关键词：建筑材料；水泥类材料；腐蚀；强度劣化；
引言
近四五十年来，混凝土结构因材质劣化造成过早失效以及崩塌破坏的事故在国内外都屡见不鲜，并有愈演愈烈之势。这些混凝土工程的过早破坏，其原因不是强度不够，而是由于混凝土耐久性不良所造成。混凝土结构在设计使用年限内，无需耗费大量资金加固修护而保持安全、使用功能和外观条件的能力称为耐久性[1]。近年来，世界各国普遍发现混凝土结构的耐久性问题，已经严重影响到了结构功能的正常发挥，并且，用于后期维修的费用往往是难以承受的经济负担。因此，研究混凝土结构腐蚀性影响因素，并在设计中考虑耐久性具有紧迫的现实意义。
混凝土腐蚀性受许多因素影响，根据作用方式不同，可以分为内部和外部两方面[1]。内部因素包括水泥、外加剂和骨料种类，水灰比，保护层厚等，外部因素则主要涉及温湿度、荷载作用、冻融、氯盐或硫酸盐侵蚀、碳化、碱集料反应、施工质量等方面。本文将探讨几种情况下水泥类材料对于混凝土腐蚀的影响因素及其研究进展。
1 水泥的硬化机理
硅酸盐水泥的性能包括耐腐蚀性是由其组成矿物的性质决定的，水泥具有许多优良的性能，主要是水泥熟料中的几种矿物水化作用的结果。
1.1 水泥熟料矿物组成
硅酸盐水泥的主要熟料矿物的名称和含量范围如下：
硅酸三钙 3CaO·SiO2，简写为 C3S，含量 37%-60%
硅酸二钙 2CaO·SiO2，简写为 C2S，含量 15%-37%
铝酸三钙 3CaO·Al2O3，简写为 C3A，含量 7%-15%
铁铝酸四钙 4CaO-Al2O3·Fe2O3，简写为 C4AF，含量 10%-18%
以上主要熟料矿物中，硅酸三钙和硅酸二钙的总含量在 70%以上，故称为硅酸盐水泥。
1.2 水泥的水化及凝结硬化
水泥加水拌和后，熟料矿物与水发生水化反应，生成水化物，其反应式如下：
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当有石膏 CaSO4·2 H2O 存在时，水化铝酸钙 3CaO·Al2O3·6 H2O 会与石膏反应，生成高硫型水化硫铝酸钙（3CaO·Al2O3·3CaSO4·31 H2O）晶体，也称钙矾石。
随着水化反应的持续进行，水化物不断增多，水泥浆开始变稠，逐渐失去塑性而凝结，然后经过结晶过程而硬化，最终发展成坚硬的人造石——水泥石。
2、硫酸盐对水泥的腐蚀
硫酸盐侵蚀包括化学侵蚀和物理侵蚀两类，化学侵蚀是指盐类与水泥水化产物发生化学反应引起的混凝土性能劣化，而由盐类在混凝土内的结晶膨胀引起的混凝土破坏称为物理侵蚀破坏。
2.1水腐蚀溶液模拟（化学侵蚀）
综合分析目前已有的几种加速腐蚀试验方法，试验配制模拟水复合腐蚀溶液，其复合腐蚀溶液pH=2且主要含有Mg2+、H+、Cl-、CO2-2等离子。
腐蚀的主要特征是：腐蚀介质中的离子与水泥石中的离子进行交换作用，破坏了水泥石中的液相碱度平衡，使固相石灰溶解，并使水化硅酸盐和水化铝酸盐水解。水泥石分解型腐蚀的最终产物是硅酸凝胶、钙盐和铝盐。水泥石腐蚀产物的性质，可以表示出介质的腐蚀程度。若腐蚀产物无粘结性，无足够的密实性，而且属于可溶性的，则腐蚀的速度快，此时腐蚀介质很容易向水泥石的深部发展，水泥石的结构将很快地被破坏[2]。
在工程中经常遇到酸性溶液（PH 值小于7）的腐蚀。其腐蚀过程为：溶液中的 H+与水泥石中 OH-相结合成水，使水泥石中的 Ca（OH）2分解，而水泥石中的 Ca2+与溶液中的酸根结合成新的钙盐；然后酸性溶液又与铝酸钙的水化物和硅酸钙的水化物起反应。
对水泥石能起分解腐蚀的另一种介质是镁盐。镁盐溶液中的 Mg2+与水泥石中的Ca2+起交换作用，生成 Mg（OH）2和钙盐，导致水泥石的分解。由于镁盐的溶解度和作用时间不同，对水泥石的腐蚀将产生不同的结果。当镁盐浓度较低时，与 Ca（OH）2反应容量较小，只能在水泥石表面进行。此时，产生的 Mg（OH）2还可能保护水泥石。但若长期作用，则可能产生溶出型腐蚀。当镁盐浓度较大时，Ca（OH）2的数量不够与镁盐作用，镁盐将向水泥石深部扩散，使腐蚀加剧。
当水中含有游离 CO2时，会形成碳酸，也能使水泥石形成酸性分解型腐蚀。碳酸对水泥石的腐蚀，不仅与水中 PH 值大小有关，而且还与离子转移能力有关。就工业建筑而言，游离碳酸腐蚀比较缓慢，比其它酸性溶液的腐蚀要轻微得多。
2.2 水温因素的影响 （物理侵蚀）
盐冻循环下水泥类材料破坏过程及机理非常复杂,结合以往理论研究,可首先分析水泥类材料产生的冻融破坏。该破坏的发生应具备两个必要条件,一是水泥类材料必须与水接触或具有一定含水量;二是构造物所处的自然环境必须存在反复交替的正负温度。水泥类材料微孔隙中的水,在正负温度交替作用下,形成冰胀压力(水转变为冰的体积膨胀所造成的静水压力)和渗透压力联合作用的疲劳应力,在这种疲劳应力作用下的水泥类材料产生了由表及里的剥蚀破坏。理论上,水泥类材料毛细孔中含水量超过91.7%时就会产生很大的压力。当消融过后,冻结再次发生时,会产生不断的膨胀变化,当水泥类材料的膨胀压力超过其抗拉强度时,毛细孔胀破,产生微裂纹,水泥类材料发生破坏,从表面剥落直至完全瓦解,这是冻融破坏的基本类型[3]。
由前述分析可知,盐溶液浓度差的出现,会造成水泥类材料内部不同层面在受冰冻影响时结冰膨胀程度的差异,从而在某层面出现应力集中的情况,造成水泥类材料破坏。浓度差使得盐溶液在水泥类材料中较水溶液更易发生连续迁移,这种迁移会造成水泥类材料内部饱水程度的增加,同时势必会带来较大的渗透压力,加剧水泥类材料的破坏。研究表明,与水中冻融时的重量损失相比,氯化钠溶液中冻融时的重量损失会增加50%左右。盐溶液在过饱和时还会出现结晶膨胀现象,在水泥类材料处于干湿交替循环的情况下,产生结晶膨胀破坏。
3、结语
通过对水泥类材料侵蚀机理分析,找到了水泥类材料受侵蚀破坏的根本原因,对于工程安全、耗费巨资、混凝土的耐腐蚀性问题等，都提供了有效的帮助。加强受腐蚀材料性能试验研究，尤其是要加强对受腐蚀水泥类材料化学、物理性能试验的研究，这是管理人员的职责要求，提高他们的技术水平，为进一步促进新时期工程建设中的受腐蚀材料性能试验应用及发展做出应有的努力和贡献。
参考文献：
[1] 工业建筑防腐蚀设计规范(GB50046-95)．
[2] 罗献彬.混凝土结构的腐蚀因素及预防办法[J].中国新技 术新产品,2009,(7).
[3] 黄伟典.建筑材料[M].北京:中国电力出版社,2007.
论文作者:张文佳
论文发表刊物:《科学与技术》2019年第23期
论文发表时间:2020/5/9