耐硫酸盐腐蚀的特性与应用

硫酸盐侵蚀是影响混凝土耐久性的重要因素之一。由于受到硫酸盐侵蚀，各类混凝土工程如公路、桥梁、水电及一些地下工程等，在使用期内发生了膨胀、开裂、剥落、解体，严重地影响了混凝土工程的使用寿命。

硫酸盐对混凝土的侵蚀是一个复杂的过程，受到混凝土的渗透性、水泥类型、硫酸盐类型和浓度及暴露条件等多种因素的影响。硫酸盐侵蚀破坏是一个十分复杂的物理化学过程，机理非常复杂。碱矿渣水泥的水化产物主要是沸石类矿物和低碱度的水化硅酸钙，不包含抗硫酸盐侵蚀性能差的氢氧化钙和高碱性水化硅酸钙。同时，碱激发水泥石具有致密的结构和良好的孔径分布，硫酸盐也不易向其中渗透，因而具有较强的抗硫酸盐侵蚀能力。

Bakharev等［21］根据ASTMC 1012研究了碱激发矿渣（AAS）混凝土的抗硫酸盐腐蚀性能。试件采用直径100 mm，高200 mm的圆柱体，将其养护28天后浸入5%Na2SO4或5%MgSO4溶液中，浸泡12个月后测定抗压强度，并与同龄期养护于水中的参考试样进行比较。结果表明，浸泡于5%Na2SO4溶液中的AAS混凝土试样表面完整，无破坏现象，而普通硅酸盐水泥（OPC）混凝土试样表面出现了膨胀和开裂的现象，如图9-19所示。由图9-20可知，浸入在5%Na2SO4溶液中的OPC混凝土的强度损失率明显大于AAS混凝土，说明AAS混凝土抗Na2SO4溶液腐蚀的能力优于OPC混凝土。MgSO4溶液的腐蚀规律和Na2SO4溶液有相似的规律，但MgSO4溶液对两种混凝土的腐蚀更大。

图9-19　两种混凝土试件浸泡于硫酸盐溶液中12个月［21］

图9-20　混凝土试件浸泡在不同硫酸盐溶液中的强度损失与浸泡时间关系［21］

Ismail等［22］也认为，碱激发矿渣混凝土对硫酸盐的抗腐蚀性很大程度上取决于硫酸盐中阳离子的性质，Na2SO4对碱矿渣混凝土的腐蚀较小，而MgSO4会导致其严重脱钙、石膏形成、结构完整性破坏等。图9-21为不同水胶比的碱激发矿渣混凝土试件在MgSO4、Na2SO4溶液中浸泡90天后的情况。在Na2SO4溶液中碱矿渣混凝土的腐蚀不明显，但在MgSO4溶液中，碱矿渣混凝土被严重腐蚀，且水胶比越大，腐蚀越严重。(www.xing528.com)

图9-21　不同水胶比的碱激发矿渣混凝土试件在MgSO4、Na2SO4溶液中浸泡90天［22］

Puertas等［23］发现，采用水玻璃激发碱矿渣砂浆的抗硫酸盐腐蚀性能优于用氢氧化钠激发的砂浆。掺入粉煤灰后，虽然碱激发矿渣/粉煤灰砂浆的孔隙率比较大，但是70%以上的孔尺寸为0.01～0.1 μm，这使得碱激发矿渣/粉煤灰砂浆抗硫酸性能仍然较强。

作者研究了不同工业废渣掺入到碱矿渣混凝土中后，各种碱激发混凝土的抗硫酸盐性能，硫酸盐介质为10%Na2SO4和10%MgSO4溶液。通过测试碱激发混凝土腐蚀一定龄期的强度及质量变化来评价其抗硫酸盐性能，试验结果如图9-22。当碱激发混凝土在10%的Na2SO4溶液中浸泡1个月时，混凝土的抗压强度不仅没有降低反而有所提高，浸泡5个月后，各组混凝土的抗压强度才开始降低，这说明Na2SO4溶液在腐蚀的同时，对各种工业废渣也产生了激发的作用，强度的增加表明，早期Na2SO4溶液的激发作用大于其对混凝土的腐蚀作用。分析在Na2SO4溶液中浸泡12个月的结果可知，复掺锂渣、石粉（C4组）的碱矿渣混凝土的抗压强度损失最少，抗Na2SO4侵蚀性最好，掺石粉的（C3组）次之，然后依次是复掺锂渣、粉煤灰（C5组），单掺锂渣（C2组）及对比组碱矿渣（C1组）混凝土，这说明其他工业废渣的掺入能起到抑制Na2SO4腐蚀的作用。当碱激发混凝土浸泡于10%MgSO4溶液中时，浸泡1个月后混凝土的强度就开始下降，复合掺入锂渣和石粉（C4组）对提高碱矿渣混凝土的抗腐蚀效果最明显，浸泡12个月时，强度损失减少11.4%，其次是复合锂渣和粉煤灰（C5组），减少了10.8%，单掺石粉（C3组）和锂渣（C2组）也起到很好的改善作用，分别减少10.2%、5.2%。

另外，在Na2SO4溶液中浸泡的前3个月，混凝土的质量损失率为负值，说明在此浸泡期间碱激发混凝土试件的质量增加，主要因为碱激发混凝土被硫酸盐破坏作用小于水化作用，二者叠加后水化产物的形成导致混凝土质量的增加。随龄期的增加，硫酸盐浸泡对混凝土试件的破坏引起试件质量的下降，说明在后期破坏起主要作用；当在MgSO4溶液中浸泡1个月时，C1、C2、C3、C4质量增加，C5的质量下降，浸泡3个月时，除掺入石粉的C3组质量有些增加外，其他组的质量都开始下降，说明MgSO4溶液中腐蚀比在Na2SO4中的大。根据Turker［24］对MgSO4溶液破坏阶段的分类观点，经10%的MgSO4溶液侵蚀120天后，碱激发混凝土仍处于过渡期，未达到破坏严重的后期，即碱激发混凝土具有良好的抗硫酸镁溶液侵蚀的能力。

因此，在碱矿渣混凝土中掺入合适品种和数量的工业废渣（如锂渣、石粉和粉煤灰）对提高碱矿渣混凝土的抗硫酸盐侵蚀能力都是有益的。

图9-22　碱激发混凝土经硫酸盐溶液腐蚀后抗压强度和质量损失率/%［7］