浅谈如何提高混凝土的硫酸盐的腐蚀性

浅谈如何提高混凝土的耐硫酸盐腐蚀性

中铁大桥局集团有限公司兰武二线项目部二工区施忠张家升

提要：我国的西北、西南和沿海的许多地区地下含硫酸盐的水对混凝土有侵蚀性。分析原因，导致混凝土被侵蚀破坏主要有物理性侵蚀和化学性侵蚀两个方面。在施工黄河特大桥时，我们采取在混凝土中掺WQ系列的防腐剂以及其他相关措施，提高混凝土耐硫酸盐的腐蚀，取得较好的效果。可以推广使用WQ系列防腐剂，提高混凝土工程耐侵蚀性和工程质量。

关键词：混凝土环境地下水硫酸盐耐腐蚀

一、概述

1、自然界中使用的混凝土，由于受环境条件的影响，可能引起混凝土性能的变化，我国的西北、西南和沿海的许多地区，地下水和土壤中含有大量硫酸盐、镁盐和氯化物。由于混凝土在这种环境中使用遭受这些有害离子的侵蚀，引起硬化后水泥成分的变化，使其强度降低而遭破坏。如干湿循环、高温、低温的交替，都能使多孔结构的混凝土产生破坏，甚至导致完全崩溃。

2、我们施工的兰武铁路二线工程河口黄河特大桥地处我国的西北，位于黄河的上游段兰州西固区河口乡境内，桥位上游 1.5公里为八盘峡水库大坝，本桥处于水库影响区内。水库的畜、放水对桥位处流量影响很大，水位涨落幅度在 1.5-2.5米之间。桥位处于西北寒冷干燥地区，冬季最冷月月平均气温在-10℃，日温差较大，一般10—20℃之间。据水文地质勘测显示沿桥向有一跨越黄河支沟，该沟汇水面积较大，常年流水，水量平时不大，水质对混凝土工具硫酸盐强腐蚀性，黄河支沟从桥的22号墩、23号墩中间穿过，因此对22号、23号墩砼影响最大。本桥其它墩台处于硫酸盐中等腐蚀性区。在这种环境中使用的混凝土很容易遭受这些不利因素的影响，使混凝土的强度降低而破坏，甚至完全崩溃。

3、为了防止混凝土遭受硫酸盐侵蚀我们采取了选择C3A含量较低、水泥标号较高的水泥、严格控制骨料的级配、尽量掺入磨细粉料、在混凝

土中掺入了对混凝土有防腐阻锈作用的WQ6系列防腐阻锈剂、同时在混凝土中掺入高效减水剂、加强混凝土养护等措施。

二、混凝土受侵蚀破坏机理

导致混凝土的破坏主要有物理性侵蚀和化学性侵蚀两个方面。

1、硫酸盐类结晶的破坏

具有一定硫酸盐的环境水，在混凝土毛细管的作用下，被吸入混凝土体中，而暴露在大气中的混凝土，由于毛细管的作用，将传递水分蒸发。溶解在水中的矿物质，经浓缩而析出，从而残留在混凝土的表面和内部，呈现出白迹、白霜，使混凝土遭受硫酸盐结晶的膨胀压力，促使混凝土从表层开始破坏，其破坏首先发生在水位变化区，干湿交替地带以及单侧受水头压力的砼薄壁结构。在返潮段均遭受到侵蚀，地面上某些地段，有的霜状盐的结晶，有的地区呈现豆腐渣状，使建筑物的混凝土强度降低，最后导致完全破坏。

2、环境水对普通硅酸盐水泥的化学腐蚀

硫酸盐侵蚀：某些地区的地下水和地表水，含有硫酸盐，如硫酸钠（Na2SO4）、硫酸钙（CaSO4）、硫酸镁（MgSO4）等，环境水中的硫酸钠和普通硅酸盐水泥石中的碱性固态游离石灰质及水化铝酸钙发生化学反应，生成石膏和硫铝酸钙，产生体积膨胀，使混凝土破坏。

硫酸钠和氢氧化钙的反应式：

Ca(OH)2+ Na2SO4·10H2O→CaSO4·2H2O+2NaOH+8 H2O

这种反应在流动的硫酸盐水溶液里进行，可以一直进行下去，直至水泥中的Ca(OH)2完全被反应完。如果NaOH被积聚，反应达到平衡，只有一部分CaSO4沉定成石膏。水泥石中的氢氧化钙转变为石膏（CaSO4·2H2O），体积增加原来的两倍，产生膨胀。

硫酸钠和水化铝酸钙的反应式：2(3CaO·Al2O3·12H2O)+3(Na2SO4·10H2O)→3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O+2Al(OH)3+6NaOH+16H2O

水化铝酸钙变成硫铝酸钙时，体积增大。

环境中的硫酸镁（MgSO4·7H2O），除了能侵害水化铝酸钙和氢氧化钙之外，还能和水化硅酸钙反应，其反应式：

3CaO·SiO3·H2O + MgSO4·7H2O →CaSO4·2H2O+ Mg (OH)2+ SiO2

这一反应，是由于氢氧化镁的溶解度很低，造成饱和溶液PH值也低。氢氧化镁的溶解能度每升仅为0.01克，它的饱和溶液PH值约为10.5。这个数值低，致使水化硅酸钙有硫酸镁溶液存在的条件下，不断分解出石灰。所以硫酸镁较其他的硫酸盐，具有更大的侵蚀性。

硫酸盐的侵蚀的速度，随其溶液浓度的增加而增加硫酸盐浓度，以[SO42-]来表示。当环境水[SO42-]大于500mg/l时，环境水就有硫酸盐侵蚀。[SO42-]在1500~2500mg/l时为中等侵蚀。[SO42-]在2500mg/以上时为强侵蚀。

混凝土遭受硫酸盐侵蚀的特征是表面发白，菱角破坏，接着裂缝展开并剥落，使混凝土破碎和松散而破坏。

三、采取措施提高混凝土耐硫酸盐侵蚀

就以上两个导致混凝土遭受硫酸盐侵蚀硫破坏的机理，我们在混凝土施工中采取防止混凝土遭受硫酸盐侵蚀的措施，可以起到很有效的作用。

1、硫酸盐腐蚀的程度与水泥中的矿物成分C3A的含量有关，水泥中的C3A含量越少对耐硫酸盐腐蚀越有利，因此我们尽量选择C3A含量较少、标号较高的水泥。

2、硫酸盐腐蚀的程度与混凝土的密实程度有关，混凝土越密实耐硫酸盐腐蚀的性能就越好，因此我们在施工中严格控制骨料的级配，尽量掺入磨细粉料，使混凝土达到较高的致密性。

3、凝土中掺入了对混凝土有防腐效果、对钢筋有防锈作用的WQ系列防腐阻锈剂。WQ系列防腐阻锈剂应用了双掺技术。采用了高效阻锈材料、对混凝土有耐硫酸盐侵蚀作用的材料、磨细材料及减水剂。该外加剂主要的化学成分为SiO2和Al2O3及细磨材料，这些化学物质在混凝土中的水化产物主要是硫铝酸钙（3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O）、水化硅酸钙凝胶（C-S-H）和氢氧化铝凝胶（Al2O3·3H2O），水泥中没有游离氧化钙存在，因此水泥石在硫酸盐溶液中很难形成引起膨胀的石膏（CaSO4·2H2O）结晶。再者水泥石中的钙矾石是在水泥水化硬化过程中形成的，不会引起水泥石体积的破坏。在MgSO3溶液中，既有Mg2+和SO42-离子存在，Mg2+就不易和氧化铝凝胶反应，阻碍了Mg2+腐蚀。耐硫酸盐的腐蚀的性能好与坏还与混凝土的水灰比有关，我们的桥位于干湿交替的地区，还要遭受冻