浅谈岩土工程勘察设计中的硫酸盐腐蚀问题

浅谈岩土工程勘察设计中的硫酸盐腐蚀问题

张凯顺 王世文

中国核电工程有限公司郑州分公司 450052

摘要：民众安全意识逐年提升的背景下对水泥建筑运行稳定性提出更高要求，在此背景下，如何有效抑制硫酸盐腐蚀问题对水泥建筑造成的影响，已然成为我国建筑工程领域的关注重点。本文硫酸盐腐蚀机理的分析入手，总结水泥遭受硫酸盐腐蚀问题影响的主要因素，在此基础上提出水泥抵抗硫酸盐问题的具体措施。

关键词：硫酸盐；水泥；影响因素；机理

慢性硫酸盐腐蚀问题的存在，使得水泥建筑在运行阶段频繁出现安全问题。在多方面因素的作用下，使得水泥建筑基结构受到硫酸盐中硫酸根离子的不断侵蚀，不仅影响到水泥建筑的稳定运行，甚至因结构疏松、破损等问题的出现导致建筑运行年限缩减。正因此，探讨如何借助有效措施来降低硫酸盐腐蚀问题对水泥造成的影响，成为我国建筑领域的重点关注问题。

1. 水泥抗硫酸盐腐蚀的现状分析

纵观当前我国建筑领域发展，其中水泥混凝土结构受到硫酸盐腐蚀的问题愈发严重，例如青海湖周围建筑，在硫酸盐腐蚀的影响下一年内出现严重粉化现象，甚至会在三年内导致建筑物坍塌。我国天津、山东、河北等地区，建筑物混凝土结构物极易受到硫酸盐腐蚀问题的影响而威胁到民众安全。由此表明，采取有效措施来提升水泥的抗硫酸盐抗腐蚀性，对促进水泥构造物的安全、稳定运行有着重要影响^[1]。分析当前国内外对水泥混凝土抗硫酸盐的检测方法，其中我国常用标准包括GB/T2420-81、GB/T749-65，前者主要应用于硫酸盐腐蚀快速检测中，后者这多用于长龄期检测中。两种检测方式应用均需以小尺寸试件作为基准，以保证SO₄^2-能够在溶液浸泡过程中快速扩散至内部^[2]。试件结构在石膏膨胀或钙矾石形成的作用下出现损伤开裂，且抗蚀系数与抗折强度得到不同程度的衰减。

为保证水泥抗硫酸盐侵蚀检测结果符合精准性要求，可结合以下几点来提升水泥检测有效性：（1）抗硫酸盐腐蚀检测的主要核心为胶凝材料，为此可选用胶砂试件作为水泥抗硫酸盐腐蚀检测的主要对象。（2）可结合实际检测情况的分析，将试件的胶砂比控制在1:2.5左右。（3）可将ASTM C1012标准为参考，在检测时选择0.485作为水胶比。（4）以ASTM C1012标准为依据，将试件尺寸控制在2.5×2.5×28.5cm左右。

2. 硫酸盐腐蚀性机理分析

水泥建筑运行阶段受到硫酸盐腐蚀的长期影响，使得建筑结构极易出现被严重破坏的现象^[3]。分析硫酸盐腐蚀产生机理，主要是在初始阶段水中硫酸盐逐渐溶解为硫酸根粒子，且建筑水泥内部在水流动的作用下出现内部进入硫酸根离子的现象，并经过与氢氧化钙等物质的化学反应产生石膏等产物，在此类膨胀性较强物质的长期影响下，水泥基体会在膨胀应力持续增大的影响下形成表面裂缝或内部疏松等问题，进而增大建筑出现坍塌事故的概率。国内相关学者针对硫酸盐腐蚀问题进行试验研究，结果表明在水的影响下，水泥与石膏中碱性化合物呈现出溶解的状态，且C-S-H凝胶、氢氧化钙、钙矾石的比例呈现为7:2:1。作为保障水泥强度的关键物质，C-S-H凝胶的应用与水泥强度控制之间存在密切关联，需通过合理控制C-S-H凝胶使用量来达到抑制水泥腐蚀问题的目的。而在腐蚀的影响下，混凝土结构会因氢氧化钙的存在出现疏松现象，导致水泥基体密度控制之间降低。同时，水环境中氢氧化铁在持续反应过程中呈现出浓度下降的态势，C-S-H凝胶在水体碱性下降的影响下出现分解，致使水泥基体产生的腐蚀问题愈发严重^[4]。

二、水泥遭受硫酸盐腐蚀的影响因素分析

分析硫酸盐腐蚀问题对水泥建筑造成的影响，除建筑内部结构因素之外，与外界因素之间同样存在较大关联^[5]。相关学者于2013年进行水泥抗硫酸盐性能的研究，试验中通过测试水泥抗腐蚀能力受到不同尺寸矿渣的影响来判断是否与外界因素之间存在关联，结果表明水泥掺杂细矿渣后其强度得到显著提升，并降低硫酸盐腐蚀问题造成的影响。需注意，水泥中普通颗粒矿渣的无法起到腐蚀抑制的作用。由此表明水泥基矿渣颗粒的有效控制，可通过水化产物接触面积的控制来达到加速化学反应的目的，通过提升抗腐蚀能力来促进水泥建筑运行年限的延长。2014年，张俊等人开展以低水灰比为前提的水泥抗腐蚀性试验，最终发现在低水灰比前提下，超细矿渣的融入能够起到提升水泥抗腐蚀的效果。因此，可于当前建筑工程建设过程中重视对混凝土水灰比的合理控制，通过提升水泥抗腐蚀性能来延长运行年限^[6]。

需注意，水泥混凝土建筑物在运行阶段同时遭受物理与化学破坏，相关学者在荷载施加的前提下在水泥砂浆中添加硫酸盐溶液进行测试，以判断水泥构造物的具体耦合性腐蚀性能。结果表明下，在荷载施加的前提下，水泥基在硫酸盐腐蚀的影响下呈现出腐蚀问题愈发严重的状态，且水泥防腐蚀性能受到表面防护涂层的影响相对较低。在实际运行期间，水泥基内部受到腐蚀影响极易出现轻微开裂问题，并且随着硫酸盐溶液的持续渗入，水泥基腐蚀问题愈发明显

^[7]。相关研究表明，当水泥受到的弯曲应力超过35%，其腐蚀问题呈现出持续加重的态势，若弯曲应力超过50%，意味着水泥基遭受的损伤较为严重。国外相关学者开展以压应力作用为前提的水泥防硫酸盐腐蚀问题实验，结果表明，若压应力强度达到60%，水泥基孔洞率明显下降，且通过加强水泥砂浆强度控制来达到抑制裂缝延展的目的，避免水泥基部因硫酸根离子的渗入而出现严重腐蚀问题。另外，相关学者对水泥基受到弯曲应力的破坏进行研究，研究指出水泥基内部结构在弯曲荷载的作用下极易出现破坏，并增大水泥建筑遭受化学腐蚀问题的发生概率。

另外，国内相关学者对冻融与荷载关联及其水泥基与腐蚀性在荷载模式下的强度关系进行分析，结果表明相较于单因素破坏而言，双因素耦合的破坏作用明显更强。并且在硫酸盐腐蚀的持续影响下，建筑受到的物流荷载持续增大，导致建筑出现结构损问题的可能性增大。

三、水泥抵抗硫酸盐腐蚀问题的方法

基于负硫酸盐腐蚀问题的研究，应大力发展低钙硅酸盐水泥，以期在有效抑制石膏与钙矾石膨胀物的同时，实现对C-S-H凝胶物质生成的促进。相关学者与2015年进行水泥基材性能的分析，分别将钢渣与脱硫石膏适量掺入至水泥基材，试验结果表明水泥基强度得到明显提升。分析其形成机理，主要是添加于水泥材料中的钢渣类似于水泥熟料，可在混合物拌和过程中形成凝胶特性^[8]。同时，在固化脱水的作用下，脱硫石膏中含有的二水硫酸钙可形成钙矾石，以实现水泥基中大量间隙可被相关物质得到有效消除，通过提升水泥防腐蚀性来达到延长运行年限的目的。通过深入研究发现，将钢渣粉合理加入至水泥基材中，并在普通水泥、快硬水泥、高抗水泥中按照20%、10%、15%的比例日安家钢渣粉，可实现对水泥防腐蚀性能的优化控制。但将水泥基材与矿渣进行结合，极易导致水泥内部大量渗入硫酸根离子，导致水泥基的腐蚀问题加剧，与上文所述的硫酸盐腐蚀问题抑制存在矛盾。通过深入分析发现，二次水化反应与线膨胀系数之间可实现共同进行，以线膨胀系数为基准，二次水化反应与矿渣在两种效应叠加的影响下明显高于系数的影响，进而发挥出水泥防硫酸盐腐蚀的问题。

国外相关学者在研究水泥抗腐蚀性受到水泥基材中添加矿物质材料的研究与国内研究存在类似结果，其研究主要内容为矿渣与粉煤灰的研究，并对煤灰粉受到R值的影响进行定量分析。结果表明：当R值≯1.5时，水泥的硫酸盐抵抗能力仍可受到煤灰粉的影响而增强。若R值处于1.5~3.0范围时，抗硫酸盐腐蚀性能的影响明显下降。若R值处于3.0以上时，则会产生硫酸盐腐蚀问题加剧的现象。此研究的开展可让相关学者对水泥防腐蚀方面有更为清晰的认知。需注意，此方法应用仍存在一定弊端，如未提及粉煤灰膨胀效益对水泥基产生的影响。相关学者在研究中对水泥防腐蚀性分别采用16种粉煤灰进行探究，结果表明水泥防硫酸盐腐蚀受到粉煤灰中化学与矿物组成的直接影响。

4. 水泥遭受硫酸盐腐蚀问题的展望

历经多年的试验与探索，国内外专家对水泥防硫酸盐腐蚀方面的研究已经取得一定成效。本文中对水泥遭受硫酸盐腐蚀的机理进行分析，同时明确大部分专家学者对于可获性混合材料的应用有着更高的认可。并且从相关研究分析中得知，国内在水泥防硫酸盐腐蚀方面更加重视对绿色水泥发展理念的树立，强调在水泥抗腐蚀中进行工业废料的循环性利用。当然，尽管当前硫酸盐腐蚀问题的研究已经取得初步成效，但是在多方面因素的影响下，使得当前研究开展仍存在些许问题。国外针对温度低条件下碳硫硅钙石的成因目前仍存在分歧意见，尽管在水泥基受到TSA型破坏的影响，但尚未做到对TSA型的机理进行全面掌握。纵观现阶段我国建筑行业发展，其中沿海与西部地区出现硫酸盐腐蚀问题的概率相对较大，若始终无法采取有效手段进行腐蚀问题的有效抑制，势必会导致建筑结构破损问题更加严重，甚至因腐蚀问题加剧导致建筑出现坍塌问题的概率。

因此，建议国内外专业学者需加大对TSA型破坏机理的研究力度，并结合当前硫酸盐防腐需求进行针对性措施的制定与落实，以期为我国建筑工程领域的长远发展提供支撑。

结束语：

综上所述，水泥抗硫酸盐腐蚀的探究对延长水泥建筑运行年限，以及保障民众生命安全有着重要影响。鉴于此，为避免因硫酸盐腐蚀问题加剧导致建筑结构破坏，需在明确掌握硫酸盐腐蚀问题形成机理与影响因素的前提下，采取有效措施来实现对硫酸盐腐蚀的有效抑制，通过提升水泥结构抗硫酸盐腐蚀能力来促进建筑长久运行。

参考文献：

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