硫酸盐侵蚀混凝土的困惑之处

1、硫酸盐侵蚀混凝土的困惑之处摘要：外部硫酸盐侵蚀仍然没有被完全理解。 部分一定义出相关问题，指出在仅 仅硫酸盐和水化的水泥浆体发生化学反应以及混凝土破坏或性能衰退之间的不 同见解和差异；只有后者能代表硫酸盐侵蚀。 进一步来说，硫酸盐侵蚀被定义为 一种和硫酸根例子有关的衰退反应；假如这个反应是物理性质的，那么发生的是 物理性的硫酸盐侵蚀。关于这两种硫酸盐侵蚀的讨论导致推举出一个区别性的名 词术语。硫酸盐侵蚀对服役中的混凝土结构不是很广泛，实验室研究量视乎不成比例的大。不同硫酸盐（硫酸钠、硫酸钙和硫酸镁）侵蚀的机理被讨论，包括局 部化学反应和通过溶液的反应。讨论了硫酸镁反应的具体方面，指出了实验条件

2、 下和暴露在外界坏境下的不同。部分二讨论了硫酸盐侵蚀的进程和表现形式。接下来是一个关于抵制硫酸盐 侵蚀的讨论。其中一个措施是使用 V型水泥，这个主题被大量讨论。同样地，还 考虑到水灰比对硫酸盐侵蚀的影响。这两个因素不是于其它一个独立的。止匕外， 在硫酸盐中的阳离子对 V型水泥的效率有明显影响。最近垦务局长期的和加速的 测试的解释被评估，这意味着他们需要返工。部分三回顾了结构暴露在硫酸盐下严重程度分类的标准和指南，指出对于丰富的暴露条件的分类缺少了准绳。 一个特殊的问题是土壤的分类，因为很多取决 于土壤中硫酸盐的溢出率：这需要一个可行的标准。讨论了土壤样品，这涉及到 解释丰富多样的硫酸盐。与基础

3、有土壤连接的混乱的排水系统和伴随化肥使用的 过度的灌溉的后果在这里被描述。 由于在混凝土中发生的时间，硫酸盐侵蚀是否 发生可由抗压强度的改变确定。由于分层损坏，抛弃这个方法和信任混凝土抗拉 强度的判别作用都是错误的。扫描电镜不应该是主要的，当然也不是第一的判别 硫酸盐侵蚀是否发生的方法。在未来数学模型是很有帮助的，但是在目前它还不 能为结构中的混凝土的硫酸盐抵制提供指导。考虑到未来的改善，部分四提出结论和对这个情形做出展望。 附录A包含了 由各种法典和指南给出的在硫酸盐中暴露程度的分类。这篇文章一共四个部分。部分一定义什么是硫酸盐侵蚀。 部分二硫酸盐侵蚀的进 程和后果。部分三回顾了有侵蚀性的土

4、壤和水的测试， 也为了判定硫酸盐侵蚀是 否发生进行了试验。部分四提出展望。1、部分一：什么是硫酸盐侵蚀？引言我有将单词“topsy-turvy （乱七八糟的）”代替“confused （混乱的）”的想法，因 为topey-turvy在简明牛津辞典被定义为“ utterly confused （完全混乱的）这个 词用来形容我对硫酸盐侵蚀似乎很合适，但可能不太适合出现在期刊中。不是我们的对各种现象和相关反应的知识从来没有分类，他们至少在工程级水平理解， 而是在最近十年中的争议导致很短的论断。这些独立的论断不一定错误，但是结 合到一起就导致了一种非常混乱的局面。在实际的结构中的硫酸盐侵蚀，我尝试发现

5、一些通用的标准。我认为在一开 始我就应该证实的这一尝试是正确的。 我是一名工程师，但不是一位科学家，我 的观点是在这个领域结构的性状是一名工程师的的职业担心。对于工程判定，在强调其需要时我并不是孤独的，因此，对于一名工程师，研究硫酸盐侵蚀是非常相关的工作。 垦务局的DePuy：1写到在某些情况下，对于 一名工程师，理解化学反应、影响反应速率的因素以及引起混凝土性能衰退的机 理变得越来越重要。在指出迄今为止的实验室研究并不适应于理解这个领域的症状方面，我也不是孤独的。DePuy1写到：“大部分硫酸盐侵蚀的知识是从实验室研究发展来的， 这些研究相对涉及到纯粹材料的简单化学体系，而在实际的情况下，情

6、形更为复杂,，”和我一样，DuPuy1也感觉到“尽管硫酸盐侵蚀被广泛研究，它仍然没有被完全理解”。这篇文章的范围我不说现在的这篇文章会让这个情况变得水晶般清晰。我不能实现这，在某 种程度上，因为我是个土木工程师，要理解硫酸盐侵蚀不仅涉及到土木工程和施 工管理而且还涉及到化学、岩土工程以及现场和实验室测试。要把人们从狭隘的 知识束缚中带到一起工作室很不容易的。更糟糕的是，目前存在这样的趋势对于任何一个专家对超出他们专业范围的现象作出评论。不幸的是，某些专家试图对超出他们专业领域的东西发表观点，他们害怕承认无知也许会损害他们的形象， 否则，他们被诱导在其它陌生领域发表观点。当然，我努力地不要掉入那

7、个坑，我正在写广义硫酸盐侵蚀的广泛性问题。所以我让读者消除疑虑：我打算限制我自己去定义相关问题和指出不同。不管怎样，这当然不会阻止我表达我的观点，我还是很有信心做这些的。“化学家应该研究混凝土中的化学侵蚀”这是由 Hime2写的一篇文章的标 题，于2003年四月在Concrete International上出版。我，一名工程师，正在 写一个主题和混凝土中化学反应相关的文章。为什么？首先，Hime2他自己说化学家不该在化学侵蚀中只做化学研究。其次，我不表达对化学反应的观点，尽管我需要涉及到它们。第三，在硫酸盐和混凝土之间化学反应的重要性体现在对混凝土的破坏上。仅仅的化学变化不影响其安全和性能，

8、在这个领域，对于这些和实际结构相关的， 混凝土的耐久性是非常限制的因素。这作为在人工条件下的实验样品的区别所在。 我赶紧的补充：对于增加我们的知识，实验室研究是重要的和必不可少的， 但是 知识需要在工程队伍中被检验也是极为重要的。这带给我第四个问题：硫酸盐侵蚀到底多广泛？硬化水泥浆体和硫酸盐的化 学反应结果到底有多重要？这篇文章不涉及内部硫酸盐侵蚀或者碳硫硅钙石侵蚀（与硫酸盐侵蚀相独立的一种形式）3。这篇文章也不特别涉及硫化亚铁氧化而产生的硫酸盐侵蚀， 例如在土中的黄铁矿，这是一种酸侵蚀，因为硫酸的形成。这可能导致严重的后 果，但是允许混凝土接触到含有黄铁矿的土壤是简单的糟糕的实践，这可以避免

9、或者被阻止。“侵蚀”的定义在这样的关键时刻，也许适合对这项侵蚀做出定义了。通常来说，我发现1993 出版的简明版的牛津大词典是一个好的开始。 这本词典上说：“一项由物理因素、 腐蚀、侵蚀、溶解而导致的破坏性行为。我明白形容词destructive”是很关键 的；换句话说，一项行为它自身并不代表侵蚀。从一个工程师的角度来看，重要 的是混凝土中产生了什么：一项行为不导致功能衰退或是耐久性损失就不是侵蚀。一些碳硫硅钙石领域的研究者支持我的观点。Bensted4说：”恰当地区分碳 硫硅钙石形式和碳硫硅钙石盐侵蚀是重要的”。这个区别是重要的。事实上，被 给出的化学反应的发生并不是混凝土损伤或直接损失的证

10、据。Bensted4的区别 可以等价应用到硫酸盐侵蚀，这种硫酸盐侵蚀不会导致碳硫硅钙石的形成。Harrison5进一步支持我的观点，他说：“当混凝土的化学分析显示一个较高 的硫酸盐含量时，这并不意味着出现功能衰退，但是相反地，与高的硫酸盐含量 相关的强度损失或者是大范围的功能衰退却是硫酸盐侵蚀的有力证据。”止匕外，Skalny et al6强调：“钙矶石本身不是硫酸盐侵蚀的一种信号”。换句 话来说，它们涉及到泛霜作为“实际上明显的损伤”，并且描述泛霜主要为“硫 酸钠；偶尔也会有氯化钠，硫酸镁和其它盐”6。他们说泛霜代表严重的化学侵蚀，单词化学的字体是斜的。泛霜本身不是损伤的根源，我的这个观点在

11、之前已经被表述过7.Mehta8也说泛霜不应该引起任何损伤，除非在某一环境下。硫酸盐侵蚀的定义我已经表达过我的观点：只有当混凝土经受功能退化或者损伤时，侵蚀才会 发生。这里仍然留下了开放性的问题：到底哪一种机理需要和被描述为硫酸盐侵 蚀的性状相联系。这里有两种观流派。一派研究者认为如果硫酸盐是相关的，那么硫酸盐侵蚀发生，而忽视机理作 用。另一派学者限制硫酸盐侵蚀的概念为硫酸根离子和硬化水泥浆体的化学反应， 所以化学变化在浆体中发生。然而，如果硫酸根离子和水泥相关而且引起水泥的 损伤，但是这个行为是物理的，一种相似的行为可能同其它盐类发生， 而不是硫 酸盐，那么这种损伤被认为是物理性侵蚀或者是物

12、理性硫酸盐侵蚀。我明白这样一个事实，即化学变化伴随着物理变化，而且对于讨论这种关系 的微妙之处我是很犹豫的。为什么我要提出这个问题？的确，专业术语不重要可 能会引起争论。然而，就我个人看来，在一个大而复杂的领域，当涉及到一个给 定的现象时，如果每个人都用同一个专业术语，这会是很有帮助的。进一步来说，如果化学侵蚀涉及到硫酸根离子，我相信化学侵蚀和物理侵蚀 有些不同。换而言之，物理侵蚀涉及到结晶盐，例如硫酸盐，但这是一个宽广的 议题，包括混凝土也包括岩石。结果，在这篇文章里，这种硫酸盐侵蚀被限制在 化学侵蚀，但是我应该简略地考虑一下物理性侵蚀。在把握上述观点方面我远远不是孤立的。例如在混凝土结构衰

13、退诊断上的混 凝土协会技术报告中承认到：“物理性盐富集”作为一个现象，这个现象同硫酸盐侵蚀独立，不管是不是硫酸盐。我也愿意引用Collepardi10的观点，他有这样著名的观点-延迟性钙研石对 混凝土的侵蚀。他认为硫酸盐包括内在的或是外来的，但排除损伤是来源于物理性硫酸盐例如水溶性硫酸盐的结晶。Mehta8曾在一篇副标题为“从实践中分离 出理论”的文章中说到由于物理性硫酸盐侵蚀导致的混凝土表面的侵蚀程度一直 和化学硫酸盐侵蚀相混淆。盐侵蚀是纯粹是一种物理现象，这种物理现象发生在 某一特定条件下，当任何含孔固体例如砖、石或是质量差的混凝土暴露在碱性盐 溶液中（这里包括硫酸盐但不限于硫酸盐）。将条

14、件“差质量”应用到混凝土中 是合适的，我不太确信。但是，表面纹理的外向度是相关的，这存在一些混凝土 成品中。Mehta8报告说：”和结晶盐相关的物理性硫酸盐侵蚀不仅仅限制于碱 系硫酸盐，例如还有碳酸钠溶液。”我不得不提及相反的观点。例如，Skalny11说到；“区分物理性和化学性硫 酸盐侵蚀不会有一个好的结果，这只会加深困惑。”作为一名工程师，我发现担 心是触手可及的，但是我不信我们工程师还准备困惑， 我们不得不从更进一步的 困惑中解放出来！我想要强调的是物理或化学侵蚀不仅仅是语义上的区别，因为物理性侵蚀的结果在很多方面不同于化学侵蚀。止匕外，两种硫酸盐侵蚀的阻止方法也不相同。物理性硫酸盐侵蚀

15、一种流行的物理性硫酸盐侵蚀是无水芒硝与芒硝之间的可逆变化。如果析晶发生在孔隙中或是混凝土表面附近，大范围的压力会发展，伴随着破坏行为。Hime和Mather12说到：“来自过饱和溶液的沉淀也许是需要的。”词组“也许” 说明这个现象是相关的但不被充分理解。物理性硫酸盐侵蚀已经被研究很长时间了。在 1929,在法国的Lafuma13 报告他的实验硫酸钠转化为无水硫酸钠，指出33c的温度很重要，在这样的温度下无水硫酸钠在溶液中形成，伴随很小的表面范围。但是在Lafuma13的文章 中的细节也许是相关也许没联系一一他们不在我的专业知识领域内一一我研究 他们，因为他们很清晰地看出这一行为是物理性的，化学

16、性的硫酸盐离子没有参与其中。在1939年，英国的Bonnell和Nottage14研究了孔隙材料中的析晶问题。 他当水们的实验在一些用硫酸钠浸泡的很低的抗拉强度的材料上进行。他们说: 化反应发生在孔隙中时，压力可能会有所发展，它足够大可以克服一般有空建筑 材料的抗拉强度。” ”盐可能存在足够的应力从而使材料破坏。14这里有些实验涉及到无水芒硝和芒硝（虽然这些名词没有被提及），尽管测试的不是混凝土。实验和混凝土中的物理性硫酸盐侵蚀高度相关，但是这篇由 Bonnell和Nottage14的文章却不怎么出名，原因在于它出版于二战前夕。在1949年，Lea和Nurse15使用硫酸钠和硫酸钙研究了在液相

17、体系中固体 的析晶。他们得出这样的结论：在压力下晶体成长的知识还是很缺少的；至于钙矶石，他们提出了局部化学反应的概念。考虑到渗透型的反应和局部化学反应相对应，这就是化学家的问题了。 Lafuma13关于局部化学的提议被 Brown和Taylor16以及和Mehta17批评。硫酸钠具体的行为已经是一个持续科研究的课题。相对于芒硝，无水芒硝有 更强的溶解能力，它更容易形成过饱和溶液。在2002年，Flatt18表达了这样一 个观点：在20c时，无水芒硝溶液中析出芒硝晶体可产生10-20MPa的环向拉应力。如此等级的拉应力必然导致混凝土的破坏，但是孔隙大小影响到晶体生长的 难易18。根据Flatt1

18、8的观点，”结晶化发展需要在晶体和空洞间的过饱和溶液”，但 是补充到在混凝土中“未填充的大孔道趋向于在无害化生长下消耗过饱和溶液”。 Flatt18表达他的观点：“硫酸盐比其它盐能引起更大的损伤”。在2002的一篇文章中，Brown19识别出这二者之间的差别，即和钙矶石或 者硫酸钙相关的硫酸盐侵蚀以及和析晶相关的硫酸盐侵蚀。硫酸盐总是伴随着物 理性侵蚀：物理性硫酸盐侵蚀能被当做一种特殊的盐侵蚀。我讨论过的各种文章都关注于物理行为。硫酸钠携带硫酸根离子是容易的， 基于这一事实，以至于他们指出物理性硫酸盐侵蚀这一概念。总体而言，我认为它是有益的，即从一种损伤是由物理作用导致的情况下区 分出涉及到硫

19、酸根离子侵蚀。我大胆推荐使用这一专业术语。硫酸盐侵蚀到底多广泛？在一篇回顾仅40年混凝土实践领域进程的文章中20,我总结到在某些情况 下实验室研究不适合实践问题。我引用碱骨料反应，但现在我想知道这一情形是 否也和硫酸盐侵蚀相符。那些人表达了硫酸盐侵蚀在混凝土中不是特别广泛这一观点，这些观点在出版物中被发表。特别地说，一本名为混凝土中的硫酸盐侵蚀提到：“外部硫酸盐侵蚀和内部硫酸盐侵蚀都不是混凝土强度损失的原因”，“相比于钢筋的锈蚀 和冻融循环，硫酸盐侵蚀只是片刻的事情”。这本书里还说到，正在经受硫酸盐侵 蚀而损伤的特种结构的所有者有理由为此担忧。换句话说，这本书包含大量的陈述来提升硫酸盐侵蚀损伤

20、的地位6,这些陈述由全球会议支撑，例如沉淀记 录1996-2000.我也意识到这些记录中的某些直接反对那些观察、意见和解释。止匕外，尽管在加利福尼亚州有大量的指控关于损坏的基础的指控，但是没有 一个坍塌案例被曝光，也没有任何房子或者是建筑被拆掉。在1993年，Mehta21,他再次回顾了硫酸盐侵蚀问题，表述出这样的观点“对 于混凝土衰退，硫酸盐侵蚀是极少的独特现象”，七年之后，他写道：”由于硫酸盐侵蚀带来的混凝土失败的威胁相对于碱 -硅酸反应而言是较小的 8 o1998年，在Quebec市举行的硫酸盐侵蚀机理研讨会上，美国垦务局领导 Pierce22再次提及Haynes的观点，“在这个领域我们

21、没有认识到问题”，情况归 因于这样的事实：我们没有采取必要的预防措施。预防措施没被包含在行动准则 里。学术研究表明，在温和的气候下很少出现失败案例。由于土壤或者地下水中的硫酸盐离子导致服役的结构被破坏的例子是很少的，Tobin23支持这一观点。在一份2002年5月的技术信息记录中，他提到他 66年的从事民用和商业混凝土结构的经历，他说：“硫酸盐侵蚀有被观察到，它 不像暴露在外面的混凝土经受冻融破坏那样； 在这个词组真正的含义里，它不是 一个简单的渐进式破坏，也不是一个彻底的破坏” 23.这是一名结构工程师的言0和上面那些观点在很大程度上形成对比是这样一群科学家的观点，他们使用加速试验。通常，他们是研究主题是硫酸盐侵蚀， 以至于他们对混凝土是否工作 良好没有