磚內(nèi)硫酸鹽對混凝土結(jié)構(gòu)破壞的機理剖析

〔提　要〕　本文根據(jù)西寧市一例粘土磚內(nèi)硫酸鹽對現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的化學(xué)腐蝕破壞事例，用XRD 法分析了腐蝕產(chǎn)物，結(jié)果表明：梁圈混凝土的腐蝕屬硫鋁酸鈣-石膏-碳化型綜合腐蝕，基礎(chǔ)地板混凝土的腐蝕屬硫鋁酸鈣型腐蝕。〔關(guān)鍵詞〕　混凝土　硫酸鹽　粘土磚　結(jié)構(gòu)1 　引　言　　我國北方地區(qū)粘土磚內(nèi)硫酸鹽含量很高，地域不同，硫酸鹽成份有所差異，但絕大多數(shù)以芒硝和石膏為主。這些粘土磚砌筑后，硫酸鹽即以白霜的形式析出表面，對建筑物造成一定程度的影響。在潮濕或泡水的情況下，磚內(nèi)硫酸鹽對現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)可造成嚴重的硫酸鹽腐蝕破壞。本文報道了磚內(nèi)硫酸鹽破壞鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的工程事例，并分析其破壞機理。2 　工程事故與調(diào)查2．1 　工程概況　　西寧火車站后5 號住宅樓，位于西寧火車站北側(cè)，三層磚混結(jié)構(gòu)，建筑面積1359m2 ，片筏基礎(chǔ)，1989 年10 月竣工交付使用。1990 年2 月住戶發(fā)現(xiàn)樓房下沉，墻體有多道寬度10～30mm 的縱向裂縫。經(jīng)勘察發(fā)現(xiàn)片筏基礎(chǔ)浸泡了大量的污水，水深約350mm。混凝土片筏基礎(chǔ)和底層圈梁已有不同程度的膨脹破壞。2．2 　初步調(diào)查　　1990 年4～6 月，作者與有關(guān)單位對基礎(chǔ)進行了聯(lián)合調(diào)查，發(fā)現(xiàn)基礎(chǔ)混凝土的腐蝕速度很快，圈梁混凝土已有70 %嚴重破壞，最大膨脹可達100mm ，膨脹率為41.6 %；基礎(chǔ)底板混凝土已經(jīng)有35 %膨脹，拱起高度可達150mm ，膨脹率為62.5 %。其腐蝕特征是：　　腐蝕的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)為現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，一層的工廠預(yù)制空心樓板完好無損；　　片筏基礎(chǔ)底板下的現(xiàn)澆混凝土墊層無任何腐蝕現(xiàn)象；　　腐蝕后的混凝土呈漿糊狀，干后呈白色，鋼筋銹蝕不明顯；　　膨脹的圈梁側(cè)面，生長有大量的透明結(jié)晶物。據(jù)此初步認定鋼筋混凝土的腐蝕可能是硫酸鹽引起的化學(xué)腐蝕。從施工原材料的質(zhì)量分析，卵石和粘土磚有可能提供硫酸鹽介質(zhì)，但現(xiàn)場殘留的混凝土試件碎塊并未腐蝕，因此進一步認定硫酸鹽可能來自粘土磚中。取出基礎(chǔ)砌體磚樣，發(fā)現(xiàn)磚樣斷面表層有一個2.5mm 的色差分界線。為此，對現(xiàn)場腐蝕混凝土及其表面析出物、磚表面析出物和不同部位的粘土磚進行了取樣分析，證明腐蝕介質(zhì)硫酸鹽確實源于粘土磚，這為基礎(chǔ)加固補強提供了可靠的依據(jù)。3 　腐蝕產(chǎn)物與腐蝕機理分析3.1 　腐蝕產(chǎn)物的鑒定3.1.1 　粘土磚及磚霜的成分分析　　圖1 是經(jīng)50 ℃烘干的磚霜的XRD 譜?？梢姶u霜烘干后主要成分是Na2SO4 ，并含少量的CaSO4·2H2O和SiO2 ，后者為取樣混入的雜質(zhì)石英。這說明西寧粘土磚內(nèi)硫酸鹽以鈉鹽和鈣鹽為主，磚霜主要由Na2SO4·10H2O 和CaSO4·2H2O 組成?！　　　　　∮迷游展庾V測定粘土磚的Na + 含量，測得磚表層2.5mm 范圍為2.89 %；磚芯為4.85 %。與磚芯相比，表層Na + 濃度低40.4 % ，證明片筏基礎(chǔ)泡水時，磚內(nèi)硫酸鹽以Na2SO4 的形式被浸出。3.1.2 　腐蝕混凝土及其表面結(jié)晶物的鑒定　　圖2 是腐蝕混凝土及圈梁表面結(jié)晶物的XRD 分析。由此可見，圈梁混凝土的腐蝕物為鈣礬石C3A·3CS·32H2O 和石膏CaSO4·2H2O ，碳化產(chǎn)物為CaCO3 ，水化硅酸鈣僅有少量硬硅鈣石C6S6H ，未見氫氧鈣石Ca 2 ， SiO2 為未分離的石英雜質(zhì)。據(jù)文獻報道，只有當SO2 -4 濃度超過1000mg/ l ，才會同時形成鈣礬石和石膏。兩種硫酸鹽腐蝕產(chǎn)物的同時存在正是磚內(nèi)硫酸鹽向混凝土大量遷移的必然結(jié)果。在混凝土表面產(chǎn)生大量的Na2SO4·10H2O 結(jié)晶物就是佐證。這充分表明，粘土磚內(nèi)硫酸鹽對圈梁混凝土的腐蝕屬硫鋁酸鈣—石膏—碳化型綜合腐蝕。　　　　　　基礎(chǔ)底板混凝土的腐蝕產(chǎn)物主要為鈣礬石C3A·3CS·32H2O ，碳化產(chǎn)物CaCO3 和硬硅鈣石C6S6H 很少。這表明粘土磚內(nèi)硫酸鹽對基礎(chǔ)底板混凝土的腐蝕屬硫鋁酸鈣型腐蝕。3.2 　腐蝕機理分析3.2.1 　圈梁混凝土的硫鋁酸鈣-石膏-碳化型綜合腐蝕機理　　在片筏基礎(chǔ)中，圈梁上下為磚砌體，因受潮濕環(huán)境影響，圈梁達到飽和吸濕，吸濕率約2～3 % ，上下磚砌體飽和吸濕率為16～20 %。這樣就在圈梁的上下兩個表面上形成了一定的濕度梯度，磚內(nèi)硫酸鹽在濕度梯度的作用下向圈梁混凝土內(nèi)毛細孔隙網(wǎng)遷移集結(jié)，在孔隙溶液中才能與水泥的水化產(chǎn)物發(fā)生一系列的腐蝕反應(yīng)：　　Ca 2 + Na2SO4 + 2H2O →CaSO4 ·2H2O + 2NaOH3CaO·Al2O3 ·6H2O + 3 + 20H2O →3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O　　2NaOH + CO2 + H2O →Na2CO3 + 2H2O　　腐蝕產(chǎn)物石膏和鈣礬石形成時的固相體積增加及其在孔內(nèi)以針狀或棒狀晶體定向生長，對孔壁產(chǎn)生很大的結(jié)晶壓力，造成圈梁混凝土開裂膨脹。水泥石中的Ca 2 同時又要受到Na2CO3 和CO2 影響：　　Ca 2 + Na2CO3 →CaCO3 + 2NaOH　　Ca 2 + CO2 + H2O →CaCO3 + 2H2O　　Ca 2 + CO2 + H2O →CaCO3 + 2H2O　　可見，NaOH、CO2 與Ca 2 可以發(fā)生循環(huán)反應(yīng)，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 穩(wěn)定性大大降低：當pH 值為12.5 時，其C/ S 為2.12 ；當pH 值為8.8 時，其C/ S 為0.5 ；當pH 值低于8.8 時，CSH 釋放出全部Ca2 + 轉(zhuǎn)變成硅膠：C3S2H3 + 2H2O →3Ca 2 + 2 3.2.2 　底板混凝土硫鋁酸鈣型腐蝕機理　　在片筏基礎(chǔ)泡水過程中，從磚砌體中浸出了大量的硫酸鹽，使底板混凝土直接受到硫酸鹽溶液的化學(xué)腐蝕。經(jīng)過擴散、滲透進入混凝土孔隙溶液中，侵蝕性離子首先與水泥石中的Ca 2 反應(yīng)形成石膏，而后進一步與水化鋁酸鈣反應(yīng)轉(zhuǎn)化成鈣礬石，體積膨脹2.5 倍，導(dǎo)致大板拱起、疏松，同時加速了腐蝕介質(zhì)SO2 -4 的浸入。在形成鈣礬石后孔隙溶液的pH 值降至10.5 左右，從而破壞了水化硅酸鈣的堿度平衡條件，使之分解。4 　結(jié)　語　　通過對粘土磚內(nèi)硫酸鹽對建筑物破壞事例的分析和研究，我們的體會和建議是：　　高硫酸鹽含量粘土磚對建筑物有很大的破壞作用，尤其是對現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的危害，應(yīng)當引起足夠的重視?！　?在潮濕環(huán)境或泡水條件下，粘土磚內(nèi)硫酸鹽對現(xiàn)澆圈梁混凝土的化學(xué)腐蝕屬硫鋁酸鈣—石膏—碳化綜合腐蝕，對現(xiàn)澆基礎(chǔ)底板混凝土的腐蝕屬硫鋁酸鈣型腐蝕?！　?該工程的片筏基礎(chǔ)在加固時已改為鋼筋混凝土條形基礎(chǔ)，至今已使用9 年，未出現(xiàn)任何腐蝕，證明當時的研究結(jié)論是正確的。

原作者：余紅發(fā)　李穎　丁向群