受硫酸盐侵蚀的混凝土材料因素研究现状

浙江建箍，第２７卷，第３期，２０１０年３月　Ｚｈｅｊｉａｎｇ　Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ，Ｖｏ１．２７，Ｎｏ．３，Ｍａｒ．２０１０　

受硫酸盐侵蚀的混凝土材料因素研究现状　Ｔｈｅ　Ｓｔａｔｕｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　Ｃｏｎｃｒｅｔｅ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　Ｅｒｏｄｅｄ　ｂｙ　Ｓｕｌｆａｔｅ　

郑　凤，高　妍，季海霞　ＺＨＥＮＧ　Ｆｅｎｇ，ＧＡＯ　Ｙａｎ．Ｊ１　Ｈａｉ—ｘｉａ　（中国矿业大学结构工程，江苏徐州２２１００８）　

摘要：硫酸盐侵蚀是水泥混凝土结构病害劣化的主要原因之一。要提高混凝土抗硫酸盐腐蚀的性能，最重要的还是提高混　凝土的质量，高的密实度对混凝土抗硫酸盐腐蚀是致关重要的。在此从混凝土的水泥类型、水泥用量、水灰比、以及外加剂等材料　因素加以考虑，综述目前的研究现状。　关键词：硫酸盐侵蚀；混凝土；材料因素；研究现状　中图分类号：ＴＵ５２８．３３　文献标识码：Ａ　文章编号：１００８—３７０７（２０１０）０３—００５８—０３　

硫酸盐侵蚀是水泥混凝土结构病害劣化的主要　原因之～。硫酸盐主要包括硫酸钠、硫酸钙、硫酸　镁、硫酸钾等。腐蚀主要发生在水工结构物，海岸建　筑物和化学工厂等结构中。海水、盐湖、地下水等环　境中大多都含有硫酸盐，混凝土组分本身也有可能　带有硫酸盐，它们在各种条件下对混凝土产生腐蚀　作用，使其发生破坏。　青海湖地区周围环境中的混凝土结构，由于硫　酸盐的侵蚀，基本上是“一年粉化，三年坍塌”。我　国的天津、河北、山东等省市，还有大片的盐碱地。　在这些地方的混凝土结构物，也由于硫酸盐的侵蚀　而产生“烘根”。广大西部地区，由于硫酸盐侵蚀和　矮他作用，埋在盐渍土地带的水泥电杆，一年后即发　现纵向裂缝，两年后即出现了纵筋和螺旋筋外露。　我国酸雨覆盖面积约４０％，对混凝土结构物的腐蚀　也十分严重。　要提高混凝土抗硫酸盐腐蚀的性能，最重要的　还是提高混凝土的质量，高密实度对混凝土抗硫酸　盐腐蚀是致关重要的。也就是从混凝土的水泥类　型、配合比水灰比、以及外加剂加以考虑。　

收稿日期：２００９—１０—１２　基金项目：　家自然科学基金资助项目（５００７８０５４）　作者简介：郑风（１９８４一），女，江苏盱眙人，硕士研究生在读。　

１水泥类型的影响　对硅酸盐系水泥来说，ｃ　Ａ、Ｃ　Ｓ、Ｃ　Ｓ、Ｃ　ＡＦ各　种组分的含量对混凝土的硫酸盐侵蚀有很大的影　响。其中ｃ　Ａ、ｃ　ｓ是两个重要指标，ｃ　ｓ含量高，生　成过多的氢氧化钙，易受硫酸盐侵蚀生成石膏，导致　混凝土在硫酸盐环境下的过早破坏。Ｃ　Ａ含量高，　易于生成过多的膨胀性产物钙矾石，导致膨胀破坏，　见表１。故各国对于有抗硫酸盐要求的工程，水泥　中ｃ　Ａ含量都有限制（一般为５％～８％）。　

表１水泥中各主要矿物的含量对抗硫酸盐性能的影响表　第３期　郑凤等：受硫酸盐侵蚀的混凝土材料因素研究现状　５９　水泥中ｃ　Ａ含量不大于５．５％时，具有良好的　抗硫酸盐侵蚀性能，Ｃ　Ａ不大于８％的水泥可用于　中等硫酸盐侵蚀环境中，可以看出没有这两种成分　的硫铝酸盐水泥将有较好的抗硫酸盐侵蚀性能。我　国有两种抗硫酸盐硅酸盐水泥，其一是Ｃ　Ａ的含量　小于５％，Ｃ　Ｓ的含量小于５５％，为中抗硫酸盐水　泥；其二是Ｃ　Ａ的含量小于３％，Ｃ　Ｓ的含量小于　５０％，为高抗硫酸盐水泥。美国的抗硫酸盐水泥只　有一种，Ｃ　Ａ的含量小于５％。　如针对水泥组分的研究结果表明：水泥中的　ｃ　Ａ、Ｃ　Ｓ不利于混凝土的抗硫酸盐腐蚀，而Ｃ　ＡＦ　有利于抗硫酸盐；水泥熟料急冷有助于形成玻璃体，　会相应提高混凝土抗硫酸盐腐蚀的能力　。　马保国　研究了普通硅酸盐水泥（ｏｒｄｉｎａｒｙ　ｐｏｒｔｌａｎｄ　ｃｅｍｅｎｔ，ＯＰＣ）、快硬硫铝酸盐水泥（ｒａｐｉｄ　ｈａｒｄｅｎｉｎｇ　ｓｕｌｐｈｏａｌｕｍｉｎａｔｅ　ｃｅｍｅｎｔ，ＳＡＣ）、抗硫酸盐水　泥（ｓｕｌｆａｔｅ　ｒｅｓｉｓｔａｎｔ　ｐｏｒｔｌａｎｄ　ｃｅｍｅｎｔ，ＳＲＣ）及ＯＰＣ—　ＳＡＣ复合水泥掺加３０％（质量分数）石灰石粉的砂　浆试件在（５±１）℃，浸泡于５％（质量分数）ＭｇＳＯ　溶液中各龄期的强度、膨胀率、外观变化及其水化产　物。结果表明：碳硫硅酸钙型硫酸盐侵蚀（Ｔｈａｕｍａ．　ｓｉｔｅ　ｓｕｌｆａｔｅ　ａｔｔａｃｋ，ＴＳＡ）程度与水泥品种有关，ＳＲＣ　不能有效地防止ＴＳＡ破坏，而ＯＰＣ与ＳＡＣ复合能　够取得较好的抗ＴＳＡ效果。　而不同水泥品种加入掺合料后的性能，有研究　表明　采用掺３０％石灰石粉填料后的胶砂试件，不　同品种水泥的抗ＴＳＡ侵蚀能力由高到低依次为：硫　铝酸盐水泥＋硅酸盐水泥复合＞硫铝酸盐水泥＞抗　硫酸盐水泥＞普硅水泥。掺硅灰和矿渣细粉均能明　显改善混凝土抗ＴＳＡ侵蚀性能，且矿渣粉掺量越大　效果越明显。由于粉煤灰活性低，掺量较少时可在　一定程度上减缓ＴＳＡ侵蚀过程，但掺量过多时反而　产生不利影响。　

２水泥用量的影响　由于可以减少膨胀和增加混凝土强度，水泥用　量增加，可以增加混凝土抗硫酸盐侵蚀性能，美国垦　务局规定，暴露在严重硫酸盐侵蚀环境中的混凝土　的最小水泥用量不得小于２４５　ｋｇ／ｍ　，水泥用量多时　可以减少混凝土空隙，降低透水性，可以减少渗人混　凝土中硫酸盐离子的数量。从图１可以看出混凝土　的渗透性（高水泥用量）在降低侵蚀速率上比水泥　中的Ｃ　Ａ含量更为重要　。　

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图１　水泥品种与用量对硫酸盐腐蚀的影响　３水灰比的影响　水灰比影响水泥浆体的致密程度，水胶比越高，　水泥浆体致密性越差，混凝土空隙多使硫酸盐离子　渗透较快，所以对于硫酸盐侵蚀，水灰比大的混凝土　其膨胀也大，ＡＣＩ３１８－８３规定，在严重的硫酸盐环境　中，水泥的水灰比不得大于０．４５，在非常严重的硫　酸盐环境中，水泥掺加火山灰质混合材混凝土水灰　比不得大于０．５　。　水胶比影响水泥浆体的致密程度，水胶比越低，　水泥浆体越致密，渗透性越低，通常认为水灰比小于　０．４５、Ｃ　Ｓ含量低于８％的混凝土是相对安全的。有　研究表明在硫酸钠环境下，水胶比低，有利于抗侵　蚀。如水灰比０．５和０．３５，浸泡时问为…年，强度减　少分别为３９％和２６％。但在硫酸镁环境下，水胶比　低，似乎加重了硫酸盐侵蚀，如水灰比０．５和０．３５，　强度减少分别为６２％和８１％。埘　于＝掺有活性掺台　料的水泥也得到类似的结果　。　韩斌斌的试验同样证明了此结论：胶砂比为　ｌ：３、１：４。的砂浆的抗硫酸盐侵蚀性能明　优于胶　砂比为１：５时的砂浆；在胶砂比为１：３、１：４时的　砂浆的抗硫酸盐侵蚀性能随矿渣掺量增ＪＪ【ｌ而增强，　胶砂比为１：５时，矿渣掺量的增加反　使抗硫酸盐　侵蚀性能减弱。　

４掺合料种类及其掺量的影响　粉煤灰、矿渣、硅灰活性掺合料的合理掺入对混　凝土抗硫酸盐性能有很好的提高　。粉煤灰掺　量较大时，抗硫酸盐性能更好。在硫酸钠浓度为　５％，ＰＨ值为３的环境下，粉煤灰掺量４０％比２０％　抗硫酸盐性能明显要好。但大掺量粉煤灰混凝：￡存　干湿交界处由于盐结晶作用更容易产生表面剥　６０　浙江建筑　２０１０年第２７卷　蚀　。矿渣量达到６０％时才能有利于提高混凝土　的抗硫酸盐性能；硅灰掺量５％比掺量为１０％表现　更好　。加入矿物掺合料降低了试件的胶凝材料　中的Ｃ　Ａ含量，其火山灰反应消耗了大量的水化产　物Ｃａ（ＯＨ），，且提高了试件的密实度，对硫酸盐侵　蚀具有明显的预防缓解作用；各矿物掺合料的抗硫　酸盐侵蚀效果由优到劣依次为：３０％粉煤灰、３０％粉　煤灰＋３０％矿粉、６０％矿粉、３０％钢渣＋３０％矿粉、　３０％钢渣＞３０％矿粉、空白样　。但是也有研究指　出硅灰、矿渣微粉和粉煤灰三种常用矿物掺合料对　混凝土抗硫酸盐腐蚀能力，作用效率由高至低依次　为：硅灰＞矿渣＞粉煤灰　。　掺煤矸石的水泥砂浆抗硫酸盐侵蚀性较差，劣　于掺粉煤灰或矿粉的水泥砂浆和基准水泥砂浆，而　且随着煤矸石掺量的增加，抗硫酸盐侵蚀性能显著　下降　。　此外，还有些特殊的掺合料，如柠檬酸钠能改善　混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能，且随其掺量的增大改善　效果越显著　；ｓＯ：一离子吸附剂的加入能有效降低　砂浆的硫酸盐侵蚀性能，ＳＯｊ一离子吸附剂的最佳掺　量为０．５％　。而钡盐对混凝土硫酸盐侵蚀破坏的改　善作用与其种类和掺量有关。其中，掺量小于１．０％的　氢氧化钡能改善混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能　。　在硫酸盐侵蚀环境下，不宜采用含石灰石粉的　复合水泥或将石灰石粉作为矿物掺合料制备的混凝　土　。复合水泥在熟料中同时掺人粉煤灰和石灰　石能起到相互补充的效果　，提高了混凝土的早期　强度，和普通水泥混凝土的早期强度较为接近，改善　＿ｒ粉煤灰混凝土早期强度低的缺点。粉煤灰的品质　对混凝土后期强度影响较大，掺有优质粉煤灰的复　合水泥基混凝土和粉煤灰混凝土的后期强度可以赶　上甚至超过普通水泥基混凝土，而掺有低等粉煤灰　的复合水泥基混凝土和粉煤灰混凝土的后期强度明　显低于普通水泥基混凝土。　国内外研究者针对粉煤灰对混凝土抗硫酸盐的　影响也作了许多研究。如ｓ．ｕ．Ａ１．Ｄｕｌａｉｊｉａｎ　”　研究　表明：２０％的粉煤灰掺量提高了砂浆的抗硫酸盐损　伤程度，其效果甚至优于抗硫酸盐水泥砂浆；Ｐ．Ｊ．　Ｔｉｋａｌｓｋｙ和Ｃａｒｒａｓｑｕｉｌｌｏ研究表明：低钙粉煤灰抗硫　酸盐性能优于高钙粉煤灰，粉煤灰掺量最好控制在　２５％。显然，掺量在２０％～３０％的低钙粉煤灰能提　高混凝土的抗硫酸盐腐蚀能力，当Ｗ／Ｂ较低时，大　掺量粉煤灰也能提高其抗硫酸盐性能。　针对矿渣对抗硫酸盐腐蚀的影响，Ｈｉｌｌ　认为　矿渣掺量为６５％的混凝土具有优异的抗硫酸镁和　硫酸钙的能力；Ｍａｎｇａｔ和Ｋｈａｔｉｂ认为矿渣的合理掺　量在８０％以上能提高混凝土抗复合硫酸盐（硫酸钠　＋硫酸镁）的能力；Ｉｂｒａｈｉｍ研究结果表明混凝土中　掺加１０％硅灰＋４０％矿渣抗硫酸钠腐蚀效果最好；　Ｅ．Ｅ．Ｈｅｋａｌｌ　Ｊ９　Ｊ也认为４０％矿粉能显著提高混凝土　抗硫酸镁的腐蚀能力。　针对硅灰对混凝土抗硫酸盐性能的影响，一般　认为，硅灰提高了混凝土抗硫酸钠腐蚀能力，但降低　了抗硫酸镁腐蚀的能力。如Ｅ．Ｅ．Ｈｅｋａｌ　认为硅　灰不能提高净浆的抗硫酸镁腐蚀。也有研究表明：　混凝土的抗硫酸钠性能随硅灰掺量增加而提高，但　在硫酸镁腐蚀中，则趋势相反。Ｍ．Ｊ．Ｓｈａｎｎａｇ…　实　验也表明混凝土掺加１５％火山灰＋ｌ５％硅灰抗复　合硫酸盐损伤能力最强。Ｍ．Ｎｅｈｄｉ”　研究了水灰　比、８％硅灰、２５％Ｆ级粉煤灰、２５％矿渣对砂浆抗硫　酸盐腐蚀能力的影响，结果表明：Ｗ／Ｃ越大，膨胀越　大，抗膨胀能力大小为硅灰＞矿渣＞粉煤灰＞普通　硅酸盐混凝土。　

５　其他因素　此外，还有试件尺寸、养护方式也对侵蚀速度有　影响。试件尺寸越小，其抗折、抗压抗蚀系数的衰减　越大；在５０　ｃｃ水中养护７　ｄ的试件被硫酸钠、硫酸　镁侵蚀破坏的速度要比标准养护２８　ｄ的试件快　。