酸雨腐蝕混凝土機理研究

劉 歡

(西安建筑科技大學 陜西 西安 710055)

引言

大氣污染嚴重影響了人類的生存。近年來，由于工業的發展、礦物燃料的燃燒、以及人類活動的排放，使得大氣中酸性物質的含量大量提升，進而導致各地酸雨頻發。與此同時，我國大多數的混凝土建(構)筑物等都直接暴露在大氣環境中，遭受酸雨環境的侵蝕作用。盡管鋼筋混凝土結構擁有諸多優點，但因自身亦具有較多缺點。如：在安全使用狀態中，鋼筋混凝土結構不僅承受本身的自重和荷載，同時還要承受外界環境導致的各種長期的自然因素以及生產生活中制造的各種人為因素帶來的腐蝕破壞作用；且由于腐蝕的作用甚至會出現結構整體失穩垮塌，從而造成人員傷亡與國民經濟的重大損失。鑒于此，本文簡述了酸雨腐蝕混凝土的原理和分類，并歸納總結了國內外現有的研究成果。

一、酸雨的腐蝕機理

酸雨的形成原因主要是大氣中的S、N氧化物遇到水后，發生化學反應，形成酸性的雨水。酸雨降落在建筑物上，對其造成腐蝕的后果，致使其耐久性大幅度降低。

大氣中的S、N氧化物的含量，直接影響到它們的生成物數量，簡而言之，就是會形成不同類別的酸雨。若組成成分中SO42-/NO3->3時，我們將這類的酸雨稱之為硫酸型酸雨或者燃煤型酸雨；當0.5

酸雨對混凝土的腐蝕中包含到了降水中的酸性腐蝕和鹽類腐蝕，導致其腐蝕機理的過程極其復雜化。然而，混凝土是一種具有多孔隙特質的物質，所以當降水落在混凝土的表面，其中的一些酸性介質會迅速滲透到混凝土的內部，以混凝土的毛細孔洞作為通道，首先H+和混凝土中的堿性介質發生中和反應，使得混凝土的堿性變弱，造成混凝土中水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣失去穩定性而加速其水解，而其生成物中包含的Ca2+主要是溶解到酸性介質中去，與SO42-結合，生成鈣礬石或者石膏。

當混凝土所處環境中的酸性介質濃度較大時，另外一部分酸性介質會直接與混凝土中的水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣發生反應，形成直接性酸破壞。酸性離子和混凝土中的固狀物質直接進行反應，直接消耗掉混凝土中的固相成分，生成可溶性物質。伴隨著這些生成物的流失，混凝土形成更多更大的孔隙，給更多的酸性介質提供了進入混凝土內部的通道，導致混凝土內部的破壞更加嚴重。在濃度越大的環境中，混凝土的酸性腐蝕也就會越嚴重，導致在形成過程中生成的Ca2+越來越多，為硫酸鹽的腐蝕提供了更多的反映原料，進而致使混凝土產生更加嚴重的腐蝕破壞。

溶解性低的鹽類積聚在混凝土的表面層和孔隙、裂紋中，形成硫酸鹽類的腐蝕。在一系列的化學反應后，生成一些沉積物，這些沉積物積聚在混凝土的孔隙中，剛開始起到一些填補作用，使得混凝土的密實度有所提升，但隨著沉積物的積累到達一定程度后，這些沉積物的體積有很大程度的膨脹，遠大于混凝土的孔隙空間，在其中形成一定的內部膨脹力向外擴散，隨著壓力的增大，當超過了混凝土的抗拉強度時候，混凝土孔隙逐漸變大，使得更多的酸類介質侵蝕進入混凝土的內部，破壞混凝土的整體性。關于硫酸鹽的腐蝕主要分為以下幾類：

(1)鈣礬石結晶

當混凝土處于酸性環境中時，硫酸鹽透過混凝土的孔隙或裂縫進入到混凝土內部，與混凝土硬化過程中形成的氫氧化鈣和水化鋁酸鈣發生反應，生成鈣礬石。

鈣礬石在堿性很弱的溶液中也可以穩定的存在，而且溶解度極小。其結晶物含有大量的結晶水分存在，體積會比原來膨脹上很多，會產生較大的向外膨脹力，而且其結晶物為放射狀晶體，會增大其內部應力，很容易形成裂縫，使混凝土建筑物遭受破壞。

(2)石膏型膨脹

之前有人關于石膏型膨脹論點會提出疑問，但現已有文獻實驗證明在硫酸鹽腐蝕過程中會有石膏的生成，由Ca(OH)2轉變成為石膏，體積膨脹為原來的兩倍，使得內部應力急劇增大，致使混凝土因為應力過大而產生破壞。

有文獻說明[2]，當侵蝕溶液的濃度小于 1000mg/L 時，只有鈣礬石晶體形成，當SO42-濃度超過 1000mg/L 并逐漸增大時，就會產生鈣礬石和石膏兩種晶體并存。SO42-濃度若在較大的一個范圍內，石膏結晶侵蝕作用大多只是起到從屬作用，只有當SO42-濃度達到非常高時，石膏結晶侵蝕作用才能發揮主導作用。石膏膨脹引起鋼筋混凝土試件破壞的特點是試件表面不會出現粗大裂紋但會發生整體潰散，在外觀上可觀察到混凝土試件表面上布滿大量的沉淀產物。

二、酸雨腐蝕混凝土的研究成果

國內外關于酸溶液對混凝土腐蝕的研究不是很多，大多數是定性研究，或是基于化學分析和其他手段的腐蝕機理研究[3]-[4]，對于混凝土的力學性能研究較少[5]-[7]。

陳元素、范穎芳研究了受鹽酸腐蝕C30混凝土抗壓強度等力學性能以及應力-應變曲線的變化規律，并提出了基于研究結果的壽鹽酸腐蝕混凝土抗壓強度、彈性模量的計算模型[8]。

大連理工的周飛鵬[9]通過量綱分析的方法確定了混凝土的強度和酸化深度與浸泡溶液的SO42-離子濃度、H+離子濃度、浸泡時間和混凝土初始強度之間的關系。

重慶大學的陳文[10]模擬重慶市的酸雨為腐蝕環境采用極化曲線法和交流阻抗法研究了剛進材料在模擬酸雨及模擬混凝土孔隙溶液中的腐蝕行為。