磚內(nèi)硫酸鹽對混凝土結(jié)構(gòu)破壞的機理剖析

2006-12-12 00:00

〔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(yán)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?；炷疗せA(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(yán)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；

　　（2）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；

　　（3）腐蝕后的混凝土呈漿糊狀，干后呈白色，鋼筋銹蝕不明顯；

　　（4）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(rèn)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(rèn)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。

　　用原子吸收光譜測定粘土磚的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（OH） ₂ ， SiO₂ 為未分離的石英雜質(zhì)。據(jù)文獻報道，只有當(dāng)SO^{2 -}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(xì)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 （OH） ₂ + Na₂SO₄ + 2H₂O →CaSO₄ ·2H₂O + 2NaOH₃CaO·Al₂O₃ ·6H₂O + 3 （ CaSO₄ ·2H₂O） + 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 （OH） ₂ 同時又要受到Na₂CO₃ 和CO₂ 影響：

　　Ca （OH） ₂ + Na₂CO₃ →CaCO₃ + 2NaOH

　　Ca （OH） ₂ + CO₂ + H₂O →CaCO₃ + 2H₂O

　　可見，NaOH、CO₂ 與Ca （OH） 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?？紫度芤簆H 值降低后，CSH 穩(wěn)定性大大降低：當(dāng)pH 值為12.5 時，其C/ S 為2.12 ；當(dāng)pH 值為8.8 時，其C/ S 為0.5 ；當(dāng)pH 值低于8.8 時，CSH 釋放出全部Ca^{2 +} 轉(zhuǎn)變成硅膠：C₃S₂H₃ + 2H₂O →3Ca （OH） ₂+ 2 （SiO₂·H₂O）

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 （OH） 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)SO^{2 -}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：

　　（1）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(dāng)引起足夠的重視。

　　（2）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。

　　（3）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(dāng)時的研究結(jié)論是正確的。

原作者：余紅發(fā)　李穎　丁向群

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