11硫酸盐的侵蚀

硫酸盐对混凝土的侵蚀：去伪存真

P.K.Mehta

加州的许多房主最近花费了几百万美元诉讼费一事，引起了美国建筑业的高度重视。这些诉讼常常涉及混凝土表面由于盐类物理侵蚀造成的剥落，而这种侵蚀被混淆为硫酸盐化学侵蚀。盐侵蚀是一种纯物理现象，它在一定条件下，例如砖、石或质量不好的混凝土暴露在碱性盐溶液，包括硫酸盐（但不局限于硫酸盐）溶液环境时会发生。此外，诉讼还包括对热养护的混凝土制品（铁路轨枕），一直认为其膨胀和开裂是延迟生成钙矾石（DEF）这种体内产生的硫酸盐侵蚀所造成的。从解释DEF造成膨胀和开裂的机理看来，似乎这种现象与以往所说的硫酸盐侵蚀存在很大的区别。

许多已发表或未经发表的，关于硫酸盐侵蚀的文献存在着相互矛盾和混淆的观点，已经引起公众的忧虑。硫酸盐侵蚀造成混凝土损伤的问题到底有多严重？它会导致结构破坏吗？由于DEF所造成损伤的机理是否就与那些外来硫酸盐侵蚀不一样？为了讨论这些问题，有必要详细浏览一下现状和新的研究成果。为了提供一些背景，本文在对选择的文献进行评述，试图解答上述问题之前，先简短地回顾一些历来在这方面的观点。

以往的一种观点

早在1915年美国标准局Wig 和Williams发表的一篇技术文章中[1]，谈到自1900年以来，美国西部贫瘠地区暴露于表面盐碱土和水环境里混凝土瓦解的原因，一直是工程师们和用户探讨的对象。作者们观察到：“在这些地区，许多混凝土结构物并没有受到盐类影响的迹象，但有些就出现受侵蚀的表征，用户们倾向于把所有的破坏现象归因为周围可见的碱所造成。于是，这种在美国东部是由于所用原材料品质不良或生产与浇注不当而造成的破坏现象，常常在西部被盐碱侵蚀作用的解释所替代。”

为了说明观点，Wig 和Williams在文章中引用了几个工程实例[2]。他们注意到：一条坐落在富硫酸钠土质上的灌溉工程经过7年的运行，一部分混凝土结构仍然完好，而另一部分就完全瓦解了，用手就可以抠下来；而且，混凝土里的孔隙被盐所填满。通过对混凝土排水渠（水里含有从土中溶解的硫酸盐）取样，并浸泡在0.1%或更大浓度的硫酸碱（钾或钠）溶液里进行的现场试验，得出以下结论：

•多孔的渠片，由于用的是比较干稠的贫混凝土拌合物，已经瓦解；

•瓦解是由于孔隙里的盐结晶引起的膨胀，以及溶液对水泥组分产生的化学侵蚀引起混凝土劣化所导致。

可见，早在20世纪初，研究者们就已经认识到暴露于碱性硫酸盐环境中的混凝土受侵蚀的基本特征；也已经知道：并非所有硅酸盐水泥混凝土都受到侵蚀，而只有那些配合比和制备不良，因此抗渗透性很差的混凝土，在暴露于某种不利的环境时，易于受到硫酸盐侵蚀；已经知道：多孔混凝土的劣化可由于碱性硫酸盐在孔隙里结晶的纯物理现象所导致，也会因水泥浆被硫酸盐溶液的渗透而分解所导致。研究者们还知道：与盐结晶相关的物理侵蚀，不限于碱性硫酸盐溶液，例如，在碱性碳酸盐溶液条件下，或者其它多孔材料，如天然石材与圬工结构上也同样发生。

至于硫酸盐引起的化学侵蚀，可以追溯到1892年，硅酸盐水泥浆体中的钙和铝相形成钙矾石会引起膨胀和开裂。在水化良好的硅酸盐或普通水泥浆里，初始的含铝相是单硫型的

硫铝酸钙和水化铝酸钙——二者在硫酸盐溶液里都不稳定。一些研究者还报道：硫酸盐侵蚀主要的含钙相形成了石膏。提出过几种机理，认为是钙矾石和石膏的形成，引起了膨胀和开裂，以及混凝土强度和粘结力丧失。在1990年，Cohen和Mather证实了上述两个假定[3]。根据其中的一个假定，和钙矾石形成相关的结晶生长压是产生膨胀的原因；根据另一假定，暴露于高pH值环境的钙矾石微晶是膨胀和开裂的原因。

1992年，Mehta发表一篇简短的评述[4]，回顾了过去60年来有关现场出现硫酸盐侵蚀的情况，从几个混凝土结构长期暴露于硫酸盐环境的实际例证可以得出结论：硫酸盐化学侵蚀的首要表征是与钙矾石和石膏（两者均由水泥水化的主要产物，即氢氧化钙和水化硅酸钙的化学分解所得）形成相关的粘结力和强度的丧失，然而通常只强调用实验室方法可以得到的与钙矾石有关的膨胀。

近十年发表的文献

下面对近10年来发表有关硫酸盐的物理侵蚀、化学侵蚀，内部与外部的DEF，以及用整体方法论对硫酸盐侵蚀问题分析的文献进行回顾。

硫酸盐物理侵蚀

1989年Novak和Colville发表了他们在加州南部对一些使用20~30年的住房屋面板进行调查的结果[5]，该地区的土壤和地下水含有高浓度的盐类，主要是硫酸钠和氯化钠。劣化的混凝土显示出实验室试验所见典型的受化学侵蚀的特征。然而，对混凝土试件的分析却表明：化学反应的产物，即钙矾石和石膏并没有发现，而在裂缝里却有大量无水硫酸钠和十水硫酸钠的白色结晶沉淀。作者提出：暴露于干燥条件下可渗水的混凝土中，含盐溶液可以通过毛细管上升到表面。

随后由于表面蒸发作用，溶液过饱和，于是盐结晶析出，产生的压力足以引起开裂。这个结合实际的研究清楚地表明：混凝土的原始质量和结构物暴露的微气候条件影响硫酸盐侵蚀的类型。土壤和水中存在高浓度硫酸盐时，任何人不能就此武断地下结论：混凝土劣化必定是由硫酸盐化学侵蚀所引起。

Haynes, O’Neill和Mehta还察觉到[6]：孔隙中硫酸盐的结晶对混凝土造成的物理侵蚀还很少被人们所注意，这是因为它常被误认为是硫酸盐的化学侵蚀所致。从现场和实验室研究得出的结果，作者们认为：混凝土由于硫酸盐结晶造成的物理侵蚀，是以表面剥落为表征的。此外，质量不良的混凝土表面逐渐地失重可能是十分显著的，但这不会导致结构破坏。

依据对圬工结构受盐结晶作用而腐朽的机理研究，Binda和Baronio讨论了受盐结晶作用引起损伤与否的微气候条件[7]，根据他们的观点，这取决盐结晶的场所，水从材料表面蒸发的速率和盐液向那里补充两者之间达到了动平衡。当蒸发速率小于水从混凝土（或圬工结构）体内向那里补充的速率时，盐结晶就在表面形成。•

显然，这种称之为风化的现象不会引起任何损伤（因为在潮湿条件下，用低等级混凝土铺筑的地面或基础经常被风化层所覆盖，但从未发现形成损伤）。只有当盐溶液通过材料的孔隙迁移速率小于蒸发率，表面下形成干燥区，孔隙里的盐结晶才会引起膨胀与成片剥落。

Binda和Baronio观察到[7]：圬工结构受盐结晶和晶体生长压作用，在溶液里所含盐类会与水结合的时候尤其严重。例如，无水硫酸钠和无水碳酸钠在形成含10个结晶水的生成物时，由于密度差很大（Na2SO4与Na2SO4•10H2O的密度分别为2.66cm3/g和1.44cm3/g），