混凝土碳硫硅钙石型硫酸盐腐蚀与预防对策

2021-01-05曾庆林刘明玮

江西建材 2020年12期

孟起，曾庆林 ,刘明玮

1.金陵科技学院建筑工程学院，江苏南京 2 111692；2.江苏开放大学，江苏南京 210000

1 引言

碳硫硅钙石型硫酸盐腐蚀（简称TSA）是一种特殊的硫酸盐腐蚀形式，是由于硫酸盐的侵入，与水泥的水化产物发生化学反应而生成腐蚀产物碳硫硅钙石。碳硫硅钙石的形成，通常是混凝土水化后产生的水化硅酸钙（C-S-H 凝胶）在与外界侵入的硫酸盐或内部形成的钙矾石发生化学反应后生成的一种灰白色泥状物质，该物质由于几乎不具备强度，会导致混凝土强度大幅降低，因此具有很强的破坏性。碳硫硅钙石型腐蚀的表征又与传统的硫酸盐腐蚀不同，传统的硫酸盐腐蚀现象是硫酸盐的侵入导致混凝土的膨胀和开裂。同时在微观分析过程中，碳硫硅钙石与钙矾石具有非常相似的的晶体结构，容易被误认为钙矾石而忽略，因此还具有很强的隐蔽性。

碳硫硅钙石最早被发现于瑞典Areskutan的硫化物矿床中。1965 年，美国Erin 和Stark［1］对混凝土中出现的TSA 进行了详细报导。1994 年，加拿大首次发现了混凝土结构因碳硫硅钙石而发生TSA 破坏［2］。我国于1985 年发现位于甘肃省兰州市的八盘峡水电站局部廊道的混凝土地面遭到严重的TSA 破坏［3］。

本文聚焦于碳硫硅钙石型腐蚀，对其腐蚀机理和影响因素进行了阐述，探讨了针对碳硫硅钙石型腐蚀问题的预防对策。

2 腐蚀机理

根据现有的研究发现［4］，TSA 主要有两种腐蚀机理：一是溶液反应机理，二是硅钙矾石转变机理。但是在实际工程中，不会单独只存在其中一种机理。

硅钙矾石转变机理中提出，碳硫硅钙石是由钙矾石转化而来。在一定条件下，钙矾石中的Al3+会与C-S-H 凝胶中的Si4+发生交换，钙矾石中的+H2O 会与+H2O 发生交换，从而生成硅钙矾石，硅钙矾石再进一步参与化学反应生成碳硫硅钙石。反应过程如下：

通过观察碳硫硅钙石的化学反应方程式可以看出，TSA 从腐蚀开始就是与C-S-H 凝胶、水化铝酸钙、钙矾石等主要水化产物发生化学反应。随着化学反应的持续进行，水化产物被逐渐消耗，混凝土逐渐失去胶结能力，成为灰白色泥状物。因此，与一般的硫酸盐腐蚀造成膨胀开裂相比，TSA 对混凝土造成的破坏更为严重。

3 影响因素

3.1 水泥种类

研究发现［5］，普通硅酸盐水泥基本不具备抵抗TSA 的能力，抗硫酸盐水泥只能延缓TSA 破坏的发生。快硬硫铝酸盐水泥由于水化后的混凝土孔隙率较低，因此具有较强的抗TSA 破坏性能。

3.2 矿物掺和料

研究表明，掺入具有一定活性的粉煤灰能够在一定程度上提升混凝土的抵抗TSA 破坏能力［6］，掺入矿渣也可以提升混凝土的抗TSA 性能［5］，掺入石灰石粉只能在早期提升混凝土的抗￹侵蚀性，但是在后期并不具备抵抗TSA 破坏能力。掺入火山灰反而会降低混凝土的抗TSA 性能。

3.3 腐蚀介质

腐蚀介质对碳硫硅钙石的形成也会产生一定影响，例如在MgSO4溶液中，MgSO4与Ca（OH）2反应生成Mg（OH）2，由于Mg（OH）2溶解度极低，使钙矾石无法稳定存在，从而发生化学反应转化为碳硫硅钙石，而Na2SO4在溶液中，钙矾石相对稳定，化学反应不易发生，因此在Mg2+存在时，钙矾石更容易发生转化，更容易造成TSA 破坏。

4 预防对策

目前，提高抗TSA 性能而采取的主要对策包括：（1）在拌制混凝土时，适当添加活性矿物掺合料，掺合料能起到代替水泥，较少水泥用量的作用，进而减少Ca（OH）2的生成，同时降低C-S-H 凝胶的水灰比，从而减少生成碳硫硅钙石的化学反应物。（2）对混凝土在早期养护过程中与空气接触，通过与空气中的CO2反应，在混凝土表面形成CaCO3，使混凝土更加密实，防止SO42-离子的侵入。（3）设计配合比时，尽量减小水灰比，从而降低混凝土的孔隙率，提高混凝土的密实度和抗渗性，阻止SO42-离子的侵入。（4）选用Ca（HCOO）2、Ba（NO3）2等化学外加剂，这些外加剂能够迟滞生成碳硫硅钙石的化学反应，从而推迟TSA 破坏的发生，提高抗TSA 性能。