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酸雨对水泥混凝土强度影响的模拟及其腐蚀的化学机理分析 张倩1赵洁2成华3 (1西安建筑科技大学土木工程学院，陕西西安710055； 2陕西省高速公路建设集团公司，陕西西安710085；3西安市政设计研究院，陕西西安710065) 摘要基于物质间发生化学反应的基本规律探讨酸雨对水泥混凝土路面的化学破坏作用， 得出了水泥混凝土路面材料与酸雨中的酸性物质发生化学反应的方程式，酸雨中的 酸性物质与水泥混凝土中的水泥凝胶材料和骨料均会发生化学反应，且反应都会生 成可溶于水的盐类。不同酸度酸雨对混凝土材料抗弯拉强度影响的模拟试验表明， 酸雨对混凝土的强度有着明显的不良影响，且酸雨的酸度越高，对水泥混凝土材料 的强度影响越大，当酸雨的pH值小于3．0以后，混凝土的抗弯拉强度减小加快，由 此推论酸雨腐蚀对水泥混凝土路面病害的产生具有明显的促进作用。 关键词酸雨混凝土抗弯拉强度化学反应机理 水泥混凝土路面是刚性路面的代表形式。多年的水泥混凝土路面建设和使用实践表明， 水是引发路面早期病害的主要诱因之一。水损害的影响因素众多，各因素作用机理复杂，水损 害应是路面使用过程中各种物理和化学因素综合作用的结果。从降水因素来看，降水对水损 害的促进作用不仅包括车辆荷载作用下的水力冲刷，还包括降水中的化学成分对水泥混凝土 的化学腐蚀作用。尤其在我国，由于酸雨污染较严重且酸雨分布广泛，酸雨中的酸性物质对混 凝土的腐蚀作用也是造成一些地方水泥混凝土路面严重早期病害的原因之一。目前从化学角 度分析酸雨对混凝土材料性能影响的系统研究报告尚不多见，本文尝试从这一角度对酸雨腐 蚀水泥混凝土材料的化学机理进行分析。 1酸雨的分布及发展趋势 酸雨指pH5．6的降雨、雪、雹、雾、露等大气降水。全球有三大酸雨地区：西北欧、北美 和中国南方地区。欧洲经济合作与发展组织开展的专项研究证实，酸雨几乎覆盖了整个西北 欧。以英国为例，英环保部门颁布的资料显示英国国土都已酸化，全国年均降雨pH值为 4．1—4．7。1974年以后美国东北部与加拿大交界地区发现了大面积酸雨区域，此后全北美几乎 2／3的陆地都受到了酸雨的威胁，美国是北美最大的酸雨输出国，加拿大则是北美最大的酸雨 输入国。东南亚、日本、韩国等国亦发现了大面积酸雨区域，日本每年都有pH4的强酸性降 水，甚至pH3的降水也屡见不鲜。环境学家对格棱兰岛180年前的冰块进行研究发现，现在 冰块的酸度比180年前增长了99倍。被认为是“净土”的南北两极也监测到了酸雨。酸雨业 已成为世人公认的全球性重要区域环境问题之一。 215 第2部分结构与材料的耐久性研究 我国大陆相对稳定的大块酸雨分布区域主要集中在长江以南，沪、苏、浙、闽、鄂、赣、湘、 粤、渝、黔、琼、滇、桂等省份的大部分地区及两小块酸雨区域胶东半岛和图门江地区。以重庆 年代后，我国酸雨源物质S02和NO。的排放量逐年增加，增至建国初期的10倍以上，近年来每 年排放量增加都在20％左右。与此同时，酸雨分布的区域面积也不断扩大。1983年全国主要 酸雨区域面积约有65万km2，约占我国国土总面积的6．8％，目前主要酸雨区域面积已占到我 国总面积的40％左右。每年由于酸雨污染造成的经济损失达200亿元左右。且酸雨区的降水 酸度仍在升高，面积仍在扩大。酸雨对工农业生产造成巨大危害，对地面建筑及暴露于地面的 交通设施如公路、铁路等危害也很大。 2酸雨的化学组成 在水中能完全电离，故对降水的酸度(pH值)贡献最大。在多数地区硫酸是酸雨最主要的成 分，硝酸次之，盐酸最少。我国酸雨的酸性来源首先是s02，其次是NO，。作为酸雨主要分布区 域的南方降水中硫酸根浓度平均分别是德国的4．5倍和美国的5．5倍，硫酸根与硝酸之比是 德国的7倍。这主要因为我国酸雨成分以燃煤产生的硫氧化物为主，而美国和德国硝酸型的 酸雨则主要为汽车尾气型的大气污染造成。酸雨中的弱酸为有机酸(甲酸、乙酸、乳酸、柠檬酸 等)、H2cO，、NH4+等。由于这些酸的电离性差，所以它们对降水的pH值影响很小，不超过 10％。表1为我国南北方城市的降水离子浓度统计结果