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摘 要

硫酸盐对混凝土的侵蚀是一个非常复杂的物理化学过程，其实质是环境中的SO₄^2-渗入到混凝土结构中和水泥的水化产物发生反应，生成具有膨胀性的侵蚀产物，从而在混凝土内部产生内应力，导致混凝土结构裂化。本文对硫酸盐侵蚀混凝土的机理、影响因素和缓解措施都进行了详细阐述。

本文主要研究内容和结论如下：

1.通过对硫酸盐传输方式即扩散、吸收和干湿循环建立模型，预测和评估硫酸盐侵蚀混凝土的程度和过程。

2.外部硫酸盐侵蚀会导致钙矾石、石膏和碳硫硅钙石的形成，目前对于钙矾石和石膏的研究已经较为详尽，但定量地从限制因素（硫酸盐，碳酸盐，时间）和深度等方面来评估水泥基材料中碳硫硅钙石形成的程度目前尚未有人研究。

3.除去硫酸盐离子（SO₄^2-）的影响，伴随的阳离子可以影响外部硫酸盐侵蚀的速率和程度，阳离子的破坏程度排序为：Mg² ＞Na ＞Ca² ；浸出和硫酸盐相互作用会加剧混凝土结构的破坏。降低胶凝材料中C₃A的含量可能会提高混凝土抗硫酸盐侵蚀的能力。

4.通过降低水灰比、选择适当的水泥含量、添加矿物掺合料、在空中硬化和良好的养护条件可以减缓硫酸盐对混凝土的侵蚀。

关键词：硫酸盐；混凝土；侵蚀机理。

Abstract

The erosion of concrete by sulfate is a very complicated physical and chemical process. Its essence is that SO42- in the environment penetrates into the concrete structure and reacts with the hydration product of cement to form an expansive erosion product, which is produced inside the concrete. Internal stress. In this paper, the mechanism, influencing factors and mitigation measures of sulfate attack on concrete are elaborated in detail.

The main research contents and conclusions of this paper are as follows:

(1)The degree and process of sulfate erosion of concrete can be predicted and evaluated by establishing a model of sulfate transmission methods, diffusion, absorption and dry-wet cycle.

(2) External sulfate corrosion will lead to the formation of ettringite, gypsum, and wollastonite. The current research on ettringite and gypsum has been more detailed, but quantitatively from the limiting factors (sulfate, carbonate, time) and the depth to evaluate the degree of formation of carbasite in cement-based materials has not yet been studied.

(3) There is a denser carbonated surface layer on the surface of hardened concrete in the air, which hinders the penetration of sulfate, which is conducive to enhancing the resistance of concrete to sulfate.

(4) By reducing the water-cement ratio, choosing the appropriate cement content, adding mineral admixtures, hardening in the air and good curing conditions can slow down the corrosion of sulfate on concrete.

Keywords: sulfate；concrete；erosion mechanism.

目录

第一章绪论 1

1.1研究背景 1

1.2国内外研究现状 1

1.3课题研究内容 3

第二章 硫酸盐传输方式 4

2.1扩散 4

2.2 吸收 5

2.3 干湿循环 6

第三章 外部硫酸盐侵蚀方式 7

3.1 钙矾石的形成 7

3.2 石膏的形成 9

3.3 碳硫硅钙石（Thaumasite）硫酸盐侵蚀 10

第四章 影响硫酸盐侵蚀的因素 12

4.1 阳离子对硫酸盐侵蚀的影响 12

4.2 浸出和硫酸盐相互作用的影响 12

4.3 包括石灰石在内的矿物掺合料的影响 13

4.4 C₃A的含量 13

第五章 硫酸盐侵蚀缓解措施 13

第六章 结论 17

参考文献 18

致谢 22

第一章绪论

1.1研究背景

硫酸盐侵蚀是影响混凝土结构耐久性最剧烈的因素之一。 许多基础设施工程结构，例如码头，桥梁，地基和混凝土管，在其整个使用寿命期间都暴露于硫酸盐环境中。硫酸盐侵蚀混凝土的迹象可列为与硫酸盐侵蚀后期有关的与膨胀有关的表面开裂，强度损失，渗透性增加和混凝土表层剥落^[1,2]。

近日我国颁布了《关于新时代推进西部大开发形成新格局的指导意见》（以下简称《意见》），强力推进西部大开发新格局的形成。该文件提到的具体措施有很多对基础设施建设方面的要求，一是因为西部地区的基础设施水平相比东部还比较落后，基础设施建设的提升空间还有很大。二是因为，“一带一路”对外开放战略是广大西部区域加快发展的重大机遇，需要建设的基础设施工程的量级非常大，涉及到港口、物流、交通、输配电、仓储等方方面面，在基础设施建设工程上还有很大的缺口，所有这些基础设施检核工程都需要用到大量的混凝土材料，而在西部恶劣的环境下基础建设设施工程要求混凝土材料具有非常好的耐久性，所以，如何加强混凝土的耐久性已成为国内外学者的研究热点。

1.2国内外研究现状

硫酸盐侵蚀是一个复杂的降解过程，它会影响水泥基材料与富含硫酸盐环境的长期耐久性。硫酸盐离子渗透到胶凝材料中，外部水介质和孔隙溶液之间的连接改变了液体系统的平衡条件，导致净质量流动和随后的化学反应，以恢复最低能量状态，触发的化学反应确定了与侵蚀相关的损害机制。

从20世纪80年代, 发达国家对钢筋混凝土结构的设计就从基于强度设计方法逐渐过渡到以强度和耐久性并重,并以耐久性为重点的设计方法。1995年欧洲的Duracrete项目,共有个12个单位参加, 并在2000年提出了《混凝土结构耐久性设计指南》的技术文件。

我国从20世纪60年代开始混凝土结构的耐久性研究,当时主要研究内容是混凝土的碳化和钢筋的锈蚀,从20世纪80年代起,我国对混凝土结构耐久性进行了广泛而深入的研究,并于1992年成立了中国土木工程学会混凝土及预应力混凝土分会混凝土耐久性专业委员会。此外, 中国工程院土木水利与建筑工程学部于2000年7月提出了“工程结构的安全性与耐久性研究”的咨询项目, 并编制了《混凝土结构耐久性设计与施工指南》。

Whittaker和Black^[3]研究表明，石膏和钙矾石的存在不足以引起水泥基材料的降解。尽管在一定时间后达到了阈值浓度，并在孔壁上施加了压力，但由于混凝土的低拉伸强度而导致膨胀，开裂，剥落，机械性能损失以及复合材料的完全劣化。硫酸盐攻击机制很复杂，因为有许多因素会影响硫酸盐侵蚀进程的严重性。这些因素可能与材料的性质（w/c比，固化工艺，熟料组成，添加量等）以及周围环境条件（温度，pH，外部硫酸盐浓度，循环暴露等）有关。w/c比率较高的混凝土可产生较高的渗透性，从而有助于有害化学离子进入内部材料。此外，众所周知，硅酸盐与硫酸盐反应形成石膏，导致水泥基质脱钙，从而导致强度下降^[4]。因此，加成剂的组成起着重要的作用，因为硅酸三钙（C₃S）水合生成的CH（氢氧化钙）比硅酸二钙（C₂S）水合的高2.2倍，因此二氧化硅的比例对于材料的耐久性也很重要^[5]。此外，铝酸三钙（C₃A）与硫酸盐反应形成钙矾石^[6]。因此，降低其含量对于提高混凝土的抗硫酸盐性至关重要。

同时，对于硫酸盐侵蚀，环境是决定性的。与SO₄^2-相关的阳离子类型改变了攻击的机理和后果^[7]。此外，较高的硫酸盐外部浓度会导致扩散更快，从而产生更严重的攻击^[6]。溶液的温度和pH值也是产物形成的决定因素[8-10]。Hime和Mather^[11]指出，关于硫酸盐侵蚀化学的几个问题尚未得到令人满意的回答。例如，他们讨论了区分硫酸盐侵蚀（化学腐蚀）和由于盐（例如硫酸钠，碳酸钠或硫酸镁）的脱水和再水化而引起的混凝土内部膨胀的需要，其中SO₄^2-离子不起作用任何活跃的部分。作者还强调指出在硫酸盐溶液中指定伴随SO₄^2-离子的阳离子类型的重要性。他们指出，需要确定每种硫酸盐反应的显着特征，以防止误诊和不适当或不必要的修复。

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