水土对混凝土硫酸盐腐蚀评价方法的改进

宋苏姝

江苏省地质工程有限公司 江苏 南京 211100

引言

混凝土作为人类生活中离不开的重要建筑材料，无论是房屋的建设还是道路桥梁的建设都需要混凝土来实施。混凝土有着自身的特点和寿命，如果使用不当就会导致其使用寿命缩短，影响房屋、道路和桥梁的建筑质量，进而危害到国家、集体以及个人的利益。使用混凝土的过程中因其内外环境存在着许多化学腐蚀物质，这些物质会渗透到混凝土孔隙当中在混凝土的内部进行化学作用导致混凝土的成分出现变化，对钢筋和混凝土都可能起到腐蚀的作用。混凝土的化学腐蚀性作用主要包括碱骨料腐蚀、硫酸盐腐蚀、碳化腐蚀、氯盐腐蚀，镁盐酸雨微生物腐蚀等。我国地域辽阔，地质、水文、气候等条件都各不相同，因此分析水土对混凝土硫酸盐腐蚀评价方法的改进有着重要的意义。

1 混凝土化学腐蚀的类型

1.1 碱骨料反应对混凝土的腐蚀

混凝土中包含具有活性的二氧化硅骨料能够与水泥中的碱发生化学反应生成碱硅酸凝胶。这种凝胶能够吸收水分进而膨胀，导致混凝土出现开裂的情况，这种化学反应就是碱骨料反应。出现这种情况主要有3个原因：①混凝土中的水泥含碱量较高，通常水泥中的总碱量R2O含量超过0.6%时就会与活性的骨料出现碱骨料反应；②骨料中的活性SiO2含量过高，含有活性SiO2的骨料主要包括玉髓、方石英、鳞石英、蛋白石以及酸性或者中性的玻璃体（安山岩、流纹岩、凝灰岩）；③环境过分潮湿，混凝土中如果有充足的碱以及能够进行反应的活性骨料，在混凝土应用的过程中必然会产生化学反应，达到或超过一定数量的反应物通过吸水产生膨胀压力和内应力，就会导致混凝土出现开裂的情况。这种裂缝会对工程的整体质量造成严重的负面影响，甚至还会导致构筑物出现崩塌的情况。碱骨料反应的周期较长，通常为几年，甚至是几十年才能够显现出来，但一旦出现就无法挽回或者弥补，因此碱骨料反应也被称为混凝土的不治之症[1]。

1.2 硫酸盐对混凝土的腐蚀

硫酸盐对混凝土能够起到一定的腐蚀作用，这些硫酸盐主要来源于工程区域内的水和土，也有可能来自于原本受到硫酸盐腐蚀的骨料或者外加剂，如喷射混凝土中就会采用大量的钠盐速凝剂，这些速凝剂当中就存在着较多的硫酸盐。对混凝土能够产生腐蚀的硫酸盐主要包括硫酸镁、硫酸钙、硫酸铵、硫酸钠等。但硫酸钠在自然界中并不常见，通常会出现在化肥当中。硫酸盐主要与混凝土中的Ca(OH)2发生置换反应生成硫酸钙，硫酸钙又会与水化铝酸钙生成高硫型水化硫酸钙，化学反应式为：

这一反应中生成的钙钒石中具有大量的结晶水，极容易产生较大的内部应力，让混凝土能够从内部胀开，对混凝土的结构造成严重的损坏。水中的硫酸盐浓度过高时还会在水泥的孔隙中生成二水石膏，也会让混凝土出现开裂的情况。

1.3 碳化对混凝土的腐蚀

空气中的CO2与混凝土中的Ca(OH)2产生化学反应会生成水和碳酸盐，导致混凝土的碱度降低，化学反应式为：

水泥在这个过程中生成了较多的碳酸钙，导致混凝土中充满了饱和溶液，对钢筋能够起到一定的保护作用，能够在钢筋的表面生成难容的纯化膜。混凝土在碳化之后会出现碱度降低的情况，一旦碳化的程度超过了混凝土的保护层，水和空气就会造成钢筋生锈的情况，最终体积膨胀造成混凝土出现开裂的情况。水泥的品种至关重要，不同类型的水泥中硅酸钙及铝酸钙盐的含量各不相同，周围环境中的CO2浓度也会对混凝土的碳化程度造成一定的影响。空气干燥和水分饱和的情况下，碳化反应并不会发生。渗透水深入到混凝土中时，水中是否存在Ca(OH)2及其含量会对石灰的溶出速度造成一定的影响。混凝土的过度振捣、渗透系数、周边水的更新速度、水体结构、水流速度、水压力、混凝土的养护方法等因素都会对混凝土的碳化造成直接影响[2]。

1.4 氯离子对混凝土的腐蚀

氯离子会直接导致混凝土中的钢筋出现锈蚀和腐蚀的情况。尤其是盐碱地条件的内陆、沿海以及盐碱工业区的工程中，混凝土中的骨料与水中的氯盐会产生反应，导致氯离子对混凝土以及钢筋产生腐蚀的作用。氯离子的离子半径较小，属于强酸根离子，极容易渗透到混凝土当中，降低钢筋表面的pH值，对钢筋造成腐蚀的影响。氯离子的浓度一旦超过了钢筋腐蚀的临界点就会导致钢筋出现腐蚀的情况，化学反应式为：

通过研究可以证明，氯离子的临界浓度与pH值存在直接的关系。氯离子也会与铁出现反应形成腐蚀电池，在钢筋表面腐蚀出特有的坑洞，氯离子和铁离子的产物能够溶于水，与氧气发生反应释放出氯离子，对钢筋进行反复的腐蚀。钢筋腐蚀生锈之后就会出现膨胀的情况，对混凝土的开裂造成直接的影响。氯离子和混凝土中的钙离子也会发生反应且溶于水，对混凝土产生多孔腐蚀，降低混凝土的整体强度，由此可见氯离子对混凝土和钢筋具有较大的腐蚀性危害。

1.5 混凝土的其他化学腐蚀

1.5.1 镁盐腐蚀。镁离子能够与混凝土中的氢氧化钙产生反应，具有较大的溶解性，能够让混凝土产生较大孔隙，降低混凝土的结构密实程度，一旦有水流穿过时就会对混凝土造成较大的腐蚀影响。介质溶液中如果含有氯化钠则会增加氢氧化镁的溶解，进而加快了对混凝土的腐蚀程度。

1.5.2 微生物腐蚀。硫杆菌能够将自然界的硫相关产物氧化，形成硫酸盐转化成硫酸，对混凝土和钢筋能够产生强腐蚀的效果。硫酸盐还原菌和能够将硫酸盐转化为腐蚀性较强的硫酸，但对高密实度和高pH值的混凝土没有腐蚀的作用[3]。

1.5.3 酸及酸雨腐蚀。工业产出的酸性气体和废水所形成的酸雨能够对混凝土造成持续性的腐蚀。这些酸会渗透到混凝土中与混凝土内的一些成分发生反应，形成能够溶于水的物质和非凝胶物质。这种化学反应是存在于混凝土内部的，对混凝土有彻底性的腐蚀作用，也会导致混凝土中的水化氯酸钙和水化硅酸钙出现分解的情况，从内部破坏混凝土的孔隙结构，导致混凝土的力学性能出现变化。酸性液体也会对混凝土中的钢筋产生腐蚀的效果。

2 各行业规范的规定

2.1 岩土工程勘察规范

我国在工业建筑、民用建筑、市政勘察的地下水土腐蚀性评价方面采用《岩土工程勘察规范》标准。《岩土工程勘察规范》同样也适用于工业建筑、民用建筑、市政勘察的地下水土腐蚀性评价方面，根据三种类型的不同环境将腐蚀程度分为4个等级[4]。

2.2 混凝土结构耐久性设计规范

我国在工业建筑、民用建筑、市政勘察的地下水土腐蚀性评价方面采用《混凝土结构耐久性设计规范》标准。现行的《混凝土结构耐久性设计规范》将腐蚀程度等级分为3个等级，水土中硫酸根离子则分为一般地区、干旱地区、高寒地区。各个等级中的离子深度并不一致，这样会造成判断结果无法直接应用在设计当中，因此需要结合实际情况进行判断。

2.3 铁路混凝土结构耐久性设计规范

现行《铁路混凝土结构耐久性设计规范》将化学腐蚀环境作用等级分为4个等级，与《岩土工程勘察规范》基本一致，但各个级别的离子等介质的浓度评价标准各不相同。

2.4 水力发电工程地质勘察规范

现行《水力发电工程地质勘察规范》化学腐蚀环境作用等级分为4个等级，与《岩土工程勘察规范》基本一致，但各个级别的离子等介质的浓度评价标准各不相同[5]。

2.5 水工混凝土结构设计规范

现行《水工混凝土结构设计规范》在环境水作用方面的评价与《水力发电工程地质勘察规范》基本一致。

表1 按环境类型水和土对混凝土构件的腐蚀性评定和评价

表2 水、土中硫酸盐和酸类物质环境作用等级

3 结束语

综上所述，各个行业的研究水平和认知导致水土对混凝土硫酸盐的腐蚀性评价标准各不相同，一些工程甚至直接照搬照抄国外的规范。为了避免这样的情况，建议由国家的建设主管部门组织带头由国内的权威高校或者权威科研所对多年采用的水土化学腐蚀性经验进行针对性的研究总结，对水土中含有的常规项目SO42-、Mg2+、侵蚀性CO2、HCO3-、pH值等对混凝土的腐蚀情况进行统一评价标准的制定，各个行业可以结合工程实际特点来对混凝土硫酸盐腐蚀的评价标准进行制定，这样有助于我国建筑行业的稳定发展。