現代混凝土耐鹽類侵蝕性能研究

錢 淼

(南京地下鐵道有限責任公司開發分公司，江蘇南京 210008)

0 引言

混凝土已成為世界上用量最大的人造材料，是各國的基礎設施工程中所使用的最重要材料?；炷猎谑褂眠^程中抵抗各種破壞因素作用的能力，混凝土耐久性的好壞，決定混凝土工程的壽命。它是混凝土的一個重要性能，因此長期以來受到人們的高度重視。

硫酸鹽、氯鹽、鎂鹽和酸類溶液在一定條件下可產生劇烈的腐蝕作用，導致混凝土的迅速破壞。環境水作用的破壞過程可概括成為兩種變化:

1)減少組分，即混凝土中的某些組分直接溶解或經過分解后溶解;

2)增加組分，即溶液中的某些物質進入混凝土中產生化學、物理或物理化學變化，生成新的產物。

混凝土材料層次的研究雖然已經很深入，但是由于環境因素以及混凝土本身因素的不同所引起的耐久性變化是各不相同的，因此針對具體的混凝土在不同環境下的耐久性狀況仍需要具體研究。

1 混凝土耐鹽蝕性能研究的現狀

大量的調查結果表明［1-5］，處于含鹽環境(諸如海水、鹽漬土、工業廢水等)中的混凝土結構比普通環境中使用的混凝土更易受到破壞，其使用年限遠比設計值要低，人們漸漸認識到鹽類對混凝土的破壞性。

關于混凝土受鹽害侵蝕的研究大概開始于20世紀30年代左右;在二十世紀五六十年代，前蘇聯、美國和歐洲等地均相繼制定了混凝土抗侵蝕的有關標準;我國自20世紀50年代也開始對混凝土鹽害進行了研究。

Metha［6］把鹽類對混凝土的腐蝕分成兩大類，一類是化學腐蝕，另外一類為物理腐蝕。其中化學腐蝕是指對混凝土基體材料本身的腐蝕。遭受化學腐蝕的波特蘭水泥基材料通常會出現兩種破壞形態，一種是由于C—S—H凝膠解體產生的強度損失，一種是由于體積膨脹而導致的開裂。

1864年，Gllimore指出，Na2SO4能在磚和石頭里結晶，使之破壞，外表看起來就像結霜一樣，在潮濕狀態下，這個現象嚴重一些，在海邊更加嚴重。Schaffer在1932年推斷道:地面以上部分建筑物的幾種破壞情況與鹽造成的風化現象有關，而這又是由于Na2SO4與Na2SO4·10H2O的相互轉化造成的。在澳大利亞，尤其是其南部城市阿德萊德一些混凝土基礎和磚墻在地面處遭受破壞，調查結果表明是Na2SO4轉變為Na2SO4·10H2O時所產生的結晶壓力造成的［7］。

在加利福尼亞，Haynes，O’Neil和Metha調查了地面上遭受破壞的混凝土結構，發現破壞是由鹽的物理侵蝕和鹽在孔隙中結晶膨脹引起的［8］。Novak和Colville在對加利福尼亞南部地區的混凝土建筑物進行調查時，發現在許多建筑物的地面和墻上及裂縫中有許多白色粉末狀的東西，他們分析了這些粉末的成分，完全找不到作為混凝土鹽類化學腐蝕的產物(如石膏、鈣礬石等)，因此，得出結論:這些上部結構的破壞不是由鹽類的化學腐蝕引起的，而是緣于鹽類結晶膨脹引起的物理破壞［9］。Hime和Mather在1999年也指出，Na2SO4可以對混凝土造成幾種類型的破壞，其中就包括了由Na2SO4與Na2SO4·10H2O的相互轉化和鹽類的結晶造成的破壞［10］。

在我國的西北地區［11］，由于分布著大量以硫酸鹽和氯鹽為主的鹽漬土，在惡劣的氣候條件下，鹽漬土的鹽鹵腐蝕和鹽結晶膨脹腐蝕非常嚴重。察爾汗鹽湖地區尤其嚴重。通過對該地區具有代表性區域中的典型建筑物以及湖區中的電線桿、橋涵等等的調查發現，一般未設置防護隔離措施的磚墻，使用1年～2年后，在地面以上20 cm～50 cm范圍內均遭嚴重破壞，墻體中的混凝土石子外露，輕敲即潰，墻體抹面砂漿剝落。究其原因，是因為察爾汗鹽湖地處內陸，周圍有高山屏蔽，潮濕空氣難以進入，該地區降雨量比較小，年最大降雨量為60 mm，而年蒸發量則高達3195 mm～3662 mm，相對濕度低，年定時平均相對濕度最大為52%，最小為9%。正是由于鹽湖地區極端干燥，水分蒸發量大，且空氣中夾帶一定量的鹽分，因此，材料孔隙中吸進的鹽類可結晶膨脹引起物理破壞。

對我國西北、西南和沿海的許多地區建筑物的調查和土壤中埋設試件的長期觀測結果同樣表明，高濃度鹵水或鹽漬土壤對混凝土的侵蝕作用異常強烈。除了環境水中硫酸鹽和氯鹽對水泥石的強烈化學作用之外，在結構的干濕變化部位，由于疊加了鹽類結晶膨脹物理破壞的因素，大大加速了混凝土的破壞進程，成為這類地區混凝土侵蝕的重要特征。在西北有的地區，埋設的混凝土試件僅僅一兩年時間，露出地面的混凝土就完全潰散坍塌，足見侵蝕作用之嚴重［12］。

李志國［13］在探討了鹽結晶破壞機理后，認為因混凝土材料與水接觸產生的毛細孔提升作用可在數小時至數天內完成，而空氣的相對濕度變化亦可由陰雨而在數小時至數天內完成一個循環。故因鹽結晶作用而導致的破壞，在兩三個月內可導致混凝土表面開始剝落，1年～2年可發生露筋露石的嚴重破壞。鹽結晶膨脹腐蝕對混凝土材料的破壞是最為迅速最為嚴重的一種。

混凝土的鹽蝕問題十分普遍，而且往往造成巨大的損失，因此，我國的科研工作者在進行室外調研工作的同時，也做了大量的實驗室研究工作。研究結果表明，影響混凝土耐鹽蝕性能的因素很多，歸結起來可分為內因和外因兩個方面。其中內因是指混凝土本身的性能，用于生產混凝土的水泥品種、礦物摻合料的品種和數量、混凝土本身的密實度及強度以及外加劑種類和摻量等對其均有影響。外因則包括侵蝕溶液的性質和環境因素等。外因是客觀存在且我們無法控制的，因此，我們主要從內因著手來研究混凝土的耐鹽蝕性能及改善措施。

2 防治措施

從已有的研究成果看，針對鹽類對混凝土的腐蝕，各國學者提出了不少改善或者防治措施，主要從以下幾個方面著手:

1)選用適當的水泥品種。

大量的實驗研究證明，不同水泥品種配制的混凝土具有不同的抗鹽侵蝕能力。以硫酸鹽腐蝕為例，從腐蝕的機理來看［13］，主要是通過鹽類與混凝土中的水化鋁酸鈣和氫氧化鈣發生反應來實現的，而水化鋁酸鈣和氫氧化鈣又分別是C3A和C3S的水化產物。由此可見，適當的改變水泥中的礦物組分，就有可能改善混凝土的耐鹽蝕性能。根據這一思想，就出現了很多有針對性開發出來的特種水泥混凝土，如:礬土水泥混凝土、堿礦渣水泥混凝土、氯氧鎂水泥混凝土、鐵鋁酸鹽水泥混凝土、抗硫酸鹽混凝土以及抗海水水泥混凝土等［11，14-16］。這種措施針對的主要是鹽類對混凝土的化學腐蝕。

2)摻礦物質摻合料。

這里的礦物質摻合料是指火山灰質混合材料?；鹕交屹|材料是以活性氧化硅和氧化鋁為主要成分的礦物質材料，本身不具有或者只具有很小的膠凝性質，但是，在有水存在的情況下，處于分散狀態的具有火山灰活性摻合料細小顆粒可以與氫氧化鈣在常溫下發生反應，形成的化合物還可以提高水泥基材料的各種性能。因此，摻合料常用來作為水泥混凝土的填充材料，在提高混凝土強度和其他各項性能上起著非常重要的作用。大量研究證明，采用礦物摻合料能顯著改善混凝土抗化學物質腐蝕的能力［17-20］。但是，對于改善的效果，有很多影響因素，如摻合料的品質指標、摻量、摻入方式以及使用外加劑的種類及摻量等對混凝土的抗鹽蝕性能均有很大影響。

3)改善混凝土的孔隙結構，增加混凝土的密實度，降低混凝土的滲透性。

滲透性一直都被認為是決定混凝土在侵蝕環境中耐久性的關鍵因素，Metha認為，在抵抗硫酸鹽腐蝕方面，控制混凝土的滲透性比控制水泥的化學成分更加重要。Khatri的研究也證明，由于增加了混凝土的密實度而減小了孔隙率，使得水分滲入就比較困難，從而在水泥石內部產生有害物質的速度和數量都減小，高密實度和低滲透性的混凝土具有更好的耐硫酸鹽腐蝕性能［21］。降低水灰比是提高混凝土的密實度，從而提高混凝土耐蝕性能的另一個有效方法。而使用高效減水劑可以使水灰比降得更低，且使混凝土有良好的施工性能。如前所述，因為礦物摻合料的各種作用效應，摻用礦物摻合料也可以改善混凝土的孔隙結構，提高密實度。

4)采用表面保護措施。

在混凝土構件表面涂刷防腐涂層，可以防止混凝土直接與混凝土接觸，從而可以保護混凝土不受侵蝕。研究表明，防腐涂層由于處于構件的表面，直接與環境接觸，很容易受到破壞，需要經常維護，但在短期內，防腐涂層的效果還是比較顯著的［14］。另外，在有的海洋建筑中，人們在柱子上處于浪濺區的部位涂上環氧薄膜，有效的防止了鹽對混凝土的剝蝕作用［2］。

［1］ 陳蔚凡.鹽漬地區混凝土建筑物的耐久性問題［A］.第五屆全國混凝土耐久性學術交流會［C］.2000:24-27.

［2］ Ben C.，Gerwick，Jr.International Experience in the Performance of Marine Concrete，1990(5):47-53.

［3］ Peter G Fookes，DSc(Eng)，PhD.Concrete in the Middle Eastpast，present and future:a brief review，1993(7):14-20.

［4］ Peter Fookes，FEng，FGS.Concrete in hot dry salty environments［J］.Concrete，1995(2):34-39.

［5］ M.N.，H.AI.Khaiat.Durability Survey in Kuwait［J］.Concrete International，1997(7):41-44.

［6］ P.Kumar Metha.Sulphate Attack On Concrete:Separating Myth From Reality［J］.Concrete International，2000(8):57-61.

［7］ Willam G.Hime，Ross A.Martinek，Lisa A.Backus.Salt Hydration Distress［J］.Concrete International，2001(10):43-50.

［8］ Harvey Haynes，Robert O’Neil，P.Kumar Metha.Concrete Deterioration form Physical Attack by Salts［J］.Concrete International，1996(1):63-68.

［9］ Gary A.Novak，Alan A.Colville.Efflorescent Mineral Assemblages Associated With Cracked And Degraded Residential Concrete Foundations In Southern California.Cement and Concrete Research，1989，19(4):1-6.

［10］ Hime.G，Mather.Sulfate Attack，or Is It Cement and Concrete Research，1999，29(6):789-791.

［11］ 鐵道部科學研究院鐵道建筑研究所.青藏鐵路察爾汗鹽湖既超鹽漬土區段建筑材料防侵蝕研究［R］.1976.

［12］ 鐵道部科學研究院鐵道建筑研究所.硫鋁酸鹽水泥耐強侵蝕性能以及改善意見［Z］.1981.

［13］ 李志國.試論鹽溶液對混凝土及鋼筋混凝土的破壞［J］.混凝土，1995，17(2):10-14.

［14］ 劉連新.察爾汗鹽湖及超鹽漬土地區混凝土侵蝕及預防初探［J］.建筑材料學報，2001，4(4):395-400.

［15］ 余紅發.抗鹽鹵腐蝕的水泥混凝土的研究現狀與發展方向［J］.硅酸鹽學報，1999，27(2):237-245.

［16］ 李乃珍，金國萱，雷亞光，等.高耐腐蝕、高強抗海水水泥混凝土［J］.中國建材科技，1999(2):1-8.

［17］ T.A.Durning，M.C.Hieks.Using Microsilica to Increase Concrete’s Resistance to Aggressive Chemicals［J］.Concrete International，1991(3):42-48.

［18］ E.F.lrassar，A.Di Maio，O.R.Batie.Sulphate Attack On Concrete With Mineral Admixtures［J］.Cement and Concrete Research，1996，26(1):113-123.

［19］ T.H.Wee，Arvind K.Suryavanshi，S.F.Wong.Sulfate Resistance of Concrete Containing Mineral Admixtures［J］.ACI Materials Journal，2000(9-10):536-549.

［20］ 賀鴻珠，陸善后.摻粉煤灰混凝土耐城市污水侵蝕性能的研究［J］.建筑材料學報，1999，2(4):314-318.

［21］ R.P.Khatri，V.Sirivivatnanon.Role Of Permeability In Sulfate Attack［J］.Cement and Concrete Research，1997，27(8):1179-1189.