摘要：硫酸盐侵蚀是影响混凝土耐久性的重要原因。本文主要分析了硫酸盐侵蚀机理以及影响因素，并提出相应措施以提高混凝土的使用寿命。
关键词：硫酸盐侵蚀；耐久性；机理；影响因素。
Abstract: Sulfate attack is an important factor affecting the durability of concrete. This paper mainly analyzes the sulfate corrosion mechanism and its influencing factors, and give forward corresponding measures to improve the service life of concrete.
Key words: Sulfate attack; durability; mechanism; influencing factors.
一、前言
混凝土由于其自身优势，因此被广泛用于工程中。有数据表明：2017年，全国建筑业总产值达213954亿元，比2016年增长了10.5%。因此大规模的基础设施建设也同时带动着混凝土的发展[1]。硫酸盐侵蚀是影响混凝土耐久性的重要因素，所以本文主要对硫酸盐侵蚀水工混凝土的机理以及影响因素进行研究，并提出切实可行的措施减缓硫酸盐侵蚀以至于提高混凝土的使用寿命。
二、硫酸盐侵蚀混凝土机理类型
1、钙矾石结晶型侵蚀（AFt）
除BaSO4以外的硫酸盐都可以和硅酸盐发生反应，生成三硫型水化铝酸钙即钙矾石，以下均以Na2SO4为例，具体反应方程式如式（1）、（2）所示。刚开始反应时，钙矾石的产生有助于混凝土的内部密实，但是一旦钙矾石的量不断增多，混凝土体积不断膨胀，会发生从内而外的破坏。
Na2SO4•H2O+Ca(OH)2=CaSO4•2H2O+2NaOH+8H2O………………(1)
3(CaSO4•2H2O)+4CaO•Al2O3•12H2O+14H2O
=3CaO•Al2O3•3CaSO4•32H2O+Ca(OH)2………………...............……(2)
2、石膏结晶型侵蚀
如果硫酸根离子浓度低于8000mg/L时，那么混凝土中只会生成钙矾石结晶，如果硫酸根离子浓度远远大于8000mg/L时，根据浓度积原理可得，SO42-和Ca2+浓度大于等于CaSO4浓度时，会产生二水石膏，因此会发生式(3)反应，生成石膏结晶和钙矾石结晶的复合产物，体积约为原来的2倍，如果硫酸根离子浓度持续增长时，石膏产物将会成为主导[2]。此外，混凝土一旦处于干湿交替的环境下，即使SO42-浓度很低，但由于水分的不断蒸发，溶液浓度不断升高，混凝土表面会出现白色结晶体，此物质即为石膏和钙矾石的混合产物。
Ca(OH)2+Na2SO4+2H2O→CaSO4•2H2O+2NaOH………...............…(3)
3、碳硫硅钙石型侵蚀（TSA）
1999年1月，英国伯明翰大学Lee Clarke教授等将碳硫硅钙石类侵蚀破坏定义为一种特殊形式的硫酸盐侵蚀，即TSA型（The thaumasiteformofsulfateattack）[3]。此类反应比较复杂，具体如式（4）、（5）所示。侵蚀主要发生于采用石灰石质骨料拌制的混凝土中，一方面，硅钙石与二水石膏还有碳酸钙发生反应，生成碳硫硅钙石，另一方面，硅钙石也可以与钙矾石发生反应生成碳硫硅钙石。不管是哪种方法生成碳硫硅钙石，都会使钙矾石或石膏发生解体，强度减弱，混凝土渐渐变成泥砂状。
3CaO.2SiO2•3H2O+2CaSO4•2H2O+2CaCO3+24H2O
→Ca6﹝Si(OH)6﹞2(CO3)2(SO4)2•24H2O+Ca(OH)2………………(4)
3CaO•2SiO2•3H2O+Ca6﹝Al(OH)6﹞2(SO4)3(H2O)2•24H2O+2Ca CO3+4H2O→Ca6﹝Si(OH)6﹞2(CO3)2(SO4)2•24H2O+2Al(OH)3+CaSO4•2H2O+4Ca(OH)2..............................................................................................(5)
4、硫酸盐结晶型物理侵蚀
硫酸盐结晶型物理侵蚀主要是由于硫酸盐经过长期的浸入水中，产生了带有结晶水的盐类，比如Na2SO4变为Na2SO4。10H2O，CaSO4变为CaSO4.2H2O。一旦温度降低，硫酸钠盐结晶压力大于7MPa，而混凝土所能承受的抗拉强度小于7MPa，所以硫酸盐结晶型也会使混凝土产生破坏。
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5、MgSO4双侵蚀型
MgSO4双侵蚀型主要是由于Mg2+、SO42-对于混凝土都有侵蚀，形成双侵蚀源，对于混凝土的破坏是最严重的，主要化学反应方程式见(6)、(7)、(8)，此反应会生成Mg(OH)2和钙矾石，引起膨胀，这对混凝土的粘结力和强度有很大影响。
MgSO4+Ca(OH)2+2H2O→CaSO4•2H2O+Mg(OH)2.......... .................(6)
C-S-H+MgSO4+5H2O→Mg(OH)2+CaSO4•2H2O+2H2SiO4..... .........(7)
4CaO•Al2O3•13H2O+3MgSO4+2Ca(OH)2→3CaO•Al2O3•3CaSO4•32H2O+3Mg(OH)2............................................................................................(8)
三、硫酸盐侵蚀的影响因素
硫酸盐侵蚀的影响因素很多，大致可以归结为：内部因素、外部因素、其他方面的影响因素。
1、内部因素
（1）混凝土本身的性质
水泥中含有大量的C3S、C3A、C4AF，其中C3S含量占一半以上，而上述反应方程式中可以看出，氢氧化钙越多，产生的钙矾石的量越多，因此膨胀越大，产生的硫酸盐侵蚀越严重。所以混凝土本身的性质是影响硫酸盐侵蚀的一个重要因素。
（2）活性种类及其掺量
粉煤灰、矿渣、硅灰等是常用的混凝土活性掺料。粉煤灰掺量越大，抗硫酸盐侵蚀能力越强，当硫酸盐浓度为5%，PH值处于3时，掺入粉煤灰40%比掺20%的好，大掺量粉煤灰在干湿循环的盐碱环境下也容易产生剥蚀[4]。矿渣掺量达到60%时才有利于混凝土抗硫酸盐侵蚀[5]。一般硅灰掺量为5%时，抗硫酸盐侵蚀能力相对较好。对于提高混凝土耐硫酸盐侵蚀能力，活性粉料的合适掺量还存在争论。
2、外部因素
（1）侵蚀溶液
从侵蚀机理可以看出：硫酸盐侵蚀主要是Mg2+、SO42-、Cl-的侵蚀，因此离子浓度对混凝土都有影响，Mg2+、SO42-含量越多，产生的钙矾石或石膏越多，损害越严重。Cl-主要是减缓硫酸盐侵蚀速度和程度的，一旦不对溶液进行更新，则侵蚀溶液的pH值比较高，侵蚀的速度比较慢[6]，得不到加速的效果。
（2）侵蚀试验方法
浸泡方法、试件尺寸、养护条件、干湿循环、溶液更换频率也是影响混凝土侵蚀的因素。混凝土试块的大小也是决定硫酸盐侵蚀的一个因素。不同试块大小，浸在相同的硫酸盐中，受到侵蚀的面积有所不同，因此侵蚀的程度有所不同。养护条件不同，前期水化反应不完全，抵抗硫酸盐侵蚀的能力下降。此外，干湿循环和溶液更换频率主要是影响硫酸根离子浓度，初始硫酸盐离子浓度很低，但是由于干湿循环或更换溶液频率的影响，硫酸根离子浓度可能变大，因此会对混凝土产生硫酸盐侵蚀。
3、其他
施工质量、应力条件、环境剥蚀等难以控制，但也是影响混凝土抗硫酸盐侵蚀的因素。
四、提高水工混凝土抗硫酸盐侵蚀的方法
根据以上硫酸盐侵蚀的机理以及影响因素，可以发现：影响水工混凝土抗硫酸盐侵蚀的因素很多，单一的方法难以提高水工混凝土抗硫酸盐侵蚀能力，需要多方面的控制，才能达到提高水工混凝土使用寿命的目的。
1、水工混凝土自身的密实性至关重要，这关系到Mg2+、SO42-、Cl-是否容易进入混凝土内部。控制水工混凝土密实性需要控制水灰比、胶砂比、配合比、减水剂的品种以及掺量。
2、选择合适的水泥品种。从硫酸盐侵蚀机理可以看出：水泥中的C3S占很大比例，这是水工混凝土产生钙矾石的主要原因，因此控制水泥中的C3S的含量至关重要。此外，碱性环境比酸性环境抗硫酸盐侵蚀能力更强，这也就需要根据施工环境选用合适的水泥。
3、增加保护层。当浸入SO42-浓度很大时，很难用其他方法来减缓水工混凝土硫酸盐侵蚀时，可以采用增设保护层（比如塑料保护膜或玻璃）来屏蔽SO42-的侵入。
参考文献
[1]覃维祖.混凝土技术进展现状与可持续发展前景[J].施工技术,2006 (04):1-4.
[2]Tian B, Cohen M D. Does gypsum formation during sulfate attack on concrete lead to expansion?[J]. Cement & Concrete Research, 2000,30(1):117 -123.
[3]刘超,马忠诚,刘浩云.水泥混凝土硫酸盐侵蚀综述[J].材料导报,2013, 27(07):67-71.
[4]亢强.矿物掺合料对混凝土抗硫酸盐侵蚀性能影响的研究[J].粉煤灰综合利用,2009(03):47-49.
[5]Ogawa S, Nozaki T, Yamada K, et al. Improvement on sulfate resistance of blended cement with high alumina slag[J]. Cement & Concrete Research, 2012,42(2):244-251.
[6]曹征良,袁雄洲,邢锋,等.美国混凝土硫酸盐侵蚀试验方法评析[J].深圳大学学报(理工版),2006,23(3):201-210.
论文作者:刘玲
论文发表刊物:《基层建设》2019年第25期
论文发表时间:2019/12/12
标签：硫酸盐论文; 混凝土论文; 矾石论文; 浓度论文; 因素论文; 水工论文; 结晶论文; 《基层建设》2019年第25期论文;