混凝土制品泛堿治理研究

顏凡 金強 婁芝鳳

（1中冶寶鋼技術服務有限公司，上海 200942；2上海中冶環境工程科技有限公司，上海 200941；3上海市寶山區節能管理服務中心，上海 200941）

0 引言

多孔混凝土制品中的水溶性組分隨水蒸發沉淀在材料表面，形成白色鹽狀物質，這種泛堿現象常出現于混凝土制品表層，俗稱“析白”“泛白”“泛霜”。泛堿現象在混凝土工程施工中出現的比例高達30%以上，對混凝土及其制品的外觀、結構性能和質量等級的評定與驗收產生不利影響。由于制品中堿性物質釋放緩慢，受天氣影響容易在制品表面及內部循環，造成泛堿現象反復出現，目前還沒有徹底的解決方法。

國內外關于混凝土制品的泛堿問題已有較廣泛研究，但鮮有對鋼渣混凝土制品表面泛堿問題的研究。鋼渣作為煉鋼的副產品，由于冶煉過程中加入了石灰、輕燒白云石、石灰石等材料，加之爐襯侵蝕，導致其包含的堿性物質含量較高，在使用鋼渣作為混凝土拌合骨料時，鋼渣與水泥中的堿性物質同時釋放，易造成鋼渣混凝土制品出現泛堿現象。本文基于國內外治理混凝土制品泛堿的研究，闡述混凝土制品泛堿的危害、產生原理及預防治理方法，從而為治理鋼渣混凝土制品泛堿提供思路。

1 國內外混凝土制品表面泛堿研究

國外對建材表面泛堿的研究可追溯至19世紀。Dow C和Glasser F P[1]就波蘭特水泥建筑材料中泛堿主要成分碳酸鈣的形成機理開展了相關研究。Nour Sghaier等人[2]進行了NaCl溶液在多孔介質模型中的蒸發實驗，研究了泛堿物質層對多孔介質干燥動力學的影響，并提出，初次泛堿時，由于泛堿物質的多孔特性而產生的毛細泵吸作用及溶解鹽對水活性的影響，會導致水蒸發速率提高，二次泛堿時，泛堿物質層作為水蒸發擴散的障礙，會顯著降低水的蒸發速率。Sidney Mindess, J.Francis Young和David Darwin[3]認為混凝土內部可溶物發生明顯的滲濾才導致泛堿現象，而水中各種溶解鹽的總量決定了可溶物滲出速率，一般來說采用軟水的侵蝕情況比硬水更嚴重，此外水中各種可溶鹽的溶解度與水溫密切相關，故水溫也會影響鹽堿的析出。

國內對泛堿問題的研究起步晚、發展快，對混凝土泛堿的研究多集中于裝飾砼。東南大學的Bin Xue等人[4]通過圖像分析、熱重分析和滲透性測試等手段，發現某些微生物可以捕捉大氣中的CO2與水泥基材料中的Ca（OH）2反應，從而降低水泥基材料中的Ca（OH）2并提高其致密性。研究結果表明，當微生物用量達到膠凝材料的4%時，在微生物對水泥基材料的生物礦化作用下，水泥基墻板的泛堿面積比例可由30%下降至5%，同時墻板的抗壓、抗折強度達到最高。天津大學的高向東等人[5]通過X射線衍射儀分析發現，路面磚泛堿物質主要成分為70.8% NaHCO3、10.5%無水Na2SO4等其他物質。

1.1 泛堿造成的危害

混凝土制品表面泛堿主要帶來以下危害：在外觀質量方面，制品泛堿會破壞其表面色澤、圖案，影響制品的美觀及鋪裝效果，對工程評定驗收帶來不利影響。在力學性能方面，隨著制品內部孔隙中可溶性鹽堿類物質在制品表面持續聚集，內部原有的穩定平衡狀態被破壞，膠凝性化學組分隨之破壞分解，制品強度相應損失。此外，當泛堿物質主要成分為Na2SO4或Ca（OH）2時，隨著它們在制品表面不斷析出，導致混凝土內部孔隙率增加，會提高其滲透性能，進一步加重制品泛堿狀況。混凝土制品泛堿嚴重時，混凝土表層組織結構會遭到破壞，抗滲、抗凍、抗碳化性能降低，制品的耐久性下降[6]。

1.2 泛堿產生機理

按照生成過程的不同，泛堿可分為初次泛堿和二次泛堿兩種類型。水泥中的C3S、C2S水化成C-S-H的同時，大量的Ca（OH）2隨之生成，溶于水的Ca2+遷移至制品表面接觸空氣中CO2反應生成CaCO3附著在制品表面，呈白色鹽霜狀，見圖1。除Ca2+外，水泥中還存有Na+、K+等可溶組分，它們一般通過表面結晶和內部結晶兩種結晶方式在多孔水泥基材料中析出，往往發生表面結晶時才會在制品表面產生白色物質，形成泛堿。有學者用燈芯效應解釋泛堿現象，認為在混凝土的一面處于潮濕環境，而另一面相對干燥的情況下，混凝土內部可溶堿性物質析出過程類似于燈芯燃燒，研究者將這種情況下溶液在混凝土中傳輸的過程稱為燈芯效應[5]。

圖1 混凝土內部Ca2+析出示意圖

重慶交通大學邢李進等人[7]利用SEM掃描電鏡和X射線衍射儀對砂漿表面的泛堿物質進行觀察分析。在掃描電鏡下發現砂漿表面存在許多的菱形礦物結構，是典型的方解石晶體CaCO3，見圖2。X射線衍射儀分析發現泛堿物質化學組分主要是氫氧化鈣和碳酸鈣，此外還有鈉、鉀硫酸鹽等一些可溶性鹽類物質。

圖2 砂漿表面的SEM照片

1.3 泛堿防治方法

針對泛堿產生的條件，可采取相應的措施預防治理泛堿。目前，通常采取化學方法和物理方法抑制混凝土泛堿[8]，見圖3。也有少量利用微生物對混凝土進行生物礦化以減輕泛堿的研究，是一種較新穎的思路。

圖3 泛堿防治方法

對于已出現泛堿現象的制品，蔣亞軍等人[9]采取了以下措施：1）使用高壓水槍對出現泛堿的混凝土制品表面直接沖洗；2）配置低濃度鹽酸清洗；3）噴涂罩面保護劑。研究發現前兩種方法效果不理想，且對制品表面有一定的破壞作用，后一種方法效果不錯，但會產生額外成本。

2 結論

通過調研，發現國內外關于處理混凝土泛堿問題的文獻眾多，但僅針對水泥、外加劑、含堿金屬氧化物低的原材料，涉及建筑裝飾外墻、清水混凝土、燒結磚等方面，未見關于鋼渣材料制品所做的泛堿處理研究。通過研究泛堿產生的環境條件及機理，可從以下角度預防和治理鋼渣混凝土制品的表面泛堿。

1）改進配方將混凝土內部Ca（OH）2反應固定下來。鋼渣混凝土制品表面泛堿物質成分主要為CaCO3，通過改進配方使得混凝土中Ca（OH）2與新摻入的粉煤灰、硅粉等活性混合材反應生成C-S-H、CaCO3等物質而固定下來。

2）從原材料入手，控制堿性物質的攝入。由于煉鋼的特性，鋼渣中的氧化鈣、氧化鎂等堿性物質含量較高，可以提前預處理以釋放其中的堿性物質，再將其作為混凝土骨料，并采用可溶堿性物質含量低的水泥、砂石細骨料等原材料，從源頭控制堿性物質的攝入。

3）改進生產工藝流程，如優化骨料顆粒級配，改善混凝土孔隙結構，減少可溶性堿性物質從混凝土中析出。改進養護方式，如降低干燥速度、CO2養護等，讓Ca（OH）2在混凝土內部生成CaCO3固定下來。

4）適當使用外加劑對混凝土進行憎水處理，隔絕可溶堿性物質傳輸通道。憎水處理一般有表面處理和整體處理兩類方式，整體處理是在混凝土拌和過程中摻加防水性物質包裹在骨料表面，使得混凝土中堿性物質難以進入溶液中，表面處理是在成型后的混凝土表面噴涂防水層，使得堿性物質難以隨水分遷移至表面。