無機化合物對水泥土腐蝕的作用機理及試驗

韓鵬舉，白曉紅

（太原理工大學 建筑與土木工程學院，太原030024）

工程材料在污染環境下的耐久性研究是國際上非常關注的、尚未完全解決的科技熱點問題，對于水泥土攪拌樁復合地基受環境影響后工程性質的劣化研究尚鮮見報道，考慮這一因素的設計方法尚未提出。當地下水具有腐蝕性時，或無工程經驗的地區，必須通過現場試驗確定其適用性［1］，其中水泥土周圍環境中的Mg2＋濃度、SO42-濃度、Cl-濃度、pH等無機化合物離子是腐蝕評價的主要指標［2-3］。R.S.Rolling，白曉紅，董曉強等通過一系列相關室內試驗研究，探討了在硫酸環境下水泥土的抗壓強度規律及電阻率測試方法［4-6］；寧寶寬等通過室內試驗研究了硫酸鈉溶液下水泥土的力學特性［7-8］；黃漢盛等通過水泥土抗腐蝕性的室內試驗，提出了抗腐蝕性良好的水泥土配方［9］。綜上所述，鮮有人把水泥土環境中的介質濃度與水泥土強度的數學關系，從而評價其適用性和耐久性。為了取得更全面的無機化合物對水泥土的腐蝕數據，本工作通過室內模擬試驗，研究了在不同無機化合物溶液下不同齡期的水泥土強度，并且分析了無機化合物溶液的介質成分與水泥土的化學反應機理及無側限抗壓強度變化規律，供工程設計參考和研究。

1 試驗

1.1 水泥土試塊制備

按風干土∶水泥∶水＝100∶20∶50的質量比例分別稱取相應的風干土、水泥、水，然后再放入30kg的小型攪拌機內充分攪拌后，裝入7.07cm×7.07cm×7.07cm的標準鋼模中，放到震動臺上震搗三分鐘，抹平表面并編號。為使其濕度保持不變用塑料薄膜覆蓋，經過24h后小心拆模，選擇其中表面無空洞，無裂紋，無明顯凸凹感和棱角無殘缺的試塊，放置在預設溫度為20.9℃，相對濕度為90.7%的標準養護箱中養護7d。在養護期間，定期進行觀察，防止試塊破壞或環境受到改變。然后將養護好的試塊放入裝有預先配制好的無機化合物溶液的容器中進行浸泡。

1.2 腐蝕環境的模擬

無機化合物環境的模擬參照《工業建筑防腐設計規范》（GB 50046-2008）和《巖土工程勘察規范》（GB 50021-2001）等相關規范中按環境類型水和土對混凝土結構的腐蝕性評價標準來模擬現場水泥土可能處在的無機化合物環境，并考慮實際環境中H＋，Mg2＋，Cl-和SO42-等的組合來進行配制各種無機化合物溶液。采用H2SO4溶液環境、MgSO4溶液環境、Na2SO4溶液環境、CaSO4環境溶液和MgCl2溶液環境。

將H2SO4溶液配制為4種質量濃度：1.5g·L-1，4.5g·L-1，9.0g·L-1和18.0g·L-1；

將MgSO4溶液配制為5種質量濃度：1.5g·L-1，4.5g·L-1，9.0g·L-1，18.0g·L-1和22.5g·L-1；

將Na2SO4溶液配制為4種質量濃度：1.5g·L-1，4.5g·L-1，9.0g·L-1和18.0g·L-1；

將CaSO4溶液配制為5種質量濃度：1.5g·L-1，4.5g·L-1，9.0g·L-1，18.0g·L-1和22.5g·L-1；

將MgCl2溶液配配制為5種質量濃度：1.5g·L-1，4.5g·L-1，9.0g·L-1，18.0g·L-1和22.5g·L-1。

取養護好的水泥土試塊，取其中一組試塊浸泡于清水中，用于與其他溶液環境中浸泡的水泥土試塊進行對比。

1.3 試驗方法

將試塊浸泡在清水和不同濃度的無機化合物溶液中（每升溶液中浸泡一塊，每種溶液做兩個平行樣），使溶液上表面沒過試塊2cm左右，每天進行觀察并在固定時間觀察拍攝浸泡不同天數（0～28d）后的試樣表面，分析浸泡溶液的化學介質成分，采用電子控制式用試驗機測量水泥土試塊無側限抗壓強度qu，qu取二個試塊的低值。

2 結果與討論

2.1 水泥土試塊表面觀察

各種無機化合物環境下28d的水泥土試塊的表觀圖片見圖1。由圖可知：H2SO4，MgSO4和Na2SO4溶液環境下水泥土表面變化明顯，主要表現為表面起皮、軟化，棱角處飩化或開裂；濃度為18.0g·L-1的Na2SO4溶液環境中的試塊已經明顯損壞，邊角模糊，試塊已經失去原狀；濃度為22.5g·L-1的MgSO4溶液的試塊表面開始出現起皮、凹陷、邊角模糊等現象，邊角開始脫落；濃度為18.0g·L-1的H2SO4溶液環境中的試塊表面普遍都有凹陷感，邊角更加模糊，減小劇烈；綜上可知它們對水泥土影響的大小排序為：Na2SO4＞MgSO4＞H2SO4。在CaSO4溶液環境和MgCl2溶液環境中的水泥土作用的表觀現象主要表現為表面附著結晶，試塊尺寸基本沒有變化；但是MgCl2溶液環境中的試塊表面除了附著結晶外，較CaSO4溶液環境中相比，試塊還有明顯的孔隙，說明它們對水泥土的作用的強弱大小排序為MgCl2＞CaSO4。

由水泥土的表觀現象可知：各種無機化合物環境對水泥土作用的大小排序為Na2SO4＞MgSO4＞H2SO4＞MgCl2＞CaSO4。當溶液當中都存在SO42-時，陽離子對水泥土作用大小排序為：Na＋＞Mg2＋＞H＋＞Ca2＋；當溶液都存在Mg2＋時，陰離子對水泥土作用大小排序為：SO42-＞Cl-。

2.2 水泥土的抗壓強度

不同無機化合物環境下水泥土抗壓強度均有不同程度的折減，為了比較各種無機化合物環境下水泥土的抗壓強度，提出了無機化合物環境中水泥土抗壓強度修正系數α：

式中：f′cu——無機化合物環境浸泡后水泥土抗壓強度，MPa；fcu——清水浸泡后水泥土抗壓強度，MPa；α——水泥土抗壓強度修正系數，各種環境中28d水泥土抗壓強度修正系數見表1。

表1 各種環境中水泥土抗壓強度修正系數α

由表1可知，CaSO4環境、MgSO4（1.5g·L-1）環境、Na2SO4（1.5g·L-1）環境和MgCl2（1.5g·L-1）環境中的水泥土強度修正系數均大于1，說明這幾種環境對水泥土強度的增長有利；而其他環境中的強度修正系數均小于1，對水泥土不利，其中比較嚴重的有H2SO4（18.0g·L-1）和MgSO4（22.5g·L-1）修正系數均為0.49，而Na2SO4（18.0g·L-1）中水泥土試塊嚴重損壞，可視強度為0。

各種無機化合物環境下的水泥土強度折減系數與環境濃度的關系見圖2。

由圖2可知，各種環境下水泥土強度修正系數與環境濃度的關系有較好的線性關系，對其進行線性回歸分析，強度修正系數與環境濃度的線性關系見式：

CaSO4環境：α＝0.001c＋1.098R2＝0.80

圖2 腐蝕環境下水泥土抗壓強度修正系數α

式中：α為水泥土強度折減系數；c為環境濃度。

由式（2）可知，各種無機化合物環境下強度折減系數與環境濃度的線性關系斜率，用k來表示，k越大受環境濃度的影響就越小。k的大小排序為：kCaSO4＞kMgCl2＞kH2SO4＞kMgSO4＞kNa2SO4。說明了強度折減與環境濃度的大小排序為：Na2SO4＞MgSO4＞H2SO4＞MgCl2＞CaSO4。當溶液當中都存在SO42-時，陽離子濃度對水泥土影響作用大小排序為：Na＋＞Mg2＋＞H＋＞Ca2＋；當溶液都存在Mg2＋時，陰離子濃度對水泥土影響作用大小排序為：SO42-＞Cl-。

2.3 各種環境對水泥土的作用機理對比分析

水泥土所處的環境不同時，環境對水泥土的作用機理也就不同，按環境對水泥土腐蝕的形態分類，可分為溶出型腐蝕、分解型腐蝕、膨脹型腐蝕（或稱結晶型腐蝕）。在實際工作中要抓住對水泥土腐蝕起主要作用的幾種介質，這樣對研究環境對腐蝕作用機理有很重要的意義［10-12］。針對各個環境的主要介質進行詳細對比分析探討環境對水泥土的腐蝕機理如下。

H2SO4環境：H＋與水泥土中水泥水化生成Ca（OH）2和水化硅酸鈣（3CaO·2SiO2·3H2O），使水泥土的膠凝性變差，主要是分解型腐蝕；SO42-與水泥土發生化學反應生成鈣礬石（3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O）和 鈣 硅 石（CaCO3·CaSO4·CaSiO3·15H2O），使水泥土發生不穩定的結構膨脹，外部變軟，內部變得酥松，是結晶型腐蝕。因此，H2SO4環境對水泥土腐蝕是分解型腐蝕與結晶型腐蝕的復合型腐蝕。

MgSO4環境：Mg2＋與水泥土反應生成MgO·SiO2·H2O，分散于水化硅酸鈣（3CaO·2SiO2·3H2O，C-S-H）凝膠中，會使C-S-H的膠凝性變差，屬于分解型腐蝕，Mg2＋與水泥土反應生成的CaCl2·6H2O結晶和Mg2（OH）3Cl·4H2O結晶和SO42-與水泥土反應生成鈣礬石（3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O）、鈣 硅 石（CaCO3·CaSO4·CaSiO3·15H2O）使水泥土結構膨脹，內部變得疏松，是結晶型腐蝕。因此MgSO4環境對水泥土腐蝕是分解型腐蝕與結晶型腐蝕的復合型腐蝕。

Na2SO4環境：Na＋參與反應生成的苛性堿（NaOH）與水泥土中的水化硅酸鈣（3CaO·2SiO2·3H2O）、水 化 鋁 酸 鈣（3CaO·Al2O3·6H2O）發生化學反應，使水泥土膠結性變差，同時生成容易浸析的產物，屬于溶出型腐蝕；SO42-與水泥土發生化學反應的生成物，如石膏（CaSO4·2H2O）和鈣礬石（3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O）結晶，使水泥土顆粒體積大量增加，引起物質過剩而膨脹，使水泥土破壞，是結晶型腐蝕。因此Na2SO4環境對水泥土腐蝕是溶出型腐蝕與結晶型腐蝕的復合型腐蝕。

CaSO4環境：Ca2＋可促進水泥消化產物的進一步生成，又受土粒表面吸附作用，Ca2＋形成的擴散層減薄，從而使土顆粒的分散度降低，大量分散的土顆粒形成了較大的土團粒，能提高水泥土強度；由于CaSO4的溶解度較小，此時SO42-參與反應的量較小，生成物較少，填充了水泥土的孔隙，也使水泥土的強度增加。因此CaSO4環境對水泥土無腐蝕作用。

MgCl2環境：Mg2＋與水泥土反應生成MgO·SiO2·H2O，分散于水化硅酸鈣（3CaO·2SiO2·3H2O，C-S-H）凝膠中，會使C-S-H的膠凝性變差，屬于分解型腐蝕；Cl-與水泥土生成的CaCl2·6H2O結晶和Mg2（OH）3Cl·4H2O結晶，使水泥土結晶膨脹，致使強度顯著降低，屬于結晶型腐蝕。因此MgCl2環境對水泥土腐蝕是分解型腐蝕與結晶型腐蝕的復合型腐蝕。

3 結論

（1）H2SO4溶液環境、MgSO4溶液環境和Na2SO4溶液環境下水泥土表觀現象變化為表面起皮、軟化，棱角處飩化或開裂；MgCl2溶液環境和CaSO4溶液環境中的水泥土表觀現象主要表現為表面附著結晶物。

（2）提出28d各種環境下的水泥土強度修正系數，并且得出：CaSO4環境、MgSO4（1.5g·L-1）環境、Na2SO4（1.5g·L-1）環境和MgCl2（1.5g·L-1）環境下的水泥土強度修正系數均大于1，說明這幾種環境對水泥土強度的增長有利；而其他環境中的強度修正系數均小于1，對水泥土不利。

（3）各種無機化合物環境對水泥土作用的大小排序為Na2SO4＞MgSO4＞H2SO4＞MgCl2＞CaSO4。當溶液當中都存在SO42-時，陽離子對水泥土作用大小排序為：Na＋＞Mg2＋＞H＋＞Ca2＋；當溶液都存在Mg2＋時，陰離子對水泥土作用大小排序為：SO42-＞Cl-。

（4）H2SO4、MgSO4和MgCl2環境對水泥土腐蝕是分解型腐蝕與結晶型腐蝕的復合型腐蝕；Na2SO4環境對水泥土腐蝕是溶出型腐蝕與結晶型腐蝕的復合型腐蝕；CaSO4環境對水泥土無腐蝕作用。

［1］JGJ 79-2002建筑地基處理技術規范［S］.

［2］GB 50021-2001巖土工程勘察規范［S］.

［3］GB 50046-2008工業建筑防腐蝕設計規范［S］.

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［5］白曉紅，趙永強，韓鵬舉，等.污染環境對水泥土力學特性影響的試驗研究［J］.巖土工程學報，2007，29（8）：1260-1263.

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［7］寧寶寬，陳四利，劉 斌.水泥土的環境侵蝕效應與破裂過程分析［J］.巖石力學與工程學報，2005，24（10）：1778-1782.

［8］寧寶寬，金生吉，陳四利.侵蝕性離子對水泥土力學特性的影響［J］.沈陽工業大學學報，2006，28（2）：178-181.

［9］黃漢盛，鄢泰寧，蘭凱.軟土深層攪拌樁的水泥土抗侵蝕性室內試驗［J］.地質科技情報，2005，7（1）：85-88.

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［11］裴向軍，楊國春.防治海水對水泥土侵蝕的試驗研究［J］.長春工程學院學報，2000，9（1）：12-14.

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