混凝土碳硫硅鈣石型硫酸鹽腐蝕與預防對策

孟 起，曾慶林 ,劉明瑋

1.金陵科技學院 建筑工程學院，江蘇 南京 2 111692；2.江蘇開放大學，江蘇 南京 210000

1 引言

碳硫硅鈣石型硫酸鹽腐蝕（簡稱TSA）是一種特殊的硫酸鹽腐蝕形式，是由于硫酸鹽的侵入，與水泥的水化產物發生化學反應而生成腐蝕產物碳硫硅鈣石。碳硫硅鈣石的形成，通常是混凝土水化后產生的水化硅酸鈣（C-S-H 凝膠）在與外界侵入的硫酸鹽或內部形成的鈣礬石發生化學反應后生成的一種灰白色泥狀物質，該物質由于幾乎不具備強度，會導致混凝土強度大幅降低，因此具有很強的破壞性。碳硫硅鈣石型腐蝕的表征又與傳統的硫酸鹽腐蝕不同，傳統的硫酸鹽腐蝕現象是硫酸鹽的侵入導致混凝土的膨脹和開裂。同時在微觀分析過程中，碳硫硅鈣石與鈣礬石具有非常相似的的晶體結構，容易被誤認為鈣礬石而忽略，因此還具有很強的隱蔽性。

碳硫硅鈣石最早被發現于瑞典Areskutan的硫化物礦床中。1965 年，美國Erin 和Stark［1］對混凝土中出現的TSA 進行了詳細報導。1994 年，加拿大首次發現了混凝土結構因碳硫硅鈣石而發生TSA 破壞［2］。我國于1985 年發現位于甘肅省蘭州市的八盤峽水電站局部廊道的混凝土地面遭到嚴重的TSA 破壞［3］。

本文聚焦于碳硫硅鈣石型腐蝕，對其腐蝕機理和影響因素進行了闡述，探討了針對碳硫硅鈣石型腐蝕問題的預防對策。

2 腐蝕機理

根據現有的研究發現［4］，TSA 主要有兩種腐蝕機理：一是溶液反應機理，二是硅鈣礬石轉變機理。但是在實際工程中，不會單獨只存在其中一種機理。

硅鈣礬石轉變機理中提出，碳硫硅鈣石是由鈣礬石轉化而來。在一定條件下，鈣礬石中的Al3+會與C-S-H 凝膠中的Si4+發生交換，鈣礬石中的+H2O 會與+H2O 發生交換，從而生成硅鈣礬石，硅鈣礬石再進一步參與化學反應生成碳硫硅鈣石。反應過程如下：

通過觀察碳硫硅鈣石的化學反應方程式可以看出，TSA 從腐蝕開始就是與C-S-H 凝膠、水化鋁酸鈣、鈣礬石等主要水化產物發生化學反應。隨著化學反應的持續進行，水化產物被逐漸消耗，混凝土逐漸失去膠結能力，成為灰白色泥狀物。因此，與一般的硫酸鹽腐蝕造成膨脹開裂相比，TSA 對混凝土造成的破壞更為嚴重。

3 影響因素

3.1 水泥種類

研究發現［5］，普通硅酸鹽水泥基本不具備抵抗TSA 的能力，抗硫酸鹽水泥只能延緩TSA 破壞的發生?？煊擦蜾X酸鹽水泥由于水化后的混凝土孔隙率較低，因此具有較強的抗TSA 破壞性能。

3.2 礦物摻和料

研究表明，摻入具有一定活性的粉煤灰能夠在一定程度上提升混凝土的抵抗TSA 破壞能力［6］，摻入礦渣也可以提升混凝土的抗TSA 性能［5］，摻入石灰石粉只能在早期提升混凝土的抗?侵蝕性，但是在后期并不具備抵抗TSA 破壞能力。摻入火山灰反而會降低混凝土的抗TSA 性能。

3.3 腐蝕介質

腐蝕介質對碳硫硅鈣石的形成也會產生一定影響，例如在MgSO4溶液中，MgSO4與Ca（OH）2反應生成Mg（OH）2，由于Mg（OH）2溶解度極低，使鈣礬石無法穩定存在，從而發生化學反應轉化為碳硫硅鈣石，而Na2SO4在溶液中，鈣礬石相對穩定，化學反應不易發生，因此在Mg2+存在時，鈣礬石更容易發生轉化，更容易造成TSA 破壞。

4 預防對策

目前，提高抗TSA 性能而采取的主要對策包括：（1）在拌制混凝土時，適當添加活性礦物摻合料，摻合料能起到代替水泥，較少水泥用量的作用，進而減少Ca（OH）2的生成，同時降低C-S-H 凝膠的水灰比，從而減少生成碳硫硅鈣石的化學反應物。（2）對混凝土在早期養護過程中與空氣接觸，通過與空氣中的CO2反應，在混凝土表面形成CaCO3，使混凝土更加密實，防止SO42-離子的侵入。（3）設計配合比時，盡量減小水灰比，從而降低混凝土的孔隙率，提高混凝土的密實度和抗滲性，阻止SO42-離子的侵入。（4）選用Ca（HCOO）2、Ba（NO3）2等化學外加劑，這些外加劑能夠遲滯生成碳硫硅鈣石的化學反應，從而推遲TSA 破壞的發生，提高抗TSA 性能。

5 結語

現有的研究大多針對現象更加明顯的傳統硫酸鹽腐蝕，而忽視了對TSA 的研究。研究已表明TSA 具有更大的危害性。因此全面開展針對TSA 問題的深入研究，對提高混凝土耐久性，提升混凝土使用壽命具有重大的意義。