水泥抗硫酸盐腐蚀探讨

水泥抗硫酸盐腐蚀检测方法的探讨
冯乃谦1，邢锋2，牛全林1
（1.清华大学土木水利学院，北京，100048）
（2.深圳大学土木与建筑学院，广东深圳，518000）
硫酸盐侵蚀是水泥混凝土结构病害劣化的主要原因之一。

例如青海湖周围环境中的混凝土结构，由于硫酸盐腐蚀，基本上是一年粉化，三年坍塌”。

我国的天津、河北、山东等省市，还有大片盐碱地。

在这些地方的混凝土结构物，也由于硫酸盐腐蚀而产生“烘根”。

广大西部地区，由于风蚀和硫酸盐腐蚀等综合作用，埋在轻盐渍土地带的水泥电杆，一年后即发现纵向裂缝，二年后即出现了纵筋和螺旋筋外露。

我国酸雨覆盖国土面积约40%，对我国混凝土结构物的腐蚀也十分严重。

以上事实说明，制订具有实用性，科学性与先进性的抗硫酸盐腐蚀的检测方法，对混凝土结构的耐久性设计至关重要。

1 国内外对水泥混凝土抗硫酸盐检测方法综述
（1）我国的两个标准
我国有两个标验水泥抗硫酸盐腐蚀的标准：GB/T2420-81和GB/T749-65。

前者为快速法，后期为长龄期的检测方法，对比如下：
表-1 GB/T2420-81与GB/T749-65对比
这两种方法都用小尺寸试件，使试件在溶液中浸泡时，SO42—能很快渗透扩散到内部，形成钙矾石或石膏膨胀，造成试件开裂损伤，抗折强度下降，抗蚀系数下降。

从理论上讲，36天或195天浸泡液中试件抗折强度应低于水中或蒸馏水中试件的抗折强度；也即抗蚀系数应小于1.0。

但事实上不是这样，如表-2的试验结果所示。

表-2 不用龄期的砂浆抗蚀系数（按GB/T749-65）
水中或溶液中浸泡龄期（月）
胶凝材料种类
1 2 3 4 5 6 低热水泥HPC2 1.11 1.50 1.27 1.34
山铭水泥0.86 1.08 1.18 1.19
高性能水泥HPC1 1.25 1.31 1.42 1.39
4个月浸泡的试验结果证明，随着龄期增长，三种胶凝材料的抗蚀系数不断提高。

一个月龄期时，山铭水泥的抗蚀系数为0.86，4个月龄期时也提高到1.19了。

那一种优劣不易下
结论。

实际上这两种方法的本质上是一样的；试件长度有变化，但断面尺寸没变，对SO42—扩散渗透的效果一样；成型水灰比不同，但加压成型后，这样小试件的水灰比也就基本相同了。

而且这样大的成型压力，虽是下尺寸试件，但试件密实度大，SO42—在短期内是很难扩散渗
透到里面的。

相反，小尺寸试件的试验结果离散性大，失去了评价的科学依据。

（2）日本工业标准JIS方法
该方法是按照实际使用的混凝土配合比，成型10×10×10㎝和10×10×40㎝试件，标养28天后，分别在清水中和10%Na2SO4溶液中养护，龄期3个月，6个月时，测量抗压和
抗折强度，并计算抗压强度比（抗压抗蚀系数）和抗折强度比（抗折抗蚀系数），同时测定
10×10×40㎝试件的动弹模，在水中及溶液中动弹模比应在80%以上；抗蚀系数应大于1.0。

因试件断面尺寸为10×10㎝，SO42—不易渗透到内部，故用10% Na2SO4溶液。

但大试件，
测试结果准确，且实际工程中应用的混凝土配比，实用性强。

我们用此法试验，常常出现抗压腐蚀系数和抗折腐蚀系数不一致；也即抗压的合格，有时抗折的不合格。

（3）ASTM C1012抗硫酸盐侵蚀试验方法
该法采用水泥胶砂试件评价胶凝材料抗硫酸盐侵蚀。

水灰比0.485，胶砂比1：2.5，成型25×25×285㎜的试件6条，70×70×70㎜试件9块；放入35±3℃养护箱中养护24小时，脱模后放入23℃饱和Ca(OH)2溶液中养护，待其
强度达到20MPa时，测试件初长，然后浸入5%Na2SO4溶液中养护；每隔一周测长1次；4
周龄期后每隔4周测长一次，15周的膨胀率大于0.40%者，认为发生破坏。

该方法是检测胶凝材料潜在膨胀性来评价抗硫酸盐侵蚀性能。

而且是一个供选择的性能指标。

也就是根据该方法评价胶凝材料的抗硫酸盐侵蚀性能具有实用性。

该方法测长试件的尺寸是25×25×285㎜，长度方向285㎜作为测定膨胀值的基本长度是足够的；而断面尺寸只有25×25㎜，对Ca(OH)2溶液及SO42—的渗透、扩散是可行的，
在15周的龄期内，浸泡液的SO42—是能渗透到内部的。

脱模后预先浸泡在Ca(OH)2溶液中，目的是使试件孔缝中都为Ca(OH)2所饱和；加速在Na2SO4溶液中浸泡的腐蚀过程。

这体现出该方法具有科学性。

在ASTM C1012中，9个7.0×7.0×7.0㎝的试件，脱模后浸泡于饱和Ca(OH)2溶液中，
2.5×2.5×28.5㎝试件6条也同时浸泡于饱和Ca(OH)2溶液中；7天龄期左右，将3块7.0×
7.0×7.07㎝试件进行抗压试验，强度≥20MPa后，将剩余的全部试件擦干，测长、称重，
一半试件浸于3%Na2SO4溶液中，另一半试件浸于水中；15周龄期时，除测长判断膨胀值
以外，同时还测定抗压强度比和抗折强度比，并以抗压强度比及抗折强度比为辅助判断指标。

2 检测水泥抗硫酸盐侵蚀方法的意见
（1）水泥混凝土抗硫酸盐侵蚀主要是其中的胶凝材料；因此，以水泥（包括掺合料）胶砂试件来检测是适当的。

（2）试件的胶砂比应以1：2.5左右为宜。

（3）水胶比可参考ASTM C1012标准，选为0.485。

（4）试件尺寸也可参考ASTM C1012标准，选为2.5×2.5×28.5㎝。

（5）砂子可选用0.38～0.50㎜的河砂。

（6）浸泡液Na 2SO 4溶液，仍为3%Na 2SO 4，相当于SO 42—浓度2025.0mg/L ，可以达到快速
试验的目的。

（7）为了加速硫酸盐侵蚀，可在试件脱模后放在饱和Ca(OH)2溶液中养护，待70×70×70㎜试件的强度达到20MPa 时（约1周左右），才开始测长及浸泡试验。

试件在硫酸钠溶液浸泡过程中，除了由于生成钙矾石和石膏，产生体积膨胀以外；试件的质
量还在增加，这是因溶液中SO 42—渗透进砂浆试件内部的结果。

邓德华、刘轶翔的试验证实
了这一点。

如表-3所示。

表-3 在硫酸钠溶液中试件质量的经时变化 浸泡于硫酸盐溶液中龄期（月） W/C
（%） 试件 代号
1 2 3 4 5 6 7 8 9 基准
1.0 1.6 4.2 9.7 10.4 1
2.4 20.6 － － 20%矿渣
2.4
3.3 3.8 8.3 8.6 9.3 9.1 10.2 12.7 24%矿渣
1.0 1.9
2.3 6.3 6.3 6.7 5.9 6.4 6.9 60%矿渣
1.0 1.6 1.4 5.8 5.6 5.9 5.5 5.9 6.1 45 80%矿渣
0.4 0 4.0 4.6 4.6 4.5 3.9 4.1 4.0 基准
1.2 1.7 5.3 11.5 13.3 16.2 31.5 － － 50 60%矿渣
0.5 0.4 4.5 5.3 5.5 5.5 4.9 5.3 5.4 基准
0.6 0.9 0.4 4.8 5.6 5.9 5.7 6.2 7.1 20%矿渣
0.9 1.4 1.0 4.9 6.0 6.2 5.8 6.4 7.5 40%矿渣
0.4 0.9 0.6 4.6 5.4 5.6 4.8 5.1 5.6 60%矿渣
0.1 0.5 0.1 3.8 4.6 4.9 4.1 4.4 4.7 60 80%矿渣
0.1 0.9 0.8 5.1 4.7 4.7 3.9 4.2 4.4 基准
0.5 0.8 0.2 4.7 5.3 5.5 5.3 5.5 5.9 40%矿渣
0.8 1.9 2.1 6.5 6.3 6.5 6.0 6.5 7.1 70 60%矿渣 0.5 1.3 1.2 5.4 5.0 5.4 4.6 4.8 5.0 （浸泡试件为4×4×16㎝）
表中数值表示试件在浸泡过程中的净增量（g ）。

水灰比0.45和0.5的试件浸泡到8个月时，膨胀开裂，无法测定其质量了。

也就是说，试件在硫酸钠溶液中浸泡，体积膨胀的过程，也是试件质量净增过程。

因此，在硫酸盐侵蚀试验方法中的判定指标，除了膨胀值外，还应规定相应的质量增值。

这两者是互相一致的。

3 高性能混凝土中拟制订的抗硫酸盐腐蚀标准
（1）检验对象：混凝土中的胶凝材料（包括水泥以及水泥+掺合料）
（2）胶砂比1：2.5；水胶比0.48；
（3）砂子：粒径为0.38～0.50㎜纯净的河砂；
（4）试件尺寸：25×25×285㎜的试件6条，
70×70×70㎜的试件9条；
（5）胶砂用砂浆搅拌机搅拌，振动成型。

（6）试件脱模后浸泡于饱和的Ca(OH)2溶液中；一周后，取70×70×70㎜立方块进行抗压强度试验，抗压强度（平均值）应大于或等于20MPa。

（7）将立方块及测长试件全部取出，擦干、称重和测初始长度（对25×25×285㎜试件）；然后分别浸泡于水中及3%Na2SO4溶液中；参照ASTM C1012标准规定的龄期测长、测质量增值及抗折腐蚀系数和抗压腐蚀系数。

（8）判定标准
A：15周的膨胀值＜0.4%（主要指标）
B：质量增加≤5.0%；
C：抗折腐蚀系数＞1.0
抗压腐蚀系数＜1.0
4 结束语
（1）硫酸盐腐蚀是混凝土中的水泥石，在SO42—作用下，生成钙矾石和石膏，产生体积膨胀而使混凝土开裂；检测抗硫酸盐侵蚀的方法需要体现出硫酸盐侵蚀作用的机理；
（2）试验的试件尺寸必须能在规定的检测龄期内，试件断面内全部为SO42—所渗透、饱和。

（3）试件的成型、养护及检测等环节，必须有可操作性和准确性；
（4）浸泡液的Na2SO4溶液浓度，可根据实际环境而定。