基于矿物分析的混凝土化学侵蚀机理分析

杨国栋 孙 强

(1.江苏地质矿产设计研究院，江苏 徐州 221006;2.中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏 徐州 221116)

0 引言

混凝土是由胶凝状材料将砂、石等集料胶结成的复合材料，作为岩土工程活动中重要工程材料，处在工程环境中的混凝土，不可避免的与水、空气和其他材料接触，其在工程施工和运营过程中的侵蚀一直是学者们的关注焦点［1-8］。

混凝土效能的耐久性与其自身组分、结构和所处环境特征密切相关。外部环境的影响主要体现为两个方面:1)物理干湿交替、温度和荷载变化引起的膨胀—收缩裂隙;2)化学作用下，混凝土结构和成分发生变化，进而引起的工程性能降低。本文重点针对混凝土的化学侵蚀展开。

1 混凝土侵蚀机理

在化学侵蚀过程中，水是重要的参与者和促进动力，其作用可总结为四个方面:1)水溶液为侵蚀性离子的侵蚀提供了化学反应场所，并且有利于深部侵蚀的形成;2)水溶液的扩散和流动会将生成物带走，并导致侵蚀性离子持续存在，引起侵蚀逐渐加剧;3)水溶液本身也是侵蚀的参与者;4)水引起了砂岩周围环境pH和Eh 的变化。根据水溶液环境对混凝土侵蚀情况，可以分为酸性侵蚀和碱性侵蚀，其中酸性侵蚀又可以分为强酸、弱酸，有机酸等;按照侵蚀性盐类成分引起的侵蚀可以分为硫酸盐侵蚀、碳酸盐侵蚀等。

酸性侵蚀主要是溶液中H+对混凝土材料中溶酸性材料的腐蚀引起的，如引起以碳酸盐等形式起胶结作用的物质成分(如反应式(1))的酸性溶解。碱性侵蚀主要是由于混凝土集料中往往存有长石、霞石等碱溶性成分，这与第二章中长石的风化可相联系。在强碱性环境中长石和霞石(NaAlSiO4)会发生分解(见反应式(2)，式(3))［8］，进而导致混凝土骨架结构的破坏。硫酸盐的侵蚀主要体现为，会与混凝土中Ca2+生成石膏，进而引起体积膨胀，造成混凝土劣化(反应式(4))。同时强碱性环境对石英腐蚀也值得注意:当pH 值小于8 时，其溶解度很小;pH 升至9.5 以上石英溶解度急剧增加;特别是pH 高于11 时，溶解度可高达5 000 ppm(见图1)。碳酸盐侵蚀是由于水溶液中CO2含量增大时，pH 呈弱酸性，此时会导致化学反应式(1)向右进行。

图1 石英溶解度与溶解速度和pH 的关系[9]

2 黄铁矿对混凝土侵蚀的影响

当周围环境中存在黄铁矿(FeS2)等硫化矿物时，对混凝土的工程性能会造成严重的危害。黄铁矿在水、游离氧和微生物作用下迅速氧化，形成强酸性水环境(见图2，尤其是第二和第三阶段)，并且会有大量SO2－4 生成。黄铁矿初始反应阶段，首先发生表面溶解，然后才发生与溶解氧的氧化反应，且溶解速率一般比氧化速率快，只有当溶解产物明显增加时，氧化反应才变得明显。在生物氧化为主阶段/pH 急降阶段(第二阶段)随着黄铁矿周围环境中pH 值降低，喜酸细菌(如嗜硫杆菌S.thermoulfidooxidans 等)开始增多，造成溶液pH 值急剧降低。随着pH 降低至3 以下(第三阶段)，大量的Fe2+存在于溶液中，而此时Fe(OH)3胶体发生溶解，加速了黄铁矿的氧化速率，特别是在pH 值在2.5 附近时释放量急剧增加。

图2 黄铁矿氧化时间过程中曲线[12]

因此，黄铁矿的存在一方面导致混凝土的酸性侵蚀加剧，同时会形成具有膨胀性的石膏。1998年西班牙Aznalcllar 尾矿坝事故就是由于坝基岩石中黄铁矿风化造成岩体孔隙增大，结构破碎，同时风化所产生的酸性水导致混凝土强度失效所致［10，11］。此外，在黄铁矿存在时，还可能存在H2S 侵蚀，其侵蚀机理可用化学反应式(5)，式(6)表示;反应会导致钙质成分流失，导致混凝土孔隙增加，强度下降。

3 结语

混凝土的化学侵蚀可归纳为:1)在水的参与下，溶液中的化学物质对混凝土中的集料或胶结成分产生化学溶蚀作用，导致混凝土孔隙度增大，骨架性结构丧失;2)反应过程中会形成膨胀性物质，如石膏，在膨胀力作用下，混凝土裂隙增加，强度出现亏损，耐久性降低。

工程中在选择混凝土材料和工程养护时，应注意:1)根据工程环境选择混凝土集料和配比，特别是环境中的pH 值以及侵蚀性离子;2)工程中的混凝土应采取防水和干燥措施，降低化学侵蚀反应速率;3)存在强碱性时，慎用长石、霞石含量多的集料。

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