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1、混凝土硫酸盐侵蚀混凝土抗硫酸盐侵蚀研究作者 摘要：本文介绍了混凝土硫酸盐侵蚀破坏的机理和分类以及混凝土硫酸盐侵蚀的影响因素。主要综合说明了5种判断硫酸盐侵蚀混凝土的检验方法：快速法；膨胀法；干湿循环法I;干湿循环法II;氯离子渗透试验。提出了4种改善方法：合理选择水泥及掺合料品种；提高混凝土密实性；采用高压蒸汽养护；增设必要的保护层。Summary：This paper introduces the mechanism and classification of erosion of concrete sulfate and influence factors of concrete sulf
2、ate attack.5 methods for the inspection of sulfate attack concrete are described:Express method;Plavini;dry wet cycling method I;Dry wet cycling method II;Chloride ion penetration test.4 improvement methods are proposed:Reasonable selection of varieties of cement and admixture;Improve the density of
3、 concrete;High pressure steam curing;Add the necessary protective layer.关键词：硫酸盐侵蚀 混凝土 改善方法 影响因素 Key word： Sulfate attack Concrete Improvement method Influential factors一、研究背景自混凝土产生以来，就以其原材料来源广泛、强度高、可塑性好、成本低等优点被普遍应用在房建工程、桥梁工程、还有水利及其它工程中，随着社会的发展和科学技术的进步，环境污染也成为了人类面临的一大重要问题，在空气和水中都产生了大量的腐蚀性的物质，给混凝土结构的使
4、用寿命带来了严峻的考验。近几十年以来，国内外屡次发生因混凝土结构耐久性不足而造成的结构功能提前失效甚至破坏崩塌的事故，给人类造成了巨大的经济损失和生命财产安全问题。在1987年美国国家材料顾问委员会的报告中，大概有25.3万座混凝土桥面板出现不同程度的破坏，其中部分使用不到20年，并且还将以每年3.5万座的速度增。中国腐蚀调査报告（2003年版）中显示：我国年腐烛损失约为5000亿元。1991年召开的第二届混凝土耐久性国际会议上，美国混凝土协会荣誉退休教授P.K Mehta曾在题为混凝土耐久性一五十年进展的报告中指出“当今世界，混凝土破坏的原因，按重要性递降顺序排列是：钢筋锈蚀、寒冷气候下的冻
5、害、腐蚀环境的物理化学作用。”其中第三个原因主要是由硫酸盐侵蚀引起。硫酸盐在我国分布广泛，主要存在于盐渍土、地下水以及空气中。全国约有3693万公顷盐馈土，占全国可利用土地面积的4.88%。随着各种特殊结构和高层结构的快速发展，对基础的要求也越来越严格，桩基础己成为当前各类建筑结构的的常用基础类型。混凝土桩分为预制桩和灌注桩，与混凝土预制桩相比，混凝土灌注桩具有如下几个特点：适用性好，现场施工，桩长和持力层几乎不受地质条件的影响；噪音小、工序少，避免了工厂制作和运输；造价相对较低，设计时不需要考虑运输、吊装等受力的影响，设计用钢量减少，也不存在接桩造成旳费用。有资料表明，在桩端土为粘性土时灌注
6、柱的造价比预制桩减少约7%。由于上述几个特点，灌注桩己经成为应用最广泛的基础形式之一。混凝土抽长期埋在地下与土壤和地下水直接接触，会受到来自土壤和地下水中的各种腐蚀介质的侵蚀，影响混凝土桩的使用寿命，给上部结构带来安全隐患。尤其是混凝土灌注桩，采用现场浇筑而且属于地下隐蔽工程，施工质量较难以保证，混凝土在凝结硬化前就可能与腐蚀介质接触，也无法在灌注桩的表面涂刷防腐蚀材料。这一系列的特点使得混凝土灌注桩受到的各类腐烛介质的侵独影响可能会更加严重。现行国家标准工业建筑防腐蚀设计规范对灌注柱在各类腐蚀环境下的使用及采取的相应防腐蚀措施做了明确规定，并且禁止灌注柱在强腐烛环境中使用。在土木工程中除了混
7、凝土灌注柱以外，险道、地铁、桥梁等地下工程也面临着新拌混凝土直接接触腐蚀性介质而受到腐蚀的问题。因此，对新拌混凝土和硬化后的混凝土在腐蚀介质中进行抗腐蚀对比试验研究，不但是房屋建筑的需要，也是铁路、公路、市政等大量土木工程的需要。国家标准工业建筑防腐蚀设计规范的颁布实施，限制了混凝土灌注桩的使用范围，鉴于我国盐绩土分布范围之广、地下硫酸盐等腐蚀介质含量之多，特别是我国西北地区甘肃、青海、宁夏以及东部沿海一带。在这些地区严格执行规范的要求有可能大大增加工程量及工程造价，但是直接使用灌注桩可能无法保证结构使用的安全问题。通过对新拌混凝土进行抗硫酸盐侵蚀试验，采用长期浸泡的试验方法，更加直观的表现灌
8、注桩与外界环境接触的实际情况。三、混凝土硫酸盐侵蚀破坏的机理及类型混凝土硫酸盐侵蚀破坏的实质，是环境水中的SO42-进入混凝土内部，与水泥中的Ca(OH)2发生反应生成难溶性物质，这些难溶性物质产生体积膨，从而使混凝土结构产生破坏。混凝土硫酸盐侵蚀可以分为两大类:物理性侵蚀和化学性侵蚀。混凝土酸盐物理性侵蚀，实际上是混凝土在潮湿状态下，通过毛细作用吸进各种可溶性溶液，在干燥条件下经蒸发、浓缩而结晶。混凝土中的Na2SO4和MgSO4 从水中结晶，形成Na2SO410H2O和MgSO47H2O晶体。 这个过程体积膨胀了4-5倍，产生的膨胀压力超过混凝土的抗拉强度时，就引发混凝土的开裂与破坏，这种
9、破坏通常发生在干湿循环区。(1) 钙钒石结晶型海水、工业污水中的SO42通过微小裂缝与水泥石中的Ca(OH)2发生反应生成二水石膏，二水石膏进一步与水泥石中的水化铝酸钙反应生成高硫型水化硫铝酸钙，反应方程式为Na2SO410H2O+Ca(OH)2 CaSO42H2O+2NaOH+8H2O3(CaSO42H2O)+3CaO Al2O36H2O +19H2O 3CaOAl2O33CaSO431H2O高硫型水化硫铝酸钙晶体中含有大量的结晶水，体积膨胀可达1.5倍，使得固相体积明显增大，引起混凝土结构开裂。(2) 石膏结晶型当侵蚀溶液中SO42的质量浓度大于1000mg/ L时，渗入混凝土毛细孔SO4
10、2与水泥石中的Ca(OH)2作用生成石膏。反应方程式为Ca(OH)2+ SO42+2H2O CaSO42H2O +2OHCa(OH)2转变为石膏后体积增大120%，在混凝土内部产生较大的膨胀压力，致使混凝土膨胀开裂，强度下降。导致混凝土强度和耐久性降低。(3) 镁盐结晶型在海水、地下水中含有硫酸镁时，水中的Mg2 +、SO42可以与水泥石中的水化产物Ca(OH)2发生反应，反应方程式MgSO4+Ca(OH)2Mg(OH)2+CaSO43(CaSO42H2O)+3CaOAl2O36H2O+19H2O3CaOAl2O33CaSO431H2OMg(OH)2是一种无胶结能力的松散物，侵蚀溶液中的 Mg
11、2+、SO42与Ca(OH)2反应，降低了水泥石的碱含量，破坏了水化硅酸钙等水化产物稳定存在的条件，使水化硅酸钙等水化产物分解生成水化硅酸镁和石膏。水化硅酸镁黏性差、强度低，而石膏和钙矾石晶体的生成可引起混凝土体积膨胀，产生膨胀压力，使混凝土结构表面开裂，导致混凝土性能进一步劣化。 (4) 碳硫硅钙石结晶型在湿冷的条件下(环境温度低于15) ，在硫酸盐和碳酸盐的共同作用下，侵蚀溶液与水泥石中的水化硅酸钙作用生成无胶凝性的碳硫硅钙石晶体，降低水泥石强度。反应方程式为3CaO2SiO23H2O + 2(CaSO42H2O)+2CaCO3+24H2O 2Ca3SiSO4CO3(OH)612H2O +
12、 Ca(OH)2四、混凝土硫酸盐侵蚀的影响因素影响混凝土硫酸盐侵蚀的因素很多,按材料、环境和相互作用途径概括起来分为：混凝土本身的性能、侵蚀溶液和环境条件。（一）影响混凝土硫酸盐侵蚀的内因混凝土本身的性能是影响混凝土抗硫酸盐侵蚀的内因,它不仅包括混凝土水泥品种、矿物组成、混合材掺量,而且还包括混凝土的水灰比、强度、外加剂以及密实性等。（1） 水泥品种不同品种的水泥配制的混凝土具有不同的抗硫酸盐侵蚀的能力。混凝土的抗硫酸盐侵蚀能力在很大程度上取决于水泥熟料的矿物组成及其相对含量尤其是C3A 和C3S的含量,因为C3A水化析出水化铝酸钙是形成钙矾石的必要组分,C3S水化析出的Ca (OH)2是形成
13、石膏的必要组分。降低C3A和C3S的含量也就相应地减少了形成钙矾石和石膏的可能性,从而可以提高混凝土的抗硫酸盐侵蚀的能力。抗硫酸盐水泥的C3A5% ,C3S50% ,C3A+C4AF22% ,高级抗硫酸盐水泥的C3A3.5% ,这两种水泥的C3A含量较低,所以抗钙矾石结晶侵蚀破坏的能力较强。但是,它们不能解决所有的硫酸盐侵蚀问题,而对石膏结晶侵蚀起关键作用的是水泥石中Ca(OH)2的多少,混凝土的强度,密实性和环境条件等。（2） 混凝土的密实性和配合比混凝土的密实度对其抗硫酸盐侵蚀性能力具有重大影响。混凝土的密实度越高,即使混凝土的孔隙率越小,那么侵蚀溶液就越难渗入混凝土的孔隙内部,因而在水泥
14、石孔隙内产生的有害物质的速度和数量必然减少,另外,混凝土的密实度越高,也会使混凝土的强度提高,因此合理设计混凝土的配合比是非常必要的。尤其是降低水灰比,掺适量的减水剂可使混凝土的密实度增大,从而显著地提高混凝土的抗硫酸盐侵蚀的能力。（2） 影响混凝土硫酸盐侵蚀的外因影响混凝土抗硫酸盐侵蚀的外因主要有:侵蚀溶液中的SO42-浓度及其它离子的浓度、pH 值以及环境条件如水分蒸发、干湿交替和冻融循环。五、混凝土硫酸盐侵蚀的判定指标（一）考虑因素研究混凝土硫酸盐侵蚀破坏标准时,必须综合考虑以下几个因素：（1） 试件的表观情况；（2） 试件的重量变化、长度变化、体积密度变化和孔隙率的变化；（3） 试件的
15、强度、弹性模量的变化。（二）试验方案鉴于混凝土硫酸盐侵蚀的复杂性和现有各种试验方法由于各种原因导致试验结果存在不稳定性和不合理性,本试验方案收集了国内外普遍使用的各种硫酸盐侵蚀的试验方法。方案如下：1 快速法快速法参照的是水泥硫酸盐侵蚀快速试验方法（GB/T 2420-1981）,又稍作改动,分别采用了标准砂（0.5-1mm)、实际用砂(保留小于2.36mm)、实际用砂(0.6-1.18mm),每种砂中采用的胶凝材料分别有纯水泥、粉煤灰等量取代10%、15%、20%、25%、30%、外加防腐剂1.5%、2%、2.5%、6%、8%等几种配合比,试件规格为10mm*10mm*60mm长方体小试件,压力成型,成型压力80Kg/cm2,标准养护1d拆模,50养护箱养护7d,分别进行清水和3%硫酸钠溶液浸泡,浸泡时间为28d,测抗折强度,浸泡期间用稀硫酸滴定保证硫酸钠溶液PH值为7左右,最后用处理后的浸泡溶液试件抗折强度与泡清水试件抗折强度的比值作为抗蚀系数,以此来判断胶凝材料抗硫酸盐侵蚀性。后来由于标准方法结果的不尽人意又补做了采用不同成型压力的,分别做了压力是0只用刀片插捣和40Kg/cm2的试件,采用标准砂,每种压力的胶凝材料分别纯水泥、等量取代10%、20%、30%的粉煤灰、外掺1.5%、2%、2.5%的防腐剂。压力为0K
