楊國(guó)棟 孫 強(qiáng)

(1.江蘇地質(zhì)礦產(chǎn)設(shè)計(jì)研究院，江蘇 徐州 221006;2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

0 引言

混凝土是由膠凝狀材料將砂、石等集料膠結(jié)成的復(fù)合材料，作為巖土工程活動(dòng)中重要工程材料，處在工程環(huán)境中的混凝土，不可避免的與水、空氣和其他材料接觸，其在工程施工和運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的侵蝕一直是學(xué)者們的關(guān)注焦點(diǎn)［1-8］。

混凝土效能的耐久性與其自身組分、結(jié)構(gòu)和所處環(huán)境特征密切相關(guān)。外部環(huán)境的影響主要體現(xiàn)為兩個(gè)方面:1)物理干濕交替、溫度和荷載變化引起的膨脹—收縮裂隙;2)化學(xué)作用下，混凝土結(jié)構(gòu)和成分發(fā)生變化，進(jìn)而引起的工程性能降低。本文重點(diǎn)針對(duì)混凝土的化學(xué)侵蝕展開(kāi)。

1 混凝土侵蝕機(jī)理

在化學(xué)侵蝕過(guò)程中，水是重要的參與者和促進(jìn)動(dòng)力，其作用可總結(jié)為四個(gè)方面:1)水溶液為侵蝕性離子的侵蝕提供了化學(xué)反應(yīng)場(chǎng)所，并且有利于深部侵蝕的形成;2)水溶液的擴(kuò)散和流動(dòng)會(huì)將生成物帶走，并導(dǎo)致侵蝕性離子持續(xù)存在，引起侵蝕逐漸加劇;3)水溶液本身也是侵蝕的參與者;4)水引起了砂巖周圍環(huán)境pH和Eh 的變化。根據(jù)水溶液環(huán)境對(duì)混凝土侵蝕情況，可以分為酸性侵蝕和堿性侵蝕，其中酸性侵蝕又可以分為強(qiáng)酸、弱酸，有機(jī)酸等;按照侵蝕性鹽類成分引起的侵蝕可以分為硫酸鹽侵蝕、碳酸鹽侵蝕等。

酸性侵蝕主要是溶液中H+對(duì)混凝土材料中溶酸性材料的腐蝕引起的，如引起以碳酸鹽等形式起膠結(jié)作用的物質(zhì)成分(如反應(yīng)式(1))的酸性溶解。堿性侵蝕主要是由于混凝土集料中往往存有長(zhǎng)石、霞石等堿溶性成分，這與第二章中長(zhǎng)石的風(fēng)化可相聯(lián)系。在強(qiáng)堿性環(huán)境中長(zhǎng)石和霞石(NaAlSiO4)會(huì)發(fā)生分解(見(jiàn)反應(yīng)式(2)，式(3))［8］，進(jìn)而導(dǎo)致混凝土骨架結(jié)構(gòu)的破壞。硫酸鹽的侵蝕主要體現(xiàn)為，會(huì)與混凝土中Ca2+生成石膏，進(jìn)而引起體積膨脹，造成混凝土劣化(反應(yīng)式(4))。同時(shí)強(qiáng)堿性環(huán)境對(duì)石英腐蝕也值得注意:當(dāng)pH 值小于8 時(shí)，其溶解度很小;pH 升至9.5 以上石英溶解度急劇增加;特別是pH 高于11 時(shí)，溶解度可高達(dá)5 000 ppm(見(jiàn)圖1)。碳酸鹽侵蝕是由于水溶液中CO2含量增大時(shí)，pH 呈弱酸性，此時(shí)會(huì)導(dǎo)致化學(xué)反應(yīng)式(1)向右進(jìn)行。

圖1 石英溶解度與溶解速度和pH 的關(guān)系[9]

2 黃鐵礦對(duì)混凝土侵蝕的影響

當(dāng)周圍環(huán)境中存在黃鐵礦(FeS2)等硫化礦物時(shí)，對(duì)混凝土的工程性能會(huì)造成嚴(yán)重的危害。黃鐵礦在水、游離氧和微生物作用下迅速氧化，形成強(qiáng)酸性水環(huán)境(見(jiàn)圖2，尤其是第二和第三階段)，并且會(huì)有大量SO2－4 生成。黃鐵礦初始反應(yīng)階段，首先發(fā)生表面溶解，然后才發(fā)生與溶解氧的氧化反應(yīng)，且溶解速率一般比氧化速率快，只有當(dāng)溶解產(chǎn)物明顯增加時(shí)，氧化反應(yīng)才變得明顯。在生物氧化為主階段/pH 急降階段(第二階段)隨著黃鐵礦周圍環(huán)境中pH 值降低，喜酸細(xì)菌(如嗜硫桿菌S.thermoulfidooxidans 等)開(kāi)始增多，造成溶液pH 值急劇降低。隨著pH 降低至3 以下(第三階段)，大量的Fe2+存在于溶液中，而此時(shí)Fe(OH)3膠體發(fā)生溶解，加速了黃鐵礦的氧化速率，特別是在pH 值在2.5 附近時(shí)釋放量急劇增加。

圖2 黃鐵礦氧化時(shí)間過(guò)程中曲線[12]

因此，黃鐵礦的存在一方面導(dǎo)致混凝土的酸性侵蝕加劇，同時(shí)會(huì)形成具有膨脹性的石膏。1998年西班牙Aznalcllar 尾礦壩事故就是由于壩基巖石中黃鐵礦風(fēng)化造成巖體孔隙增大，結(jié)構(gòu)破碎，同時(shí)風(fēng)化所產(chǎn)生的酸性水導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度失效所致［10，11］。此外，在黃鐵礦存在時(shí)，還可能存在H2S 侵蝕，其侵蝕機(jī)理可用化學(xué)反應(yīng)式(5)，式(6)表示;反應(yīng)會(huì)導(dǎo)致鈣質(zhì)成分流失，導(dǎo)致混凝土孔隙增加，強(qiáng)度下降。

3 結(jié)語(yǔ)

混凝土的化學(xué)侵蝕可歸納為:1)在水的參與下，溶液中的化學(xué)物質(zhì)對(duì)混凝土中的集料或膠結(jié)成分產(chǎn)生化學(xué)溶蝕作用，導(dǎo)致混凝土孔隙度增大，骨架性結(jié)構(gòu)喪失;2)反應(yīng)過(guò)程中會(huì)形成膨脹性物質(zhì)，如石膏，在膨脹力作用下，混凝土裂隙增加，強(qiáng)度出現(xiàn)虧損，耐久性降低。

工程中在選擇混凝土材料和工程養(yǎng)護(hù)時(shí)，應(yīng)注意:1)根據(jù)工程環(huán)境選擇混凝土集料和配比，特別是環(huán)境中的pH 值以及侵蝕性離子;2)工程中的混凝土應(yīng)采取防水和干燥措施，降低化學(xué)侵蝕反應(yīng)速率;3)存在強(qiáng)堿性時(shí)，慎用長(zhǎng)石、霞石含量多的集料。

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