混凝土硫酸镁侵蚀的探讨.docVIP

混凝土硫酸镁侵蚀的探讨 摘要：针对硫酸镁侵蚀机理和侵蚀过程进行了总结分析和探讨，对影响混凝土硫酸镁侵蚀的诸多因素进行了分析，并提出了提高混凝土抗硫酸镁侵蚀性能、改善混凝土耐久性的有效措施。 关键词混凝土，硫酸，SO42-侵蚀效果的简单叠加，因而想要详究硫酸镁溶液的侵蚀机理，必须对整个侵蚀过程进行系统全面的分析。 1 硫酸镁侵蚀机理及相关化学反应 硫酸镁侵蚀的特点在于硫酸镁溶于水后形成Mg2+和SO42- ，这两种离子都会引起混凝土的劣化，对混凝土结构造成伤害。Mg2+与混凝土组分发生化学反应，生成侵蚀产物氢氧化镁和水化硅酸镁（MSH），SO42-与混凝土组分反应，生成的主要侵蚀产物有钙矾石（3CaO·Al2O3·3CaSO4·3H2O）和石膏。侵蚀初期，反应生成的Mg(OH)2沉积于混凝土表面，Mg(OH)2的溶解度很小，是无胶结能力的松散物，且强度不高，会在混凝土表面形成一个障碍层，阻止溶液的渗入，能起到一定的保护作用。但是，随着时间的延长，生成的石膏和钙矾石越来越多，产生膨胀，使得混凝土表层处出现裂缝，为Mg2+和SO42-的进一步渗入提供了通道。 在硫酸镁溶液中，Mg2+和SO42-都要和Ca(OH)2发生反应，因此消耗了大量的Ca(OH)2，使得溶液PH值下降，CSH凝胶脱钙分解，放出Ca(OH)2以维持混凝土内部的碱度，因而也就使混凝土丧失了粘结性、强度降低、表面软化。Mg2+的侵蚀也能引起CSH的分解，Mg2+置换Ca2+生成MSH，MSH的粘结性很差，且强度不高。混凝土的最终破坏就是因为CSH发生分解，生成MSH，从而导致混凝土强度丧失[1]。在所有硫酸盐侵蚀类型中，MgSO4侵蚀是对混凝土破坏性最大的一种，即使硅灰混凝土也难以抵抗MgSO4的侵蚀。Mg2+和SO42-均为侵蚀源，二者相互叠加，构成严重的复合侵蚀，其反应方程为: MgSO4+Ca(OH)2+2H2O→CaSO4·2H2O+Mg(OH)2 (1) CSH+MgSO4+5H2O→Mg(OH)2+CaSO4·2H2O+2H2SiO4→MSH+CaSO4·2H2O (2) 4CaO·Al2O3·13H2O+3MgSO4+2Ca(OH)2→3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O+3Mg(OH)2 (3) 2. 侵蚀演变过程 硫酸镁侵蚀过程不同于一般硫酸盐侵蚀，Manu santhanam等[2]人通过将混凝土置于硫酸镁溶液中浸泡的实验，总结出硫酸镁溶液中的Mg2+和SO42-由外部环境溶液进入到混凝土内部，并与混凝土组分发生化学反应，使混凝土失去强度，导致混凝土破坏，这一侵蚀过程大致分为以下四个步骤： (1) 当混凝土置于硫酸镁侵蚀溶液中后，由于混凝土是碱性的，混凝土周围溶液的PH值会增大；同时混凝土的PH值也会有所减小。 (2) 混凝土中的氢氧化钙与硫酸镁溶液反应，生成氢氧化镁和石膏。反应生成的氢氧化镁在混凝土表面形成一层覆盖层，生成的石膏也会在氢氧化镁层内部形成一层石膏层，两层产物包裹于混凝土表面。当表面覆盖层形成后，溶液中的硫酸根离子只能由扩散作用穿过这层屏障进入混凝土内部。扩散进程十分缓慢，所以混凝土硫酸镁侵蚀过程是一个缓慢的劣化过程，而不是像普通硫酸盐侵蚀一样，伴随着混凝土体积的剧烈增大导致混凝土开裂溃散。 (3) SO42-通过扩散作用缓慢进入混凝土，在表层处与混凝土组分反应生成石膏和钙矾石，并伴随着体积膨胀。这和普通硫酸盐侵蚀的机理一样，这一体积膨胀过程会造成表层处混凝土开裂。 (4) 氢氧化镁覆盖层致使混凝土渗透性降低，减慢了SO42-进入混凝土内的速度，所以混凝土试块在硫酸镁侵蚀过程中出现的表观劣化和体积膨胀没有硫酸钠侵蚀明显。但是，通过扩散作用不断进入混凝土内部的离子与混凝土组分反应，引起混凝土膨胀开裂，最终会导致氢氧化镁覆盖层瓦解。此时，大量Mg2+和SO42-进入混凝土，直接或间接与CSH凝胶发生反应，生成MSH和次生石膏，CSH凝胶分解，混凝土骨料间失去粘结力，最终导致混凝土强度丧失。 实际工程中，严重的硫酸镁侵蚀甚至将混凝土变成完全没有胶结性能的糊状物。其微观结构通常是在混凝土表层形成双层结构，第一层为水镁石，厚度为40～120um，第二层为石膏，厚度为20～70um[1]。文献[3]用0.45和0.5水灰比的混凝土在硫酸盐溶液中浸泡21年，浸泡于硫酸镁溶液中试件的侵蚀深度要远小于浸泡于硫酸钠溶液中的试件的侵蚀深度。但文献[4]表明，(10%硅灰、20%粉煤灰、70%矿渣)强度降低值要远大于水泥，这可能是由于镁离子的侵蚀一方面生成氢氧化镁，阻碍了SO42-的侵入，另一方面生成MSH降低了强度[