摘 要

硫酸盐侵蚀的研究是一个悠久的课题，已经有了近百年的历史。目前在理论方面对其机理解释已十分完整。一般认为，发生硫酸盐侵蚀最重要的一个原因便是钙矾石等物质的产生，导致混凝土内部出现体积增大的现象，从而发生破坏。到目前为止，对于石膏的引入导致的内部硫酸盐侵蚀的研究不尽如人意。由于石膏的硫酸根离子位于混凝土内部，因此，重点对于外部引入硫酸根离子的理论体系并不适用，而其自身的评估体系还不完善。

本文通过净浆和砂浆试件膨胀率、抗压强度和抗折强度的表征，采用XRD、SEM等微观结构分析手段，研究了不同石膏掺量、养护温度、石膏粒径三个因素，对内部硫酸盐侵蚀下水泥基材料性能变化进行了分析。得出如下结论：

（1）净浆和砂浆试件的膨胀率可以看出，其石膏含量越多，膨胀率越大，说明其内部硫酸盐侵蚀的程度越高。

（2）养护温度达到60℃时，净浆和砂浆膨胀率都不如40℃，原因是，在60℃环境下钙矾石的稳定性较差，侵蚀产物的生成较为困难。

（3）从强度来看，强度和石膏掺量是反比关系，石膏掺量越高，试件强度越低，并且养护温度越高，强度越大。

（4）随着石膏粒径的增大，试件的膨胀率逐渐降低。

关键词：内部硫酸盐 侵蚀 钙矾石 石膏

ABSTRACT

At present, the mechanism is very complete in theory. It is generally believed that the main cause of sulfate attack is that sulfate produces erosive products such as ettringite in concrete, resulting in expansion cracking. So far, research on internal sulfate attack caused by the introduction of gypsum has not been satisfactory. Since the sulfate ion of gypsum is located inside the concrete, the emphasis is not applicable to the theoretical system of external introduction of sulfate ion, and its own evaluation system is not perfect.

In this paper, through the characterization of the expansion rate and mortar specimens, the three factors of different gypsum content, curing temperature and gypsum particle size were studied by XRD, SEM and other microstructural analysis methods. The performance changes of cement-based materials under sulfate attack were analyzed. The following conclusions are drawn:

(1) The expansion ratio of the pulp and mortar specimens can be seen that the more the gypsum content, the greater the expansion ratio, indicating the higher the degree of internal sulfate attack.

(2) When the curing temperature reaches 60 °C, the expansion ratio of the paste and mortar is not as good as 40 °C. The reason is that the stability of ettringite is poor in the environment of 60 °C, and the formation of erosion products is difficult.

(3) In terms of strength, the strength and gypsum content are inversely proportional. The higher the gypsum content, the lower the strength of the test piece, and the higher the curing temperature, the greater the strength.

(4) As the particle size of the gypsum increases, the expansion ratio of the test piece gradually decreases.

Key Words: internal sulfate attack; ettringite; gypsum

目录

摘要

ABSTRACT I

第一章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 机理 2

1.2.1 化学侵蚀 2

1.2.2 物理侵蚀 3

1.3 影响内部侵蚀的要素 3

1.3.1 矿物掺合料和胶凝材料的影响 3

1.3.2抗渗性 3

1.4研究现状 4

1.5 评价方法和评价指标 4

1.6 研究内容 5

第二章 原材料及实验方法 6

2.1 原材料 6

2.1.1 硅酸盐水泥 6

2.1.2 石膏 6

2.2 试件制备方法 7

2.2.1净浆 7

2.2.2 砂浆 7

2.2.3 养护条件 8

2.3 试验方法 8

2.3.1 变形性能 8

2.3.2 强度 9

2.3.3 矿物相组成 10

2.4 实验仪器 10

第三章 内部硫酸盐侵蚀过程 11

3.1 膨胀率 11

3.2 强度 13

3.2.1 抗压强度 13

3.2.2 抗折强度 15

3.3 微观结构 16

第四章 结论和展望 20

4.1 结论 20

4.2 展望和不足 20

参考文献 21

致谢 23

第一章 绪论

1.1 研究背景

虽然诞生了千年之久，但目前人们用的最多的施工材料还是水泥，这一点毋庸置疑，每年的水泥使用量都创新高。然而，使用水泥的时候，有一个很严重的问题，那就是硫酸盐侵蚀。近年来，许多工程并没有达到预期的使用寿命，便出现了大量提前损坏的现象，人们一开始归咎于施工单位的懈怠和贪腐，然而，最新的研究发现这种损坏与人为因素关系不大，更多的是由于硫酸盐侵蚀造成的。水泥受到破坏、使用寿命缩短的一个重要缘故就是硫酸盐侵蚀^[1]。混凝土与含硫酸基离子丰富的土壤、地下水或海水等媒介长期接触，使得硫酸基离子和混凝土中的水化物发生化学反应^[2]。而产生的这些反应造成了水泥混凝土体积的增加，致使其破坏。

按硫酸盐来源可分为外部硫酸盐侵蚀和内部硫酸盐侵蚀，一般来说，硫酸盐侵蚀指的是，混凝土的空隙被外界环境中的硫酸盐填充，与某些成分反应而导致的膨胀从而产生破环^[3]。

多年以来，大部分研究者的目光都注视着外部引入硫酸根离子而造成的侵蚀^[4]，却往往忽视了由原材料引入的硫酸根离子在内部发生侵蚀这一现象^[5]，从而导致对内部侵蚀的研究不够深入^[6]。将硫酸钙（通常为石膏）添加到熟料中以控制水泥的凝固特性。石膏与C₃A反应形成初级钙矾石。这种类型的钙矾石发生在塑性基质中，不会造成任何损害。然而，当存在过量的石膏时（来自现代水泥或受石膏污染的骨料），它仍将存在于硬化基质中，并且在混凝土固化期间，额外的石膏在水下溶解并且SO₄离子释放。然后，石膏根据方程式与剩余的C₃A和单硫酸盐水合物反应。由这些反应引起的混凝土的潜在恶化被描述为内部硫酸盐侵蚀。

中国山多，这几年中部地区交通建设速度提高。在我国中西部地区做工程的时候，因石膏和与其对应的沉积岩例如白云质石膏岩等分布十分广泛，遇到包含这样的石膏的岩层的事不可避免^[7]。在富含石膏质岩地区制取配制混凝土所需集料时，极易因石膏质岩的混入污染集料，导致混凝土产生内部硫酸盐侵蚀破坏^[3]。无独有偶，于2002年竣工的巴东十字垭隧道^[8]，投入通车后，还没有达到预期使用年限，仅仅使用两年，便发现隧道内壁严重被侵蚀，自然需要停止运行，再次修葺维护，多耗费了数千万。根据事故调查显示，其在短期内便受损严重，并不是施工方的偷工减料，而是在施工时，所用的混凝土原材料是当地集料，而这集料含有大量石膏，从而导致了事故的发生。

1.2 机理

硫酸盐侵蚀是一个富有众多因素共同作用的进程，影响因素十分多，简单来说就是外部的SO₄^2-进入到混凝土内部中，而水泥中的一些组分又与其发生反应，从而生成出一些矿物盐，这些矿物盐溶解度很低。一方面由于吸水而产生反应使得自身体积增加，在内部作用下产生内应力^[9]。另一方面也可使水泥石中，CH和C－S－H 等组分溶出或分解^[10]，导致混凝土强度和粘结性损失^[11]。为了方便研究和叙述，在宏观的性能方面，本文以物理和化学两种表现形式来叙述硫酸盐侵蚀。

1.2.1 化学侵蚀

一般表现形式为硫酸盐与Ca(OH)₂反应产生的钙矾石，形成的产物能膨胀，导致混凝土膨胀、裂开^[12]。

1.2.1.1 外部的硫酸镁

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