（农业生物环境与能源工程专业论文）耐弱酸混凝土的施工技术研究.pdf

摘耍 i 曼曼曼曼曼曼! ! 曼曼曼曼! 曼曼兰曼曼曼曼! 曼! ! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼量曼曼曼曼曼曼曼量曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼! ! ! 曼曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼皇 耐弱酸混凝土的施工技术研究 农业生物环境与能源工程专业硕士研究生陈香凤 指导老师鲍安红副教授 摘要 在酸性介质作用下具有抗腐蚀能力的混凝土称为耐酸混凝土。耐酸混凝十产生于2 0 世纪3 0 年 代，主要用于石油、化工等部门的防腐工程，七十年代以来开始向承重结构发展。但是耐酸混凝土 应用于主体结构工程在重庆市尚属于新材料，而耐酸混凝土的施工技术在重庆也是新技术。根据国 家“退二进三”产业政策的发展，随着城市的重新规划和建设，在一些化工企业原址上进行建设将会 经常采用承重与防腐相结合的耐酸混凝土。在此背景下本文开展了耐弱酸混凝士的施工技术研究。 本次论文写作与重庆江北区建新西路三期立交桥工程相结合，该工程穿越原天原化工厂区，根 据其所在地块的化学污染程度，确定该工程的桩基和承台需要采用低耐酸性混凝土。经过筛选，决 定采用中抗硫酸盐水泥、地方骨料、粉煤灰、f d n - - - s p 缓凝高效减水剂、饮用水为原材料。在工程 运用前，对原材料进行了详细且准确的质量检测和耐酸性能实验分析，结果表明，所选用的中抗硫 酸盐水泥和地方性骨料都具有良好的抗酸腐蚀性，将其片 于耐弱酸混凝土的配制是经济实用的选 择。材料检测合格后，进行了耐酸混凝土的试配实验，试配的混凝士试件经浓度为4 0 的硫酸溶液 浸泡后仍具有足够的强度和外表完整性，表明此次耐弱酸混凝土的配制是成功的。从实验结果对比 数据中，找出了适合试验工程实际情况的最优配合比，进行工程应用并探索适宜的施工技术。 根据j 二程特点，设计采用人工挖孔工艺进行桥梁桩基施工。但在人工开挖的过程中发现有毒气 夹层，经多方研究后决定采用钻孔桩施工。耐酸混凝土浇筑采用水下混凝土旌工工艺，施工前、施 工过程中都采取了严格的控制措施，成功地避免了导管接头漏水形成浮浆夹层造成断桩、孔壁坍塌 等质量问题的发生。通过自检结果分析，该上程的桩基和承台工程施r 丁质量合格。由于此耐酸混凝 - 十集承重与防腐功能为一体，也节约了工程造价。 综上所述，本次课题以原材料性能分析及耐酸混凝十配制实验、耐酸混凝士施工技术研究为主 要内容，成功地解决了试验工程所处地基的腐蚀危害，表明本次研究的耐弱酸混凝土的配制技术和 施工技术都是成功的。证实了使用中抗硫酸盐硅酸盐水泥、地方材料配制的耐酸混凝士用于大型市 政建设项目是切实可行的。此次经验的积累，为重庆地区乃至全国范围内耐酸混凝士的研发提供参 考资料，让特种水泥配置耐腐蚀混凝土的技术更进一步，也有利于推广耐酸混凝土在结构工程中的 应用，体现了良好的经济、社会效益。 关键词：耐酸混凝土施工耐久性抗硫酸盐水泥 两南大学硕十学何论文 r e s e a r c ho nt h ec o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g yo f 耽a ka c i d r e s i s t a n tc o n c r e t e c h e nx i a n g f e n g s o u t h w e s tu n i v e r s i t y c h o n g q i n g ，4 0 0 71 5 a b s t r a c t t h ec o n c r e t ew i t ha n t i c o r r o s i v ea b i l i t yu n d e rt h ea c i dm e d i u mf u n c t i o ni sc a l l e d t h ea c i d p r o o f c o n c r e t e t h ea c i d p r o o fc o n c r e t ei se v o l v e df r o m1 9 3 0 s ，w e r eu s e dm a i n l yi nt h ea n t i s e p t i cp r o j e c t so f d e p a r t m e n t ss u c ha st h ep e t r o l e u m ，c h e m i c a li n d u s t r y , e t c h a v eb e g u nt od e v e l o pt o w a r d sb e a r i n gs t r u c t u r e s i n c et h es e v e n t i e s b u tt h ea c i d p r o o fc o n c r e t ei sa p p l i e dt ot h ea g e n ts t r u c t u r ep r o j e c ti nc h o n g q i n gi ss t i l l an e wm a t e r i a l ，a n dt h ec o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g yo ft h ea c i d p r o o fc o n c r e t ei san e wt e c h n o l o g yi n c h o n g q i n g a c c o r d i n gt od e v e l o p m e n to fi n d u s t r i a lp o l i c y , ”r e f u n dt w oe n t e rt h r e e ”o fc o u n t r y , w i t h a n o t h e rp l a n n i n ga n dc o n s t r u c t i o no fc i t y , c a r r yo nc o n s t r u c t i o na n do f t e na d o p tt h ea c i d p r o o fc o n c r e t eo n s o m ec h e m i c a le n t e r p r i s e sf o r m e ra d d r e s s e s t h i st e x th a sl a u n c h e dt h ec o n s t r u c t i o nt e c h n i c a lr e s e a r c h a b l et ob e a rt h ec o n c r e t eo fw e a ka c i du n d e rt h i sb a c k g r o u n d t h et h e s i sw r i t i n ga n dt h et h i r ds t a g eo fo v e r p a s sp r o j e c ta b o u tj i a n x i nr o a d , j i a n g b e id i s t r i c t ， c h o n g q i n gc o m b i n et o g e t h e r , t h i sp r o j e c tp a s s e st h r o u g ho r i g i n a ld a ya n dm e l t si nt h ef a c t o r yd i s t r i c t o r i g i n a l l y , a c c o r d i n gt oi t sm a s s i fw h e r eo n es t a y s c h e m i c a ld e 乎e eo fp o l l u t i o n ，c o n f i r mt h ep i l eo ft h i s p r o j e c ta n db e a rt h ep l a t f o r mt on e e dt oa d o p tt h ec o n c r e t eo fl o wa c i dr e s i s t a n c e t h r o u g hs c r e e n i n g ，i ti s t h er a wm a t e r i a l st or e s i s tc e m e n to fs u l p h a t e ，l o c a la g g r e g a t e ，h i g h - e f f i c i e n tw a t e r - r e d u c i n ga g e n to fs l o w c o a g u l a t i o no ff l ya s h ，f d n s pw h i l ed e t e r m i n i n gt oa d o p t b e f o r et h ep r o j e c ti su s e d ，h a v ec a r r i e do nt h e d e t a i l e da n da c c u r a t eq u a l i t yt e s t i n ga n de x p e r i m e n t a la n a l y s i so ft h ea c i d p r o o fp e r f o r m a n c et ot h er a w m a t e r i a l s ，r e s u l ti n d i c a t es e l e c tf o ru s er e s i s ts u l p h a t ec e m e n ta n dl o c a la g g r e g a t eh a v eg o o dr e s i s t i n gs o u r c o r r o s i v i t y , i ti sae c o n o m i c a la n dp r a c t i c a lc h o i c et h a tt h eo n e st h a tu s ei tf o rb e i n ga b l et ob e a rc o n c r e t eo f w e a ka c i da r ef o r m u l a t e d a f t e ri ti sq u a l i f i e dt h a tt h em a t e r i a li sm e a s u r e d ，e a r l yo nt ot r ye x p e r i m e n to f m i x i n ga c i d p r o o fc o n c r e t e ，c o n c r e t em i x e dt ot r y 时p i e c ea f t e rt h e4 0 s u l f u r i ca c i ds o l u t i o ni ss o a k e df o r e n o u g hi n t e n s i t ya n da p p e a r a n c ei n t e g r a f i t y , i ti ss u c c e s s f u lt h a tt h eo n e st h a ts h o wa n da b l et ob e a r c o n c r e t eo fw e a ka c i dt h i st i m ea r ef o r m u l a t e d c o m p a r ef r o mt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l tw i t ht h ed a t a ，h a s f o u n do u tt h eo p t i m u mm a t c hr a t i oo ft h es u i t a b l ea c t u a lp r o j e c t ，h a v ec a r r i e do nt h ec o n s t r u c t i o nt e c h n i c a l r e s e a r c ho ft h i sk i n d o fc o n c r e t e a c c o r d i n gt ot h ee n g i n e e r i n gc h a r a c t e r i s t i c so ft h ed e s i g nt e c h n o l o g yo fa r t i f i c i a le x c a v a t i o n c o n s t r u c t i o no ft h eb r i d g e b u ti nt h ep r o c e s so fm a n u a le x c a v a t i o nf o u n dg a sd i s s e c t i o n ，a f t e rad e c i s i o n b yal o to fe f f o r t sb yb o r e dp i l e s a c i d - r e s i s t a n tc o n c r e t ep o u r i n gu n d e r w a t e rc o n c r e t ec o n s t r u c t i o n 摘要 t e c h n o l o g yu s e d ，p r e - c o n s t r u c t i o n ，c o n s t r u c t i o np r o c e s sh a v ea d o p t e ds t r i c tc o n t r o lm e a s u r e s ，s u c c e e d e di n a v o i d i n gt h ef o r m a t i o no ff l o a t i n gs l u r r yp i p ej o i n t sl e a kc a u s e ds a n d w i c hb r o k e np i l eh o l ew a l lc o l l a p s e q u a l i t yp r o b l e m s a n d ，t h r o u g ht h es e l f - t e s tr e s u l ta n a l y s i s ，t h ep r o j e c t sp i l ea n dp i l ec a pc o n s t r u c t i o n q u a l i t ys t a n d a r d s a n d ，b e c a u s et h ea c i dc o r r o s i o no fc o n c r e t e ，w h i c hi n t e g r a t e st h ef u n c t i o n so fw e i g h t b e a r i n ga n da l s os a v e st h ep r o j e c tc o s t i ns u m ，s u b j e c tt h i sf o r m u l a t ew i t hr a wm a t e r i a l sa n da c i d p r o o fc o n c r e t ee x p e r i m e n t ，a c i d p r o o f c o n c r e t ec o n s t r u c tt e c h n i c a lr e s e a r c hi st h em a i nc o n t e n t ，s u c c e e di n ，s o l v e ，t e s tp r o j e c tc o r r o s i o nt ol i v ei n f o u n d a t i o ne n d a n g e r , i n d i c a t er e s e a r c ht h i sa b l et ob e a rw e a ka c i dt e c h n o l o g yo ff o r m u l a t i n go fc o n c r e t e a n dc o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g ys u c c e s s f u l v e r i f yu s e ，r e s i s t i n gs u l p h a t es i l i c a t ec e m e n t ，a c i d p r o o fc o n c r e t e t h a tl o c a lm a t e r i a lf o r m u l a t eu s ef o rl a r g e s c a l em u n i c i p a l 、c o n s t r u c t i o np r o j e c tf e a s i b l e t h ea c c u m u l a t i o n o ft h i se x p e r i e n c e ，o f f e rt h er e f e r e n c em a t e r i a lf o rr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to ft h ea c i d p r o o fc o n c r e t ei n c h o n g q i n ga r e aa n de v e nt h ew h o l ec o u n t r y , t h et e c h n o l o g yo fl e t t i n gt h es p e c i a lc e m e n td i s p o s et h e c o r r o s i o n - r e s i s t a n tc o n c r e t eg o e ss t i l lo n es t e pf u r t h e r , h e l pt op o p u l a r i z et h ea p p l i c a t i o ni nt h es t r u c t u r a l p r o j e c to fa c i d p r o o fc o n c r e t et o o r e f l e c t sg o o de c o n o m i ca n ds o c i a lb e n e f i t s k e yw o r d s ：a c i d p r o o f ；c o n c r e t e ；c o n s t r u c t i o n ；d u r a b i l i t y ；r e s i s tt h ec e m e n to fs u l p h a t e 独创性声明 本人提交的学位论文是在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。论文中引用他人已经发表或出版过的研究成果，文中已加了特别标注。 对本研究及学位论文撰写曾做出贡献的老师、朋友、同仁在文中作了明确 说明并表示衷心感谢。 学位论文作者：际香风 签字日期：仞归年易月6 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解西南大学有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被 查阅和借阅。本人授权西南大学研究生院( 筹) 可以将学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书，本论文：口彳= 保密，口保密 期限至年月止) 。 学位论文作者签名：豫裔风导师签名：秒期钆 签字日期： 叫锣年月6 日 签字日期： 伽舜6 月易日 文献综述 第一章文献综述 1 1 混凝土耐久性及耐酸混凝土的产生 众所周知，混凝士是工程中用量最多的建筑材料，也是最主要的结构材料，钢筋混凝土结构结 合了钢筋与混凝土的优点，造价较低，已成为世界上应用最为广泛的结构形式。我国每年耗费在混 凝土结构上的费用为2 0 0 0 亿元以上【1 1 。虽然，新的结构计算理论在不断提出，新型建筑材料也不断 出现，许多新的结构形式也将随之产生，但能肯定的是，钢筋混凝土结构仍然是2 1 世纪最常用的 结构形式之一。 当然，这并不代表钢筋混凝土结构是十全十美，不可替代的。事实上，从混凝土应用于土木工 程至今，大量的钢筋混凝土结构都达不到预定的服役年限，由于各种各样的原因而提前失效。这其 中有的是由于结构设计的强度不满足要求，有的是由于使用荷载的不利变化引起的，但更多的是由 于结构的耐久性不足导致的 2 1 。所谓混凝土结构耐久性 3 1 ，是指混凝土结构经过正常设计、正常施 工，在自然环境、使用环境及材料内部因素的作用下，在设计要求的目标使用年限内，在正常维护 条件下不需要花费大量资金加固处理而保持其安全性、使用功能和外观要求的能力。 1 1 1 混凝土结构耐久性的重要意义 在我国建筑结构可靠度设计统一标准( g b 5 0 0 6 8 - - 2 0 0 1 ) 【4 】的总则中明确指出，结构在规定的 设计使用年限内应满足的功能要求如下： ( 1 ) 结构在正常施工和正常使用条件下，能承受可能出现的各种荷载、强迫变形、约束变形 等作用； ( 2 ) 结构在正常使用荷载作用下具有良好的工作性能： ( 3 ) 结构在正常使用和维护条件下，在规定的环境中、预定的使用年限内具有足够的耐久性 能； ( 4 ) 结构在设计规定的偶然事件( 如火灾、爆炸) 发生时及发生后，仍能保持必要的整体稳 定性。 这四项功能要求中，第( 1 ) 、第( 4 ) 项是关于结构安全性的要求，第( 2 ) 项是关于结构适用性的要 求，第( 3 ) 项是关于结构耐久性的要求，这些功能要求概括起来可以称为结构的可靠性。根据上述规 定，不难理解，结构的耐久性与其安全性、适用性属同一范畴，是保证结构可靠性的不可或缺的条 件。 在人们的传统观念中：钢筋混凝土结构是由最为耐久的混凝土材料浇筑而成，虽然钢筋易腐蚀， 但在混凝土的碱性保护下也不会发生锈蚀。因此，对钢筋混凝士结构的使用寿命赋予了过高的期望， 而忽视了它的耐久性问题。其实，混凝土在外界因子的生物、物理、化学等作用下，其材料的耐久 性能会逐渐衰退，从而失去对其内部钢筋的保护作用。当钢筋外面的混凝土开裂或碳化深度到达钢 筋表面时，钢筋表面的钝化膜会因失去碱性混凝土的保护作用而遭到破坏并开始锈蚀。钢筋锈蚀后 截面积变小，各项性能也会发生衰退，从而使混凝土构件的承载能力和使用性能下降副。 国内外统计资料表明，混凝十结构的耐久性病害对工程建设投资效益带来了巨大的负面影响， 并且耐久性问题会越来越严重，越来越引起国际工程界的重视。2 0 世纪7 0 年代美国等一些国家就 发现【们，5 0 年代以后修建的在恶劣环境条件下使用的混凝土桥面板结构等设施，比2 0 年以前建造 1 两南大学硕十学f 7 ：论文 的结构出现病害、损坏的现象还要严重。据美国报道【7 1 ，5 7 5 万座钢筋混凝土桥中发生腐蚀破坏的 占一半以上，因承载力不足需要加固处理的有4 0 之多。美国标准局1 9 9 8 年调查表明，美国全年 仅混凝士桥梁修复费用就达1 5 5 0 亿美元，若各种腐蚀损失累加则高达2 5 0 0 亿美元。据瑞士联邦公 路局统计i 引，瑞士每年都要耗费8 0 0 0 万瑞土法郎用于公路系统中约3 0 0 0 座桥梁的桥面检测及维护， 至于修理或更换的费用就更高。北欧、加拿大、澳大利亚都存在氯盐为主的盐害。这反映了混凝土 结构耐久性造成的损失大大超过了人们的估计。曾有国外学者用“五倍定律”1 2 1 来描述混凝土结构耐 久性设计的重要性，即设计阶段若是为了节约造价而在钢筋防护方面节省1 美元，那么当发现钢筋 锈蚀时将追加5 美元维修费；混凝土表面顺筋开裂时将追加2 5 美元维修费；严重破坏时将追加1 2 5 美元维修费。因此，许多国家对混凝土结构的耐久性越来越重视【9 j 。 在我国，混凝土结构耐久性的问题也十分严重。例如，我国1 9 5 6 年在湛江港修建的一座码头， 在1 9 6 3 年调查时发现其梁底部分出现了顺筋锈裂，便于次年进行了一次修补，但2 0 年后再次调查 时，发现了更为严重的钢筋锈蚀现象，钢筋锈蚀导致底板混凝土大面积脱落，露筋面积占底板的2 1 。鉴于码头耐久性的严重不足，经多方论证后，不得不将上部结构拆斛删。据钢筋混凝土结构 设计规范管理组1 9 7 8 年调查，一般环境中建筑物混凝土有4 0 己碳化到钢筋表面，较潮湿环境 中则有9 0 的构件发生锈蚀，其中有的重要建筑物使用时间仅1 0 年左右。据1 9 9 4 年铁路秋季检查 统计【1 1 1 ，我国存在着不同程度损伤的铁路桥共有6 1 3 7 座，占铁路桥总数的1 8 8 。另外据估计，我 国在1 9 9 9 年内因腐蚀造成了约1 8 0 0 - - - 3 6 0 0 亿元的损失，其中钢筋腐蚀造成的损失占4 0 。我国环 境污染相当严重，1 9 8 8 年统计数据显示，工业生产过程排放的s 0 2 有2 0 9 0 万t ，酸雨覆盖面达国土 面积的3 0 t 1 2 j 。 我国是一个发展中的大国，人口众多，正从事着大规模的基本建设，而我国资源短缺、财力有 限，经受不起太多的浪费。因此，我们要采取高瞻远瞩的战略，既要科学地设计出安全、适用、耐 久的新建： 程项目。还要充分、合理、安全地延续利用现有房屋资源和工程设施，有效地利用资金， 节约能源。所以，加强混凝土结构耐久性研究，提高结构的可靠性，延长结构使用寿命，是我们目 前所面临的一个很重要的现实课题和任务。 1 1 2 混凝土的中性化及耐酸混凝土的产生 混凝土的耐久性包括抗渗性、抗冻性、抗侵蚀性、耐磨性与抗气蚀性、碳化和碱一骨料反应等 方面。m e h t a 教授于1 9 9 1 年，在第二届混凝十耐久性国际学术会议上所做题为混凝土耐久性- 5 0 年进展主题报告中指出【1 2 1 ：当今世界上混凝土破坏原因按重要性递减顺序排列是：钢筋锈蚀、寒 冷气候下的冻害、侵蚀环境下的物理化学作用。可见，除了冻害以外，混凝十耐久性的最大危害便 是腐蚀作用，其中钢筋的腐蚀排在了首位。 由于水泥水化作用形成大量的c a ( o h ) 2 ，混凝土孔隙中水分为碱度很高的电解质，p h 值在1 2 5 左右，并且，混凝土中还含有少量胁，d 、k 2 0 等盐分，因此，混凝土内部的实际p h 值可能超过 1 3 。在这样的高碱性环境中，钢筋表面被氧化，形成一层厚仅( 2 - 6 ) x 1 0 _ 9m 的水化氧化膜 y 一只o ，n h ，0 ，这层致密的氧化膜很牢固地吸附在钢筋表面，使钢筋处于钝化状态，可以有效 地抑制水分、氧气和有害介质对钢筋的锈蚀作用，故称“钝化膜”【1 3 1 。只有在钝化膜遭到破坏时，钢 筋才会开始锈蚀。在无杂散电流的环境中，通常有两种途径可使钢筋钝化膜遭受破坏：一种是混凝 土中性化使钢筋位置p h 值降低，另一种是足够浓度的游离c l + 扩散到钢筋表面。对于远离海洋且冬 2 文献综述 曼皇曼曼曼曼曼! 曼曼曼! 曼曼! 曼! 皇曼! 曼曼! 曼! 基曼曼曼曼曼曼曼曼曼鼍曼曼曼曼苎曼鼍曼曼曼曼曼曼1 一i i i ii i i 鼍曼皇皇舅曼曼量曼曼皇曼 季不需要撒除冰盐的南方地区，钢筋腐蚀的主要原因便是混凝土的中性化【l 引。 ( 1 ) 混凝土的中性化 空气、土壤或是地下水中的酸性物质如c 0 2 、h c l 、s 0 2 、c 1 2 深入混凝土表面与水泥石中的碱 性物质发生化学反应的过程，称为混凝土的中性化【1 5 1 。中性化降低了混凝土孔隙溶液的p h 值，当 钢筋周围混凝土的p h 值低至约1 1 5 的时候，钢筋表面的钝化膜就已经变得不稳定，失去了对钢筋 的保护作用。 导致混凝土中性化的因素有很多，下面做一些简单的介绍： 1 ) 酸性气体 能侵蚀混凝土并使钢筋锈蚀的酸性气体可分为三类【1 6 ) ：第一类是指那些与混凝土发生化学反 应，生成不溶或难溶性钙盐的气体，这类主要指c 0 2 ，此外还有氟气、氯化氢、四氟化氢、五氧化 二磷等；第二类是指那些与混凝土发生化学反应后可导致体积膨胀的气体，这类主要指s 0 2 和s 0 3 ， 此外还有硫化氢等；第三类是指那些与混凝土的化学反应物是易溶和吸潮性盐的气体，典型的有0 2 、 h c i 、溴、碘等。它们不仅能破坏混凝土，还可以直接腐蚀钢筋。此外，氮氧化物和硝酸蒸汽也具 有较强的腐蚀性。 2 ) 酸性水 含有醋酸、乳酸等有机酸，或含有盐酸、硫酸、硝酸等无机酸以及含有混合酸的工业废水均属 于酸性水。它们对钢筋混凝土结构物有强烈的腐蚀作用，其侵蚀性随水中酸浓度的提高而加强。混 凝土本身是不耐酸的，在酸性环境中需要加强防酸腐蚀保护工作。 3 ) 酸性固体物 这类物质是指含有酸性固体物的原材料、中间品、产品或废料以及含酸的粉、碴等，它们与混 凝土接触，也会使混凝土受到侵蚀破坏【羽。 4 ) 微生物腐蚀 微生物可通过物理或化学作用对混凝土和钢筋造成相当严重的腐朽破坏。比如，硫酸盐菌类微 生物，能将环境中的硫元素转化成硫酸，致使混凝土中性化和酸化，进而给混凝十带来硫酸盐结晶 腐蚀，并使钢筋锈蚀。这种腐蚀破坏作用，其本质上是酸化作用【1 6 1 。人们已经逐渐认识到，在城市 污水管道系统、地下混凝土结构和土壤中所含有的能起酸化作用的微生物，均可造成钢筋混凝土结 构、混凝土管道等的腐蚀破坏。国外学者对细菌腐蚀钢筋的机理作了大量深入的研列1 7 1 。 ( 2 ) 耐酸混凝土的产生 酸性介质对混凝土的中性化是混凝土腐蚀中十分常见的腐蚀类型。这些酸介质的来源，有的是 生产和使用过程中正常产生的，有的则是“跑、冒、滴、漏”的结果。这类腐蚀是一个比较缓慢过程， 在短期内不会出现明显的危害，但腐蚀达到一定程度后，造成的危害是相当严重的。为了防止酸性 介质对建、构筑物的腐蚀，混凝土不但要有高强度，高韧性，高变形性能还要求能耐酸。 在酸性介质作用下具有抗腐蚀能力的混凝土称为耐酸混凝土。耐酸混凝士的研究应用开始于2 0 世纪3 0 年代左右，由于其具有良好的耐酸性能，能够耐大多数无机酸，并具有良好的耐热性能， 能满足现代工业上一些恶劣环境条件的需求，而在石油、化工等部门的腐蚀一i ：程中得到重用。 1 2 国内外耐酸混凝土的发展及研究状况 目前，在建筑工程中常用的耐酸混凝十有水玻璃耐酸混凝土、硫黄耐酸混凝和沥青耐酸混凝 3 两南人学硕十学位论文 土等。 在国外，早就将耐酸混凝土用于防腐蚀工程中，2 0 世纪3 0 年代，就使用了沥青耐酸混凝土和 水玻璃耐酸混凝土。1 9 2 8 年，德国入狄茨发现氟硅酸钠是一种优良的水玻璃硬化剂，自此水玻璃耐 酸胶泥作为粘结材料开始得到应用。1 9 3 2 年，苏联把耐酸胶泥发展到耐酸混凝土，并在防腐工程上 正式使用。2 0 世纪7 0 年代，美国研制成功了硫黄耐酸混凝土，并将其用于实际工程，获得较好的 技术经济效益【埽】。 我国对耐酸混凝土的研究和应用较晚，于2 0 世纪5 0 年代后期才开始进行水玻璃耐酸混凝土系 列的研究，在一些引进的防腐工程项目中采用了水玻璃耐酸胶泥砌筑砖板衬里或用耐酸混凝土作槽 罐内衬。上世纪5 0 年代后期，冶金系统成功地将耐酸混凝土用于有色冶金工厂的防腐工程，如排 出有害气体的高度为1 2 0 米的烟囱衬里等取得良好效果，且经受了十多年和二十多年的生产实践考 验。6 0 年代以后，在国外经验的基础上，随着高模数水玻璃的研制成功，辉绿岩粉及辉绿岩铸石粉 逐渐取代石英质粉料，使水玻璃耐酸混凝土的性能得到较大幅度的提高，应用范围进一步扩大。1 9 7 6 年，我国将硫黄耐酸混凝土正式列入国家标准建筑防腐蚀工程施工及验收规范( t j 2 1 2 - 1 9 7 6 ) t 1 9 1 中。根据我国的工程实践和经验，还将聚合物混凝土用于防腐蚀工程中。耐酸混凝土从围护结构向 承重结构发展，从不配筋的衬里结构向配筋混凝上单一结构发展，这是七十年代以来的新动向。上 海建筑科学研究所在配筋耐酸混凝土的力学性能方面做了不少工作，并在使用耐酸混凝土制作承重 结构方面进行了工程尝试。 经过数十年的研究应用，耐酸混凝土的工作性能得到很大的提高，品种也逐渐增多。优异的性 能，特殊的用途，使其成为新型混凝土中的一朵奇葩。 典型的耐酸混凝土是以水玻璃为胶结剂，加入耐酸骨料、固化剂、外加剂按一定比例配制而成。 水玻璃耐酸混凝土具有优良的耐酸及耐热性能，它能耐除了氢氟酸、热磷酸和高级脂肪酸外几乎所 有的无机酸、有机酸及酸性气体的侵蚀，并且在如硫酸、硝酸、铬酸、盐酸等强氧化性酸和高浓度 酸的腐蚀下不受损害。 目前耐酸混凝土可以分为两大类：一类是低耐酸性混凝土，用于低酸性环境的耐酸混凝土；另 一类是高耐酸性混凝土，用于酸洗槽、洗池等。 众所周知，由于普通水泥混凝土中水泥的水化产物中含有大量的c a ( o n ) 2 和水化铝酸钙，这些 水化产物很容易与酸性介质发生反应导致混凝土结构被破坏。采用抗硫酸盐水泥和硫铝酸盐水泥配 制混凝士，可以降低水化产物中c a ( o n ) ：和水化铝酸钙数量，而具有一定的耐酸腐蚀的能力，这是 低耐酸性混凝土的配制原理。 低耐酸性混凝土只能应用于酸性介质较弱的低酸性环境，而对于一些化学工业中，如硫酸、 盐酸等强酸，如果采用以上水泥配制的混凝土，仍然会很快被酸蚀破坏，这就必须采用高耐酸混凝 土。高耐酸性混凝土可耐4 0 - - 9 8 的强酸介质。 不管是低耐酸混凝七，还是高耐酸性混凝土，混凝土的耐酸性能主要与胶结材料有关，因此合 理选择混凝土的原材料，尤其是合理选择水泥品种和外加剂，对配制耐酸混凝土的种类很重要。目 前国内耐酸混凝土按照其配制所采用的胶结材料不同，可以分为：水玻璃耐酸混凝士、树脂类耐酸 混凝土、沥青耐酸混凝土、硫磺耐酸混凝士、高铝水泥耐酸混凝土等多个品种，在进行耐酸混凝土 配制时，需要根据酸性介质浓度合理选择混凝土原材料，进行耐酸混凝土的配制。 4 绪论 第二章绪论 弟一早殖了匕 在城市开发建设过程中，部分市政工程会穿越原有的化工厂区域，基础不可避免的落在腐蚀性 土体中，对基础混凝十的耐久性会产生严重的影响。为满足城市建设的需要，防止腐蚀性介质对所 接触的混凝士结构的影响，应采j j 耐腐蚀性混凝- 十来保证结构的耐久性。耐腐蚀性混凝土属于特殊 材料，在民用建筑中很少应用，研究发展耐腐蚀混凝十施工技术是当前混凝土施工技术的发展方向。 2 1 地下水、场地土对混凝土基础工程的腐蚀性 混凝土结构所处环境中的腐蚀性介质通过混凝土的空隙进入其内部，与空隙中的c a ( o h ) 2 及某 些水泥水化产物接触发生反应产生一系列的物理、化学破坏作用，称为混凝土的腐蚀。 对混凝土有侵蚀性的介质包括酸、碱、硫酸盐、压力流动水等。前苏联b m 莫斯克将混凝土的 化学侵蚀分为三类1 2 0 1 ：第一类是溶出性侵蚀( 软水腐蚀) ，即混凝土在压力流动水作用下某些水化 产物被水溶解、流失；第二类是溶解性侵蚀( 离子交换腐蚀) ，即混凝土的某些水化产物与酸、碱 等介质起化学反应、生成易溶或没有胶凝性能的产物：第三类是膨胀性侵蚀，即混凝土的某些水化 产物与硫酸盐等介质起化学反应，生成膨胀性的产物。本节将第一、第二类腐蚀根据它们能使混凝 土碱度降低的共性，统称为酸性腐蚀，将第三类腐蚀称为结晶类腐蚀。 2 1 1 酸性腐蚀 当水中矿、c 0 2 、游离c d ：一及某些盐类的含量达极限值时，混凝土中性化( 主要形式为混凝土 碳酸化，简称为“碳化”) 或水泥石水解，使水泥石中的c a ( o h ) 2 被中和或c a o 、c a ( o h ) 2 等被溶解流 失，降低了混凝土的碱度、引起混凝士强度的降低，此类作用归为分解类腐蚀。凡是引起混凝土碱 度下降、导致水泥水化产物分解的化学病害称为分解类腐蚀，又称为酸性腐蚀。实践表明，环境水 能对混凝土造成酸侵蚀的其p h 值该小于6 5 ，这样的酸性水在一般自然环境中并不多见。一般都是 被污染的水体。比如：有机物严重分解，c 0 2 浓度较高的沼泽地的地下水；因空气中含有大量s 0 2 而形成的酸雨；来自同填土区域、开矿作业区、尾矿堆场的酸性地下水；或肥料、食品、化工工业 的工业废水f 2 1 勿。该类腐蚀按地下水中h c o ；浓度、侵蚀性c 0 2 含量和p h 值细分溶出型、碳酸 型和( 泛) 酸型腐蚀【2 3 1 ，其共同的特点是只能分解部分水泥石组分，而不生成因体积膨胀而破坏混凝 土的新化合物。产生该类型腐蚀的地下水通常为淡水或酸性水。 ( 1 ) 溶出性腐蚀 密实性较差、渗透性较大的混凝土，在一定压力的流动软水( 重碳酸盐含量低的水) 中，水泥 石中的c a ( o l - 1 ) 2 会不断溶解流失，使水泥石的碱度下降。同时由于水泥的水化产物水化硅酸钙与水 化铝酸钙等必须在一定的碱性环境中才能稳定，c a ( o i - i h 的溶出使水化硅酸钙和水化铝酸钙失去稳 定性而水解、溶出，最终使混凝土强度不断降低直至破坏【矧。 影响混凝土溶出性侵蚀速度的主要因素有：水泥熟料的矿物组成和掺合料的成分、混凝士的渗 透性、水泥石中c a ( o h ) 2 含量等。 应该指出，在一般河水、湖水、海水和地下水中，由于含有较多的重碳酸盐，重碳酸盐会与水 泥石中的c a ( o h h 反应，生成不溶丁水的碳酸钙填实在孔隙内，阻1 k ； b 界水分的侵入和c a ( o h ) 2 的 溶出，因此不会发生溶出性腐蚀。只有在重碳酸盐含量低的流动性软水环境f 如雨水、雪水及部分河 5 两南大学硕十学位论文 水和湖水) 中，因c a ( o h h 被不断溶出、流失而发生溶出性侵蚀。文献【冽认为，当c a ( o h ) ：溶出5 、 2 4 、4 0 时，混凝土的强度分别下降7 、2 9 、5 0 。 ( 2 ) 碳酸型侵蚀 大部分天然水中或多或少存在碳酸。一般在p h 值大于8 4 时，碳酸都以离解成酸根离子的形 式而存在；在p h 值小于6 5 时，未离解的碳酸就成为主要形式。碳酸对混凝土的腐蚀作用在于先 将混凝士内的c a ( o h ) 2 碳化成c a c 0 3 ，然后又被置换成c a ( h c 0 3 ) 2 而溶解流失。若水中的碳酸与 i - i * 、h c o ；、c o g + 等处于平衡状态，则对混凝土并无侵蚀性，但如果水中二氧化碳含量增多，打 破了平衡状态，就具有了侵蚀性【2 6 j 。它与混凝土中的氢氧化钙发生如下的反应： cd，+h，0_h，cos(2-1) c a ( o h ) 2 + 2 h 2 c 0 3 呻c a ( m 0 0 3 ) 2 + 2 h 2 0 ( 2 - 2 ) 可溶性的碳酸氢钙被水带走，使水泥石中c a ( o h ) ：的浓度降低，混凝土逐渐被侵蚀破坏。水中 c 0 2 浓度越高，其对混凝土的腐蚀速度就越快。我国铁路混凝土及砌石工程施工规范( 1 1 ) j 2 1 0 - 8 6 ) 田1 规定，在直接临水或强透水层情况下，侵蚀性c 0 2 浓度大于1 5 m g l 时就会产生不同程度的碳酸 侵蚀。 此外，硫氢酸对混凝土也产生类似于碳酸的侵蚀作用，硫氢酸由硫化氢气体溶于水中而成，通 常存在于受污染土壤、城市污水管道及石油、化工、食品等工业废水中，它与c a ( o h h 反应生成易 溶于水的硫氢酸钙而随水流失，对混凝土产生弱酸性侵蚀，反应式如下： h ，s ( t 1 ；h + + h s 一= 2 h + + s 2 一 ( 2 3 ) c a ( o h ) ，+ h ，s c 口s + 2 h ，0 ( 2 - 4 ) c 口s + h ，s _ c a ( h s l ， ( 2 - 5 ) ( 3 ) ( 泛) 酸型侵蚀 醋酸、甲酸、乳酸等有机酸及盐酸、硫酸、硝酸等无机酸，对混凝土的腐蚀属强酸侵蚀。它们 先与氢氧化钙反应，然后与水化硅酸钙起反应，生成钙盐。 c a ( o h ) ，+ 2 h + 一劬。2 + + 2 h ，0 ( 2 6 ) ( 3 c a o 。2 s i 0 2 3 1 - 1 2 d ) + 6 h + 呻3 c a2 + + 2 ( s i 0 2 h 2 d ) + 4 h 2 0 ( 2 - 7 ) 可溶性钙盐的生成、溶出使以上的反应不断进行，水泥石的结构组分被无黏结的物质所取代， 混凝土的碱度和强度不断降低。反应产物的可溶性越高、被侵蚀性溶液带走的数量越多，混凝土的 破坏速度就越快。 表2 - 1 酸性水的侵蚀程度 t a b l e2 - 1t h ee r o s i o nd e g r e eo fa c i dw a t e r s d ：一离子还参与类似于结晶类侵蚀的腐蚀反应，a 一还可通过孔隙进入到混凝十内，引起钢 筋锈蚀，故硫酸与盐酸的破坏作用更加显著。 6 绪论 磷酸与氢氧化钙反应生成的不溶性钙盐，堵塞在的混凝土的孑l 隙中，能抑制后续侵蚀作用的进 行，但也能导致混凝士强度不断下降，直到破坏。 ( 泛) 酸侵蚀的程度与p h 值和c 0 2 浓度有关，c 0 2 浓度越高或p h 值越低，则侵蚀现象越严 重，见表2 1 【2 8 1 。 2 1 2 结晶类腐蚀 如果水中含有一定量的某些盐，与混凝土接触并渗入到混凝土内部，与混凝土成分起化学或物 理作用，在其空隙和毛细管中形成稳定的含水结晶体，并逐渐累积，因体积膨胀而产生巨大的应力 使混凝土遭受破坏，那么此类腐蚀作用便是结晶类腐蚀。这类腐蚀以硫酸盐对混凝土的化学腐蚀最 为显著。 硫酸盐与水泥水化产物发生化学反应，对混凝土产生膨胀破坏作用，是典型的结晶类侵蚀。最 先发现硫酸盐对混凝土的侵蚀作用是米哈埃利斯，1 8 9 2 年，他在侵蚀的混凝土中发现一种针粒状晶 体，并称之为“水泥杆菌”，实际上是高硫型的水化硫铝酸钙，俗称钙矾石。硫酸盐侵蚀是混凝土化 学侵蚀中最普通的形式。硫酸钙、硫酸钾、硫酸钠、硫酸镁等均会对混凝土产生侵蚀作用。土壤的 地下水是一种硫酸盐溶液，当s 0 4 2 - 浓度超过一定限值时就会对混凝土产生侵蚀作用。在污水处理厂、 食品工业、制盐、制皂业、化纤工业等厂房附近的地下水中，硫酸盐浓度较高，混凝土结构物的硫 酸盐侵蚀现象较为严重。 ( 1 ) 硫酸盐侵蚀的机理 硫酸盐与水泥水化物反应生成石膏、钙矾石和钙硅石