混凝土抗硫酸盐

混凝土抗硫酸盐侵蚀研究进展

在影响混凝土耐久性的因素中，硫酸盐侵蚀破坏更为受到了混凝土科技工作者的关注，被认为是引起混凝土材料失效破坏的四大主要因素之一。硫酸盐侵蚀也是影响因素最复杂，危害性最大的一种环境水侵蚀。环境中的硫酸根离子渗入混凝土内部并与水化产物发生反应，产生膨胀、开裂、剥落等现象，从而使得混凝土强度和粘性降低并丧失。如何预防和减轻硫酸盐对混凝土的侵蚀破坏一直是混凝土耐久性研究的一项重要内容。对混凝土结构侵蚀的硫酸盐环境水主要分为:水中的硫酸盐对混凝土结构的腐蚀，包括温泉水、地下水，盐湖水及海水等；土壤中的硫酸盐对混凝土结构的腐蚀包括内陆盐土壤滨海盐土壤两大类。

3.1 混凝土硫酸盐侵蚀机理

混凝土硫酸盐侵蚀破坏的实质，是环境水中的SO

4

2-进入混凝土内部，与水泥

中的Ca(OH)

2

发生反应生成难溶性物质，这些难溶性物质由于吸收了大量的水分而产生体积膨胀，从而使混凝土结构产生破坏。混凝土硫酸盐侵蚀可以分为两大类:物理性侵蚀和化学性侵蚀。

(1)混凝土硫酸盐物理性侵蚀

混凝土酸盐物理性侵蚀，实际上是混凝土在潮湿状态下，通过毛细作用吸进

各种可溶性溶液，在干燥条件下经蒸发、浓缩而结晶。混凝土中的Na

2SO

4

;和MgSO

4

从水中结晶，形成Na

2SO

4

·10H

2

O和MgSO

4

·7H

2

O晶体。

Na

2SO

4

+10H

2

O→Na

2

SO

4

·10H

2

O (l-1)

MgSO

4+ 7H

2

O→MgSO

4

·7H

2

O (1-2)

这个过程体积膨胀了4-5倍，产生的膨胀压力超过混凝土的抗拉强度时，就引发混凝土的开裂与破坏，这种破坏通常发生在干湿循环区。

(2)混凝土硫酸盐化学性侵蚀

由于在侵蚀过程中的阳离子不同，反应机理也不同，因此一般把硫酸盐侵蚀分为两类:一般硫酸盐侵蚀和镁盐侵蚀。而一般硫酸盐侵蚀又因为生成产物不同，

可以分为钙矾石(3CaO·Al

2O

3

·3CaSO

4

·32H

2

0)膨胀侵蚀，石膏(CaSO

4

·2H

2

O)膨胀

侵蚀，和碳硫硅钙石(CaSiO

3·CaSiO

3

·CaSO

4

·15H

2

O)膨胀侵蚀等三种破坏类型。

a.钙矾石型硫酸盐侵蚀

环境水中的SO

42-通过毛细孔进入混凝土内部，与水泥中的氢氧化钙(Ca(OH)

2

)

和水化铝酸钙(4CaO·A1

20

3

·13H

2

O)生反应生成水化硫铝酸钙

(3CaO·A1

2O

3

·3CaSO

4

·32H

2

0，钙矾石)，其反应方程式为:

4CaO·A1

20

3

·13H

2

O+3(CaSO

4

·2H

2

O)+14H

2

O

→3CaO·A1

20

3

·3CaSO

4

·32H

2

0+Ca(OH)

2

(1-3)

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渭状析出，放射状向四方生长互相挤压而产生极大内应力，致使混凝土结构物受到破坏。钙矾石膨胀破坏的特点是混凝土试件表面出现少数较粗大的裂缝。

b.石膏型硫酸盐侵蚀

许多研究者都发现，当侵蚀溶液中SO

4

2-的浓度大于1000mg/l时，若水泥石的毛细孔为饱和石灰溶液所填充，不仅会有钙矾石生成，而且还会有石膏结晶析出。其反应方程式为:

Ca(OH)

2+ Na

2

SO

4

+2H

2

O→CaSO

4

·2H2O+2NaOH (l-4)

Ca(OH)

2+ MgSO

4

+2H

2

O→CaSO

4

·2H

2

O+Mg(OH)

2

(l-5)

石膏的结晶会引起膨胀，体积变为原来的1.24倍，混凝土受到膨胀压力的作用而破坏。石膏结晶侵蚀的特点是试件没有粗大裂纹，但遍体溃散。

当侵蚀溶液中SO

42-浓度在l000mg/l以下时，只有钙矾石结晶形成;当SO

4

2-

浓度逐渐提高时，开始平行地发生钙矾石-石膏复合型的结晶，两种结晶并存，只有SO

4

2-浓度非常高时，石膏结晶侵蚀起主导作用。事实上，若混凝土处于干湿

交替状态，即使SO

4

2-浓度不高，石膏结晶侵蚀也往往起着主导作用，因为水分蒸发使侵蚀溶液浓缩，从而导致石膏结晶的形成。在试验室采用干湿交替试验方法时得出的生成物往往是石膏，而一般实际工程中钙矾石为主要生成物，所以试验室的模拟试验和实际工程有一定偏差。

c.碳硫硅钙石型硫酸盐侵蚀

碳硫硅钙石型硫酸盐侵蚀，简称为TSA(the thaumasite form of Sulfate attaek)。是近些年才被国内外科学工作者广泛认知的一种特殊硫酸盐侵蚀。研究表明，一般低于15℃温度时，水泥砂浆或混凝土在有充分水源和碳酸盐的环

境下浸泡，SO

4

2-与C-S-H凝胶反应而形成，易形成碳硫硅钙石。其反应方程式为: