水土對混凝土硫酸鹽腐蝕評價方法的改進

宋蘇姝

江蘇省地質工程有限公司 江蘇 南京 211100

引言

混凝土作為人類生活中離不開的重要建筑材料，無論是房屋的建設還是道路橋梁的建設都需要混凝土來實施。混凝土有著自身的特點和壽命，如果使用不當就會導致其使用壽命縮短，影響房屋、道路和橋梁的建筑質量，進而危害到國家、集體以及個人的利益。使用混凝土的過程中因其內外環境存在著許多化學腐蝕物質，這些物質會滲透到混凝土孔隙當中在混凝土的內部進行化學作用導致混凝土的成分出現變化，對鋼筋和混凝土都可能起到腐蝕的作用。混凝土的化學腐蝕性作用主要包括堿骨料腐蝕、硫酸鹽腐蝕、碳化腐蝕、氯鹽腐蝕，鎂鹽酸雨微生物腐蝕等。我國地域遼闊，地質、水文、氣候等條件都各不相同，因此分析水土對混凝土硫酸鹽腐蝕評價方法的改進有著重要的意義。

1 混凝土化學腐蝕的類型

1.1 堿骨料反應對混凝土的腐蝕

混凝土中包含具有活性的二氧化硅骨料能夠與水泥中的堿發生化學反應生成堿硅酸凝膠。這種凝膠能夠吸收水分進而膨脹，導致混凝土出現開裂的情況，這種化學反應就是堿骨料反應。出現這種情況主要有3個原因：①混凝土中的水泥含堿量較高，通常水泥中的總堿量R2O含量超過0.6%時就會與活性的骨料出現堿骨料反應；②骨料中的活性SiO2含量過高，含有活性SiO2的骨料主要包括玉髓、方石英、鱗石英、蛋白石以及酸性或者中性的玻璃體（安山巖、流紋巖、凝灰巖）；③環境過分潮濕，混凝土中如果有充足的堿以及能夠進行反應的活性骨料，在混凝土應用的過程中必然會產生化學反應，達到或超過一定數量的反應物通過吸水產生膨脹壓力和內應力，就會導致混凝土出現開裂的情況。這種裂縫會對工程的整體質量造成嚴重的負面影響，甚至還會導致構筑物出現崩塌的情況。堿骨料反應的周期較長，通常為幾年，甚至是幾十年才能夠顯現出來，但一旦出現就無法挽回或者彌補，因此堿骨料反應也被稱為混凝土的不治之癥[1]。

1.2 硫酸鹽對混凝土的腐蝕

硫酸鹽對混凝土能夠起到一定的腐蝕作用，這些硫酸鹽主要來源于工程區域內的水和土，也有可能來自于原本受到硫酸鹽腐蝕的骨料或者外加劑，如噴射混凝土中就會采用大量的鈉鹽速凝劑，這些速凝劑當中就存在著較多的硫酸鹽。對混凝土能夠產生腐蝕的硫酸鹽主要包括硫酸鎂、硫酸鈣、硫酸銨、硫酸鈉等。但硫酸鈉在自然界中并不常見，通常會出現在化肥當中。硫酸鹽主要與混凝土中的Ca(OH)2發生置換反應生成硫酸鈣，硫酸鈣又會與水化鋁酸鈣生成高硫型水化硫酸鈣，化學反應式為：

這一反應中生成的鈣釩石中具有大量的結晶水，極容易產生較大的內部應力，讓混凝土能夠從內部脹開，對混凝土的結構造成嚴重的損壞。水中的硫酸鹽濃度過高時還會在水泥的孔隙中生成二水石膏，也會讓混凝土出現開裂的情況。

1.3 碳化對混凝土的腐蝕

空氣中的CO2與混凝土中的Ca(OH)2產生化學反應會生成水和碳酸鹽，導致混凝土的堿度降低，化學反應式為：

水泥在這個過程中生成了較多的碳酸鈣，導致混凝土中充滿了飽和溶液，對鋼筋能夠起到一定的保護作用，能夠在鋼筋的表面生成難容的純化膜。混凝土在碳化之后會出現堿度降低的情況，一旦碳化的程度超過了混凝土的保護層，水和空氣就會造成鋼筋生銹的情況，最終體積膨脹造成混凝土出現開裂的情況。水泥的品種至關重要，不同類型的水泥中硅酸鈣及鋁酸鈣鹽的含量各不相同，周圍環境中的CO2濃度也會對混凝土的碳化程度造成一定的影響。空氣干燥和水分飽和的情況下，碳化反應并不會發生。滲透水深入到混凝土中時，水中是否存在Ca(OH)2及其含量會對石灰的溶出速度造成一定的影響。混凝土的過度振搗、滲透系數、周邊水的更新速度、水體結構、水流速度、水壓力、混凝土的養護方法等因素都會對混凝土的碳化造成直接影響[2]。

1.4 氯離子對混凝土的腐蝕

氯離子會直接導致混凝土中的鋼筋出現銹蝕和腐蝕的情況。尤其是鹽堿地條件的內陸、沿海以及鹽堿工業區的工程中，混凝土中的骨料與水中的氯鹽會產生反應，導致氯離子對混凝土以及鋼筋產生腐蝕的作用。氯離子的離子半徑較小，屬于強酸根離子，極容易滲透到混凝土當中，降低鋼筋表面的pH值，對鋼筋造成腐蝕的影響。氯離子的濃度一旦超過了鋼筋腐蝕的臨界點就會導致鋼筋出現腐蝕的情況，化學反應式為：

通過研究可以證明，氯離子的臨界濃度與pH值存在直接的關系。氯離子也會與鐵出現反應形成腐蝕電池，在鋼筋表面腐蝕出特有的坑洞，氯離子和鐵離子的產物能夠溶于水，與氧氣發生反應釋放出氯離子，對鋼筋進行反復的腐蝕。鋼筋腐蝕生銹之后就會出現膨脹的情況，對混凝土的開裂造成直接的影響。氯離子和混凝土中的鈣離子也會發生反應且溶于水，對混凝土產生多孔腐蝕，降低混凝土的整體強度，由此可見氯離子對混凝土和鋼筋具有較大的腐蝕性危害。

1.5 混凝土的其他化學腐蝕

1.5.1 鎂鹽腐蝕。鎂離子能夠與混凝土中的氫氧化鈣產生反應，具有較大的溶解性，能夠讓混凝土產生較大孔隙，降低混凝土的結構密實程度，一旦有水流穿過時就會對混凝土造成較大的腐蝕影響。介質溶液中如果含有氯化鈉則會增加氫氧化鎂的溶解，進而加快了對混凝土的腐蝕程度。

1.5.2 微生物腐蝕。硫桿菌能夠將自然界的硫相關產物氧化，形成硫酸鹽轉化成硫酸，對混凝土和鋼筋能夠產生強腐蝕的效果。硫酸鹽還原菌和能夠將硫酸鹽轉化為腐蝕性較強的硫酸，但對高密實度和高pH值的混凝土沒有腐蝕的作用[3]。

1.5.3 酸及酸雨腐蝕。工業產出的酸性氣體和廢水所形成的酸雨能夠對混凝土造成持續性的腐蝕。這些酸會滲透到混凝土中與混凝土內的一些成分發生反應，形成能夠溶于水的物質和非凝膠物質。這種化學反應是存在于混凝土內部的，對混凝土有徹底性的腐蝕作用，也會導致混凝土中的水化氯酸鈣和水化硅酸鈣出現分解的情況，從內部破壞混凝土的孔隙結構，導致混凝土的力學性能出現變化。酸性液體也會對混凝土中的鋼筋產生腐蝕的效果。

2 各行業規范的規定

2.1 巖土工程勘察規范

我國在工業建筑、民用建筑、市政勘察的地下水土腐蝕性評價方面采用《巖土工程勘察規范》標準。《巖土工程勘察規范》同樣也適用于工業建筑、民用建筑、市政勘察的地下水土腐蝕性評價方面，根據三種類型的不同環境將腐蝕程度分為4個等級[4]。

2.2 混凝土結構耐久性設計規范

我國在工業建筑、民用建筑、市政勘察的地下水土腐蝕性評價方面采用《混凝土結構耐久性設計規范》標準。現行的《混凝土結構耐久性設計規范》將腐蝕程度等級分為3個等級，水土中硫酸根離子則分為一般地區、干旱地區、高寒地區。各個等級中的離子深度并不一致，這樣會造成判斷結果無法直接應用在設計當中，因此需要結合實際情況進行判斷。

2.3 鐵路混凝土結構耐久性設計規范

現行《鐵路混凝土結構耐久性設計規范》將化學腐蝕環境作用等級分為4個等級，與《巖土工程勘察規范》基本一致，但各個級別的離子等介質的濃度評價標準各不相同。

2.4 水力發電工程地質勘察規范

現行《水力發電工程地質勘察規范》化學腐蝕環境作用等級分為4個等級，與《巖土工程勘察規范》基本一致，但各個級別的離子等介質的濃度評價標準各不相同[5]。

2.5 水工混凝土結構設計規范

現行《水工混凝土結構設計規范》在環境水作用方面的評價與《水力發電工程地質勘察規范》基本一致。

表1 按環境類型水和土對混凝土構件的腐蝕性評定和評價

表2 水、土中硫酸鹽和酸類物質環境作用等級

3 結束語

綜上所述，各個行業的研究水平和認知導致水土對混凝土硫酸鹽的腐蝕性評價標準各不相同，一些工程甚至直接照搬照抄國外的規范。為了避免這樣的情況，建議由國家的建設主管部門組織帶頭由國內的權威高校或者權威科研所對多年采用的水土化學腐蝕性經驗進行針對性的研究總結，對水土中含有的常規項目SO42-、Mg2+、侵蝕性CO2、HCO3-、pH值等對混凝土的腐蝕情況進行統一評價標準的制定，各個行業可以結合工程實際特點來對混凝土硫酸鹽腐蝕的評價標準進行制定，這樣有助于我國建筑行業的穩定發展。