混凝土硫酸盐侵蚀破坏机理与预防措施.pdf

1 2 2 低温建筑技术 2 0 1 0年第 9 期( 总第 1 4 7 期) 混凝土硫酸盐侵蚀破坏机理与预 防措施 曾京生 ， 郑俊 ， 费成欣 ( 中交集团第一公路工程局有限公 司 。 北京1 0 0 0 2 4 ) 【 摘要】 根据腐蚀产物将水泥混凝土硫酸盐侵蚀分为钙矾石型和碳硫硅酸钙型两大类， 分析了不同类型 硫酸盐侵蚀的发生条件、 化学反应机理和混凝土外观破坏特征， 并从原材料选择、 配合比设计等方面提出不同类 型硫酸盐侵蚀破坏的预防措施， 从而为实际混凝土工程硫酸盐侵蚀破坏原因分析和耐久性设计提供参考。 【 关键词】 硫酸盐侵蚀 ； 腐蚀产物； 破坏机理； 预防措施 【 中图分类号】 T U 5 2 8 0 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 0 ) 0 90 1 2 2 0 3 硫酸盐侵蚀是指硬化水泥石 中的水化产物与来 自环境 中或混凝土 自身的硫酸 盐发 生物理 、 化 学反应 而引起 的混凝 土结构 劣化 、 破坏 现象 的总称 。除 了 硫酸钡外， 绝大多数硫酸盐都对水泥混凝土产生侵蚀 作用 。通常 ， 海水 、 地下水 中含 有大量 的硫酸 盐 ， 风化 的土壤中F e S等氧化形成了硫酸盐 ， 硫酸胺化肥生产 的排污 、 多施肥土壤 中的雨水 、 高硫燃料燃烧后 的灰尘 和气体等都会成为混凝 土受 侵蚀破 坏的硫 酸盐来 源 ， 因而硫酸盐侵 蚀是 一 种 比较 普遍 的混凝 土耐 久性 破 坏形式 。我 国是混凝 土硫酸盐 侵蚀 的 多发地 区， 沿 海 地区、 西北地区、 西南地区的混凝土建筑物均存在硫酸 盐侵蚀而引起破坏的工程实例 。我国的北部、 西部 地 区如松嫩平原 、 吉林 、 甘肃、 青海 、 四川等地 都存在硫 酸盐 富含 区 ， 因此研究混 凝土硫酸盐 侵蚀对我 国基础 建设具有重要意义 。众所 周知 ， 硫酸盐 侵蚀对 混凝土 的破坏主要表现为膨胀、 开裂、 剥落直至解体， 因而它 对结构 的破坏性较 大 ； 混凝 土硫酸盐侵蚀 除了与外界 硫酸盐种类 和浓度 有关 ， 还与其它离子 的存 在和气候 条件 有 关 ， 除 了钙 矾 石 ( 3 C a O A 1 O 3 C a S O 3 2 H O ) 之外 ， 混凝 土受硫酸盐侵蚀还可能形成碳硫 硅酸钙 ( C a C O C a S i O C a S O 1 5 H ， O ) ， 不 同腐 蚀产 物所对 应 的混凝 土内外部 条件 和反 应机 理是 完 全不同的 ， 所应采 取的预防措施 也不尽 相同。因此 ， 文 中根据腐蚀产物将硫酸盐侵蚀分为两种类型， 并分别 ( 2 ) 墙体钻 孔时 ， 应 按设计 要求先 画线标 出穿 墙 筋位 置 ， 并应采用 电钻 打孔 ， 穿墙 孔直径宜比 s 形筋 大 2 m m， 钢 筋 插 入 孔 洞 后 应 采 用 高 标 号 水 泥 砂 浆 填实。 ( 3 ) 铺设钢筋网片时， 竖向钢筋应靠墙面并用 钢筋头支起 ； 应保证竖 向钢筋 锚固于混凝土条基之 中。 ( 4 ) 抹水泥砂浆并养护。抹水泥砂浆时， 应先 在墙面刷水泥砂浆一道在分层抹灰， 且每层厚度不应 超过 1 5 ra m； 面层应浇水养护 ， 防止 阳光暴晒 。 4 5 碳纤维布加 固楼板 ( 1 ) 找平处理。用环宇修复材料将表面凹陷部 位修复平整。 ( 2 ) 粘贴碳 纤维布 。按一 定 比例配 置浸渍树 脂 胶 ， 一次 配置量应根据 现场 温度 、 施 工条 件确定 ； 首 先 按现场实际长度裁剪碳纤维布； 然后将浸渍树脂胶均 匀涂抹于所要粘贴的部位 ； 用特制刮板沿纤维方向挤 压， 挤出气泡， 并使浸渍树脂充分浸透碳纤维布； 粘贴 第二层布应等纤 维 表面 浸渍 树 脂指 触 干燥后 立 即进 行； 最后均匀涂抹浸渍树脂粘贴横向碳纤维布。 ( 3 ) 表 面 糙 化。为 了保证 玻 璃 丝 布表 面 粗糙 度， 使其与上层构造层粘结牢固， 在浸渍树脂干燥之前 表面均匀撒上干砂 。 5 结语 该工程加固方案合理、 施工操作方便、 工期短。经 过加固整修， 既满足了安全要求， 又保持了建筑外貌 ， 经济合理， 经过一年多的使用， 情况 良好， 达到了投资 方预期 目的， 受到业主好评。该项 目的成功 ， 给此类 工 程一些借鉴 ， 取得 了良好的综合效益 。 参考文献 1 0 3 S G 6 l 1 ， 砖混结构加固与修复 s 【 2 C B 5 0 3 6 7 2 0 0 6 ， 混凝土结构加固设计规范 s 3 D B J 0 8 2 9 2 9 2 ， 现有建筑抗震鉴定与加固设计规范 s 4 马杰 某砌体结构旅馆 的加固设计 J 四川建筑科学研究 ， 2 0 0 9， ( 1 ) ： 9 4 9 5 ， 1 0 4 。 5 何建 砌体结构房屋墙体加固技术及其应用 J 四川建筑， 2 0 0 9， ( 4 ) ： 1 3 61 3 7 ， 1 4 0 收稿 日期 2 0 1 00 42 I 作者简介 刘凌 云( 1 9 7 4一) ， 女， 湖南周 口人 ， 研究方 向： 建 筑结构教学与设计。 曾京生等 ： 混凝 土硫酸盐侵蚀 破坏机理 与预 防措施 1 2 3 探讨其 发生条件和反应机理 ， 并提出相应的预防措施 。 1 硫酸盐侵蚀分 类与发 生条件 根据硫酸盐来源， 混凝土硫酸盐侵蚀可分为内部 侵蚀与外部侵蚀 ， 内部硫 酸盐侵蚀 主要 是指早 期受 高 温养护的水泥制品中因延迟钙矾石形成而导致 的破 坏 ； 通 常所 说 的硫 酸盐 侵蚀都 是指 外部 硫 酸盐侵 蚀 。 根据水泥水化 产物 是 否与 硫酸 盐 发生 化学 反应 生 成 新 的物质 ， 又可将硫 酸盐侵蚀分 为物理 侵蚀 破坏 和化 学侵蚀破坏两大类 。实 际工程 中 ， 以外 部硫 酸盐来 源 引起 的化学侵蚀最 为普 遍 ， 因此通常未 加特殊 定义 时 均指这类侵蚀 。由于材料组成 与外界 环境 条件差 异 ， 混凝土受硫酸盐 侵蚀的腐蚀 产物组成 并不 完全相 同， 从而引起混凝 土 宏观 性能 的衰变 规律 和外 观 特征 也 不同。除了长期以来得到普遍认可的钙矾石与石膏之 外 ， 碳硫硅酸钙则是 最近几年得 到 国际上认 可 的另 一 种混凝 土硫酸盐腐蚀产物 ； 实际工程 中 ， 混凝 土受硫酸 盐侵蚀通 常生成 以某一 种腐蚀产物为 主的混合物 。因 此 ， 根据腐蚀产物组成 ， 可以将硫酸盐侵蚀分为钙矾石 型和碳硫硅酸钙 型。 当混凝 土受 到外 界硫 酸盐 介质 侵 蚀并 有充 足 水 存在时 ， 便会与水泥 中的铝相组份反应生成钙矾石 ， 导 致混凝土开裂破坏 。对 于钙矾石 硫酸 盐侵 蚀来说 ， 硫 酸盐浓度越高 、 外界温度越高时 ， 破坏越严重 。而碳硫 硅酸钙型侵蚀 的发生条件除了要有足够的硫酸盐与 水外 ， 还需要 有来 自外界 或 混凝 土 自身 的碳 酸 盐 ( 如 碳化 、 石灰岩 质骨 料或 掺合 料等 ) 以及 较低 的温度 条 件( 通常认 为低 于 l 5 o C) 。尽 管实 验室 研究 也发 现 在高于 l 5 时也会有碳硫硅酸钙 型硫酸盐 侵蚀发 生 ， 但是所有这类破坏 的实际工程均处于较低温度下 。 2不 同硫酸盐侵蚀 的破坏特征 2 1 钙矾石型 来 自外界环境中的 S O 离子通 过孔 隙或裂缝 往 混凝 土中迁移和扩散 ， 与水 泥石中的 C a ( o H) 作用 生 成硫酸钙 ， 硫酸钙再与水泥石中的水化铝酸钙或单硫 型硫铝酸钙水 化反应生 成三硫型 水化硫 铝酸 钙 ， 即钙 矾石 。由于钙矾石是 溶解度极 小 的盐类 矿物 ， 在 化学 结构上结合 了大量的结 晶水 ， 其体积 约为 原水化 铝酸 钙的2 5 倍 ， 使固体体积显著增大， 加之它在矿物形态 上是针状 晶体 ， 在原水 化铝酸钙 的 固相 表 面成刺猥 状 析 出， 放射状 向四周生长 ， 互相挤压而产生极大 的内应 力 ， 从而导致混凝土结构物的膨胀开裂 。因此 ， 钙矾石 型侵蚀 破坏 的特点 是混 凝 土表 面 出现 少数 较粗 大 的 裂缝 ， 边角处出现明显剥落、 缺损。 2 2碳 硫硅酸钙型 早在 2 0世纪 6 0年代 ， E r l i n和 S t a r k 就首次发现并 报道 了受硫 酸盐 侵蚀 的水 泥基材 料 中存 在碳 硫 硅酸 钙晶体 ， 但 长期 以来 并 没 有 引起 人 们 的重 视。直 到 1 9 9 8年 ， 英 国成 立 了关 于 此 类 破 坏 研 究 的专 家 组 ( T E G ) ， 才正式将其归为一类特殊的硫酸盐侵蚀 。 其反应机理为： 在适当环境条件下， 硫酸盐、 碳酸盐与 水泥中的水化硅酸钙 C S H凝胶体发生反应 ， 生成无胶 凝性的碳硫硅酸钙。这种侵蚀直接导致了水泥石中的 主要强度来源 C S H凝胶体 的分解 ， 使水泥石最终 转变 为一种 白色 、 果 肉状 的烂 泥 ， 使 水泥 石 与周 围 的骨 料颗粒结合松散 ， 混凝 士结构 强 度很低 ， 一捏 即碎 ， 如 图 1 所 示。由于这类 侵蚀 所需 的碳酸盐经常来 自于混 凝土所使用的石灰岩质骨料 ， 因而混凝土中可能形成 充满碳硫硅酸 钙 的平 行裂 缝 和 围绕 着骨 料颗 粒 的碳 硫硅酸钙 白色光晕 。值 得注意 的是 ， 这类硫 酸盐侵 蚀 的产物形貌也为针状 晶体 图 2所示 ， 通常仅 凭光学 与 电子显微镜法很难进行辨别 ， 必须通过红外光谱 、 拉曼 光谱等共同鉴定。这种破坏并不象前一种破坏能够引 起宏观上较为 明显 的膨胀 、 开裂 ， 便 于检 测及观察 ， 而 是一种渐进式 、 强度迅速降低 的解体破坏形式 。 图 l 某桥墩因碳硫硅酸钙型硫酸盐盐侵蚀而破坏 图 2 混凝土受腐蚀后产生的碳硫硅酸钙晶体 3 不 同硫酸盐侵蚀破坏 的预防措施 3 。 1 钙矾石型 从化学组成方面 ， 钙矾 石 的生成 是 由于混 凝土 中 存在大量非稳定的铝相 成分 ， 同时钙矾 石 的生 成是 以 水泥石 中大 量游 离 氢 氧化 钙 为基 础 的， 因此 采用 低 c ， A、 c ， s含量的抗硫酸盐水泥可明显减轻钙矾石型硫 酸盐 侵蚀 破 坏 。但 也有 研 究 表 明 ， 即使 采 用 零含 量 c ， A的水泥也未 幸免 于硫酸 盐侵蚀 ， 这是 由于铁 酸盐 相 可能也会与硫酸盐反应 生成钙 矾石和单硫 型盐。设 l 2 4 低温建筑技术 2 0 1 0年第 9期 ( 总第 1 4 7期) 法降低单方混凝土中水泥用量， 通过掺人大量高活性 矿物掺合料如矿渣粉、 硅灰和优质粉煤灰等， 使混凝土 中活性铝相组份减少 ， 同时水泥石孔隙结构得到改善 ， 可明显减轻这两类侵蚀破坏。研究表明： 掺 6 5 磨细 矿渣 的水泥混凝土几乎 不发生 钙矾石 型硫 酸盐侵蚀 ； 粉煤灰对混凝土抗硫酸盐性能的改善主要取决于其 细度、 品质等因素， 其铝含量不一定是决定因素。同 时 ， 适当提高胶凝材料中石膏含量， 使水泥石中绝大部 分铝相组份在水泥水化硬化过程中即转化为稳定的 钙矾石 晶体 ， 则 可有效避免钙矾石型硫酸盐侵蚀破坏。 从改善混凝土亚微结构方面可从 以下几方面减 轻钙矾石硫酸盐侵蚀 破坏 ： 优化水 泥石孔隙结构 ， 减 少连通大孑 L 数量， 从而降低外界有害离子的侵入和水 泥石 中氢氧化钙溶 出速 率。具体 措施包 括 ： 采用 高效 减水剂以降低水胶 比、 矿物掺合料复掺以优化胶凝材 料原始物理堆积密实度等措施。改善水泥石 一骨料 界面结构 。具 体措施 有 ： 优化 颗粒级 配 、 控 制混凝 土工 作性 以减轻混凝土内、 外泌水 现象 ； 采用特殊的搅 拌工 艺如硅灰裹石法等 ； 在修补 工程 中采用界 面增强 剂 以 提高新、 旧混凝土界面结合力等。少混凝土中原始 裂纹的产生。具体措施包括 ： 通过掺调凝剂、 减少水 泥用量控制水 泥早期 水化 温升速 率 以避 免早 期 热裂 缝； 加强早期养护、 掺适量阻裂纤维减轻塑性开裂； 掺 人长效膨胀剂、 减缩剂 等以控 制长期 收缩裂缝 的产生 。 3 2碳硫硅酸钙型 由于碳 硫硅 酸 钙 的 生 成 直 接 导 致 水 泥 石 中 的 C S H凝胶体解体破坏， 因此采用低铝低钙的传统抗硫 酸盐水泥对此类侵蚀 并没有太 大改善作用。但是此类 反应过程 中必须 有 大量 的氢 氧化 钙 和水 存在 才 能发 生 ， 因而 当掺大量矿渣 、 粉煤 灰、 硅灰 时 ， 也 可明显减轻 混凝土受侵蚀破坏程度 ， 特 别是矿 渣 +硅 灰复合 使用 时效果最佳 。有研究 表 明 ： 粉 煤灰 的加入 使这类 侵蚀 延迟发生 ， 火山灰的加入 降低 了胶凝 材料 体系 的抗侵 蚀性 ； 矿渣和偏 高岭土 的加 入能改 善水 泥的抗碳 硫硅 酸钙型硫酸盐侵蚀性能 ， 在矿渣掺量 大于 7 0 时水泥 混凝土几乎不发生这类侵蚀 破坏。由于实验室评 价这 类侵蚀破坏常采用较低 温度环境 ， 因而 采用早期 活性 较低 的粉煤灰时 ， 反而使腐蚀 加重 ， 这是 由于早期 粉煤 灰 活性未得到充分发挥 ； 而在实际工程 中， 这类 侵蚀 发 生过程相 当缓慢 ， 活性矿 物掺合 料的火 山灰反应 会随 着龄期持续发展， 因而必将有利于混凝土长期抗腐蚀 能力 。最新研究发现 ， 采用 硫铝酸 盐水 泥或硫 铝酸盐 水泥 十 普通硅酸盐水泥复合时 ， 混凝土的抗碳硫硅酸 钙型侵蚀的能力显著提高， 但目前还不清楚其具体作 用机理 。 实际工 程中 ， 发 生这 类硫酸盐 侵蚀 的碳 酸盐 主要 来 自于混凝土中的石灰石填料和骨料。根据国外研究 结果 ， 尽量采用低 于 5 石灰石粉填 料的水泥 ； 对 于混 凝土 中 的 骨 料 来 说 ， 石 灰 岩 质 粗 骨 料 量 含 量 低 于 3 0 ， 石灰岩质细骨料量含量低于 1 0 时， 碳硫硅酸 钙型侵蚀发生概率明显降低。 4结语 ( 1 ) 以腐蚀产物为依据将混凝土硫酸盐侵蚀分 为钙矾石型和碳硫硅酸钙型， 两种侵蚀分别导致混凝 土 中的活性铝相组分和 C S H凝胶 体受到破坏 ， 从 而产 生不 同形式 的外观破坏特征。 ( 2 ) 抗硫酸盐水泥可有效减 轻钙矾石 型硫酸 盐 侵蚀破坏， 但对碳硫硅酸钙型侵蚀作用不明显； 掺优质 矿物掺合料， 特别是大掺量磨细矿渣粉可有效的预防 各种形式的硫酸盐侵蚀。 ( 3 ) 当混凝 土工程处 于较低 温度 的硫 酸盐环境 条件下 ， 要特别限制使用石 灰石填料水泥 或石 灰岩 质 骨料， 以预防碳硫硅酸钙型硫酸盐侵蚀的发生。 参考文献 1 H F W T a y l o r C e m e n t C h e m i s t r y ， 2 t h E d i t i o n ： L o n d o n ， T h o m a s T e l f o r d L t d，1 9 9 7 2 王复生， 孙瑞莲， 秦晓娟察尔汗盐湖条件下水泥混凝土耐 久性调查研究 J 硅酸盐通报 ， 2 0 0 2，( 4 )： 1 6 2 1 3 M S a n t h a n a m，M D C o h e n ，J O l e k S u l f a t e A t t a c k r e s e a r c h Wh i t h e r N o w j C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 2 0 0 1 ，3 1 ( 6) ： 8 4 58 5 1 4 马保 国，高小建 ， 何忠茂 混凝 土在 S O 4 一和 C 0 3 一 共 同存 在下 的腐 蚀 破 坏 J 硅 酸盐 学报 ， 2 0 0 4 ，3 2( 1 O) ： 1 2 1 9一 l 2 2 4 5 1 D C S t a r k O e e u r r e n e e o f T h a u m a s i t e i n D e t e r io r a t e d C o n e re t e J C e m e n t a n d C o n c ret e C o m p o s i t e s ，2 0 0 3 ， 2 5 ( 8 ) ： 1 I 1 9 1 1 2 5 6 T h a u m a s i t e E x p e G r o u p T h e T h a u ma s i t e f o r m o f S u lf a t e A t t a c k ： Ri s k，Di a g n o s i s ， Re me d i a l W o r k s a n d Gu i d a n c e o n Ne w Co n s t r u c t i o n M L o n d o n ：D E T R， 1 9 9 9 7 C N o r a h T h e O C C t l lT e n c e o f t h a u ma s i t e i n m o d e r n c o n s t r u c t i o na r e v i e w J C e m e 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 0 2 ，2 4 ( 4 ) ： 3 9 34 0 2 收稿 日期 2 0 1 0一 o 4 3 O 作者简介 曾京生 ( 1 9 6 3一) ， 男 ， 北 京人 ， 高级 工程师 ， 研究 方 向： 路桥工程。