潘廣釗， 王帥飛

(河南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，河南 鄭州 451450)

0 引 言

硫酸鹽侵蝕是導(dǎo)致混凝土性能劣化的四大主因之一，也是影響因素最為復(fù)雜、危害性最大的一種環(huán)境水侵蝕。為此，本文綜述了混凝土在硫酸鹽侵蝕與環(huán)境因素耦合作用下微觀結(jié)構(gòu)劣化規(guī)律，揭示其劣化機(jī)理，以期為今后混凝土的抗硫酸鹽侵蝕研究提供理論指導(dǎo)。

1 硫酸鹽侵蝕機(jī)理

1.1 物理侵蝕

處于富含硫酸鹽環(huán)境中的混凝土結(jié)構(gòu)，因內(nèi)部水分蒸發(fā)，在混凝土內(nèi)部結(jié)晶產(chǎn)生結(jié)晶壓力，并發(fā)生膨脹。當(dāng)混凝土極限抗拉強(qiáng)度不足以抵抗膨脹應(yīng)力時(shí)，混凝土便發(fā)生開裂破壞，這種現(xiàn)象一般在干濕循環(huán)區(qū)較為常見(jiàn)[2，3]。

1.2 化學(xué)侵蝕

混凝土硫酸鹽的化學(xué)侵蝕主要為一般硫酸鹽侵蝕(鈣礬石型與石膏型)及鎂鹽侵蝕兩種。

1.2.1 鈣礬石型

鈣礬石型是目前硫酸鹽侵蝕研究最多的一種。侵蝕性硫酸鹽在混凝土內(nèi)部與水泥水化產(chǎn)物反應(yīng)先生成硫酸鈣，然后與鋁酸鈣反應(yīng)，最終生成高硫型水化硫鋁酸鈣(即鈣礬石)。鈣礬石一般呈十分微細(xì)的針片狀晶體(圖1)，其在原始含鋁固相表面吸水腫脹，體積增大，產(chǎn)生巨大的膨脹應(yīng)力，使混凝土發(fā)生開裂破壞[4]。

1.2.2 石膏型

有研究表明，在剛開始時(shí)，反應(yīng)產(chǎn)物中只有鈣礬石晶體；隨著硫酸根離子濃度繼續(xù)增加，石膏晶體生成；在硫酸根離子濃度非常高時(shí)，石膏結(jié)晶侵蝕才開始起主要作用[5]。石膏型膨脹侵蝕不會(huì)對(duì)混凝土試件產(chǎn)生較大裂紋，但會(huì)使混凝土變得松散，遍體潰散。

1.2.3 硫酸鎂型

2 環(huán)境因素

2.1 電 場(chǎng)

隨著城市化進(jìn)程加快，地鐵、輕軌等機(jī)車行進(jìn)途中，部分電流會(huì)通過(guò)鋼軌傳輸?shù)交炷林?，形成雜散電流[8]。雜散電流的存在，可能會(huì)影響侵蝕性離子在混凝土內(nèi)部的傳輸方向和傳輸速度，威脅混凝土耐久性[9]。

綜上所述，對(duì)于電場(chǎng)作用對(duì)混凝土硫酸鹽侵蝕劣化機(jī)理的影響鮮有報(bào)道。電場(chǎng)作用下，一方面混凝土中水化產(chǎn)物中的Ca2+平衡失穩(wěn)，對(duì)強(qiáng)度不利；另一方面，加速侵蝕性離子的侵入，在混凝土內(nèi)部生成更多的膨脹性產(chǎn)物，使混凝土發(fā)生開裂。因此，在電場(chǎng)環(huán)境下服役的混凝土結(jié)構(gòu)工程應(yīng)采取相應(yīng)的保護(hù)措施。

2.2 干濕循環(huán)

在實(shí)際工程中，特別是水工、海工結(jié)構(gòu)工程中混凝土所處水位變動(dòng)區(qū)、潮汐區(qū)及浪濺區(qū)等位置，混凝土遭受干濕循環(huán)和硫酸鹽侵蝕共同作用，其侵蝕劣化機(jī)理更加復(fù)雜。在侵蝕初期，水泥水化產(chǎn)物與硫酸鹽反應(yīng)生成的鈣礬石、石膏等膨脹性產(chǎn)物，以及析出的鹽類晶體均對(duì)混凝土內(nèi)部孔隙具有填充作用，而此時(shí)反應(yīng)產(chǎn)生的膨脹應(yīng)力仍較小，未超過(guò)混凝土的抗拉強(qiáng)度，因此密實(shí)度增加、強(qiáng)度升高；隨著侵蝕時(shí)間延長(zhǎng)，濕狀態(tài)下混凝土受到膨脹性侵蝕產(chǎn)物的損傷作用，干狀態(tài)下又遭受Na2SO4·10H2O結(jié)晶膨脹損傷，干濕循環(huán)反復(fù)作用使混凝土內(nèi)部損傷不斷累積[13-15]。隨著侵蝕進(jìn)一步進(jìn)行，C-S-H凝膠變得松散，生成的鈣礬石晶體在孔洞或裂縫中大量聚集，產(chǎn)生較大的膨脹應(yīng)力，隨著這種應(yīng)力的疊加，最終導(dǎo)致混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)膨脹開裂，而裂縫又會(huì)為外部環(huán)境中的硫酸根離子提供便利通道，使其更易滲入，此過(guò)程交替進(jìn)行，形成一種惡循環(huán)，加劇混凝土的損傷破壞[16]。

以上研究表明，干濕循環(huán)作用下，混凝土的硫酸鹽侵蝕劣化是硫酸鹽自身結(jié)晶膨脹與生成的膨脹性侵蝕產(chǎn)物共同作用的結(jié)果，對(duì)混凝土性能更為不利。

2.3 凍融循環(huán)

在我國(guó)北方地區(qū)，混凝土材料在遭受外界環(huán)境(土壤、地下水)中的硫酸鹽侵蝕的同時(shí)，還往往遭受凍融破壞。有研究表明，硫酸鹽溶液對(duì)混凝土抗凍融破壞既有利也有弊[17]。在凍融初期，腐蝕產(chǎn)物與鹽結(jié)晶體的增加會(huì)密實(shí)混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)，有利于混凝土的抗凍融破壞；另一方面，因硫酸鹽濃度差的存在，混凝土在凍融時(shí)，內(nèi)部孔隙中會(huì)產(chǎn)生更大的滲透壓，又由于硫酸鹽產(chǎn)生的過(guò)冷水處于不穩(wěn)定狀態(tài)，其在孔結(jié)構(gòu)中結(jié)冰速度很快，產(chǎn)生更大的靜水壓，滲透壓與靜水壓使混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷[18]。每次凍融循環(huán)都會(huì)損傷混凝土內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)，隨著損傷積累，裂縫在內(nèi)部不斷擴(kuò)展，最終導(dǎo)致混凝土劣化損壞[19，20]。此外，硫酸鹽溶液種類對(duì)混凝土凍融破壞作用也不盡相同，相比硫酸鈉鹽溶液，由于硫酸鎂鹽具有硫酸鹽和鎂鹽雙重腐蝕作用，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得疏松，更有利于混凝土的凍融破壞[21]。

綜上所述，遭受硫酸鹽侵蝕與凍融的混凝土劣化，是由于凍融時(shí)受鹽濃度差影響，混凝土內(nèi)部產(chǎn)生更大的滲透壓與靜水壓，最終使混凝土結(jié)構(gòu)劣化損壞。相比其他硫酸鹽，硫酸鎂鹽的雙重腐蝕作用，對(duì)于凍融環(huán)境下的混凝土破壞更嚴(yán)重。

2.4 碳 化

混凝土碳化是水泥水化產(chǎn)物中的堿性物質(zhì)與空氣中的二氧化碳發(fā)生的一種復(fù)雜物理化學(xué)過(guò)程。一方面，混凝土碳化，密實(shí)度增加，抗侵蝕能力提高；另一方面，碳化反應(yīng)會(huì)通過(guò)影響混凝土內(nèi)部堿度來(lái)破壞鋼筋鈍化膜，使鋼筋發(fā)生銹蝕，從而導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)耐久性下降[22]。

對(duì)于處于我國(guó)東部沿海、西北鹽漬等地區(qū)及酸雨土壤中的混凝土，在硫酸鹽侵蝕的過(guò)程中，往往不可避免受空氣中二氧化碳的碳化影響。碳化與硫酸鹽的共同作用，加劇了混凝土劣化[23]。遭受硫酸鹽侵蝕的混凝土，隨著碳化反應(yīng)的進(jìn)行，水化產(chǎn)物中鈣礬石或硫鋁酸鹽分解生成硫酸根離子，溶于孔溶液中并通過(guò)濃度擴(kuò)散遷移到未碳化區(qū)，使未碳化區(qū)提前受到侵蝕，與未碳化區(qū)的鋁酸三鈣反應(yīng)又生成鈣礬石和硫鋁酸鹽，此后這種分解與生成的循環(huán)過(guò)程推動(dòng)碳化鋒面向混凝土內(nèi)部發(fā)展，當(dāng)產(chǎn)生膨脹應(yīng)力較大時(shí)，混凝土內(nèi)部便會(huì)產(chǎn)生微裂紋[24]。碳化反應(yīng)能夠加速硫酸鹽在混凝土內(nèi)部擴(kuò)散，使混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能下降[25]。

綜上所述，碳化反應(yīng)能夠影響混凝土內(nèi)部堿度，使鋼筋脫鈍銹蝕；同時(shí)，碳化反應(yīng)還會(huì)通過(guò)影響水化產(chǎn)物硫鋁酸鹽的分解與生成，推動(dòng)碳化鋒面向混凝土內(nèi)部發(fā)展，對(duì)混凝土的抗硫酸鹽侵蝕不利。

3 結(jié)束語(yǔ)

硫酸鹽侵蝕是影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的重要因素之一。混凝土結(jié)構(gòu)工程所處的服役環(huán)境因素(電場(chǎng)、干濕循環(huán)、凍融循環(huán)和碳化等)會(huì)加快混凝土的硫酸鹽侵蝕，加劇混凝土結(jié)構(gòu)的劣化。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者大多圍繞單因素作用下混凝土的硫酸鹽侵蝕機(jī)理進(jìn)行研究，研究成果較為成熟，實(shí)際工程中，混凝土遭受硫酸鹽侵蝕結(jié)構(gòu)劣化，往往是外界環(huán)境多重因素耦合作用的結(jié)果，而現(xiàn)有對(duì)于該方面研究還不夠深入，仍較為缺乏。因此，加強(qiáng)多重因素耦合作用下混凝土硫酸鹽侵蝕的理論研究更具有實(shí)際指導(dǎo)意義。