酸雨腐蝕混凝土機(jī)理研究

劉 歡

(西安建筑科技大學(xué) 陜西 西安 710055)

引言

大氣污染嚴(yán)重影響了人類的生存。近年來(lái)，由于工業(yè)的發(fā)展、礦物燃料的燃燒、以及人類活動(dòng)的排放，使得大氣中酸性物質(zhì)的含量大量提升，進(jìn)而導(dǎo)致各地酸雨頻發(fā)。與此同時(shí)，我國(guó)大多數(shù)的混凝土建(構(gòu))筑物等都直接暴露在大氣環(huán)境中，遭受酸雨環(huán)境的侵蝕作用。盡管鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)擁有諸多優(yōu)點(diǎn)，但因自身亦具有較多缺點(diǎn)。如：在安全使用狀態(tài)中，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)不僅承受本身的自重和荷載，同時(shí)還要承受外界環(huán)境導(dǎo)致的各種長(zhǎng)期的自然因素以及生產(chǎn)生活中制造的各種人為因素帶來(lái)的腐蝕破壞作用；且由于腐蝕的作用甚至?xí)霈F(xiàn)結(jié)構(gòu)整體失穩(wěn)垮塌，從而造成人員傷亡與國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重大損失。鑒于此，本文簡(jiǎn)述了酸雨腐蝕混凝土的原理和分類，并歸納總結(jié)了國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的研究成果。

一、酸雨的腐蝕機(jī)理

酸雨的形成原因主要是大氣中的S、N氧化物遇到水后，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成酸性的雨水。酸雨降落在建筑物上，對(duì)其造成腐蝕的后果，致使其耐久性大幅度降低。

大氣中的S、N氧化物的含量，直接影響到它們的生成物數(shù)量，簡(jiǎn)而言之，就是會(huì)形成不同類別的酸雨。若組成成分中SO42-/NO3->3時(shí)，我們將這類的酸雨稱之為硫酸型酸雨或者燃煤型酸雨；當(dāng)0.5

酸雨對(duì)混凝土的腐蝕中包含到了降水中的酸性腐蝕和鹽類腐蝕，導(dǎo)致其腐蝕機(jī)理的過(guò)程極其復(fù)雜化。然而，混凝土是一種具有多孔隙特質(zhì)的物質(zhì)，所以當(dāng)降水落在混凝土的表面，其中的一些酸性介質(zhì)會(huì)迅速滲透到混凝土的內(nèi)部，以混凝土的毛細(xì)孔洞作為通道，首先H+和混凝土中的堿性介質(zhì)發(fā)生中和反應(yīng)，使得混凝土的堿性變?nèi)酰斐苫炷林兴杷徕}和水化鋁酸鈣失去穩(wěn)定性而加速其水解，而其生成物中包含的Ca2+主要是溶解到酸性介質(zhì)中去，與SO42-結(jié)合，生成鈣礬石或者石膏。

當(dāng)混凝土所處環(huán)境中的酸性介質(zhì)濃度較大時(shí)，另外一部分酸性介質(zhì)會(huì)直接與混凝土中的水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣發(fā)生反應(yīng)，形成直接性酸破壞。酸性離子和混凝土中的固狀物質(zhì)直接進(jìn)行反應(yīng)，直接消耗掉混凝土中的固相成分，生成可溶性物質(zhì)。伴隨著這些生成物的流失，混凝土形成更多更大的孔隙，給更多的酸性介質(zhì)提供了進(jìn)入混凝土內(nèi)部的通道，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部的破壞更加嚴(yán)重。在濃度越大的環(huán)境中，混凝土的酸性腐蝕也就會(huì)越嚴(yán)重，導(dǎo)致在形成過(guò)程中生成的Ca2+越來(lái)越多，為硫酸鹽的腐蝕提供了更多的反映原料，進(jìn)而致使混凝土產(chǎn)生更加嚴(yán)重的腐蝕破壞。

溶解性低的鹽類積聚在混凝土的表面層和孔隙、裂紋中，形成硫酸鹽類的腐蝕。在一系列的化學(xué)反應(yīng)后，生成一些沉積物，這些沉積物積聚在混凝土的孔隙中，剛開(kāi)始起到一些填補(bǔ)作用，使得混凝土的密實(shí)度有所提升，但隨著沉積物的積累到達(dá)一定程度后，這些沉積物的體積有很大程度的膨脹，遠(yuǎn)大于混凝土的孔隙空間，在其中形成一定的內(nèi)部膨脹力向外擴(kuò)散，隨著壓力的增大，當(dāng)超過(guò)了混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)候，混凝土孔隙逐漸變大，使得更多的酸類介質(zhì)侵蝕進(jìn)入混凝土的內(nèi)部，破壞混凝土的整體性。關(guān)于硫酸鹽的腐蝕主要分為以下幾類：

(1)鈣礬石結(jié)晶

當(dāng)混凝土處于酸性環(huán)境中時(shí)，硫酸鹽透過(guò)混凝土的孔隙或裂縫進(jìn)入到混凝土內(nèi)部，與混凝土硬化過(guò)程中形成的氫氧化鈣和水化鋁酸鈣發(fā)生反應(yīng)，生成鈣礬石。

鈣礬石在堿性很弱的溶液中也可以穩(wěn)定的存在，而且溶解度極小。其結(jié)晶物含有大量的結(jié)晶水分存在，體積會(huì)比原來(lái)膨脹上很多，會(huì)產(chǎn)生較大的向外膨脹力，而且其結(jié)晶物為放射狀晶體，會(huì)增大其內(nèi)部應(yīng)力，很容易形成裂縫，使混凝土建筑物遭受破壞。

(2)石膏型膨脹

之前有人關(guān)于石膏型膨脹論點(diǎn)會(huì)提出疑問(wèn)，但現(xiàn)已有文獻(xiàn)實(shí)驗(yàn)證明在硫酸鹽腐蝕過(guò)程中會(huì)有石膏的生成，由Ca(OH)2轉(zhuǎn)變成為石膏，體積膨脹為原來(lái)的兩倍，使得內(nèi)部應(yīng)力急劇增大，致使混凝土因?yàn)閼?yīng)力過(guò)大而產(chǎn)生破壞。

有文獻(xiàn)說(shuō)明[2]，當(dāng)侵蝕溶液的濃度小于 1000mg/L 時(shí)，只有鈣礬石晶體形成，當(dāng)SO42-濃度超過(guò) 1000mg/L 并逐漸增大時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生鈣礬石和石膏兩種晶體并存。SO42-濃度若在較大的一個(gè)范圍內(nèi)，石膏結(jié)晶侵蝕作用大多只是起到從屬作用，只有當(dāng)SO42-濃度達(dá)到非常高時(shí)，石膏結(jié)晶侵蝕作用才能發(fā)揮主導(dǎo)作用。石膏膨脹引起鋼筋混凝土試件破壞的特點(diǎn)是試件表面不會(huì)出現(xiàn)粗大裂紋但會(huì)發(fā)生整體潰散，在外觀上可觀察到混凝土試件表面上布滿大量的沉淀產(chǎn)物。

二、酸雨腐蝕混凝土的研究成果

國(guó)內(nèi)外關(guān)于酸溶液對(duì)混凝土腐蝕的研究不是很多，大多數(shù)是定性研究，或是基于化學(xué)分析和其他手段的腐蝕機(jī)理研究[3]-[4]，對(duì)于混凝土的力學(xué)性能研究較少[5]-[7]。

陳元素、范穎芳研究了受鹽酸腐蝕C30混凝土抗壓強(qiáng)度等力學(xué)性能以及應(yīng)力-應(yīng)變曲線的變化規(guī)律，并提出了基于研究結(jié)果的壽鹽酸腐蝕混凝土抗壓強(qiáng)度、彈性模量的計(jì)算模型[8]。

大連理工的周飛鵬[9]通過(guò)量綱分析的方法確定了混凝土的強(qiáng)度和酸化深度與浸泡溶液的SO42-離子濃度、H+離子濃度、浸泡時(shí)間和混凝土初始強(qiáng)度之間的關(guān)系。

重慶大學(xué)的陳文[10]模擬重慶市的酸雨為腐蝕環(huán)境采用極化曲線法和交流阻抗法研究了剛進(jìn)材料在模擬酸雨及模擬混凝土孔隙溶液中的腐蝕行為。