1 硫酸盐侵蚀的现状
在我国, 有1/3的地区处于酸雨地带, 在天津、青海等地也有大部分的盐碱地区。在这些地区, 混凝土的硫酸盐侵蚀现象十分严重, 尤其是酸雨会造成墙体的腐蚀和纪念性建筑物毁坏[1]。因此, 研究混凝土的硫酸盐侵蚀是探究混凝土耐久性的一个重要内容。我国每年因为混凝土腐蚀而遭受到的损失在400亿元以上, 而硫酸盐侵蚀占据主要部分。据研究表明, 在土壤及岩石裂隙水中, 都存在SO42-, SO42-离子浓度的高低, 对于混凝土的侵蚀有着直接的联系。随着SO42-浓度的升高, 对于混凝土的腐蚀能力越大。另外, 我国西部地区分布着一千多个盐湖, 其面积约占国土面积的1/2以上, 盐湖卤水中SO42-浓度是海水中的5倍以上。因此盐湖地区的混凝土建筑更容易繁盛腐蚀破坏。例如, 在青海的盐湖地区, 建筑物基本上都是一年粉化三年倒塌。铺设在盐湖下边的混凝土管道, 基本上一年左右就已经成为一团烂泥, 失去其功能。
2 硫酸盐对混凝土的侵蚀机理
(1) 硫酸盐侵蚀的主要机理是, 环境中过量的的SO42-离子与硬化水泥浆体中的Ca (OH) 2发生反应, 生成Ca SO4·2H2O, 二水石膏又与水泥中的水化铝酸钙3Ca O·Al2O3·6H2O发生化学反应, 生成钙矾石3Ca O·Al2O3·3Ca SO4·31H2O。由于钙矾石和二水石膏都会发生体积膨胀, 膨胀体积达到混凝土体积的一倍以上, 因此会使混凝土膨胀开裂, 发生腐蚀。严重时可能会使混凝土失去任何强度, 呈现豆腐渣状。反应方程式为:
(2) 当SO42-浓度低于1000mg/L时, 环境中发生侵蚀的SO42-全部转化为钙矾石, 只发生E盐破坏, 而当SO42-浓度高于1000mg/L时, 由于过量的SO42-会产生更多的Ca SO4·2H2O。因此, 不仅会发生E盐破坏, 还会发生G盐破坏。因此, SO42-浓度越高, 对于混凝土的侵蚀就越严重。反应方程式为
(3) 在众多硫酸盐侵蚀中Mg SO4对混凝土的侵蚀是最大的一种。Mg2+可以将C-S-H (水化硅酸钙凝胶) 置换成M-S-H (水化硅酸镁) , 此时混凝土能产生微小的膨胀, 但M-S-H能使混凝土强度下降, 粘聚力和刚度都有所降低。除此之外, Mg2+在混凝土表面形成Mg (OH) 2致密层, 由于Mg (OH) 2致密层的阻挡, 使Mg2+直接与混凝土表面水化产物发生反应导致混凝土表面的剥落。[3]
3 硫酸盐侵蚀的实验方法
3.1 国家规范中抗硫酸盐侵蚀实验方法
在最新国家规范中, 检测混凝土抗硫酸盐侵蚀的方法主要有两种, 一种是潜在膨胀性能实验方法, 简称P法, 其原理是在水泥中直接掺加二水石膏, 从而增加水泥中SO42-的浓度, 使过量的SO42-能够直接与水泥中能够发生反应的Ca (OH) 2和3Ca O·Al2O3·6H2O反应, 使浆试件发生膨胀反应, 然后检测试件的膨胀率, 来衡量混凝土的抗硫酸盐侵蚀的性能。另一种是浸泡抗蚀性能方法简称K法。其原理是将完全相同的两组试样分别浸泡在相同温度的硫酸盐侵蚀液和水溶液中, 养护28d, 测试两组试样的抗折强度, 得出两者的抗折强度比, 该抗折强度比为此批试件的抗硫酸盐侵蚀系数K, K值越高, 水泥胶砂试件的抗硫酸盐侵蚀的能力越强。[4]
3.2 加速腐蚀试验方法
除了国家标准给予的实验方法之外, 还有许多试验方法。比如梁永宁等人提出的加速腐蚀实验法[5]。这种方法多用于实验室检测混凝土抗硫酸盐腐蚀性能。加速腐蚀的方法, 就是通过增加反应面积;提高侵蚀溶液中侵蚀离子浓度;增加结晶压力;升高温度和增加试件渗透性等措施, 来加快侵蚀的过程。这种试验方法的主要优点是, 实验周期短, 能够获得比较系统的实验资料。
4 硫酸盐对混凝土侵蚀的防治措施
4.1 降低水泥熟料中的C3A与C3S含量
我国广泛使用的是硅酸盐水泥。水泥实中的Ca (OH) 2和水化铝酸钙3Ca O·Al2O3·6H2O的量主要取决与水泥熟料中硅酸三钙C3S和铝酸三钙C3A的量。在水泥熟料中存在大量的C3S, 其含量占水泥熟料的55%以上。C3S水化的主要产物就是Ca (OH) 2, 而C3A的含量虽然没有C3S的含量高, 但是它是3Ca O·Al2O3·6H2O的主要反应物。所以降低水泥熟料中C3A和C3S的量能够有效的防治硫酸盐对于混凝土的侵蚀作用。
4.2 掺加优质的矿物掺合料
粉煤灰能使混凝土的密实度增大;当粉煤灰代替了一部分的水泥时, 就会降低熟料中硅酸三钙和铝酸三钙的量, 能够减少Ca (OH) 2和3Ca O·Al2O3·6H2O的生成;由于粉煤灰会发生二次水化, 吸收一部分的Ca (OH) 2, 从而减少硫酸盐的侵蚀。根据Lj Fi-sang[6]的研究, 当R值小于1.5且粉煤灰代替水泥量不大于25%时, 能够有效防止硫酸盐对于混凝土的侵蚀。
结束语
硫酸盐对混凝土的侵蚀会对混凝土的强度, 耐久性以及美观度都产生巨大的影响, 所以, 我们要严格把控, 减少硫酸盐对混凝土的侵蚀。
我们可以根据所在环境中SO42-的量选用不同的水泥品种, 当环境中SO42-浓度<2500mg/L, 可采用中度抗硫酸盐水泥或普通掺粉煤灰水泥:当环境中SO42-浓度>8000mg/L, 应采用高抗硫水泥, 还应掺适量的粉煤灰或其它掺合料。[7]
现如今, 对于混凝土抗硫酸盐侵蚀的研究, 世界各国的研究机构都投入了巨大的人力物力, 也取得了丰硕的成果, 在抗硫酸盐侵蚀方面总结出了许多有效的措施。但是尚有许多问题需要解决, 比如对于长期对混凝土硫酸盐侵蚀的检测, 及时的修复硫酸盐侵蚀的破坏等。还需要我们更加努力, 潜心钻研, 来满足实际工程实践的需求。
摘要：硫酸盐侵蚀是混凝土侵蚀的重要内容, 是混凝土破坏的主要原因之一, 被称为混凝土的“癌症”。这篇论文主要分析了近些年对于混凝土硫酸盐侵蚀研究的具体现状, 列出了硫酸盐对于混凝土侵蚀的几种原因, 分析其作用机理。综合列出了几种对于混凝土硫酸盐侵蚀的实验方法, 并分析对于预防混凝土的硫酸盐侵蚀的几种防治措施。
关键词：混凝土,硫酸盐,侵蚀,矿物掺合料,粉煤灰
参考文献
[1] 黄战, 邢锋, 邢媛媛, 董必钦, 罗帅.硫酸盐侵蚀对混凝土结构耐久性的损伤研究[J].混凝土, 2008 (8) .
[2] 金祖权, 赵铁军, 孙伟.硫酸盐对混凝土腐蚀研究[J].工业建筑, 2008, 38 (3) .
[3] GB/T749-2008水泥抗硫酸盐侵蚀实验方法.
[4] 梁咏宁, 袁迎曙.硫酸盐侵蚀环境因素对混凝土性能退化的影响[J].中国矿业大学学报, 2005 (7) .
[5] FISANGL J, DJURICM.An optmization of fly ash quantityincement-blending[J].Cementand Concrete Research, 1995, 25 (7) :1480.