混凝土硫酸鹽侵蝕機(jī)理及影響因素

1、混凝土硫酸鹽侵蝕機(jī)理及影響因素元強(qiáng)張文恩中南大學(xué)土木建筑學(xué)院(410075我國(guó)的硫酸鹽含量非常豐富,分布較廣,混凝土硫酸鹽侵蝕的重要性顯得尤為突出。1892年,米哈埃利斯首先發(fā)現(xiàn)硫酸鹽對(duì)混凝土的侵蝕作用,在侵蝕的混凝土中發(fā)現(xiàn)一種針粒狀晶體,并稱之為“水泥桿菌”,實(shí)質(zhì)上就是水化三硫鋁酸鈣(鈣礬石,隨后的100多年里,各國(guó)學(xué)者對(duì)硫酸鹽侵蝕進(jìn)行了大量的、全面的研究,積累了豐富的文獻(xiàn)資料。但由于硫酸鹽侵蝕的復(fù)雜性,其侵蝕機(jī)理仍有許多問題未弄清楚。1硫酸鹽侵蝕機(jī)理硫酸鹽對(duì)混凝土的侵蝕主要是由以下幾種產(chǎn)物的作用引起:1.1硫酸鹽結(jié)晶例如NaS O4和MgS O4吸水分別形成NaS O4.10H2O和MgS

2、 O4.7H2O,體積膨脹45倍,造成結(jié)晶壓力,引起裂縫的產(chǎn)生,導(dǎo)致混凝土的劣化。這種破壞通常發(fā)生在干濕循環(huán)區(qū)。1.2石膏硬化混凝土在硫酸鹽溶液中石膏的形成可由化學(xué)方程式(1和(2表示。有觀點(diǎn)認(rèn)為石膏的形成引起膨脹,體積變?yōu)樵瓉淼?.2倍,使混凝土受到膨脹壓力的作用。為研究石膏的形成是否產(chǎn)生膨脹,必須排除鈣礬石的影響。B ingTian1用5%硫酸鹽溶液浸泡C3S表明,浸泡有4周的潛伏期,潛伏期一過,C3S便以較大的速率膨脹,浸泡至230天,膨脹達(dá)到1.05%。Manusanthana m2的試驗(yàn)結(jié)果同樣表明,在4.44%硫酸鈉中浸泡C3S存在潛伏期,32周前膨脹很小,32周后開始膨脹,浸泡至

3、41周膨脹為0.22%。也有觀點(diǎn)認(rèn)為石膏的形成并不引起膨脹, Hansen3認(rèn)為氫氧化鈣和硫酸根離子由通過-溶液機(jī)理在毛細(xì)孔中形成固態(tài)石膏,不可能占有比孔隙體積和溶解并參加反應(yīng)的固態(tài)氫氧化鈣體積之和更大的體積,Mather1支持Hansen的觀點(diǎn),他認(rèn)為石膏是硫酸根離子和鈣離子由通過-溶液機(jī)理生成。普遍都認(rèn)為石膏的形成導(dǎo)致混凝土剛度、強(qiáng)度的降低、引起軟化。但石膏確切的形成機(jī)理尚未清楚:是通過-溶液機(jī)理,或者是拓?fù)浠瘜W(xué)反應(yīng)機(jī)理?Ca(OH2+NaS O4+2H2OCaS O4.2H2O+ Na OH(1Ca(OH2+MgS O4+2H2OCaS O4.2H2O+Mg(OH2(21.3鈣礬石鈣礬石

4、的形成通常用方程(3來表示。在硬化混凝土中,鈣和硫酸根的來源比較多,鋁酸根可以由水化鋁酸鈣、單硫型硫鋁酸鈣、粉煤灰中的活性氧化鋁提供4。所以鈣礬石的形成最好用一個(gè)離子方程(4表示。當(dāng)然這個(gè)方程并不表明所有反應(yīng)物都必須溶解在水中,鋁酸鹽就是固相的拓?fù)浠瘜W(xué)反應(yīng)。3CAS O42H2O+3Ca O.A l2O3+26H2O3Ca O.A l2O3.3CaS O4.32H2O(36Ca+2+3S O4-2+A12O6-6+32H2O3Ca O.A l2O3. 3CaS O4.32H2O(4鈣礬石的生成被認(rèn)為是體積增加了2.5倍,導(dǎo)致膨脹應(yīng)力的產(chǎn)生,而使混凝土開裂破壞,混凝土的開裂又使硫酸根離子更容易滲

5、透到混凝土內(nèi)部,產(chǎn)生惡性循環(huán)。但對(duì)鈣礬石的膨脹機(jī)理至今仍未清楚,有人認(rèn)為鈣礬石的結(jié)晶壓力導(dǎo)致了膨脹壓力;也有人認(rèn)為是由于結(jié)晶差的鈣礬石在堿性環(huán)境下吸水膨脹導(dǎo)致了膨脹壓力5。鈣礬石生成的速度與鋁酸根的來源有很大的關(guān)系,在很多情況下,鈣礬石形成的速度由含鋁相的溶解速度所決定6。鈣礬石形成的量與膨脹之間的關(guān)系還沒有得到一個(gè)很好的相關(guān)性4。1.4C2S2H和碳硫硅鈣石(CaSi O3CaS O4CaS O315H2OC2S2H在完成水化的水泥凈漿中占50%60%的固體體積,它是水泥石強(qiáng)度的主要來源。硫酸鹽侵蝕能導(dǎo)致C2S2H的分解,C2S2H的脫鈣分解主要是由于混凝土中Ca(OH2含量減少,PH值降低

6、,使C2S2H凝膠分解,放出氫氧化鈣以維持混凝土內(nèi)部912005年1期河南建材的堿度,因而也就使混凝土喪失了粘結(jié)性、強(qiáng)度降低、表面軟化7。鎂離子的侵蝕也能引起C2S2H的分解,鎂離子置換鈣離子生成無膠凝性的M2S2H。碳硫硅鈣石是近來硫酸鹽侵蝕研究的熱點(diǎn)。1998年3月,英國(guó)西部許多高速公路的掩埋混凝土構(gòu)件中發(fā)現(xiàn)了碳硫硅鈣石,8結(jié)構(gòu)與鈣礬石相似,有時(shí)與鈣礬石形成混合結(jié)晶體。碳硫硅鈣石在較低的溫度形成(0到15,它是C2S2H和S O42-還有CO32-或CO2反應(yīng)形成的產(chǎn)物,由于碳硫硅鈣石的形成直接要有C2S2H的參加,因而能使水泥漿變成糊狀、無粘結(jié)力的物體,降低混凝土的強(qiáng)度。同時(shí)也會(huì)伴有膨脹

7、性破壞,但膨脹性破壞不是碳硫硅鈣石導(dǎo)致的典型破壞。有現(xiàn)象表明,在較高溫度下也有可能生成碳硫硅鈣石,所以低溫可能不是它形成的必要條件。至今它的形成機(jī)理尚未弄清楚7-10。2影響因素混凝土硫酸鹽侵蝕的影響因素很多,可以劃分為內(nèi)部因素和外部因素。2.1內(nèi)部因素對(duì)硅酸鹽系水泥來說,C3A、C3S、C2S、C4AF各種組分的含量對(duì)混凝土的硫酸鹽侵蝕有很大的影響。其中C3A、C3S是兩個(gè)重要指標(biāo)12,美國(guó)懇務(wù)局長(zhǎng)達(dá)四十年的試驗(yàn)結(jié)果表明11,C3S含量高,生成過多的氫氧化鈣,易于受硫酸鹽侵蝕生成石膏,導(dǎo)致混凝土在硫酸鹽環(huán)境下的過早破壞。C3A含量高,易于生成過多的膨脹性產(chǎn)物鈣礬石,導(dǎo)致膨脹破壞。故各國(guó)對(duì)于有

8、抗硫酸鹽要求的工程,水泥中C3A含量都有限制(一般為5%-8%。粉煤灰、礦渣、硅灰活性摻合料的合理摻入對(duì)混凝土抗硫酸鹽性能有很好的提高1215。粉煤灰摻量較大時(shí),抗硫酸鹽性能更好。在硫酸鈉濃度為5%,PH值為3的環(huán)境下,粉煤灰摻量40%比20%抗硫酸鹽性能明顯要好。但大摻量粉煤灰混凝土在干濕交界處由于鹽結(jié)晶作用更容易產(chǎn)生表面剝蝕16。礦渣摻量達(dá)到60%時(shí)才能有利于提高混凝土的抗硫酸鹽性能;硅灰摻量在5%比摻量為10%表現(xiàn)更好13。水膠比影響水泥漿體的致密程度,水膠比越低,水泥漿體越致密,滲透性越低。文獻(xiàn)11表明水灰比小于0.45、C3S含量低于8%的混凝土是相對(duì)安全的。文獻(xiàn)12認(rèn)為,在硫酸鈉環(huán)

9、境下,水膠比低,有利2.2外部因素文獻(xiàn)4表明,硫酸根濃度從1%增加到4%,侵蝕逐漸嚴(yán)重。AC I按硫酸根離子濃度把硫酸鹽溶液分為四個(gè)等級(jí):0150ppm、1501500ppm、1500 10000ppm、>10000ppm它們分別對(duì)應(yīng)為輕微、中等、嚴(yán)重、很嚴(yán)重5的侵蝕。溶液的濃度不同會(huì)導(dǎo)致混凝土的硫酸鹽侵蝕機(jī)理不同,B iczok18認(rèn)為濃度的不同導(dǎo)致生成的主要產(chǎn)物也不同:低濃度硫酸鹽溶液與含C3A的水泥主要生成鈣礬石,而高濃度的硫酸鹽溶液與低含量C3A主要生成石膏,含量介于兩者之間時(shí)主要產(chǎn)物是石膏和鈣礬石。在硫酸鈉環(huán)境下,S O42-<1000ppm,主要產(chǎn)物是鈣礬石, S O4

10、2->8000ppm,主要產(chǎn)物是石膏,濃度處于中間便兩者均有。在硫酸鎂環(huán)境下,S O42-< 4000ppm,主要產(chǎn)物是鈣礬石,S O42->7500ppm,主要產(chǎn)物是石膏,濃度介于兩者之間便兩者都有。02河南建材2005年1期獻(xiàn)12表明,抗壓強(qiáng)度的減少,在硫酸鎂環(huán)境要遠(yuǎn)大于硫酸鈉環(huán)境。摻有活性摻合料(10%硅灰、20%粉煤灰、70%礦渣強(qiáng)度降低值要遠(yuǎn)大于水泥。這可能是由于鎂離子的侵蝕一方面生成氫氧化鎂,阻礙了硫酸根的侵入,另一方面生成M2S2H降低了強(qiáng)度。主要包括有碳酸根離子和氯離子,氯離子和水泥中的鋁相反應(yīng)生成Friedel鹽,碳酸根與氫氧化鈣反應(yīng)生成碳酸鈣,中性化混凝土

11、。這兩者對(duì)混凝土的硫酸鹽侵蝕都有影響。氯離子能減輕未摻摻合料混凝土的硫酸鹽侵蝕,而對(duì)摻有摻合料(特別是礦渣和硅灰混凝土的影響很小12。文獻(xiàn)17表明,溫度的升高會(huì)加速硫酸鹽的侵蝕。但文獻(xiàn)22認(rèn)為硫酸鈉溶液的溫度從20提高到40,對(duì)水泥砂漿的硫酸鹽侵蝕有所改變,但這些影響總的來說是有利的,所以提高溫度不能被看作是加速硫酸鹽侵蝕的一種方法。3結(jié)語混凝土的硫酸鹽侵蝕極為復(fù)雜,影響因素繁多。因而對(duì)其機(jī)理尚未形成統(tǒng)一說法,阻礙了對(duì)混凝土硫酸鹽侵蝕的進(jìn)一步研究。為提高對(duì)混凝土硫酸鹽侵蝕的認(rèn)識(shí),各種侵蝕產(chǎn)物所造成的影響以及它們的形成條件都應(yīng)該弄清楚,特別是石膏和碳硫硅鈣石。參考文獻(xiàn)1B ingTian,Men

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