砖内硫酸盐对混凝土结构破坏的机理剖析
水泥 2006-12-12
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〔提 要〕 本文根据西宁市一例粘土砖内硫酸盐对现浇钢筋混凝土结构的化学腐蚀破坏事例，用XRD 法分析了腐蚀产物，结果表明：梁圈混凝土的腐蚀属硫铝酸钙-石膏-碳化型综合腐蚀，基础地板混凝土的腐蚀属硫铝酸钙型腐蚀。
〔关键词〕 混凝土 硫酸盐 粘土砖 结构
1 引 言
我国北方地区粘土砖内硫酸盐含量很高，地域不同，硫酸盐成份有所差异，但绝大多数以芒硝和石膏为主。这些粘土砖砌筑后，硫酸盐即以白霜的形式析出表面，对建筑物造成一定程度的影响。在潮湿或泡水的情况下，砖内硫酸盐对现浇钢筋混凝土结构可造成严重的硫酸盐腐蚀破坏。本文报道了砖内硫酸盐破坏钢筋混凝土结构的工程事例，并分析其破坏机理。
2 工程事故与调查
2．1 工程概况
西宁火车站后5 号住宅楼，位于西宁火车站北侧，三层砖混结构，建筑面积1359m2 ，片筏基础，1989 年10 月竣工交付使用。1990 年2 月住户发现楼房下沉，墙体有多道宽度10～30mm 的纵向裂缝。经勘察发现片筏基础浸泡了大量的污水，水深约350mm。混凝土片筏基础和底层圈梁已有不同程度的膨胀破坏。
2．2 初步调查
1990 年4～6 月，作者与有关单位对基础进行了联合调查，发现基础混凝土的腐蚀速度很快，圈梁混凝土已有70 %严重破坏，最大膨胀可达100mm ，膨胀率为41.6 %；基础底板混凝土已经有35 %膨胀，拱起高度可达150mm ，膨胀率为62.5 %。其腐蚀特征是：
（1） 腐蚀的钢筋混凝土结构为现浇结构，一层的工厂预制空心楼板完好无损；
（2） 片筏基础底板下的现浇混凝土垫层无任何腐蚀现象；
（3） 腐蚀后的混凝土呈浆糊状，干后呈白色，钢筋锈蚀不明显；
（4） 膨胀的圈梁侧面，生长有大量的透明结晶物。据此初步认定钢筋混凝土的腐蚀可能是硫酸盐引起的化学腐蚀。从施工原材料的质量分析，卵石和粘土砖有可能提供硫酸盐介质，但现场残留的混凝土试件碎块并未腐蚀，因此进一步认定硫酸盐可能来自粘土砖中。取出基础砌体砖样，发现砖样断面表层有一个2.5mm 的色差分界线。为此，对现场腐蚀混凝土及其表面析出物、砖表面析出物和不同部位的粘土砖进行了取样分析，证明腐蚀介质硫酸盐确实源于粘土砖，这为基础加固补强提供了可靠的依据。
3 腐蚀产物与腐蚀机理分析
3.1 腐蚀产物的鉴定
3.1.1 粘土砖及砖霜的成分分析
图1 是经50 ℃烘干的砖霜的XRD 谱。可见砖霜烘干后主要成分是Na2SO4 ，并含少量的CaSO4·2H2O和SiO2 ，后者为取样混入的杂质石英。这说明西宁粘土砖内硫酸盐以钠盐和钙盐为主，砖霜主要由Na2SO4·10H2O 和CaSO4·2H2O 组成。
 用原子吸收光谱测定粘土砖的Na + 含量，测得砖表层2.5mm 范围为2.89 %；砖芯为4.85 %。与砖芯相比，表层Na + 浓度低40.4 % ，证明片筏基础泡水时，砖内硫酸盐以Na2SO4 的形式被浸出。
3.1.2 腐蚀混凝土及其表面结晶物的鉴定
 基础底板混凝土的腐蚀产物主要为钙矾石C3A·3CS·32H2O ，碳化产物CaCO3 和硬硅钙石C6S6H 很少。这表明粘土砖内硫酸盐对基础底板混凝土的腐蚀属硫铝酸钙型腐蚀。
3.2 腐蚀机理分析
3.2.1 圈梁混凝土的硫铝酸钙-石膏-碳化型综合腐蚀机理
在片筏基础中，圈梁上下为砖砌体，因受潮湿环境影响，圈梁达到饱和吸湿，吸湿率约2～3 % ，上下砖砌体饱和吸湿率为16～20 %。这样就在圈梁的上下两个表面上形成了一定的湿度梯度，砖内硫酸盐在湿度梯度的作用下向圈梁混凝土内毛细孔隙网迁移集结，在孔隙溶液中才能与水泥的水化产物发生一系列的腐蚀反应：
Ca （OH） 2 + Na2SO4 + 2H2O →CaSO4 ·2H2O + 2NaOH3CaO·Al2O3 ·6H2O + 3 （ CaSO4 ·2H2O） + 20H2O →3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O
2NaOH + CO2 + H2O →Na2CO3 + 2H2O
腐蚀产物石膏和钙矾石形成时的固相体积增加及其在孔内以针状或棒状晶体定向生长，对孔壁产生很大的结晶压力，造成圈梁混凝土开裂膨胀。水泥石中的Ca （OH） 2 同时又要受到Na2CO3 和CO2 影响：
Ca （OH） 2 + Na2CO3 →CaCO3 + 2NaOH
Ca （OH） 2 + CO2 + H2O →CaCO3 + 2H2O
Ca （OH） 2 + CO2 + H2O →CaCO3 + 2H2O
可见，NaOH、CO2 与Ca （OH） 2 可以发生循环反应，使混凝土孔隙溶液的pH 降至8 左右。孔隙溶液pH 值降低后，CSH 稳定性大大降低：当pH 值为12.5 时，其C/ S 为2.12 ；当pH 值为8.8 时，其C/ S 为0.5 ；当pH 值低于8.8 时，CSH 释放出全部Ca2 + 转变成硅胶：C3S2H3 + 2H2O →3Ca （OH） 2 + 2 （SiO2·H2O）
3.2.2 底板混凝土硫铝酸钙型腐蚀机理
在片筏基础泡水过程中，从砖砌体中浸出了大量的硫酸盐，使底板混凝土直接受到硫酸盐溶液的化学腐蚀。经过扩散、渗透进入混凝土孔隙溶液中，侵蚀性离子首先与水泥石中的Ca （OH） 2 反应形成石膏，而后进一步与水化铝酸钙反应转化成钙矾石，体积膨胀2.5 倍，导致大板拱起、疏松，同时加速了腐蚀介质SO2 -4 的浸入。在形成钙矾石后孔隙溶液的pH 值降至10.5 左右，从而破坏了水化硅酸钙的碱度平衡条件，使之分解。
4 结 语
通过对粘土砖内硫酸盐对建筑物破坏事例的分析和研究，我们的体会和建议是：
（1） 高硫酸盐含量粘土砖对建筑物有很大的破坏作用，尤其是对现浇钢筋混凝土结构的危害，应当引起足够的重视。
（2） 在潮湿环境或泡水条件下，粘土砖内硫酸盐对现浇圈梁混凝土的化学腐蚀属硫铝酸钙—石膏—碳化综合腐蚀，对现浇基础底板混凝土的腐蚀属硫铝酸钙型腐蚀。
（3） 该工程的片筏基础在加固时已改为钢筋混凝土条形基础，至今已使用9 年，未出现任何腐蚀，证明当时的研究结论是正确的。 |
| 原作者： 余红发 李颖 丁向群 |
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