磚內硫酸鹽對混凝土結構破壞的機理剖析

〔提　要〕　本文根據(jù)西寧市一例粘土磚內硫酸鹽對現(xiàn)澆鋼筋混凝土結構的化學腐蝕破壞事例，用XRD 法分析了腐蝕產(chǎn)物，結果表明：梁圈混凝土的腐蝕屬硫鋁酸鈣-石膏-碳化型綜合腐蝕，基礎地板混凝土的腐蝕屬硫鋁酸鈣型腐蝕?！碴P鍵詞〕　混凝土　硫酸鹽　粘土磚　結構1 　引　言　　我國北方地區(qū)粘土磚內硫酸鹽含量很高，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，磚內硫酸鹽對現(xiàn)澆鋼筋混凝土結構可造成嚴重的硫酸鹽腐蝕破壞。本文報道了磚內硫酸鹽破壞鋼筋混凝土結構的工程事例，并分析其破壞機理。2 　工程事故與調查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，三層磚混結構，建筑面積1359m2 ，片筏基礎，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)片筏基礎浸泡了大量的污水，水深約350mm?；炷疗せA和底層圈梁已有不同程度的膨脹破壞。2．2 　初步調查　　1990 年4～6 月，作者與有關單位對基礎進行了聯(lián)合調查，發(fā)現(xiàn)基礎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構為現(xiàn)澆結構，一層的工廠預制空心樓板完好無損；　　片筏基礎底板下的現(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；　　膨脹的圈梁側面，生長有大量的透明結晶物。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腐蝕。從施工原材料的質量分析，卵石和粘土磚有可能提供硫酸鹽介質，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，證明腐蝕介質硫酸鹽確實源于粘土磚，這為基礎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石英。這說明西寧粘土磚內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 % ，證明片筏基礎泡水時，磚內硫酸鹽以Na2SO4 的形式被浸出。3.1.2 　腐蝕混凝土及其表面結晶物的鑒定　　圖2 是腐蝕混凝土及圈梁表面結晶物的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。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硫酸鹽向混凝土大量遷移的必然結果。在混凝土表面產(chǎn)生大量的Na2SO4·10H2O 結晶物就是佐證。這充分表明，粘土磚內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?！　　　　　』A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。這表明粘土磚內硫酸鹽對基礎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，磚內硫酸鹽在濕度梯度的作用下向圈梁混凝土內毛細孔隙網(wǎng)遷移集結，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：　　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以針狀或棒狀晶體定向生長，對孔壁產(chǎn)生很大的結晶壓力，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，使混凝土孔隙溶液的pH 降至8 左右?？紫度芤簆H 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 反應形成石膏，而后進一步與水化鋁酸鈣反應轉化成鈣礬石，體積膨脹2.5 倍，導致大板拱起、疏松，同時加速了腐蝕介質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　語　　通過對粘土磚內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)澆鋼筋混凝土結構的危害，應當引起足夠的重視。　　在潮濕環(huán)境或泡水條件下，粘土磚內硫酸鹽對現(xiàn)澆圈梁混凝土的化學腐蝕屬硫鋁酸鈣—石膏—碳化綜合腐蝕，對現(xiàn)澆基礎底板混凝土的腐蝕屬硫鋁酸鈣型腐蝕?！　?該工程的片筏基礎在加固時已改為鋼筋混凝土條形基礎，至今已使用9 年，未出現(xiàn)任何腐蝕，證明當時的研究結論是正確的。

原作者：余紅發(fā)　李穎　丁向群