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1、混凝土硫酸盐侵蚀的研究,一、混凝土硫酸盐侵蚀破坏的机理,二、混凝土硫酸盐侵蚀的影响因素,三、混凝土硫酸盐侵蚀的判定标准,四、防止或减轻混凝土硫酸盐侵蚀的方法,硫酸盐侵蚀是混凝土耐久性的一个重要内容，同时也是影响因素最复杂，危害性最大的一种环境水侵蚀。土壤、地下水、海水、腐烂的有机物以及工业废水中都含有硫酸根离子，它们渗入混凝土内部并与水泥水化物发生反应，产生膨胀、开裂、剥落等现象，从而使混凝土的强度和粘性丧失。近年来，在公路、海港以及机场等工程中都发现硫酸盐侵蚀的问题，严重的甚至导致混凝土构筑物结构的破坏，使建筑物在没有达到其预期的设计使用寿命就过早的发生破坏，造成人力的财力的极大浪费。因此混
2、凝土硫酸盐侵蚀问题越来越受到广大科研工作者和工程技术人员的普遍重视。,一、混凝土硫酸盐侵蚀破坏的机理,硅酸盐水泥水化过程:,水泥熟料,H20,3CaOAl2O36H2O+Ca4SO46H2O(石膏)+H2O,3CaOAl2O33CaSO46H2O,一、混凝土硫酸盐侵蚀破坏的机理,水化硅酸钙和水化铁酸钙几乎不溶于水，以胶体微粒析出，并逐渐凝聚成凝胶氢氧化钙在溶液浓度达到饱和后，以立方体晶体析出水化硫铝酸钙沉积在未水化的水泥颗粒表面，形成保护膜，阻止水化，延缓水泥凝结时间,一、混凝土硫酸盐侵蚀破坏的机理,混凝土硫酸盐侵蚀破坏是一个复杂的物理化学过程，机理十分复杂。其实质是:(1)环境中的SO42-
3、进入混凝土内部，与水泥的某些固相成分发生化学反应生成一些难溶的盐类矿物，盐类矿物吸收大量水分子产生体积膨胀，造成混凝土开裂。(2)另一方面也可使硬化水泥石中CH和C-S-H等组分溶出或分解，导致混凝土强度和粘结性能损失,一、混凝土硫酸盐侵蚀破坏的机理,混凝土受硫酸盐侵蚀的破坏特征1、表面发白2、损伤通常在棱角处开始，接着裂缝开展并剥落,一、混凝土硫酸盐侵蚀破坏的机理,一、混凝土硫酸盐侵蚀破坏的机理,一、混凝土硫酸盐侵蚀破坏的机理,硫酸盐侵蚀属于结晶性侵蚀，根据结晶产物和破坏形式不同，一般分为五种类型,2、石膏结晶型,3、MgSO4溶蚀结晶型,5、碳硫钙矾石结晶型,1、钙矾石结晶,5、碳硫钙矾石
4、结晶型,4、碱金属硫酸盐结晶型,2、石膏结晶型,3、MgSO4溶蚀结晶型,1、钙矾石结晶,一、混凝土硫酸盐侵蚀破坏的机理,1、钙矾石结晶型,Na2SO4H2O+Ca(OH)2=CaSO4H2O+2NaOH+8H2O3(CaSO42H2O)+4CaOAl2O312H2O+14H2O=3CaOAl2O33CaSO432H2O+Ca(OH)2,一、混凝土硫酸盐侵蚀破坏的机理,水化硅酸铝,钙矾石,2.5,一、混凝土硫酸盐侵蚀破坏的机理,产生破坏原因1、钙矾石使固相体积增大2、矿物形态是针状晶体，在固相表面以放射状向四方生长，互相挤压产生极大的内应力，致使混凝土结构破坏破坏形态：混凝土试件表面出现少数较
5、粗大的裂缝,一、混凝土硫酸盐侵蚀破坏的机理,2、石膏结晶型,当侵蚀溶液中SO42-的浓度大于1000毫克/升时，若水泥石的毛细孔为饱和石灰溶液所填充，不仅会有钙矾石生成，还会有石膏结晶析出。其离子反应式为：,在水泥石内部形成二水石膏体积增大1.24倍，使水泥因应力过大而破坏,Ca(OH)2+Na2SO4Ca2+SO42-+Na+OH-Ca2+SO42-+2H2OCaSO4 H2O,一、混凝土硫酸盐侵蚀破坏的机理,SO42-浓度（毫克/升）,非常高,相当大,1000,只有钙矾石生成,石膏结晶侵蚀起从属作用,石膏结晶侵蚀起主导作用,根据浓度积规则，只有当SO42-和Ca2+浓度大于等于CaSO4
6、浓度时才有石膏结晶析出。显然SO42-浓度和毛细孔中石灰溶液浓度具有重要意义。,一、混凝土硫酸盐侵蚀破坏的机理,产生破坏原因：在水泥石内部形成二水石膏体积增大1.24 倍，使水泥因应力过大而破坏 破坏形态：事件没有粗大裂纹但遍体遗散。,一、混凝土硫酸盐侵蚀破坏的机理,3、MgSO4溶蚀结晶型在所有硫酸盐类型中，MgSO4侵蚀是对混凝土侵蚀破坏形最大的一种。,MgSO4+Ca(OH)2+2H2OCaS042H2O+Mg(OH)2CSH+MgSO4+5H2OMg(OH)2+CaSO42H2O+2H2SiO4MSH+CaSO4 2H2O4CaOAl2O313H2O+3MgSO4+2Ca(OH)23C
7、aOAl2O33CaSO432H2O+3Mg(OH)2,一、混凝土硫酸盐侵蚀破坏的机理,破坏原因：1、反应生成的钙矾石和石膏会引起混凝土体积膨胀，产生内应力。2、C-S-H分解产生M-S-H，M-S-H粘结性差，强度低，导致混凝土强 度和粘结性降低。破坏特征：严重时混凝土会变成完全没有胶结性能的糊状物，其微观结构通常是在混凝土表面形成双层结构,一、混凝土硫酸盐侵蚀破坏的机理,4、碱金属硫酸盐结晶型,以硫酸钠为例，当混凝土孔隙中硫酸钠浓度足够高时，则发生下列反应,Na2SO4+10H2ONa2SO410H2O,一、混凝土硫酸盐侵蚀破坏的机理,破坏原因：1、析出带有结晶水的盐类，产生极大结晶压力，
8、造成混凝土破碎或分裂2、特别是在结构物一部分浸入盐液中，另一部分暴露在干燥空气中，盐液在毛细血管抽吸作用下上升至液相线以上蒸发，致使盐液浓缩，很容易引起混凝土强烈破坏。,一、混凝土硫酸盐侵蚀破坏的机理,5、碳硫硅钙石结晶型化学式：CaCO3CaSiO3CaSO415H2O结构式：Ca6Si(OH)624H2O(SO4)2(CO3)2,一、混凝土硫酸盐侵蚀破坏的机理,5、1 由C-S-H直接反应生成：混凝土水泥中水化物有C-S-H和Ca(OH)2；生产水泥时需加入一定量石膏CaSO4，并在硫酸盐环境下，水泥中的Ca2+可能和环境水中的SO42-反应生成CaSO4;当水泥中的水化产物Ca(OH)2
9、与潮湿空气接触生成CaCO3，或在水泥中加入一定石灰石填料。这些条件加上充足的水会发生如下反应：,Ca3Si2O73H20+2CaSO42H2O+2CaCO3+24H2OCa6Si2(OH)624H2O(SO4)2(CO3)2+Ca(OH)2Ca(OH)2+CO2+nH2OCaCO3+(n+1)H2O,一、混凝土硫酸盐侵蚀破坏的机理,5、2由硅钙石逐渐转化而成水泥水化产物水化铝酸钙与石膏反应生成的钙矾石3CaOAl2O33CaSO432H2O通常被CSH凝胶所包裹。当有CaCO3存在时，CSH中的Si4+取代钙矾石中的Al3+先形成硅钙矾石CaCO3CaSiO3CaSO415H2O，在适当的条
10、件下，Si4+取代Al3+的量逐渐增多，直至最终钙矾石中的Al3+全部被CSH中的Si4+取代，形成碳硫硅钙石针状晶体。,破坏原因：反应导致CSH的分解和强度的降低，使混凝土凝结力降低。破坏特征：没有明显的体积膨胀现象，在腐蚀的混凝土的孔隙和裂缝中充满白色烂泥状腐蚀产物,一、混凝土硫酸盐侵蚀破坏的机理,二、混凝土硫酸盐侵蚀影响因素,二、混凝土硫酸盐侵蚀影响因素,1、内因1.1、水泥品种混凝土抗硫酸盐侵蚀能力在很大程度上取决于水泥熟料的矿物组成及其相对含量尤其是C3A和C3S的含量,二、混凝土硫酸盐侵蚀影响因素,1.2、混凝土密实性和配合比混凝土密实性越高，即孔隙率越小，那么侵蚀溶液就越难渗入混
11、凝土的内部。另外，混凝土的密实性越高，也会使混凝土强度提高，因此合理设计配合比显得更加重要。,二、混凝土硫酸盐侵蚀影响因素,2、外因2.1、侵蚀溶液中SO42-的浓度SO42-浓度400ppm时，对混凝土不构成显著破坏 4001200ppm时，为微弱性破坏 12002000ppm时，为中等程度破坏 20005000ppm时为极强烈破坏,二、混凝土硫酸盐侵蚀影响因素,2.2、侵蚀溶液中SO42-和Mg2+共存如果侵蚀溶液中只有Mg2+而没有SO42将会发生镁盐侵蚀Mg2+Ca(OH)2=Ca2+Mg(OH)2Mg(OH)2溶解度很小，它是无胶结能力的松散物，且强度不高，它会淤塞毛细孔，阻止侵蚀液
12、向混凝土内部扩散，使镁盐侵蚀停止。若共存时，会发生MgSO4溶蚀结晶型破坏,二、混凝土硫酸盐侵蚀影响因素,2.3、侵蚀溶液中SO42+和Cl-共存,当侵蚀溶液中SO42+和Cl-共存时，Cl-的存在显著缓解硫酸盐侵蚀破坏的程度和速度，这就是由于Cl-的渗透速度大于SO42+，对于表面的混凝土，水泥石中的水化铝酸钙先于SO42+反应生成钙矾石，当耗尽后才与Cl-反应。而对于内部的混凝土，由于Cl-的渗透速度大于SO42+，因此Cl-先行渗入并与OH-置换反应方程式为：Ca(OH)2+2Cl-=CaCl2+2OH-当Cl-浓度相当高时，Cl-还可以与水化铝酸钙反应生成三氯铝酸钙。由于水化铝酸钙的减少，使钙矾石结晶数量减少，从而减轻硫酸盐侵蚀破坏程度,二、混凝土硫酸盐侵蚀影响因素,2.4、侵蚀溶液的PH值,即使掺超塑化剂和活性混合材料的混凝土也难免遭受侵蚀,三、防止或减轻硫酸盐侵蚀的方法,由以上混凝土硫酸盐侵蚀机理的分析可以看出，导致硫酸盐侵蚀的内因主要是水泥石水花铝酸钙、Ca(OH)2和毛细孔，外因则是侵蚀溶液中存在SO42-，因此防止或减轻混凝土硫酸盐侵蚀的主要方法有：1、合理选择水泥品种2、提高混凝土密实性3、采用高压蒸汽养护4、增设必要的保护层,
