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在混凝土硫酸盐侵蚀试验中的一些思考

作者 :武志刚 王彩瑞更新时间:2012-11-1

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(1、 华北水利水电学院,郑州 450011.2、华北水利水电学院水利职业学院土木工程系,郑州450011)
摘 要:混凝土硫酸盐的侵蚀破坏是十分严重的,也是近几年混凝土侵蚀破坏研究的热点。本文是在试验的基础上进行思考和总结,归纳了普通硫酸盐侵蚀的因素,并提出了混凝土抗硫酸盐侵蚀的一些措施,为进一步进行硫酸盐侵蚀的研究打下基础。
关键词:混凝土,硫酸盐侵蚀,影响因素,措施
1 简介
混凝土的耐久性破坏主要包括混凝土的碳化、冻融破坏、侵蚀性介质的腐蚀、混凝土碱一集料反应等。硫酸盐侵蚀是危害较大的一种侵蚀性介质破坏,同时也是影响因素最复杂、危害性最大的一种环境水侵蚀。根据资料显示,近年来在公路,矿山和水工建筑物中都发现了严重的硫酸盐侵蚀破坏,有的已经相当严重地危机到了工程的安全。更有甚者,导致混凝土结构没有达到预期设计的使用寿命就过早发生破坏,造成极大的人力和财力的浪费。因此混凝土硫酸盐侵蚀越来越受到广大研究和技术人员的重视,本文就普通硫酸盐侵蚀做一些介绍。
2 硫酸盐侵蚀影响因素
混凝土硫酸盐侵蚀的影响因素有很多,但总的来说是分为内部因素和外部因素。
2.1 硫酸盐侵蚀的内部因素
影响硫酸盐侵蚀的内部因素即混凝土自身的性质,包括水泥的品种、活性掺合料的选用、混凝土的配合比、试件的形状和施工的质量等。
2.1.1 水泥品种
水泥在混凝土中所占的比重比较大,因此它的组分不同对于混凝土的性质的影响也是不同的。美国肯务局长达40余年的试验研究表明,如果混凝土中的硅酸三钙(C3S)含量过高,则会生成过多的氢氧化钙,易于受到硫酸盐的侵蚀生成石膏。如果混凝土中铝酸三钙(C3A)过多,则易于生成过多的钙矾石,在侵蚀环境下导致膨胀破坏。实际抗硫酸盐工程中主要依据规范来约束C3A的含量(一般为5%—8%)。
2.1.2 掺合料的种类和掺量
粉煤灰、矿渣等活性掺合料的合理掺入对于提高混凝土的抗硫酸盐性能有很大的帮助。乔宏霞[9]指出,在硫酸盐环境中,粉煤灰混凝土能够更好的发挥二次水化反应带来的良好耐硫酸盐结晶侵蚀性;其掺量直接影响它的耐侵蚀性能,掺量太多和太少都不利于完全发挥它的这种性能,应该存在合理掺量的选择问题;合理的水胶比也是粉煤混凝土具有良好耐久性能的重要指标。
2.1.3 配合比
试验表明,混凝土的强度越低,水灰比就越大,试件的孔隙率就越大,渗透性就越强,这不仅影响了混凝土本身的强度,而且更利于加速硫酸盐的侵蚀。因此合理选择提高配合比对于提高混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能是十分有利的。在侵蚀试验的初期,由于硫酸盐的侵蚀结晶充实了混凝土的孔隙,使得混凝土各个方面的性能都有所提高,这经过大量的试验得到了证实。
2.1.4 试件的形状和施工质量
试件的形状(特别是表面积与体积之比)对混凝土的侵蚀影响也是十分大的。假设试件断面为正方形,边长为a,则试件表面积与体积之比为4/a,由此可以看出,在试件体积相同的情况下,减小试件的边长对于加快侵蚀是有利的。但是如果试件尺寸过小,成型和环境条件的微小变动都会对试验的结果产生显著的影响,使数据有较大的离散性。另外,试件成型中振动的不好,温度和湿度不够,就会过早形成干缩裂纹,这对抗侵蚀都是十分不利的。
2.2 硫酸盐侵蚀的外部因素
影响硫酸盐侵蚀的外部因素即侵蚀溶液的不同、混凝土的工作条件以及周围的环境条件等。
2.2.1 侵蚀溶液
2.2.1.1 侵蚀溶液的浓度
不同的环境水中的硫酸根浓度是不一样的,不同的硫酸根浓度对混凝土的侵蚀产生的影响也是不一样的:低浓度的硫酸盐溶液与含有铝酸三钙的水泥主要生成钙矾石,而高浓度的硫酸盐溶液与其主要生成石膏,含量介于两者之间时同时生成钙矾石和石膏。但是当溶液的浓度过高的时候,它自身会发生结晶现象,这使得溶液浓度不是很准确,需要重新测量溶液浓度。
2.2.1.2 其它粒子的影响
除了侵蚀溶液,还会有其他粒子影响侵蚀,比如说Cl-、Mg2+等。这些粒子有的可能会加剧硫酸盐的侵蚀,但是有的却减缓了其侵蚀,比如说Cl-,这是由于Cl-的渗透速度大于 ,可以先行渗人较深层的混凝土中,在C-H的作用下与水化铝酸钙反应生成单氯铝酸钙和三氯铝酸钙,从而减少了硫铝酸钙的生成。
2.2.1.3 环境酸度(PH值)
侵蚀溶液的PH值的变化也对侵蚀有一定的影响,研究表明随着溶液PH值的不断降低,它与混凝土的反应是不断变化的:当PH值为12.5~12.0时, 和水化铝酸钙溶解,钙矾石析出;当PH值为11.6~10.6时,二水石膏析出;当PH值低于10.6时,钙矾石不再稳定开始分解。
2.2.1.4 环境温度
环境温度的过低或者过高都会影响侵蚀速度。温度过低时,侵蚀到试件内部的水分发生结冰现象,使侵蚀溶液不能顺利深入,延长了的第一阶段的侵蚀时间;温度过高时,水分损失过快,浓度增大,对第二阶段的膨胀速度影响较大。由此看来温度过高或者过低对侵蚀的影响都是不利的。
2.2.2 混凝土的工作条件的影响
在水利工程特别是沿海工程中,混凝土在受到硫酸盐的侵蚀的同时还会收到冻融循环的破坏和水的冲刷作用破坏,一般来说,这两种破坏对于混凝土抗硫酸盐侵蚀都是不利的。硫酸盐的侵蚀使混凝土产生许多裂纹,利于毛细管水的深入,使冻融破坏更深入到混凝土内部;反过来,冻融破坏增大混凝土的渗透性,加剧了硫酸盐的侵蚀。水的冲刷作用将混凝土表面致密的水泥浆层剥落,裸露出的集料和水泥浆的结合体更易于受到侵蚀。
2.2.3 混凝土的工作环境条件的影响
干湿循环是影响混凝土硫酸盐侵蚀比较严重的环境因素之一。试验表明在干湿循环的硫酸盐侵蚀条件下的混凝土膨胀和破坏速度比长期浸泡条件下都要快。这是由于硫酸钠结晶、钙矾石或者石膏析出都需要其浓度达到一定程度,在干湿交替的情况下,水分蒸发使得溶液浓缩而满足析出条件,使结晶析出膨胀破坏混凝土。在静止的溶液中,反应生成的氢氧化钠( )聚集在混凝土试件的附近,局部PH值过高,反应较慢。研究表明,在5%的硫酸钠溶液中,当反应达到平衡时,有1/3的 参加反应,而在2%的溶液中仅有1/5的 参加反应[3]。因此,如果混凝土处于流动的水中, 不断产生,生成的氢氧化钠也不断被带走,侵蚀速度会加剧。
3 改善和防止硫酸盐侵蚀的一些措施
影响侵蚀的因素虽然很多,但是如果合理控制就会得到改善和防止。其主要措施有以下几个方面。
3.1 合理选择水泥和活性掺料
在配制抗硫酸盐侵蚀的混凝土时,应该选用铝酸三钙(C3A)较低的水泥,这样生成的钙矾石就比较少,侵蚀程度就比较低。
再者,可以掺入一定的活性掺料来取代水泥,这样可以降低 的含量,同时活性掺料的细度较大,可以提高混凝土的密实性,这些对于提高混凝土的抗硫酸盐侵蚀都是有利的。但是活性掺料的用量和品种选择都是很重要的,选不好的话就会适得其反。
3.2 提高密实度和施工质量
抗硫酸盐侵蚀的混凝土要尽可能降低用水量,同时可以考虑使用高效的减水剂来改善混凝土的和易性,提高其密实度。采用抗硫酸盐的水泥能改善混凝土的抗侵蚀性也不是绝对的。对于石膏型的侵蚀,C3A的含量大小对其并不起多大的作用,而混凝土的密实性、干湿交替和水分蒸发快慢等却是很重要的,施工质量不好,就会出现蜂窝、麻面或者振捣不实的现象,即使配合比再合理,侵蚀也是非常严重的。这就要求要提高混凝土的施工质量,采用合理的施工工艺,改善混凝土的工作环境。
3.3 采用一些保护措施
在一些侵蚀比较严重的地区或者比较重要的构件部位,我们可以考虑采用一些保护措施来减缓或者阻止硫酸盐的侵蚀,或者在混凝土表面进行碳化处理,使其生成致密的难溶于水的碳酸钙(CaCo3 ),也能起到防止侵蚀的作用。
4 总结
通过试验的研究和总结可以知道,混凝土硫酸盐侵蚀是十分复杂的物理化学过程,往往不是单一的化学反应可以解释清楚的,尽管到现在为止已经出现的试验或者理论方法有许多,但是都有一定的局限性。这就要求我们将上述的各个因素综合考虑,能快速而准确地对侵蚀程度作出判断和预测,最大程度减低侵蚀危害,给社会和人民节省人力、物力和财力。
参考文献:
[1] 张誉等.混凝土结构耐久性概论[M].上海科学技术出版社.2003
[2] 亢景富.混凝土硫酸盐侵蚀研究中的几个基本问题[J].混凝土.1995(3)
[3] 申春妮等.混凝土硫酸盐侵蚀影响因素的探讨[J].水利与建筑工程学报.2004(2)
[4] 元强等,混凝土硫酸盐侵蚀机理及影响因素[J].河南建材, 2005: 19—21
[8] 胡明玉,唐明述.碳硫硅钙石型硫酸盐腐蚀研究综述[J].混凝土.2004(6)
[9] 乔宏霞,何忠茂,刘翠兰.粉煤灰混凝土在硫酸盐环境中的动弹性模量研究[J].粉煤灰综合利用.2006(1)
[10] B.D 金德.《水工建筑物中水泥和混凝土的腐蚀》郭成举译[M].水利电力出版社.1959(5)
[11] 吕林女等.混凝土的硫酸盐侵蚀机理及其影响因素[J].焦作工学院报(自然科学版).2003(6)
[12] 郭乐东等.硫酸盐长期侵蚀下混凝土受弯构件受力性能试验[J].重庆建筑大学学报.2006(3)
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