简述工程混凝土硫酸盐侵蚀破坏特征及其防护措施.pdf

2 0 1 3年 第 3 2卷 第 3期 D WR HE 水 利 水 电 工 程 设 计 9 简述工程混凝土硫酸盐侵蚀破坏特征 及其防护措施 邢 志 水金琼 宋金 利 摘 要 通过对 工程 混凝 土硫 酸盐侵蚀破坏情况的现场调研 与文献综述 。总结 出引起工程混凝土硫酸 盐侵蚀破 坏的 侵蚀源有城 市污水、地下水、 山体渗漏水 、黄铁矿 以及原材 料 中携带 的硫酸 盐或硫 化物。工程混凝土硫 酸盐侵蚀破 坏特征 主要表现为基体 开裂 ，表层剥 落，结构松软粉化 ，强度 降低 ， 内聚力丧 失 ，甚至呈 泥状；长期侵蚀 条件下 ， 可 能出现综合性破坏 形式；结构破 坏的 同时，裂纹 内或基体表 面常析 出白色结 晶盐。工程混凝土硫酸 盐侵蚀 的影响 因素比较复杂 需要综合防护。 关 键 词 混 凝 土 硫 酸 盐 侵蚀 破 坏 防护 措 施 中图分类号T v 4 2 1 2 文献标识码A 文章编号 1 0 0 7 6 9 8 0 ( 2 0 1 3 ) 0 3 0 0 0 9 0 3 混凝 土硫酸盐侵蚀 是指水泥水化产物与来 自 外界环境 的硫 酸盐或混凝土 内部存在 的硫 酸盐 之 间 的一 系列复杂的 、相互交叉 的物理化学过程 【1 根 据侵蚀产物 的类 型可分为石 膏型 、钙矾石 型 、碳 硫硅钙石 型和结 晶型硫酸盐侵蚀 。混凝土硫 酸盐 侵蚀是影 响混凝 土耐久性 的主要原 因之 一。对 于 混 凝 土 硫 酸 盐 侵 蚀 的相 关 研 究 已经 有 1 0 0多 年 的 历史圆 ，有关水泥净浆 、砂浆和混凝土硫酸盐侵蚀 环境中的性能 和行 为方 面的研究 ，绝大多数都是 在 实验 室 条 件 下 进 行 的 关 于 工程 混 凝 土硫 酸 盐 侵蚀破坏 的微结构及化学变化 的研究相对较少3 1 ， 关于硫 酸盐侵蚀 引起 的工程混凝 土劣化形 式和破 坏特征仍不 明确 ，对工程混凝 土硫 酸盐侵蚀破坏 进行调查 。并做 总结分析 ，对界定 和评价 工程破 坏类型具有重要的现实意义和指导价值 。 本文研究 目标是总结不 同侵蚀源引起 的混凝 土硫酸盐侵蚀破坏规律 ，简述工程混凝 土硫 酸盐 侵蚀 的破坏特征 ，概述工程混凝土硫酸盐侵蚀 防 护措 施 1 不 同侵蚀 源引起的破坏规律 1 1 城 市污 水 城 市 污 水 组 成 比较 复 杂 ，造 成 污 水 处 理 系统 及其周边 的混凝 土工程不 同类 型的破 坏形 式 硫 酸盐侵蚀破坏是其 中的一种 。污水处理 系统混凝 土结构 的破坏 主要集 中在水位变动 区以及最 高水 位 以上一定范 围内 ，水下结构破坏不 明显 。周边 混凝 土结构 的破坏一般基础 比较严重 地 上结构 破 坏 分 布 在 一 定 的高 度 范 围 内 ，且 自上 而 下 侵 蚀 破坏程度递增 ， 不 同构件根据其距离侵蚀源由远 到近侵蚀破坏程度递增。 1 2地 下水 地下水引起 的混凝土硫酸盐侵蚀破坏是最普 遍 最复杂 的。主要与混凝土结构所处的土壤 、地 下岩层及水系( 如海洋、河流 、 湖泊等 ) 等有关。我国 对土壤腐蚀研究工作开始于 1 9 5 8年鞠 ，中国建筑科 学研究 院在全 国范 围内建设 土壤腐蚀试验站 ，埋 设混凝土 、钢筋混凝土 、水泥砂浆及其他多种材料 l4 ，通过长期野外试验研究 马孝轩等根 据土壤 对 混凝 土材料的腐蚀性将我国主要 土壤分成 了中 碱性 土壤 、酸性土壤 、内陆盐土和滨海盐 土 4种 类 型，其中内陆盐土和滨海盐土属强腐蚀性土壤。 1 3 山体渗 漏水 山体 渗漏水 中携带 了岩石 中的硫酸盐 ，渗入 混 凝 土 ，造成 了硫 酸盐 侵蚀 破 坏 。例如 我 国西部 建 在第 三系红色混黏土石膏岩 、黏土粒状石膏层 或 白垩 系红 色 砂 岩 、铁 质 黏 土 质 砂 岩及 砂 质铁 质 黏 土 页岩 之 上 的一 些 混 凝 土 建 筑 遭 受 了不 同程 度 的硫酸盐侵蚀破坏 。瑞士网 某高速公路的一条竖直 通 风井道混凝土衬砌遭受严重劣化 。衬砌依 附的 山体沉积岩 中含有石膏和硬石膏 ，渗漏水携带 的 硫 酸根离子造成 了混凝土衬砌的侵蚀破坏 。与渗 漏 水 直 接 接 触 的 混 凝 土 衬 砌 外 表 面 破 坏 较 严 重 破 坏深 度 约 有 几 厘 米 ，在 混 凝 土质 量 较 差 或 衬 砌 较 薄的区域 ，山体岩石渗漏水会 渗透达到衬砌 内 表面 ，并造成内表面严重剥落 。 1 0 水 利 水 电 工 程 设 计D WR HE 2 0 1 3年 第 3 2卷 第 3期 1 4黄铁 矿 黄 铁 矿 引 起 混凝 土 劣化 比较 复 杂 ，表 现 为 综 合性侵蚀破坏 。在一定 湿度条件下 ，F e S 会被氧 化生成低 p H值 的硫酸盐溶液 ，使混凝土结构遭受 硫 酸盐 侵蚀 和酸侵 蚀 。反应 方程式 为 ： 2 F e S 2 + 7 5 0 2 + H 2 O F e 2 ( S O 4 ) 3 + H 2 S 0 4 我 国新疆 某 水利枢 纽发 电洞 竖井 【 l 1 是 其 中的一 例。竖井岩壁竖直方向分布有裸露的矿脉带 R ml ， 宽 2 0 5 0 c m在 矿 脉 带 内 ，高程 6 0 1 0 m 以下 为 黄铁矿 ，高程 6 0 1 0 m以上为黄铁矿氧化后形成 的 黄钾 铁 矾( 3 5 4 0 ) 。竖 井混 凝 土 受 到 酸侵 蚀 、 硫酸盐侵蚀和镁离子结 晶侵蚀等综 合性强侵蚀破 坏 ，多处严 重渗 漏 。 1 5 混 凝土原 材料 水 泥 熟 料 中 常 含 有 一 定 数 量 的 硫 酸 根 离 子 。 大部分硫酸根离子存在 于贝利特相 ，其次是 阿利 特 相 和铝 相 ，在 铁 相 中 的含 量 可 以忽 略 。熟 料 中 的硫酸盐慢慢转移到液相 中，在 S O 含量超标时 ， 就具有潜在危害性。在 复合水泥 中掺入的混合材 料中也可能含有一定数量的 S O ，如脱硫塔处收集 的粉 煤灰 可 能 含 有 大量 的硫 化 物 主 要 是 亚硫 酸 钙 。 骨 料 中 可能 含 有 硫 酸 盐 或硫 化 物 。含 石 膏 骨 料引起混凝土 内部硫酸盐侵蚀特征为 ：钙矾石 等 侵蚀产物富集在边缘为石膏富集 区的骨料与基体 的界 面过 渡 区 并 向基 体 扩展 ，造 成 界 面 过 渡 区 和邻近的基体结构疏松 。显微硬度降低 ，围绕骨 料形成立体空心 圆球形的腐蚀产物生成 区。钙矾 石 等 侵蚀 产 物 分 布 规 律 表 现 为在 临近 骨 料 的界 面 过 渡 区含量 很 高 基 体 内 相对 较 低 ，距 离 骨 料越 远 ，腐蚀 产 物 含 量 就 越 少 。骨料 中含 有 的硫 化 物 较 典型 的是铁 矿石 F e S ，这种破 坏 与黄铁矿 相 似 。 用 作 拌 合 水 的 自来 水 或 地 下 水 硫 酸 盐 含 量 可 能超 标 。引发 内部 硫 酸 盐 侵 蚀 ，应 该 引起 足 够 重 视 2 侵蚀破坏特征 2 1 黄 河上游 某水 电站 黄 河 上 游 某 水 电 站 地处 土壤 对 混 凝 土 材 料 具 有强腐 蚀性 的 内陆盐 土地 区 。在大 坝底 部 1 5 4 7 0 0 m高程处设 有灌浆廊道 ，灌浆廊道内几乎所有 的 引 流管 和 裸 露 预埋 钢 筋 件 都 遭 到 不 同 程度 的锈 蚀 破坏 ，排水沟底出现多处起鼓开裂现象 ，排水沟 壁砂浆大面积开裂 、剥落 ，局部呈泥状 ，无强度 ， 且表 层有 白色结 晶盐析 出。 2 2 西 部某输 水灌溉 工程 工程地处沙漠边缘 ，属于低降雨 、高蒸发 的 干旱 地 区 ，昼夜 温 差 大 。灌 溉 造 成局 部 地 区地 下 水位 上 升 ，产 生严 重 的次 生 盐 碱 化 ，随着 水 分 蒸 发 ，高度矿化的地下水 中的盐分不断在地表积累 ， 渗入混凝土结构中 ，造成侵蚀破坏 。泵站护栏墙 壁表面析出大量 白色结晶盐 ，砂浆层开裂 、剥落 ， 输水 管 混 凝 土 支墩 表 面析 出结 晶 盐 局部 开 裂 剥 落粉化 ，骨料外露 ；泵站厂房地下室内积水 ，地 板 表 面 和柱 体 底部 破坏 较 严 重 ，剥 落 混凝 土 块 零 散分布 ，浸在积水中。 2 3湖北某 隧道 工程 隧 道 洞 身 穿 过 的 地 层 围 岩 主 要 为层 状 泥 岩 、 泥质 泥 岩 、泥质 灰 岩 、层状 灰 岩 和 白云质 灰岩 等 。 施 工 过 程 中 选 用 了 山体 开挖 出 的部 分 岩 石 破碎 而 成 的机 制 骨 料 ，其 中 的含 石 膏 白云 岩 造成 了 内 部硫酸盐侵蚀 。隧道排水 沟局部混凝土开裂 、软 化 强 度 已部 分 或 全 部丧 失 ：部 分 仰 拱 及仰 拱 回 填 混凝 土 已成 泥 浆 状 ：局 部 地 段 拱 部 及 边墙 混凝 土 出现 纵 向 、斜 向及 网状 裂 纹 ，两 处 拱 顶 剥 落 ， 钢 筋 外 露 ：部 分 地 段 路 面 出现 断 裂 和 隆 起 现 象严 重 ，板 间 最 大 开 裂 为 1 5 c m，最 大 凸 起 为 3 4 c m； 部 分 板 内 裂缝 纵 横 交 错 ，呈 网状 分 布 ：隧 道 二 次 衬 砌 局 部 渗水 、滴 水 现 象 明 显 ：探 槽 与 钻 孔 揭 示 隧道仰 拱和铺 底下 部 出现空洞 l l2 1 。 2 4西部 某水 电站 山体 衬砌 混凝 土工程 枢 纽 坝 址 区 位 于祁 连 山背 斜 带 东 南 边 缘 ，属 中生 代 、新 生代 内陆 断 陷 带 。坝 区 出露 的地 层 为 白垩 系 红 色 岩层 及 松 散 沉 积 物 ，两 者呈 角 度 不 整 合接触 。坝顶左侧 山体表面铺设 的衬砌选用 C 2 0 混凝 土 ，最 厚处 厚 度 达 到 1 m左 右 ，衬 砌 顶 部 设 有排 水 管 道 ，渗流 水 经 排 水 管 道 再 由公 路 排 水 沟 排 出 。 山体 渗水 较 严 重 ，表 面 分 布 多处 白色 结 晶 盐层 。衬 砌 表面 有水 渗 出 ，析 出大 片 白色结 晶盐 ， 局部混凝土表面剥落 。钢筋裸露 ，衬砌表 面沥青 防护层被腐蚀 ，起鼓剥落 ；坝体左岸排水 沟侧壁 和底部砂浆大面积开裂 、剥落和粉化 ，表面和裂 缝 中析 出大量结 晶盐 。 3 防护措施 3 1 影响 因素 混凝土硫 酸盐侵蚀 的影响因素 比较复杂 ，总 体来说可以分为 内因和外因 ，即混凝土本身的性 邢 志水等 简 述 工 程 混 凝 土 硫 酸 盐 侵 蚀 破 坏 特 征 及 其 防 护 措 施 能和混凝土所处 的环境条件 。提高混凝 土本 身的 性能是研制抗硫 酸盐侵蚀混凝 土的出发点 ，主要 控制胶凝材料 的化学成分 和混凝 土抗渗性 能 。胶 凝 材料 化 学 成 分 主要 取 决 于 水 泥 的化 学 成 分 和矿 物 组成 、矿 物 掺 合 料 种 类 和掺 量 ，而影 响 混凝 土 抗 渗性 能的因素主要是水灰 比、混凝 土孑 L 隙率及 孔径分布 、密 实度以及外加 剂等。这两方面都很 重 要 ，不 能厚 此 薄 彼 。影 响 混凝 土硫 酸 盐 侵 蚀 的 环境条件主要包括 ：侵蚀 溶液中 S 0 4 2 一 的浓度 、温 度 、p H值 、共存离子以及养护条件等。 3 2防护措 施 混凝土硫 酸盐 侵蚀受 内外多种 因素 的影 响 ， 比较复杂 ，应 采用综合性防护措施 ，即提高混凝 土本身的性 能 隔离或改善混凝土与环境水 的直 接接触情况。提高混凝 土本 身的性 能主要 控制胶 凝材料的化学 成分 和提高混凝 土抗 渗性 能。隔离 或 改 善 混凝 土 与 环境 水 的 直 接 接 触 主要 在 混 凝 土 表 面涂刷 防 护层 。 选用抗硫酸盐侵蚀水泥 ，减少 C A和 C 4 A F的 含量 ，控制 C S C 2 S比值 ，控制熟料冷却速率 ，改 善 C ， A的形 态 ；选择优质矿物掺合料 ，控制活性 铝 的含量 优 化颗粒级配 ：根据骨料的类型和颗 粒级配 ，优化混凝 土配合 比， 选用低水胶 比提 高 混 凝 土 密 实 度 ，控制 混凝 土 内部 的 孔 径 分 布 和 孑 L 隙率 ，提高混凝土的抗渗性能 ；科学规范施工 ， 保温保湿养护 ，提高混凝土强度和耐久性 保证 混凝 土质量 ，满足各项指标 ；根据工程环境条件 ， 选用合适 的表面防护措施 ，隔离环境水 。 4结语 ( 1 )工程 混凝 土硫 酸 盐侵 蚀 主要 由城市 污水 、 地下水 、山体渗漏水 、黄铁矿和混凝土原材料等 侵蚀源造成的 ，侵蚀破坏形式随侵蚀源的类型不 同 而呈 现不 同的规律 。 ( 2 )工 程 混凝 土 硫 酸盐 侵 蚀 破坏 主 要 特 征是 ： 基体开裂，表层剥落，结构松软粉化； 内聚 力严重减 弱 ，强度降低 ，甚至丧失 ，呈泥状 ； 长期侵蚀条件下 ，出现开裂 、剥落及无强度等综 合性破坏形式 ； 结构破坏的 同时 ，裂纹 内或基 体表面常析出白色结晶盐 。 ( 3 )混 凝 土 硫 酸 盐 侵 蚀 是 一 个 复 杂 的 物 理 化 学 变化 过程 ，受 内外 因 素 的 双 重影 响 ，应 从 原 材 料选择 、配合 比设计 、施工管理 以及后期 防护处 理等方面综合防护 参考文 献 1 J a n S ， S k a l n y M， 0 I v a n S u l f a t e A t t a c k o n C o n c r e t e M N e w Yo r k ：S p o n P r e s s ，2 00 2 2 Hi me W G ， Ma t h e r B 、 S u l f a t e a t t a c k ， o r i s i t J C e me n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 1 9 9 9 ， 2 9 ( 5 ) ： 7 8 9 - 7 9 1 3 L e e ma n n A， L o s e r R A n a l y s i s o f c o n c r e t e i n a v e r t i c a l v e n t i l a t i o n s h a f t e x p o s e d t o s u l f a t e - c o n t a i n i n g g r o u n d w a t e r f o r 4 5 y e a r s J C e me n t a n d C o n c r e t e C o m p o s i t e s ， 2 0 1 1 ， 3 3( 1 ) ： 7 4 - 8 3 4 马孝轩， 仇新刚， 陈从庆 混凝 土及钢筋混凝土土壤腐 蚀数据积 累及规律性研究 J 建筑科学， 1 9 9 8 ( 1 ) ： 7 - 1 2 5 李兴濂 ，王光雍 ，孙嘉瑞 ，等 三峡地 区材料 3 3年土壤腐 蚀行为研究 J 腐蚀科学与防护技术， 1 9 9 5 ( 1 ) ： 1 - 9 6 马孝轩 ，陈从庆 ，仇新 刚 硅酸盐材料在地下耐久性试 验研究 【 J 1 混凝土与水泥制品， 1 9 9 5 ( 4 ) ： 8 - 1 1 7 马孝轩， 仇新刚， 陈从庆 混凝 土及钢筋混凝土材料 在地下的耐 腐蚀性研究 f J 混凝土与水泥制品， 1 9 9 7 ( 6 ) ： 6 - 1 1 8 仇新刚， 马孝轩， 孙秀武 钢筋混 凝土在滨海盐 土地 区腐蚀规律 试验研究 J 建筑科学， 2 0 0 1 ( 6 ) ： 4 1 4 3 【 9 马孝轩， 仇新刚 秀武 钢筋混凝 土桩在沿海 地区腐蚀规 律试 验研究 J 混凝土与水泥制品， 2 0 0 2 ( 1 ) ： 2 3 2 4 1 O 】王柏源环境 水对 水工混 凝土硫 酸盐侵 蚀破坏 的实例及研 究 J 大坝观测 与土工测试， 1 9 8 5 ( 2 ) ： 8 - 1 2 1 1 孙兆雄， 葛毅雄 天然硫酸环境水对混凝土 的侵蚀 例析 J 新 疆农业大学学报， 2 0 0 3 ( 2 ) ： 6 5 7 1 1 2 龚彦峰 ，t Y r O l ，阳习丰 ，等 十字垭隧道病害整治工程修改 初步设计 Z 武汉 ：铁路第 四勘察设计院 ，2 0 0 6 作 者 简 介 邢 志水 男 助理 工程师 中水 北方勘测设 计研究有 限责 任 公 司 天 津3 0 0 2 2 2 金 琼 女 教授级 高级工程 师 中水北方勘 测设计研 究 有 限责 任 公 司 天 津3 0 0 2 2 2 宋金利 男 工程 师 天津 市滨海新 区塘 沽水利工程公 司 天 津3 0 0 4 5 1 ( 收 稿 日期 2 01 3 0 6 1 9 ) 书 讯 欢迎订阅 灌溉与水工建筑物 由中水北 方勘测设计 研究有 限责 任公 司张 宝瑞 等翻译 的 灌溉与水工建筑 物 一书已出版发行 。 本书是巴基斯坦水 资源技术委员会 委员 、 原拉合尔 工程技术大学 教授 、 现任卡 拉奇工程技 术大学教授 的 I q b a l A l i 博 士根据多 年的科研及 工程经验 ， 为灌溉工 程专业 的学 生 、 设 计人员编 写的一本 内 容全面的综合性参考书。全面介绍 了巴基斯坦现代灌溉系统 工 程设计 的经验 ， 较完 整地反映 了其 灌溉设计水 平 ， 论述 的 范 围包括灌溉 系统基本理论 、 设计原理和工程实践 。本书定 价 ： 4 9 0 0元 ， 预 购者 ， 直接 邮汇 至 水 利水 电工程设 计 编辑 部 ， 地 址 ： 天津市河西 区洞庭路 6 0号 ， 邮编 ： 3 0 0 2 2 2 ， 联 系电 话 ： 0 2 2 2 8 7 0 2 8 5 4