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安 徽 建 筑 大 学 材料与化学工程学院 《水泥基材料设计与控制》 课 题： 抗硫酸盐侵蚀水泥基材料设 个人项目总结 学期结束之际，我们组以《抗硫酸盐侵蚀水泥基材料的设计与控制》为题的CDIO项目即将结束。我们小组在刘开伟老师的带领下，终于做出了自己小组的实验成果。在这结束之际，我感慨万千，受益匪浅。在这一学期的CDIO中，我不仅从老师身上学到对自己有益的东西，也从其他人中吸收无形的能量。实验过程中我们有成功的喜悦也有失败后的悲伤。总的来说，实验从资料整理到实验结束过程是艰难的，结果却是甜蜜的。 一 实验初期 老师给我们详细的解释了什么是硫酸盐侵蚀，在工程中的实例，侵蚀的原理，我们要怎么防治。它是混凝土耐久性的一项重要内容，同时也是影响因素最复杂、危害性最大的一种环境水侵蚀。近年来，在铁路、公路、矿山和水电工程中都发现了地下水对混凝土结构物的硫酸盐侵蚀破坏问题。这些都是我们以前从来没有见过的和了解的知识盲区，所以我们开始以知识点为中心，分为三个小组，分别涵盖了钙矾石、石膏、碳硫硅钙石这三种类型的硫酸盐侵蚀内容。 实验准备阶段的资料 1.钙矾石结晶型 绝大多数硫酸盐对混凝土都有显著的侵蚀作用(除硫酸钡外)。这主要是由于硫酸钠、硫酸钾等多种硫酸盐都能与水泥石中的Ca(OH)2作用生成硫酸钙，硫酸钙再与水泥石中的固态水化铝酸钙反应生成三硫型水化硫铝酸钙4CaO·Al2O3·12H2O+3Na2SO4+2Ca(OH)2+20H2O→ 3CaO·Al2O3·CaSO4·31H2O+6NaOH 式1 钙矾石是溶解度极小的盐类矿物，在化学结构上结合了大量的结晶水(实际上的结晶水为30～32个)其体积约为原水化铝酸钙的2.5倍，使固相体积显著增大，加之它在矿物形态上是针状晶体，在原水化铝酸钙的固相表面成刺猬状析出，放射状向四方生长，在硫酸盐侵蚀的初期可以填在结构的空隙处，使得混凝土的强度增强。但随着钙矾石的不断增加造成混凝土的内部开裂及结构性能的退化破坏，此时混凝土的强度降低。钙矾石膨胀破坏的特点是混凝土试件表面出现少数较粗大的裂缝。 2.石膏结晶型 长期处于硫酸盐环境中或者当盐浓度很高而水泥中铝酸盐浓度较低时，石膏腐蚀也将成为破坏的主要原因表现为水泥浆体出现软化和分离当硫酸盐浓度较低时石膏的溶解度大于氢氧化钙等水化物这样石膏腐蚀可加速硫酸根离子的渗入同时也引起了其与单硫型铝酸盐直接形成钙矾石等侵蚀产物。 若水泥孔结构中被饱和石灰水充满，那么即使在溶液的pH值很低的情况下，也会有石膏晶相的形成，造成混凝土的破坏。 Ca(OH)2+Na2SO4→Ca2++SO42-+Na++OH- 式2 Ca2++ SO42-+2H2O→CaSO4·2H2O 式3 形成的二水石膏体积增大一倍多，使水泥石内部因应力过大而造成混凝土破坏。石膏对混凝土造成的破坏，并不会如钙矾石一般，出现大量裂缝，而是使胶砂脱离，造成混凝土结构脱落。 关于石膏的形成，有研究表明石膏的形成与硫酸根离子的浓度有关。根据溶度积公式，只有当硫酸根离子和钙离子的溶度积大于或等于石膏的溶度积时才会有石膏析出。且一般认为，在低硫酸盐浓度（3000ppm SO42-）时，硫酸盐侵蚀的主要侵蚀产物为钙矾石；中等硫酸盐浓度（3000~8000ppm SO42-）时，石膏和钙矾石共同存在；高硫酸盐浓度（8000ppm SO42-）时，主要侵蚀产物为石膏[3]（见表1）。 表1 不同硫酸根浓度时的主要侵蚀产物 SO42-浓度 主要侵蚀产物 3000ppm 钙矾石 3000-8000ppm 钙矾石、石膏 8000ppm 石膏 3.碳硫硅钙石型 在适当的温度(通常是15℃以下)和pH值(通常是10.5～13.0)下，硫酸盐、碳酸盐、C-S-H凝胶和钙离子在水中发生反应生成碳硫硅钙石。该反应速率非常慢，通常需要数月才会生成明显的产物，反应式表述如下： Ca3Si2O7·3H2O+2CaSO4·2H2O+2CaCO3+24H2O →Ca6[Si(OH)6]2(CO3)2·(SO4)2·24H2O+Ca(OH)2 式4 有 CO2存在时，也可能以下式进行反应： Ca3Si2O7·3H2O+2CaSO4·2H2O+CaCO3+CO2+23H2O →Ca6[Si(OH)6]2·(CO3)2·(SO4)2·24H2O 式5 反应生成的 Ca(OH)2不会作为最终产物存在，它将与大气中或溶于水中的 CO2反应生成碳酸钙，成为碳硫硅