)明了水灰比是控制混凝土耐久性的一個(gè)重要指標(biāo)。二.侵蝕機(jī)理

（1）化學(xué)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：堿金屬硫酸鹽結(jié)晶型（3）物理化學(xué)侵蝕：MgSO4溶蝕-結(jié)晶型硫酸鹽侵蝕過(guò)程中鈣礬石、石膏和鈣硅石的產(chǎn)生對(duì)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(dǎo)致水泥石強(qiáng)度和粘結(jié)性能損失。1、鈣礬石腐蝕（E鹽破壞）

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(zhǎng)，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(dāng)侵蝕溶液中SO42-的濃度1000mg/L以下時(shí)，只有鈣礬石生成。當(dāng)溶液中SO42-大于1000mg/L時(shí)，若水泥石的毛細(xì)孔為飽和石灰溶液所填充，不僅會(huì)有鈣礬石生成，而且還會(huì)有石膏結(jié)晶析出。在SO42-濃度相當(dāng)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(shí)，石膏結(jié)晶侵蝕才起主導(dǎo)作用。事實(shí)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(dǎo)作用，因?yàn)樗终舭l(fā)使侵蝕溶液濃縮，從而導(dǎo)致石膏結(jié)晶的形成。3、碳硫硅鈣石腐蝕

混凝土受此類腐蝕后沒(méi)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。4、堿金屬硫酸鹽結(jié)晶型

其作用機(jī)理為該反應(yīng)析出帶有結(jié)晶水的鹽類，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(dāng)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(shí)，鹽液在毛細(xì)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(qiáng)烈破壞。這種反應(yīng)生成的石膏晶體或鈣礬石晶體會(huì)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(qiáng)度和粘結(jié)性的損失。其特點(diǎn)為嚴(yán)重的硫酸鎂侵蝕甚至將混凝土變成完全沒(méi)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40-120μm，第二層為石膏，厚度為20-70μm。5、MgSO4溶蝕-結(jié)晶型MgSO4侵蝕是對(duì)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(yán)重的復(fù)合侵蝕。三、影響硫酸鹽腐蝕的因素

1、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（1）水泥類型

（2）配合比、密實(shí)度

（3）水灰比

（4）摻合料種類及其摻量四、防治措施

1、合理選擇水泥品種2、提高混凝土密實(shí)性3、采用高壓蒸汽養(yǎng)護(hù)4、增設(shè)必要的保護(hù)層5、嚴(yán)把施工質(zhì)量關(guān)6、酸鹽水泥中摻入耐腐蝕性外加劑1、合理選擇水泥品種

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(diǎn)，合理選擇水泥品種。當(dāng)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(shí)，配制的混凝土對(duì)抗硫酸鹽侵蝕有顯著的效果。摻硅粉等超細(xì)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(shí)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。2、提高混凝土密實(shí)性

許多工程雖選擇了合適的水泥品種，但由于密實(shí)度不高，而遭受了嚴(yán)重的侵蝕。水泥水化需水量?jī)H為水泥質(zhì)量的10～15%左右,而實(shí)際需水量(由于施工等因素的要求)高達(dá)40～70%,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(jì)混凝土的配合比，摻適當(dāng)?shù)耐饧觿┘案纳剖┕し椒ǖ却胧┚芴岣呋炷恋拿軐?shí)度。另外，還可在混凝土表面進(jìn)行碳化處理，生成難溶的碳酸鈣外殼，使混凝土表面進(jìn)一步密實(shí)，也可以減少硫酸鹽侵蝕。3、采用高壓蒸汽養(yǎng)護(hù)

高壓蒸汽養(yǎng)護(hù)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(qiáng)度和各種性能。采用高壓蒸汽養(yǎng)護(hù)能消除游離的Ca(OH)2，同時(shí)C2S（硅酸二鈣）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。4、增設(shè)必要的保護(hù)層當(dāng)侵蝕作用較強(qiáng)上述措施不能奏效時(shí),可在混凝土表面加上耐腐蝕性強(qiáng)且不透水的保護(hù)層(如瀝青、塑料、玻璃等)，可防止硫酸鹽等侵蝕介質(zhì)進(jìn)入混凝土內(nèi)部。瀝青、塑料和石材等保護(hù)層由于本身耐腐蝕性強(qiáng)且不易透水，可以阻止或減緩硫酸根等侵蝕性介質(zhì)對(duì)混凝土的腐蝕。但過(guò)大的保護(hù)層厚度會(huì)使構(gòu)件受力后產(chǎn)生的裂縫寬度過(guò)大，會(huì)影響其使用性能同時(shí)造成經(jīng)濟(jì)上的浪費(fèi)，我國(guó)在《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定了保護(hù)層的厚度。5、嚴(yán)把施工質(zhì)量關(guān)

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(yán)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临|(zhì)量，必須堅(jiān)持正確的施工工藝。6、酸鹽水泥中摻入