硫酸盐侵蚀对混凝土结构耐久性的损伤研究

最早进行荷载作用下混凝土和钢筋混凝土化学腐蚀研究的 是前苏联在 ２０ 世纪 ５０￣６０ 年代做的一些工作。Ｂ． Ｍ． 莫斯克文 等 在 文 献 ［１１］中 比 较 详 细 地 介 绍 了 前 苏 联 对 于 荷 载 条 件 下 混 凝 土和钢筋混凝土腐蚀情况的研究结果。资料表明， 混凝土、钢筋 混 凝 土 和 预 应 力 混 凝 土 的 抗 化 学 腐 蚀 能 力 、承 载 能 力 、变 形 能 力 与荷载条件（ 荷载水平、种类、历史等） 有密切关系。压应力对混 凝土性能的影响与荷载水平有关， 存在一个临界应力水平； 而拉 应力在任何情况下都使得混凝土渗透性提高， 导致抗腐蚀能力 下降。但该文献主要用力学指标来评价混凝土腐蚀以后的性能， 对于渗透性等耐久性指标， 没有系统性的资料和分析。
２ 混凝土硫酸盐侵蚀研究现状
硫酸盐侵蚀是混凝土老化病害的问题之一， 苏联早在 ２０ 世 纪初期就进行了硫酸盐侵蚀的研究， 并把它归为盐类腐蚀。美国
试验方法和评价指标都还存在一些缺点和不足。 早 期 的 国 家 标 准 ＧＢ ７４９—１９６５［６］基 本 上 沿 用 前 苏 联 １９５４
年 的 Ｈ１１４－５４， 采 用 １∶３．５ 胶 砂 ， 试 件 为 １０ ｍｍ×１０ ｍｍ×３０ ｍｍ 的长方形。为保证试验结果的一致性， 将试件加压成型， 在湿气
该方法的优点是有明确的评定标准， 但是该方法需要成型 的试件数量多， 试验周期长。同时， 该方法没有指明侵蚀溶液的 浓度， 没有考虑不同的侵蚀溶液浓度时侵蚀机理不同等问题［７］。
在 ＧＢ ７４９—１９６５ 的 基 础 上 又 发 展 了 ＧＢ／Ｔ ２４２０—１９８１［８］ 的测试方法， 采用 １∶２．５ 胶 砂 ， 试 件 为 １０ ｍｍ×１０ ｍｍ×６０ ｍｍ 的 棱柱形。压力成型， １ ｄ 养护箱中养护， ７ ｄ５０℃水中养护， ２８ ｄ 常 温侵蚀， 侵蚀溶液采用硫酸盐浓度为 ２％的硫酸钠溶液。还可根 据需要， 采用天然环境水， 或变更硫酸钠的浓度。以抗蚀系数表 示抗蚀能力， 抗蚀系数定义同腐蚀系数。不论 ＧＢ ７４９—１９６５ 还 是 ＧＢ／Ｔ ２４２０—１９８１， 均采用小尺寸水泥胶砂试件， 都不能完全 反 映 混 凝 土 的 硫 酸 盐 侵 蚀 能 力 ［９］。
２００８ 年 第 ８ 期（ 总 第 ２２６ 期 ） Ｎｕｍｂｅｒ ８ ｉｎ ２００８（ Ｔｏｔａｌ Ｎｏ．２２６）
混
凝
土
Ｃｏｎｃｒｅｔｅ
理论研究 ＴＨＥＯＲＥＴＩＣＡＬ ＲＥＳＥＡＲＣＨ
硫酸盐侵蚀对混凝土结构耐久性的损伤研究
黄 战， 邢 锋， 邢媛媛， 董必钦， 罗 帅 （ 深圳大学 土木工程学院 深圳市土木工程耐久性重点实验室， 广东 深圳 ５１８０６０）
Ａｂ ｓ ｔ ｒａ ｃｔ ： Ｔｈｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｄｕｒａｂｉｌｉｔｙ ｄａｍａｇｅ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｄｕｅ ｔｏ ｓｕｌｆａｔｅ ａｔｔａｃｋ ａｎｄ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｓｔａｔｕｓ ａｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ， ａｎｄ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ ｉｓ ａｌｓｏ ａｎａｌｙｚｅｄ， ｔｈｅ ｆｕｔｕｒｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓ ａｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ． Ｋｅ ｙ ｗ ｏ ｒｄ ｓ ： ｓｕｌｆａｔｅ ａｔｔａｃｋ； ｃｏｎｃｒｅｔｅ； ｄｕｒａｂｉｌｉｔｙ
１ 混凝土硫酸盐侵蚀现状
我国有三分之一的国土处于酸雨的作用下， 天津 、河 北 、山 东、青海等地存在着大量盐碱地区。在酸雨区及盐碱地区的钢筋 混凝土结构物、混凝土构件及纪念性的建筑等， 遭到了严重的腐 蚀 破 坏 。 例 如 在 青 海 的 盐 湖 地 区 建 造 的 水 泥 混 凝 土 结 构 物 ，“ 基 本上是一年粉化， 三年坍塌”。铺设在盐湖中的混凝土管道， 一半 在卤水中， 一半在空气中。空气中的部分， 一年时间即侵蚀溃散 成一团烂泥。天津曾由于盐碱腐蚀， 在 ２０ 世纪 ６０ 年代， 钢筋混 凝土电杆成片倒塌， 造成停电。在盐渍地区混凝土构件地面以上 ３０ ｃｍ 以内的部分， 都发生了严重侵蚀， 称为“烂根”； 河北省德州 一带的砖石结构建筑， 使用 １０ 年左右， 下部的墙面掉皮粉化； 贵 州有些钢筋混凝土塑像， 由于酸雨腐蚀， 变得面目全非。深圳市 有些工厂的屋面板由于酸性腐蚀而开裂渗漏。深圳市还有大部 分地区属酸性土， 中国建筑科学研究院在深圳埋设的混凝土试 件证明， １０ 年龄期的试件， 强度下降了 １０％以上。深圳是海滨城 市， 海水中除氯盐以外， 还有大量硫酸盐。
ＧＢ ７４９—１９６５、ＧＢ／Ｔ ２４２０—１９８１ 和 ＧＢ／Ｔ ７４９—２００１， 但是这些 在该环境水或该浓度的硫酸盐溶液中抗蚀性能较差。
表 １ 两种国家标准比较
ＧＢ／Ｔ ２４２０—１９８１
ＧＢ ７４９—１９６５
评价指标 试验周期 ／ｄ
抗蚀系数 Ｋ＝ Ｒ 液 Ｒ水
３６
抗蚀系数 Ｋ＝ Ｒ 液 Ｒ水
和加拿大的很多地区也含有硫酸盐土壤。加拿大的草原地区靠 中养护 １ ｄ， 淡水中养护 １４ ｄ， 然后一部分试件 仍 然 在 淡 水 中 养
近土壤表面的硫酸盐浓度高达 １％， 曾经发生过混凝土下水管、 护， 另一部分放入含有硫酸盐的环境水或人工配 制 的 硫 酸 盐 溶
排水管、混凝土基础、涵洞等的破坏情况。 关于硫酸盐作用下混凝土劣化评价方法， 我国曾先后 ３
摘 要： 介绍了因硫酸盐侵蚀引起的混凝土结构耐久性损伤现状与研究情况， 分析了其损伤机理， 对今后的研究方向作了展望。
关键词： 硫酸盐侵蚀； 混凝土； 耐久性
中图分类号： ＴＵ５２８．０１
文献标志码： Ａ
文章编号： １００２－ ３５５０（ ２００８） ０８－ ００４５－ ０５
Ｄｕ ｒａ ｂ ｉｌｉｔ ｙ ｄ ａ ｍ ａ ｇ ｅ ｏ ｆ ｃｏ ｎ ｃｒｅ ｔ ｅ ｓ ｔ ｒｕ ｃｔ ｕ ｒｅ ｓ ｃａ ｕ ｓ ｅ ｄ ｂ ｙ ｓ ｕ ｌｆａ ｔ ｅ ａ ｔ ｔ ａ ｃｋ
地表的岩石解理或裂隙处出露时， 由于水分蒸发会形成大量白 色 结 晶 。母 岩 含 硫 酸 盐 是 黄 河 中 上 游 各 水 电 工 程 地 基 的 重 要 地 质特征， 因此水利水电工程方面的硫酸盐侵蚀主要集中在西北 地区的黄河上游， １９８５ 年水电部混凝土耐久性调查组曾对全国 ３２ 座 已 建 电 站 的 混 凝 土 病 害 及 处 理 情 况 进 行 调 查 分 析［５］， 其 中 以八盘峡水电站和靖会电灌工程等最为严重。
最新颁布的水泥抗硫酸盐侵蚀试验方法 ＧＢ／Ｔ ７４９—２００１［１０］ 以膨胀率作为评价水泥抗硫酸盐侵蚀能力的指标， 该方法类似 于 ＡＳＴＭ 的试验方法。该方法还是采用小尺寸水泥胶砂试件， 并 不能完全反映混凝土的硫酸盐侵蚀能力。
关于混凝土抗硫酸盐评价方法， 目前国外已制定了相应的 抗硫酸盐腐蚀的试验标准， 如 ＡＳＴＭ Ｃ１０１２—２００６ 及日本工业 标准 ＪＩＳ Ａ１１３２。我国 ＧＢ／Ｔ ２４２０—８１ 及 ＧＢ／Ｔ ７４９—２００１ 所采 用的均为胶砂试件， 误差大， 不易评价。因此， 在研究过程中还 需要参考国外标准， 进行有关试验， 制定出我国的混凝土抗硫 酸盐腐蚀评价方法。由于服役结构都处于荷载作用下， 因此， 相 关规范有必要将荷载作为一个考查因素。
Ｕ． Ｓｃｈｎｅｉｄｅｒ 及其合作者在 １９８６ 年首先开始对水泥基材料 的荷载作用下的硫酸盐腐蚀进行研究。先后对水胶比、水泥类 型 、荷 载 水 平 、介 质 浓 度 、试 件 的 表 面 处 理 与 涂 层 、以 及 试 件 的 槽 口深度等因素对水泥砂浆、普通混凝土的弯曲强度的影响进行 了一系列研究［１３］。随后， 各国研究人员开展了相关领域的研究。
硫酸盐侵蚀是影响混凝土耐久性的一项重要内容， 也是影 响因素最复杂、危害性最大的一种环境腐蚀。１８９２ 年， Ｍｉｃｈａｌｉｓ 首先发现硫酸盐对水泥的侵蚀作用并称之为“水泥 杆 菌 ”， 实 质 上 就 是 针 状 晶 体 水 化 硫 铝 酸 钙 ［４］。 硫 酸 盐 广 泛 分 布 于 地 球 的 各 个地方， 大部分土壤中都含有一些硫酸盐， 我国西北地区发生 硫酸盐侵蚀破坏的建筑物基本上均为红色岩系地基， 沉积环境 为气候干燥条件下的内陆相碎屑构造， 其含水条件及渗透性能 受构造发育程度和填充物质的影响和制约， 岩层中常见有薄片 状、针状和团块状石膏， 由于岩石一般透水性较弱， 因 而 导 致 降 水在岩层中缓慢流动或滞留， 在渗流途中充分溶解可溶盐类矿 物 而 成 为 矿 化 度 较 高 的 氯 化 物 硫 酸 盐 型 水 。这 种 地 下 水 有 时 在
由图 １ 可见， 硫酸盐侵蚀是导致混凝土结构劣化的重要因 子， 必须深入研究， 争取对策， 这对我国十分重要和紧迫。
收稿日期： ２００８－ ０３－ １６
基金项目： 国家自然科学基金资助项目（ ５０３７８０５５） ； 广东省自然科学基金资助项目（ ０４０１１３１６）
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图 １ 硫酸盐腐蚀现象
０ 引言
在人们的传统观念中总是认为混凝土是耐久的材料， 忽视 了混凝土耐久性的研究， 从而在设计上也就产生了重强度设计 的思想， 因而为此付出了巨大的代价。混凝土是一种人造石， 具 有 类 似 于 天 然 石 材 的 耐 久 性 。但 混 凝 土 和 钢 筋 混 凝 土 在 使 用 过 程中， 受到土壤、水及空气中有害介质的侵蚀， 或混凝 土 本 身 组 成材料有害成分的化学和物理作用， 会产生劣化， 宏观上会出 现开裂、溶蚀、剥落、膨胀、松软及强度倒缩下降等， 严重 影 响 构 造物的使用寿命， 会使结构破坏倒塌， 甚至造成人员伤亡和经 济 损 失 等 。非 正 常 速 度 的 老 化 以 及 在 外 界 荷 载 和 环 境 条 件 下 混 凝土建筑物的损坏， 通常被称为“病害”［１］。老化和病害的出现影 响了混凝土的正常使用及建筑物的安全性， 从而产生了混凝土 的耐久性问题。据调查， 美国 １９７５ 年由于腐 蚀 引 起 的 损 失 达 ７００ 亿美元， １９８５ 年则达 １ ６８０ 亿美元［２］， 日本引以为豪的“新干 线 ”使 用 不 到 十 年 就 出 现 大 面 积 剥 蚀 开 裂 现 象 ［３］。
液中， 养护至 ６ 个月。水泥的抗蚀性以腐蚀系数表示。腐蚀系数 是 同 一 龄 期 的 水 泥 胶 砂 试 件 在 侵 蚀 溶 液 中 的 抗 折 强 度 之 比 。评
次制定了用于水泥抗硫酸盐侵蚀的试验方法的国家标准：
定准则为： ６ 个月时的腐蚀系数小于 ０．８０ 时 ， 则 认 为 该 种 水 泥
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试件尺寸 ／ｍｍ
１０×１０×６０
１０×１０×３０
ห้องสมุดไป่ตู้水灰比
０．５０
按标准稠度用水量加水
胶砂比 砂的要求
１∶２．５ 石英砂， 粒径 ０．２５￣０．６５ ｍｍ
１∶３．５ 石英砂， 粒径 ０．４０￣０．５０ ｍｍ
成型压力 ／ＭＰａ
７．８４
９．８
优缺点
试验周期短， 试件尺寸离散性大， 实用性差
试验周期长， 试件尺寸小， 离散性大， 实用性差
水泥基材料［１２（］ 特别是混凝土） 也存在应力腐蚀问题 。实际 上， 混凝土建筑物也同时遭受到力学、物理和化学的 综 合 作 用 。 自 Ｊｏｆｆｅ 在 １９２４ 年发表第一篇有关 断 裂 对 环 境 的 敏 感 性 以 来 ， １９６６ 年， Ｓｅｒｅｄａ 等人报道了相对湿度会引起水泥浆的弯曲强度的 降低现象， 特别是在 ０￣２０％的相对湿度范围内， Ｕ． Ｓｃｈｎｅｉｄｅｒ 于 １９８４ 年指出水泥基材料和其他材料一样也可能发生应力腐蚀。
ＨＵＡＮＧ Ｚｈａｎ， ＸＩＮＧ Ｆｅｎｇ， ＸＩＮＧ Ｙｕａｎ－ｙｕａｎ， ＤＯＮＧ Ｂｉ－ｑｉｎ， ＬＵＯ Ｓｈｕａｉ （ Ｔｈｅ Ｋｅｙ Ｌａｂ ｏｎ Ｄｕｒａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ Ｃｉｖｉｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｉｎ Ｓｈｅｎｚｈｅｎ， Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｃｉｖｉｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｓｈｅｎｚｈｅｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｓｈｅｎｚｈｅｎ ５１８０６０， Ｃｈｉｎａ）