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        混凝土碳硫硅鈣石型硫酸鹽腐蝕與預(yù)防對(duì)策

        2021-01-05 12:34:16曾慶林劉明瑋
        江西建材 2020年12期
        關(guān)鍵詞:硅鈣礬石硫酸鹽

        孟 起,曾慶林 ,劉明瑋

        1.金陵科技學(xué)院 建筑工程學(xué)院,江蘇 南京 2 111692;2.江蘇開(kāi)放大學(xué),江蘇 南京 210000

        1 引言

        碳硫硅鈣石型硫酸鹽腐蝕(簡(jiǎn)稱TSA)是一種特殊的硫酸鹽腐蝕形式,是由于硫酸鹽的侵入,與水泥的水化產(chǎn)物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而生成腐蝕產(chǎn)物碳硫硅鈣石。碳硫硅鈣石的形成,通常是混凝土水化后產(chǎn)生的水化硅酸鈣(C-S-H 凝膠)在與外界侵入的硫酸鹽或內(nèi)部形成的鈣礬石發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后生成的一種灰白色泥狀物質(zhì),該物質(zhì)由于幾乎不具備強(qiáng)度,會(huì)導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度大幅降低,因此具有很強(qiáng)的破壞性。碳硫硅鈣石型腐蝕的表征又與傳統(tǒng)的硫酸鹽腐蝕不同,傳統(tǒng)的硫酸鹽腐蝕現(xiàn)象是硫酸鹽的侵入導(dǎo)致混凝土的膨脹和開(kāi)裂。同時(shí)在微觀分析過(guò)程中,碳硫硅鈣石與鈣礬石具有非常相似的的晶體結(jié)構(gòu),容易被誤認(rèn)為鈣礬石而忽略,因此還具有很強(qiáng)的隱蔽性。

        碳硫硅鈣石最早被發(fā)現(xiàn)于瑞典Areskutan的硫化物礦床中。1965 年,美國(guó)Erin 和Stark[1]對(duì)混凝土中出現(xiàn)的TSA 進(jìn)行了詳細(xì)報(bào)導(dǎo)。1994 年,加拿大首次發(fā)現(xiàn)了混凝土結(jié)構(gòu)因碳硫硅鈣石而發(fā)生TSA 破壞[2]。我國(guó)于1985 年發(fā)現(xiàn)位于甘肅省蘭州市的八盤峽水電站局部廊道的混凝土地面遭到嚴(yán)重的TSA 破壞[3]。

        本文聚焦于碳硫硅鈣石型腐蝕,對(duì)其腐蝕機(jī)理和影響因素進(jìn)行了闡述,探討了針對(duì)碳硫硅鈣石型腐蝕問(wèn)題的預(yù)防對(duì)策。

        2 腐蝕機(jī)理

        根據(jù)現(xiàn)有的研究發(fā)現(xiàn)[4],TSA 主要有兩種腐蝕機(jī)理:一是溶液反應(yīng)機(jī)理,二是硅鈣礬石轉(zhuǎn)變機(jī)理。但是在實(shí)際工程中,不會(huì)單獨(dú)只存在其中一種機(jī)理。

        硅鈣礬石轉(zhuǎn)變機(jī)理中提出,碳硫硅鈣石是由鈣礬石轉(zhuǎn)化而來(lái)。在一定條件下,鈣礬石中的Al3+會(huì)與C-S-H 凝膠中的Si4+發(fā)生交換,鈣礬石中的+H2O 會(huì)與+H2O 發(fā)生交換,從而生成硅鈣礬石,硅鈣礬石再進(jìn)一步參與化學(xué)反應(yīng)生成碳硫硅鈣石。反應(yīng)過(guò)程如下:

        通過(guò)觀察碳硫硅鈣石的化學(xué)反應(yīng)方程式可以看出,TSA 從腐蝕開(kāi)始就是與C-S-H 凝膠、水化鋁酸鈣、鈣礬石等主要水化產(chǎn)物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。隨著化學(xué)反應(yīng)的持續(xù)進(jìn)行,水化產(chǎn)物被逐漸消耗,混凝土逐漸失去膠結(jié)能力,成為灰白色泥狀物。因此,與一般的硫酸鹽腐蝕造成膨脹開(kāi)裂相比,TSA 對(duì)混凝土造成的破壞更為嚴(yán)重。

        3 影響因素

        3.1 水泥種類

        研究發(fā)現(xiàn)[5],普通硅酸鹽水泥基本不具備抵抗TSA 的能力,抗硫酸鹽水泥只能延緩TSA 破壞的發(fā)生??煊擦蜾X酸鹽水泥由于水化后的混凝土孔隙率較低,因此具有較強(qiáng)的抗TSA 破壞性能。

        3.2 礦物摻和料

        研究表明,摻入具有一定活性的粉煤灰能夠在一定程度上提升混凝土的抵抗TSA 破壞能力[6],摻入礦渣也可以提升混凝土的抗TSA 性能[5],摻入石灰石粉只能在早期提升混凝土的抗?侵蝕性,但是在后期并不具備抵抗TSA 破壞能力。摻入火山灰反而會(huì)降低混凝土的抗TSA 性能。

        3.3 腐蝕介質(zhì)

        腐蝕介質(zhì)對(duì)碳硫硅鈣石的形成也會(huì)產(chǎn)生一定影響,例如在MgSO4溶液中,MgSO4與Ca(OH)2反應(yīng)生成Mg(OH)2,由于Mg(OH)2溶解度極低,使鈣礬石無(wú)法穩(wěn)定存在,從而發(fā)生化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化為碳硫硅鈣石,而Na2SO4在溶液中,鈣礬石相對(duì)穩(wěn)定,化學(xué)反應(yīng)不易發(fā)生,因此在Mg2+存在時(shí),鈣礬石更容易發(fā)生轉(zhuǎn)化,更容易造成TSA 破壞。

        4 預(yù)防對(duì)策

        目前,提高抗TSA 性能而采取的主要對(duì)策包括:(1)在拌制混凝土?xí)r,適當(dāng)添加活性礦物摻合料,摻合料能起到代替水泥,較少水泥用量的作用,進(jìn)而減少Ca(OH)2的生成,同時(shí)降低C-S-H 凝膠的水灰比,從而減少生成碳硫硅鈣石的化學(xué)反應(yīng)物。(2)對(duì)混凝土在早期養(yǎng)護(hù)過(guò)程中與空氣接觸,通過(guò)與空氣中的CO2反應(yīng),在混凝土表面形成CaCO3,使混凝土更加密實(shí),防止SO42-離子的侵入。(3)設(shè)計(jì)配合比時(shí),盡量減小水灰比,從而降低混凝土的孔隙率,提高混凝土的密實(shí)度和抗?jié)B性,阻止SO42-離子的侵入。(4)選用Ca(HCOO)2、Ba(NO3)2等化學(xué)外加劑,這些外加劑能夠遲滯生成碳硫硅鈣石的化學(xué)反應(yīng),從而推遲TSA 破壞的發(fā)生,提高抗TSA 性能。

        5 結(jié)語(yǔ)

        現(xiàn)有的研究大多針對(duì)現(xiàn)象更加明顯的傳統(tǒng)硫酸鹽腐蝕,而忽視了對(duì)TSA 的研究。研究已表明TSA 具有更大的危害性。因此全面開(kāi)展針對(duì)TSA 問(wèn)題的深入研究,對(duì)提高混凝土耐久性,提升混凝土使用壽命具有重大的意義。

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