硫酸盐侵蚀环境因素对混凝土性能影响

邬前伟

摘要：硫酸盐的侵蚀环境给混凝土的耐久性能带来严重的影响，在工程施工中应用的混凝土原料一般处在各种硫酸盐的环境中，如浓度、温度、干湿循环等。基于此，本文分析了硫酸盐对混凝土结构产生腐蚀的原理，展开了抗硫酸盐腐蚀性能方面的实验，为更好地提升混凝土的性能打下了基础。

关键词：硫酸盐；侵蚀环境；混凝土；性能影响；研究

硫酸盐的侵蚀主要指在硫酸盐如硫酸钙、硫酸钠、硫酸镁等侵入水泥的混凝土时，会和水泥里的氢氧化钙与水化铝酸钙生成化学反应，而且因为氢氧化钙的浓度逐渐下降，导致水化矿物发生分解，进而生成硫铝酸钙和石膏，使体积变大，混凝土瓦解。

1、硫酸盐侵蚀对混凝土构造的腐蚀原理分析

1.1硫酸钠对混凝土的侵蚀原理

硫酸钠最先侵蚀的是Na2S04；和水泥的水化产物Ca（OH）发生化学反应，生成石膏（CaS042H20），再和单硫式的硫铝酸钙与含铝的胶体发生化学反应并生成次生钙矾石，因为钙矾石带有较强的膨胀性，因此会导致混凝土表面产生较大的裂痕。其化学反应式见下：

Ca（OH）2+Na2S04 ·10H2O CaSO4 ·2H2O + 2NaOH+8H2O

2（3Cao·Al2O3·12H2O）+ 3（Na2SO4·10 H2O）

3CaO·Al2O3·3CaSO4·32 H2O + 2Al（OH）3+6NaOH+16H2O硫酸钙只会和水化的铝酸钙发生化学反应，生成硫铝酸钙。若侵蚀溶液里的S042-浓度超过1000mg/L的时候，水泥石的毛细孔如果被饱和的石灰溶液填满，既会生成钙矾石，又会在水泥石中析出二水石膏的结晶。从氢氧化钙变化成石膏，体积会扩大到原来的二倍，导致混凝土由于内应力太大而膨胀。石膏膨胀破坏的特征是试件没有产生粗大的裂纹，但是全体溃散。

1.2硫酸镁对混凝土的侵蚀原理

硫酸镁除了可以侵害水化的铝酸钙与氢氧化钙，还可以与水化的硅酸钙发生化学反应，其化学反应式为：3CaO·2SiO2·aq + MgS04 · 7H2O CaSO4·2H2O+Mg（OH）2+SiO2·aq

上面的化学式生成的Mg（0H）2和NaOH不一样，其溶解度较低（0.01g/L），而Ca（OH）2为1.37g/L，饱和溶液的PH值为10.5，而Ca（OH）2为12.4 ， NaOH为13.5，在这种情况下，钙矾石与C-S-H都是很不稳定的，较低PH值的环境下会产生下面的结果：一是不会生成次生钙矾石；二是因为镁离子与钙离子带有相同的化合价与大小相等的半径，因此二者可以很好地结合在一起，所以MgS04极易和C-S-H发生反应，并生成石膏、硅胶、氢氧化镁，这种胶体比C-S-H的胶体粘性小；三是为强化本身的稳定性能，C-S-H胶体会继续释放石灰以增大PH值，然而，释放的石灰未达到增加PH值的效果，而是继续和MgS04发生反应，生成更多CaSO4·2H2O 与Mg（OH）2，在C-S-H胶体内石灰析出与胶性的不断下降，胶体内的石膏与Mg（OH）2会再次发生硅胶和Mg（OH）2反应，生成水化硅酸镁（ M-S-H ）。这种情况下，在低PH值状态下就引发了硫酸镁对水泥的混凝土的侵蚀，进而给混凝土的耐久性带来影响。

2、实验研究

2.1实验的设计

此次实验以硫酸钠给混凝土带来的腐蚀作为主要研究对象，应用标准的配比，选择标准水泥、标准砂制件，经过标准的养护以后，经恒温水浴的养护，再次放入配好的浸泡液里，依据设计方案做浸泡的实验。划分两个模块对抗硫酸盐的腐蚀情况展开分析与研究：首先，采用硫酸钠的溶液做全浸泡实验：分为5%的硫酸钠溶液浸泡与饱和硫酸钠的溶液，分别测定在28天、60天、90天、120天以及150天，观察抗折的强度，分析变化的规律；其次，采用饱和硫酸钠的溶液展开干湿交替的浸泡实验，在干湿交替的条件下，混凝土主要受到两种破坏情况：一是化学性的；二是物理性的，即盐的结晶。此次实验应用试件以80度下烘八个小时，再浸泡十六小时为一个周期，测定在28天、60天、90天的抗折强度，并分析其和饱和硫酸钠的溶液全浸泡条件下混凝土的试件抗折强度的变化规律。

2.2实验产生的现象

将混凝土的试件放进硫酸钠的溶液里，随着时间的推移，混凝土的试件外表会覆盖一层白色蓬松的生成物，而且这个生成物会逐渐变厚，直到试件侧面有些白色的生成物与被腐蚀的疏松细骨料从试件外表剥离，导致外表的砂浆全部脱落，只有一些外表还覆着薄薄的白色生成物。在实验中可以发现，硫酸钠的浓度越大，试件外表的白色生成物越早产生，试件的腐蚀度越强，导致表面剥落得越早；全浸泡的试件发觉生成物与表面剥离程度比干湿交替条件下浸泡的试件时间要早。

2.3实验的结果分析

硫酸钠腐蚀环境下（完全浸泡）混凝土抗折强度与腐蚀龄期的关系

从上图得出：其一，混凝土的试件在硫酸钠的溶液里完全浸泡，随着时间的延长，试件抗折的强度最初会渐渐下降，当浸泡90天后会上升，120天后强度再次降低；这是因为最初的硫酸钠和水泥的水化产物Ca（OH）2发生反应，生成了石膏（ CaS04·2H20），再和单硫式硫铝酸钙与含铝的胶体发生化学反应，生成次生钙矾石，因为钙矾石带有膨胀性，因此导致混凝土的试件外表呈现少量较大的裂纹，进而使得试件的强度下降；而后因为浸泡时间变长，试件外表的孔隙被钙矾石与石膏填充，可能产生短期强度的增加，而当钙矾石的生成情况下，在水泥石中还会析出二水石膏的结晶，从氢氧化钙变成石膏，体积扩大二倍，使得混凝土由于内应力变大而膨胀被破坏，强度再次降低；其二，同齡期的混凝土试件，会随着浓度的增大，抗折强度会逐渐下降；这表明了硫酸盐的浓度越大，侵蚀性越强，给试件带来的破坏性也越大

饱合硫酸纳溶液腐蚀环境下，混凝土抗折强度与腐蚀龄期的关系

从上图得出：其一，不管试件的侵蚀条件是全部浸泡或者干湿交替，在实验的前90天里，试件的抗折强度会呈现降低趋势；其二，同样浓度的硫酸钠溶液，在不同的侵蚀条件下侵蚀作用会明显不同，全部浸泡情况下硫酸盐对混凝土的侵蚀性比干湿交替情况下的侵蚀性大。

结束语：

总之，混凝土的硫酸盐侵蚀作用比较复杂多变，会受到很多因素的影响，不只取决于硫酸根离子的浓度，还有温度、PH值、干湿交替、冻融循环等因素。随着科技的不断发展，混凝土技术会得到一定的发展，为增强对混凝土硫酸盐侵蚀性的了解，应当对硫酸盐的侵蚀产物带来的影响与形成条件深入分析与研究，需要相关工作人员不断摸索与实验，以便更好地提升混凝土的耐久性，为工程的施工质量带来保障。

参考文献：

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[3]梁咏宁，袁迎曙.硫酸盐侵蚀环境因素对混凝土性能的影响——研究现状综述[J].混凝土，2005（03）：27-30+66.