酸雨腐蚀混凝土机理研究

刘 欢

(西安建筑科技大学 陕西 西安 710055)

引言

大气污染严重影响了人类的生存。近年来，由于工业的发展、矿物燃料的燃烧、以及人类活动的排放，使得大气中酸性物质的含量大量提升，进而导致各地酸雨频发。与此同时，我国大多数的混凝土建(构)筑物等都直接暴露在大气环境中，遭受酸雨环境的侵蚀作用。尽管钢筋混凝土结构拥有诸多优点，但因自身亦具有较多缺点。如：在安全使用状态中，钢筋混凝土结构不仅承受本身的自重和荷载，同时还要承受外界环境导致的各种长期的自然因素以及生产生活中制造的各种人为因素带来的腐蚀破坏作用；且由于腐蚀的作用甚至会出现结构整体失稳垮塌，从而造成人员伤亡与国民经济的重大损失。鉴于此，本文简述了酸雨腐蚀混凝土的原理和分类，并归纳总结了国内外现有的研究成果。

一、酸雨的腐蚀机理

酸雨的形成原因主要是大气中的S、N氧化物遇到水后，发生化学反应，形成酸性的雨水。酸雨降落在建筑物上，对其造成腐蚀的后果，致使其耐久性大幅度降低。

大气中的S、N氧化物的含量，直接影响到它们的生成物数量，简而言之，就是会形成不同类别的酸雨。若组成成分中SO42-/NO3->3时，我们将这类的酸雨称之为硫酸型酸雨或者燃煤型酸雨；当0.5

酸雨对混凝土的腐蚀中包含到了降水中的酸性腐蚀和盐类腐蚀，导致其腐蚀机理的过程极其复杂化。然而，混凝土是一种具有多孔隙特质的物质，所以当降水落在混凝土的表面，其中的一些酸性介质会迅速渗透到混凝土的内部，以混凝土的毛细孔洞作为通道，首先H+和混凝土中的碱性介质发生中和反应，使得混凝土的碱性变弱，造成混凝土中水化硅酸钙和水化铝酸钙失去稳定性而加速其水解，而其生成物中包含的Ca2+主要是溶解到酸性介质中去，与SO42-结合，生成钙矾石或者石膏。

当混凝土所处环境中的酸性介质浓度较大时，另外一部分酸性介质会直接与混凝土中的水化硅酸钙和水化铝酸钙发生反应，形成直接性酸破坏。酸性离子和混凝土中的固状物质直接进行反应，直接消耗掉混凝土中的固相成分，生成可溶性物质。伴随着这些生成物的流失，混凝土形成更多更大的孔隙，给更多的酸性介质提供了进入混凝土内部的通道，导致混凝土内部的破坏更加严重。在浓度越大的环境中，混凝土的酸性腐蚀也就会越严重，导致在形成过程中生成的Ca2+越来越多，为硫酸盐的腐蚀提供了更多的反映原料，进而致使混凝土产生更加严重的腐蚀破坏。

溶解性低的盐类积聚在混凝土的表面层和孔隙、裂纹中，形成硫酸盐类的腐蚀。在一系列的化学反应后，生成一些沉积物，这些沉积物积聚在混凝土的孔隙中，刚开始起到一些填补作用，使得混凝土的密实度有所提升，但随着沉积物的积累到达一定程度后，这些沉积物的体积有很大程度的膨胀，远大于混凝土的孔隙空间，在其中形成一定的内部膨胀力向外扩散，随着压力的增大，当超过了混凝土的抗拉强度时候，混凝土孔隙逐渐变大，使得更多的酸类介质侵蚀进入混凝土的内部，破坏混凝土的整体性。关于硫酸盐的腐蚀主要分为以下几类：

(1)钙矾石结晶

当混凝土处于酸性环境中时，硫酸盐透过混凝土的孔隙或裂缝进入到混凝土内部，与混凝土硬化过程中形成的氢氧化钙和水化铝酸钙发生反应，生成钙矾石。

钙矾石在碱性很弱的溶液中也可以稳定的存在，而且溶解度极小。其结晶物含有大量的结晶水分存在，体积会比原来膨胀上很多，会产生较大的向外膨胀力，而且其结晶物为放射状晶体，会增大其内部应力，很容易形成裂缝，使混凝土建筑物遭受破坏。

(2)石膏型膨胀

之前有人关于石膏型膨胀论点会提出疑问，但现已有文献实验证明在硫酸盐腐蚀过程中会有石膏的生成，由Ca(OH)2转变成为石膏，体积膨胀为原来的两倍，使得内部应力急剧增大，致使混凝土因为应力过大而产生破坏。

有文献说明[2]，当侵蚀溶液的浓度小于 1000mg/L 时，只有钙矾石晶体形成，当SO42-浓度超过 1000mg/L 并逐渐增大时，就会产生钙矾石和石膏两种晶体并存。SO42-浓度若在较大的一个范围内，石膏结晶侵蚀作用大多只是起到从属作用，只有当SO42-浓度达到非常高时，石膏结晶侵蚀作用才能发挥主导作用。石膏膨胀引起钢筋混凝土试件破坏的特点是试件表面不会出现粗大裂纹但会发生整体溃散，在外观上可观察到混凝土试件表面上布满大量的沉淀产物。

二、酸雨腐蚀混凝土的研究成果

国内外关于酸溶液对混凝土腐蚀的研究不是很多，大多数是定性研究，或是基于化学分析和其他手段的腐蚀机理研究[3]-[4]，对于混凝土的力学性能研究较少[5]-[7]。

陈元素、范颖芳研究了受盐酸腐蚀C30混凝土抗压强度等力学性能以及应力-应变曲线的变化规律，并提出了基于研究结果的寿盐酸腐蚀混凝土抗压强度、弹性模量的计算模型[8]。

大连理工的周飞鹏[9]通过量纲分析的方法确定了混凝土的强度和酸化深度与浸泡溶液的SO42-离子浓度、H+离子浓度、浸泡时间和混凝土初始强度之间的关系。

重庆大学的陈文[10]模拟重庆市的酸雨为腐蚀环境采用极化曲线法和交流阻抗法研究了刚进材料在模拟酸雨及模拟混凝土孔隙溶液中的腐蚀行为。