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浅谈混凝土抗硫酸盐侵蚀

发布时间:2016-11-19编辑:毕业论文

论文导读:混凝土硫酸盐侵蚀的影响因素很多,如自身组成材料的因素、周围环境中侵蚀溶液的浓度以及工作环境等。
关键词:侵蚀机理,影响因素,测试方法

  在一些湖水、海水、沼泽水、地下水以及某些工业污水中,常含钠、钾、铵等的硫酸盐,它们会渗入混凝土内部并与水泥水化产物发生反应,产生膨胀、开裂、剥落等现象,从而使得混凝土结构遭到破坏。近年来,在公路、海港等工程中都发现硫酸盐侵蚀的问题,很多结构都遭到了不同程度的破坏。另外,近年来世界上很多地区也都遭受硫酸盐型酸雨的侵蚀,硫酸盐侵蚀现象也经常发生。因此,混凝土的硫酸盐侵蚀研究对工程的抗硫酸盐腐蚀有重大的意义。
  1硫酸盐侵蚀机理
  1.1 一般硫酸盐侵蚀
  海水、盐沼水、地下水中常含有钠、钾、铵等硫酸盐,其中的SO42-通过毛细孔进入混凝土内部时,与水泥中的氢氧化钙和水化铝酸钙反应生成水化硫铝酸钙和石膏。以硫酸钠侵蚀为例 ,其反应方程为:
  
  生成的高硫型水化硫铝酸钙含有大量的结晶水,固相体积增加到2.22倍。由于是在应经硬化的水泥石中发生上述反应,因此在水泥石内部产生很大的内应力,导致混凝土的破坏。当侵蚀溶液中的SO42-浓度大于 1000ppm时,不仅会有钙矾石生成,在水泥石的孔隙及骨料周围还会有石膏2CaSO4·2H2O结晶析出。造成膨胀压力,引起水泥石的破坏。
  1.2 镁盐的侵蚀
  在海水及地下水中,常含有大量的镁盐,主要是硫酸镁和氯化镁。它们与水泥石中的氢氧化钙作用:
  
  生成的氢氧化镁松软而无胶凝能力,氯化钙易溶于水,二水石膏则引起硫酸盐的破坏作用。因此,硫酸镁对水泥石起着镁盐和硫酸盐的双重腐蚀作用。
  2混凝土硫酸盐侵蚀的影响因素
  混凝土硫酸盐侵蚀的影响因素很多,如自身组成材料的因素、周围环境中侵蚀溶液的浓度以及工作环境等。
  2.1 材料因素
  材料因素主要包括混凝土的水灰比、胶砂比、骨料品种级配、水泥的品种、外加剂与掺合料等。其中,水灰比、胶砂比、骨料级配、外加剂主要是通过影响混凝土的密实度来影响硫酸盐侵蚀的。通过改善此类影响作用,并不能提高水泥混凝土的抗硫酸盐性能 ,只能延缓硫酸盐的侵蚀时间,一旦硫酸盐渗入混凝土内部,侵蚀还是会发生,而此时试件就是发生突然的破坏。而水泥品种、掺合料则主要是通过改变水化铝酸钙与氢氧化钙含量来影响硫酸盐侵蚀,使用低铝的硅酸盐水泥以及掺加了适量的矿渣、硅灰、粉煤灰能提高混凝土的抗硫酸盐性能。
  2.2 侵蚀溶液及工作环境
  2.2.1 侵蚀离子浓度
  吕林女等人的研究[2]表明,SO42-浓度越大则侵蚀速率越大,不过不是线性关系。环境对混凝土的侵蚀程度可根据硫酸盐溶液的浓度加以分级,如表1所示。
  表 1  环境水中硫酸盐对普通波特兰水泥的侵蚀等级
  

<300 300~600 601~1500 1501~5000 >5000
侵蚀等级 轻微 中等 严重 很严重

此外,如前所述, Mg2+的存在也会加重SO42-对混凝土的侵蚀作用,但如果溶液中SO42-浓度很低,而Mg2+的浓度很高的话,则镁盐侵蚀滞缓甚至完全停止, 这是因为Mg(OH)2的溶解度很低,随反应的进行,它将淤塞于水泥石的孔隙显著地阻止Mg2+向水泥石内部扩散。
  2.2.2 工作环境的影响
  工作环境的影响包括的内容较多, 其影响也比较复杂, 如冻融状态、溶液的运动状态、干湿交替等。
  当混凝土处于干湿交替状态时, 破坏的程度要加速。在干湿交替的情况下, 由于水分的蒸发而使得侵蚀溶液浓缩, 从而致使石膏结晶析出, 使混凝土发生破坏。
  葛勇等[3]的研究表明,在硫酸钠溶液中冻融干湿循环时, 混凝土的强度损失大于水中, 也大于硫酸钠溶液中单独冻融, 混凝土在硫酸钠溶液中冻融干湿循环破坏严重。因此,在多种不利因素的组合作用下,混凝土抗硫酸盐侵蚀的能力还进一步降低。
  3提高混凝土抗硫酸盐的措施
  (1) 硫酸盐主要是通过混凝土中的孔隙侵入到混凝土内部与其某些化学组分发生反应,因此,提高混凝土的密实度有利于延缓混凝土抗硫酸盐侵蚀。对此,可采用降低水灰比、合理选用外加剂以及加强施工质量的方法。
  (2) 混凝土本身的材料也与混凝土抗硫酸盐侵蚀有重要的关系,对硅酸盐系水泥来说,C3A、C3S、C2S、C4AF各种组分的含量对混凝土的硫酸盐侵蚀有很大的影响。其中C3A、C3S是两个重要指标,C3S含量高,生成过多的氢氧化钙,易于受硫酸盐侵蚀生成石膏,导致混凝土在硫酸盐环境下的过早破坏。C3A含量高,易于生成过多的膨胀性产物钙矾石,导致膨胀破坏。因此,限制水泥中C3A含量(一般为5%-8%)对提高混凝土抗硫酸盐侵蚀能力有重要作用。对此,可以在混凝土中掺入适量的粉煤灰、矿渣、硅灰活性掺合料等。
  (3)由于混凝土的抗硫酸盐侵蚀能力与周围的工作环境也有关。对此,可采用与外界环境隔离的措施,如在混凝土外层加上保护层,以隔离混凝土与外界环境的接触。
  4结语
  由于混凝土硫酸盐是一个复杂的物理化学过程,需要考虑的影响侵蚀因素有很多, 因此全面地认识混凝土硫酸盐侵蚀问题是非常重要且非常关键的工程及学术问题。目前,绝大多数的研究都只考虑一个因素或几个因素,并未考虑因素之间的相互影响。因此,混凝土抗硫酸盐侵蚀的研究还有待深入。

参考文献
[1]周士琼.土木工程材料[M].北京:中国铁道出版社,2007.
[2] 吕林女,何永佳.混凝土的硫酸盐侵蚀机理及其影响因素[J].焦作工学院学报,2003(6):465-468.
[3] 葛勇,杨文萃等.硫酸盐溶液中混凝土抗冻融干湿循环性能[J].东南大学学报(自然科学版),2006,36(Ⅱ):234-237.
 

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