盐湖地区混凝土的腐蚀和防治

文章编号:100025889(2002)022*******盐湖地区混凝土的腐蚀和防治戴剑锋1,刘晓红1,郑克宇2,龚　俊3,王　青1,剡昌锋3(1.甘肃工业大学基础科学系,甘肃兰州　730050;2.中国江苏国际经济技术合作公司,江苏南京　210008;3.甘肃工业大学机电工程学院,甘肃兰州　730050)摘要:总结了盐湖地区混凝土遭受侵蚀的三种主要方式:溶解腐蚀、化学反应腐蚀和固相生成物体积膨胀腐蚀,研究了其腐蚀机理,给出了利用聚合物水泥混凝土防治腐蚀的方法.聚合物水泥混凝土的使用不但提高了混凝土的强度、密度和韧性,而且减小了水泥石侵蚀的反应截面和通道.关键词:混凝土;腐蚀;聚合物水泥混凝土;盐湖中图分类号:TU528.41 文献标识码:AThe corrosion of concrete in the salt lake area and its preventionDA I Jian2feng1,L IU Xiao2hong1,ZHEN G Ke2yu2GON G J un3,WAN G Qing1,YAN Chang2feng3(1.Dept.of Basic Sciences,G ansu Univ.of Tech.,Lanzhou　730050,China;2.China Jiangsu International Economic and Tech2 nical Coopration Company,Nanjing　210008,China; 3.College of Mechano2Electronic Engineering,G ansu Univ.of Tech., Lanzhou　730050,China)Abstract:The three kinds of corrosions of concrete in the salt lake area such as the corrosion due to dissolution, chemical reaction,and solid expansion are summarized and the corrosion mechanism is studied.The corrosion2 resistant treatment with polymer2concrete is provided.The polymer2concrete has many advantage such as high strength,high density,and high tenacity.So,it protects the concrete from corrosion due to destructive medium by means of decreasing the cross2section and passage of reaction.K ey w ords:concrete;corrosion;polymer2concrete;salt lake 盐湖是我国重要的无机盐宝库,随着我国西部开发大战略的实施,其资源优势地位日显重要.但是,盐湖地区混凝土的腐蚀非常严重,建筑物的耐久性很低,水泥地面在3～5年就已斑驳粉化.本文将研究盐湖地区混凝土侵蚀的机理及其防治办法.1　盐湖地区的水文及气候特点盐湖的矿化度一般为300g/L左右,化学类型齐全,其晶间卤水大多属于Na+,K+,Mg2+/Cl-, SO2-4borate2H2O体系.它是一种有别于经典海水 收稿日期:2001206207 基金项目:机械工业部自然科学基金(98251325) 作者简介:戴剑锋(19632),男,陕西旬邑人,副教授,博士生.体系(矿化度为34～35g/L)及咸水湖体系(矿化度为1～20g/L)的介质环境[1],在物理、化学性质上有许多独特之处,称之为盐湖卤水体系.盐湖地区不仅地下水及地表水、甚至空气中多盐外,而且普遍具有气候干燥、风沙大、温差大等恶劣的环境特点.这都对当地混凝土和钢筋混凝土建筑物产生严重的侵蚀,它具有比海水侵蚀更严重、更广泛、更复杂的特点.2　盐湖地区混凝土腐蚀的机理2.1　普通硅酸盐水泥的水化反应及水泥石的结构普通硅酸盐水泥熟料主要由硅酸三钙(3CaO・SiO2,简写为C3S)、硅酸二钙(2CaO・SiO2,简写为第28卷第2期2002年6月甘　肃　工　业　大　学　学　报Journal of G ansu University of TechnologyVol.28No.2J un.2002C2S)、铝酸三钙(3CaO・Al2O3,简写为C3A)和以铁铝酸四钙(4CaO・Al2O3・Fe2O3,简写为C4AF)为代表的铁相固溶体等四部分多种矿物集合体构成.硅酸三钙和硅酸二钙的水化反应均生成组成成分不定的水合硅酸钙凝胶(x CaO・SiO2・y H2O,简写为C2S2 H)和氢氧化钙(Ca(OH)2,简写为CH),其反应大致可用下列方程表示:C3S+n H2S2H+(3-X)CH(1)C2S+m H2S2H+(3-Y)CH(2)铝酸三钙与水反应迅速,在常温下形成结构稳定的水合铝酸四钙(4CaO・Al2O3・19H2O,简写为C4AH19)和水合铝酸二钙(2CaO・Al2O3・8H2O,简写为C2AH8),在相对湿度低于85%时,C4AH19又会失去H2O变成C4AH13.另外,在水泥的碱性溶液中, C3A还可以水化反应生成C4AH13,即C3A+CH+12H4AH13(3) C4AH13与水泥中掺杂的石膏(CaSO4・2H2O,简写为C S H2)反应,生成有严重膨胀腐蚀作用的水合硫铝酸钙(3CaO・Al2O3・3CaSO4・32H2O),简称钙钒石(简写为AFt),即C4AH13+3C S H2+14H C3A・3C S H32+(4)C4AF的水化反应及其产物与C3A极为相似,另外,它的含量少,对混凝土的腐蚀影响也小.总之,水泥石是固2液2气三相多孔体,C2S2H凝胶占70%左右,钙矾石大约占7%,未水化的残留熟料和其它微量组分约占3%.C2S2H组成不定,结晶程度极差.CH具有固定的化学组成,纯度高,结晶良好,钙矾石结晶也比较好[2].它们对混凝土的力学性能和抗腐蚀性能起着非常重要的作用.2.2　盐湖地区混凝土遭受腐蚀的主要类型盐湖地区地下卤水矿化度很高,化学腐蚀类型齐全,且更为复杂,可根据其特点,将混凝土的腐蚀归纳为3类:1)水泥石的组分在侵蚀性液体介质中的溶解并从混凝土结构中析出;2)水泥石组分与侵蚀性介质间发生的化学反应(包括阳离子交换反应),反应产物或是溶解于侵蚀性液体中,或是以无胶凝性的非结晶体形式聚集;3)混凝土空隙内的腐蚀性反应产物或其它液体的结晶、难溶物固相体积膨胀或物相转化过程中固相体积膨胀,在混凝土内部形成内应力,损坏混凝土的结构.当然同一类腐蚀介质对混凝土可能同时参与几类腐蚀.2.3　溶解腐蚀水泥石中结晶程度良好的氢氧化钙很容易溶解于水中.随着氢氧化钙的析出,水合硅酸盐和水合铝酸盐开始水解.首先分解的将是水泥石中最不稳定的成分:水合硅酸二钙2Ca・SiO2・aq(C2SH a),因为它仅能存在于氢氧化钙的饱和溶液中,之后水合硅酸三钙也随之分解,这样硅酸盐完全被破坏,最后,水合硅酸盐及铁铝酸四钙也随之分解[3].水泥石中的氢氧化钙按一定的途径(贯通于大毛细孔、水泥石与砂石的不密实接触处、裂缝和浇筑混凝土的施工缝等)溶解入卤水中.溶解腐蚀率不但取决于混凝土的渗透性,还取决于侵蚀液体的性质.当卤水中Ca2+和OH-离子浓度较大时,氢氧化钙的溶解度较低,但在卤水中,Ca2+和OH-离子浓度较低,而那些促进氢氧化钙溶解的离子(如Na+, K+,Li+,Mg2+/Cl-,SO2-4)的浓度却很高,这是盐湖地区混凝土溶解腐蚀的主要特点.2.4　化学反应腐蚀盐湖卤水中Na+,K+,Li+,Mg2+/Cl-,SO2-4离子的浓度非常高,当混凝土与盐湖卤水相接触时, CH会发生离子置换反应,表层的水泥石就慢慢地被剥蚀了,生成溶解度很大的NaOH和KOH及非常难溶的Mg(OH)2.特别是镁盐腐蚀更明显.难溶的Mg(OH)2被沉淀下来,而卤水中高浓度的镁盐促进反应的进行.在盐湖地区可以观察到,混凝土在镁盐溶液长期腐蚀下的破坏状态和特征:首先,在混凝土的表面及其缝隙内形成白色的薄膜,然后形成白色的无定形物质聚积.这些白色松散的Mg(OH)2薄膜生成量越多,混凝土强度的损失程度就越大. 2.5　固相生成物体积膨胀腐蚀固相生成物体积膨胀时将产生很大的内应力,一方面使混凝土中的孔隙不断增大,直至开裂,另一方面增加了混凝土的渗透性和反应面,促进了溶解腐蚀和化学反应腐蚀,对混凝土的结构产生破坏性的损伤.一般文献及教科书中都认为钙矾石的生成是这类腐蚀的关键.在侵蚀性硫酸盐溶液的作用下对水泥石抗蚀性具有重大意义的是水合硫铝酸钙,即钙矾石(3CaO・Al2O3・3CaSO4・30H2O),它可以吸附多个水分子,其密度仅为1.75～1.79g/cm3.这样,从理论上讲,水泥石固体体积的增加限度为168%,而当铝酸三钙和Ca(OH)2两种固体都参加反应时,即MgSO4和Ca(OH)2生成石膏时,计算的体积将会增加到227%左右.由于钙矾石结晶良好,强度很大,并且结构稳定,不易发生相变.如果全部水合铝酸钙与石膏在水泥硬化前就完全发生反应,水泥石就不可能遭受钙矾石破坏,因为水泥石在后期的各种腐蚀中不生成・11・第2期 戴剑锋等:盐湖地区混凝土的腐蚀和防治 水合铝酸钙.这就是该地区广泛采用加入过量石膏的石膏矿渣水泥和矾土水泥防止硫酸盐腐蚀的道理.但是水泥石中未完全水化的熟料在溶解腐蚀后的进一步水化可产生钙矾石腐蚀.混凝土孔隙内盐的结晶、水的结冰及钙矾石的生成都属于体积膨胀腐蚀.但研究发现:以前人们只重视了钙矾石的体积膨胀腐蚀,实际上盐结晶和卤水结冰腐蚀也非常明显.因为即使采用抗硫酸盐水泥和使水泥充分反应等各种防止钙矾石腐蚀的措施,盐湖地区混凝土的体积膨胀腐蚀仍很严重,其特点是造成混凝土的散裂及斑驳粉化.盐积聚在混凝土的孔隙和毛细孔内,产生结晶作用,从而造成固相体积膨胀.这些盐的生成,或是由于侵蚀性介质与水泥石组分相互作用的化学反应,或是从外部带入的.由于混凝土属于多孔体,渗入的盐水随着水的蒸发,盐从溶液中析出.在腐蚀发展到一定阶段,结晶作用造成的固相体积膨胀,能够在孔隙毛细孔壁上产生很大的张力,并使混凝土结构破坏.笔者发现在混凝土裂缝和孔隙中有大量的盐晶体.盐湖地区一般具有海拔高、风沙大和温差大的特点,这些因素都能促使盐的结晶.我国盐湖地区普遍具有温差大的特点,所以,冻融循环腐蚀也是一个重要的方面.渗进混凝土中的水结冰后,体积增加达到109%,使缝隙增大和扩展,渗透的水更多,体积膨胀越严重,如此反复,将产生很大的破坏.3　盐湖地区混凝土腐蚀的防治从混凝土腐蚀机理可以看出,盐湖地区混凝土的腐蚀属于以上3种腐蚀共同参与的复杂而综合的过程,而且3种腐蚀相互促进,构成恶性循环过程:溶解和化学反应腐蚀过程中CH 的流失,一方面降低了混凝土的强度,另一方面使孔隙扩大,为固体膨胀腐蚀提供了空间,固体膨胀腐蚀所扩展的裂缝又为溶解和化学反应腐蚀过程增大了反应面.为了提高盐湖地区混凝土的耐久性及抗蚀性,一般采取以下几种方法解决腐蚀问题:1)改变水泥组分(掺加料),以减少游离的Ca (OH )2的含量;2)采用不易水解的矿渣水泥以减小溶解腐蚀;3)采用抗硫酸盐腐蚀的石膏矿渣水泥和矾土水泥;4)提高水泥标号,降低水灰比,提高密实性和强度.但是,以上几种方法各有弊端,只解决了其中的一种腐蚀,不但提高了成本,实践证明也没有从根本上解决问题,而盐湖地区混凝土的腐蚀属于各种腐蚀共同参与的复杂过程,最主要的、最根本性的解决方法是降低渗透性并阻断水泥石与侵蚀性介质的接触.为此,应用聚合物水泥混凝土初步成功地解决了盐湖地区混凝土的腐蚀问题.1)由于聚合物水泥混凝土在制备过程中,将水泥石的无机胶结与聚合物的有机聚合粘结相结合,形成二元混杂复合材料.聚合物在水泥石表面形成连续的有机膜,将水泥石颗粒表面包裹,阻断了水泥石与侵蚀性介质的反应,而聚合物与这些侵蚀性介质不发生反应,从而消除了溶解腐蚀及化学反应腐蚀,当然也消除了钙矾石腐蚀.2)在混凝土的孔隙中填充了聚合物,使混凝土中贯通性的、开放性的孔隙大为减少,密实性增大,渗透性减小,从而阻断了溶解腐蚀中CaO 的析出通道.聚合物水泥混凝土的渗透性比普通混凝土的降低了95%以上[4].3)聚合物乳液显著地提高了混凝土的抗压、抗拉和弯曲强度,其中抗拉和弯曲强度增长幅度较大,为普通水泥混凝土对比样的2～3倍[5].可以认为,在拉应力作用下由于聚合物的柔性可使裂缝尖端应力松弛,从而抑制了微裂缝的扩展,同时,具有高抗拉强度的聚合物膜可以抵消浆体的脆性,并防止裂缝在应力作用下传播.另外,乳液改性混凝土的高柔性,可有效地防止收缩开裂.由于聚合物的键能比砂浆高,因而即使掺入的聚合物很少,也能显著地提高这种材料的韧性.综上所述,聚合物水泥混凝土中水泥石被有机膜包裹,从根本上阻断了侵蚀性介质与水泥石的接触,从而防止了溶解腐蚀;密度的增加,减小了发生固体膨胀腐蚀的空间;韧性的增加,减缓了裂缝的扩展.参考文献:[1]　宋彭生.盐湖及相关资源开发利用进展[J ].盐湖研究,2000,8(2):33.[2]　沈　威,等.水泥工艺学[M ].北京:中国建筑工业出版社,1986.[3]　Hewltt P ,Rixom R.Superplasticised concrete [J ].J ofAm Concr Inst ,1997,(74):5.[4]　戴剑锋,刘晓红,龚　俊,等.混杂复合材料胶结机理的探讨[J ].甘肃工业大学学报,2000,26(3):26.[5]　戴剑锋,刘晓红,龚　俊,等.聚合物水泥混凝土的制备及其性质[J ].甘肃工业大学学报,2001,27(2):29.・201・ 甘肃工业大学学报 第28卷。