混凝土抗硫酸盐侵蚀研究综述

李荣轶

（杨凌职业技术学院，陕西杨凌712100）

混凝土抗硫酸盐侵蚀研究综述

李荣轶

（杨凌职业技术学院，陕西杨凌712100）

混凝土抗硫酸盐侵蚀的研究，对提升混凝土耐久性有着十分积极的作用。主要研究了混凝土硫酸盐侵蚀类型、机理、影响因素，总结了混凝土硫酸盐侵蚀现状以及常用防护措施，为进一步进行硫酸盐侵蚀的研究打下了基础。

混凝土；硫酸盐侵蚀；类型；机理；影响因素

硫酸盐侵蚀是能够影响混凝土耐久性的重要因素之一。在正常使用条件下，混凝土的耐久寿命一般为50～70年，高性能混凝土可达100年以上[1]。而硫酸盐侵蚀会造成混凝土膨胀、力学性能下降，承载能力降低等诸多不利影响；会导致材料质量劣化，未到达到预期使用寿命时就无法继续使用，产生了极大的浪费和不良的社会影响。因此，混凝土硫酸盐侵蚀问题研究具有十分重大的现实意义，受到了广泛关注。本文分析、总结了已有的相关研究，从硫酸盐侵蚀类型、机理、影响因素、研究现状等方面进行了讨论。

1 定义范围

对于硫酸盐侵蚀，人们对它有两种不同的定义：一是认为凡是与硫酸盐相关的对混凝土的侵蚀都可以称为硫酸盐侵蚀[2]；另一种是由硫酸盐离子和水泥水化产物之间的化学反应对混凝土造成的损坏[3]。长期以来，人们对混凝土抗硫酸盐侵蚀的相关研究都是以第二种观点为主。

2 混凝土硫酸盐侵蚀的类型与机理

硫酸盐对混凝土的侵蚀属于结晶性侵蚀，混凝土受到侵蚀以后，表面发白，体积膨胀，从棱角处开始表面开裂、剥落，使混凝土易碎，甚至出现松散状态；有时还会出现水泥浆体严重软化而失去胶结能力、强度严重下降的现象，而不是体积膨胀[4]。所以，可以根据反应产物和相应产生的破坏现象的不同将硫酸盐对混凝土的侵蚀分为以下几类:

2.1 硫酸盐结晶型物理侵蚀[5-7]

当混凝土孔隙溶液中硫酸盐达到一定浓度时，在没有与混凝土组分发生化学反应之前，会有硫酸盐结晶析出，具体表现为体积膨胀，产生的结晶压力使混凝土开裂，以此产生侵蚀现象。以Na2SO4为例反应方程式如下式：

2.2 钙矾石（AFt）结晶型侵蚀[5-8]

硫酸盐对混凝土的侵蚀主要是因为，硫酸盐能与水泥石中的氢氧化钙反应生成硫酸钙，当侵蚀溶液中SO42-的浓度在1 000 mg/L以下时，硫酸钙继续与固态水化铝酸钙反应生成三硫型水化硫铝酸钙，即生成钙矾石。以Na2SO4为例反应方程式如下式：

钙矾石溶解度极低，在石灰浓度非常低的溶液中也能够稳定存在。能够稳定存在于石灰浓度很低的溶液中，能够与水结合，结合后以及膨胀约1.5倍，即形成了钙矾石结晶[9]，呈针状结晶，引起很大的内应力，会在混凝土表面形成大裂缝。人们常常通过控制液相碱度来减轻其对混凝土的侵蚀作用。

2.3 石膏结晶型侵蚀[5-8]

转变为石膏反应的发生会导致体积增加1.24倍，引起很大的内应力，混凝土开裂。同时由于Ca(OH)2不仅是水化硅酸钙凝胶(C-S-H)等水化产物稳定存在的基础，而且也是硬化水泥浆体的重要组成部分。所以Ca(OH)2的消耗会导致混凝土的耐久性降低。石膏结晶对混凝土侵蚀会导致其遍体遗散而不是同钙矾石一样出现裂纹[9,10]。

2.4 碳硫硅钙（TSA）石结晶型侵蚀[5-8]

碳硫硅钙石的结构Ca6[Si(OH)6]2·24H2O·[(SO4)2· (CO3)2]与钙矾石相似，且都为针状。在具备硫酸根离子、碳酸根离子、SiO3基团、低于15℃、充足水的条件下，会发生碳硫硅钙石结晶型侵蚀。反应方程式如下式：

该类侵蚀不能从宏观上观察到，是一种渐进的侵蚀，能够直接导致C-S-H凝胶解体，逐渐使水泥石变为无强度、无粘结力的砂石混合物。这种侵蚀具有隐蔽性，对混凝土结构的破坏力更强。

2.5 硫酸镁双侵蚀型[5-8]

该类侵蚀是所有侵蚀中危害最大的一种，原因是Mg2+和SO42-均能对混凝土造成腐蚀，并且能够发生协同作用，复合腐蚀的破坏作用远远大于二者单独腐蚀的加和。反应过程为，首先MgSO4与水泥中的Ca(OH)2作用生成Mg(OH)2与石膏。随后反应生成的石膏或钙矾石引起混凝土体积膨胀，将C-S-H转化成C-M-H，降低了水泥石系统的碱度，降低了混凝土的强度、刚度和粘结力，使其变脆。在实际工程中严重时能够将混凝土变成完全没有胶结性能的糊状物。反应方程式如下式：

3 混凝土硫酸盐侵蚀影响因素

影响混凝土硫酸侵蚀的因素多种多样，总体来说可分为内部因素和外部因素。

3.1 内部因素

3.1.1 水泥化学组成

硫酸盐对混凝土侵蚀实际上是硫酸根与水泥石中的矿物发生了物理化学反应[11]，对其结构产生破坏。混凝土抗硫酸盐侵蚀能力主要取决于C3A和C3S在水泥中的含量。因为钙矾石的形成必须有C3A水化析出水化铝酸钙，而石膏的形成必须有C3S水化析出氢氧化钙。降低C3A和C3S在混凝土中的含量对提高混凝土抗硫酸盐侵蚀能力起到了积极的作用。

因此，对于实际工程中需要进行抗硫酸盐侵蚀的部分C3A的含量一般都要求控制在5%～8%之间[13]。3.1.2混合材料的掺量

活性掺料粉煤灰、矿渣、硅灰等的双掺、混掺等能够提高混凝土抗硫酸盐侵蚀能力。一般来说，掺料越多，抗腐蚀能力越强[14]。混凝土中加入掺料后可以降低C3A和C3S的含量，同时还会发生二次水化反应，使得侵蚀介质浸入混凝土受阻，增强了混凝土受硫酸盐侵蚀能力。

3.1.3 混凝土的孔隙含量及分布

致密性好、孔隙含量少且连通孔少的混凝土抗硫酸盐能力强。，在一定范围内混凝土密实度越高，水灰比、砂浆的砂胶比越低，孔隙含量越少，混凝土抗硫酸盐能力越强。

3.2 外部因素

3.2.1 溶液浓度

对于硫酸盐溶液，有研究表明当其浓度小于一定值时，混凝土受硫酸盐侵蚀速度随浓度提高而增加，但当浓度超过一定值时，混凝土硫酸盐侵蚀速度反而变慢[4]，在该范围内，存在一个最快侵蚀速度。低浓度硫酸盐与水泥作用生成钙矾石，高浓度则生成石膏，浓度介于二者之间则同时生成钙矾石和石膏。

3.2.2 溶液pH值

根据席耀中[16]对溶液pH值与混凝土侵蚀关系的研究，可以知道溶液pH减小时，侵蚀反应不断发生改变，当溶液的pH在12.5～12范围内，钙矾石析出；当pH值在11.6-10.6范围内，石膏析出；当pH值小于12.5时，C-S-H凝胶溶解后再结晶，钙硅比逐渐降低，由pH值在12.5时的钙硅比2.12降到pH值为8.8时的钙硅比0.5[11]，引起混凝土孔隙率、弹性模量等性质发生变化。

3.2.3 阳离子[15]

主要讨论Mg2+的影响，Mg2+的存在会加剧混凝土侵蚀，生成了Mg(OH)2，使液相中石灰深度降低，加快了侵蚀作用。同时生成的石膏能够继续作用生成钙矾石，多种侵蚀的协同作用加剧了硫酸盐对混凝土的侵蚀。

3.2.4 阴离子[12]

主要讨论Cl-的影响，Cl-的存在可以有效缓解硫酸盐对混凝土的侵蚀。当Cl-与SO42-共存时，Cl-会首先渗透进入混凝土内部，与OH-作用；当Cl-浓度较高时，还会与水化铝酸钙反应，间接缓解了钙矾石结晶的侵蚀作用。从而降低了硫酸盐对混凝土的侵蚀速度。

3.2.5 溶液温度

温度过高或过低都会对硫酸盐侵蚀产生影响。温度过低，侵蚀水分结冰，侵蚀溶液无法正常深入，对第一阶段侵蚀影响较大；而温度过高会导致，水分快速流失，膨胀阶段影响较大[17]。

对于实际工程中的硫酸盐对混凝土的侵蚀并不是只有一种因素作用，往往都是多种因素协同作用，这样加剧了混凝土的侵蚀，我们应该更加关注各种因素的协同作用机理，以加强对混凝土的防护。

4 工程常用抗硫酸盐侵蚀保护措施[18]

4.1 合理选择混凝土原料

选择含硫酸盐少的集料、拌合水及外加剂等；选用C3A和C3S含量低的抗硫酸盐水泥。掺入矿物掺合料是改善混凝土抗硫酸盐侵蚀能力的一种重要方法，改善混凝土结构的同时也能够适当阻止硫酸盐对混凝土的侵蚀。

4.2 改善孔隙结构，提高混凝土致密度

尽可能使得混凝土致密性好、孔隙含量少且连通孔少，该措施能够在一定程度上阻碍硫酸盐进入混凝土内部。可以通过合适的配合比设计，尽可能降低用水量，进行适当养护，加入合适掺料等措施减少混凝土孔隙含量，增加混凝土致密度，从而达到抑制混凝土硫酸盐侵蚀的目的。

4.3 增加必要的保护层[19]

在混凝土表层加上耐腐蚀性强且不透水的保护层(如沥青、塑料、玻璃等)，该措施能够对硫酸盐进行有效的物理防护，将硫酸盐与混凝土隔离，一定程度上削减了硫酸盐对混凝土的侵蚀作用。

4.4 高压蒸汽养护[14]

采用高压蒸汽养护能消除游离的Ca(OH)2，C2S(硅酸二钙)和C3S(硅酸三钙)都形成晶体水化物；同时C3A水化成稳定的立方晶系的C3AH6，使得活性降低。因此，大大减弱了硫酸盐对混凝土的侵蚀作用。

5 展望

目前，学者们对于混凝土康硫酸盐侵蚀已经进行了大量的研究，取得了很大进展。但仍存在很多不足，笔者认为以下几点需要进行进一步研究，以在该方面取得更大突破：

（1）实验室模拟环境与混凝土实际工作环境相差较大，如何将二者联系统一是一个重要问题，只有将二者相关联才能保证研究成果的实效性，在实际工程中应用效果更佳。

（2）目前的研究大多围绕单一元素的研究，这样研究得出结论比较片面，实际工程中硫酸盐对混凝土的侵蚀往往是多种因素共同作用的结果。只有更加深入研究多种因素的影响才能达到更好的混凝土抗硫酸盐腐蚀效果。

（3）现有研究中，大多数集中在材料方面的研究而忽略了水泥结构的影响，应当将二者有机结合起来，以期更大的突破。

（4）随着技术的发展，越来越多的新型高性能混凝土应用到实际工程中，而大多数研究者的研究仍针对普通混凝土，研究对象已经与实际应用脱节，应注意二者区别，使研究成果更具有实用性。

6 结语

混凝土用于工程建设已有160多年的历史了，国外对于混凝土抗硫酸盐的研究已经十分深入，而我国在该方面研究还有所欠缺，至今还没有出台混凝土硫酸盐侵蚀的评估标准与试验方法的标准。现今人们越来越认识到硫酸盐对混凝土破坏的严重性，相信在广大科研工作者的共同努力下，混凝土的抗硫酸盐侵蚀能力越来越强，混凝土的应用范围将会更广。

［1］刘崇熙.坝工混凝土耐久寿命的衰变规律[J].长江科学院院报,2000，35(4)：20-24.

［2］刘赞群.混凝土硫酸盐侵蚀基本机理研究[D].湖南:中南大学，2009.

［3］Adam Neville.The confused world of sulfate attack on concrete[J].Cement and Concrete Research,2004，34(8)：1275-1296.

［4］韩宇栋，张君，高原.混凝土抗硫酸盐侵蚀研究评述[J].混凝土,201 1(1)：52-61.

［5］张光辉.混凝土结构硫酸盐腐蚀研究综述[J].混凝土,2012(1)：49-61.

［6］吴丹虹.混凝土抗硫酸盐侵蚀研究综述[J].生态建材,2014，(2)：40-42.

［7］李秀娟.硫酸盐侵蚀机理及抗硫酸盐侵蚀测试方法的研究[D].河北:河北理工学院，2004.

［8］汤海昌.硫酸盐侵蚀下混凝土的耐久性分析[D].江苏:南京理工大学，2008.

［9］梁汝恒.普通C40混凝土抗硫酸盐侵蚀性能研究[J].广东建材,2008(8)：51-53.

［10］亢景富.混凝土硫酸盐侵蚀研究中的几个基本问题[J].混凝土，1995.

［11］刘超，马忠诚，刘浩云.水泥混凝土硫酸盐侵蚀综述[J].材料导报, 2013，27(7)：67-71.

［12］金雁南，周双喜.混凝土硫酸盐侵蚀的类型及作用机理[J].华东交通大学学报,2006，23(5)：4-8.

［13］郑凤，高妍，季海霞.受硫酸盐侵蚀的混凝土材料因素研究现状[J].浙江建筑,2010,27(3)：58-63.

［14］董宜森.硫酸盐侵蚀环境下混凝土耐久性能试验研究[D].浙江：浙江大学，2011.

［15］武志刚，王彩瑞.混凝土硫酸盐侵蚀试验中的思考[J].化学工程与装备,2008(6)：77-78.

［16］席耀中.近年来水泥化学新进展一记第九届国际水泥化学会议[J].硅酸盐学报,1993，21(6)：577-588.

［17］A.M.Cody,H.Lee,R.D.Cody,et al.The Effects of Chemical Environment on the Nucleation,Growth,and Stability of Ettringite [Ca3Al(OH)6]2(SO4)3·26H2O[J].Cement and Concrete Research, 2004,34(5)：869-881.

［18］吕林女，何永佳，丁庆军，胡曙光.混凝土的硫酸盐侵蚀机理及其影响因素[J].焦作工学院学报,2003,6(22)：465-468.

［19］高立强.混凝土硫酸盐侵蚀抑制措施及其机理研究[D].四川：西南交通大学，2008.

Review of Research on Sulfate Resistance of Concrete

LI Rong-yi
（Yangling Vocational and Technical College,Shaanxi Yangling 712100,China）

The study of concrete resistance to sulfate attack has a positive effect on the durability of concrete.In this paper,types,mechanism and influencing factors of sulfate attack of concrete were studied.At the same time,the existing research results of sulfate attack on concrete were summarized,which could lay the foundation for further study on sulfate attack.

Concrete;Sulfate attack;Type;Mechanism;Influencing factor

TQ 178

A

1671-0460（2017）03-0533-03

2017-01-08

李荣轶（1980-），男，陕西咸阳人，讲师。