水泥石的腐蚀

六、水泥石的腐蚀

水泥石在外界侵蚀性介质（软水、含酸、含盐水溶液等）作用下，结构受到破坏、强度降低的现象称为水泥石的腐蚀。它是外界因素（侵蚀性介质）通过水泥石中某些组分（氢氧化钙、水化铝酸钙等）而起到破坏作用的，既有物理作用，也有化学作用和物理化学作用。分析导致水泥石结构破坏、性能降低的机理，可将腐蚀分为三种类型。

1．软水侵蚀（溶出性侵蚀）

雨水、雪水以及多数的河水和湖水均属于软水。当水泥石与这些水长期接触时，水泥石中的氢氧化钙将很快溶解，其溶解度可达1．39g／L。在静水及无水压的情况下，由于周围的水易为氢氧化钙所饱和，使溶解作用中止，这时溶出仅限于表层，危害不大。但在流动水及压力水作用下，氢氧化钙将不断溶解流失，一方面使水泥石变得疏松，另一方面也使水泥石的碱度降低。而水泥水化产物（水化硅酸钙、水化铝酸钙等）只有在一定的碱度环境中才能稳定存在，所以氢氧化钙的不断溶出又导致了其他水化产物的分解溶蚀，最终使水泥石破坏。

当环境水为硬水时，其中含有较多重碳酸盐（钙盐和镁盐等），由于同离子效应的缘故，氢氧化钙的溶解将受到抑制，从而减轻了侵蚀作用，重碳酸盐还可以与氢氧化钙起反应，生成几乎不溶解于水的碳酸钙：

生成的碳酸钙积聚在水泥石的孔隙中，形成了致密保护层，阻止了外界水的侵入和内部氢氧化钙的扩散析出。

将与软水接触的混凝土预先在空气中放置一定时间，使水泥石中的氢氧化钙与空气中的二氧化碳、水作用，形成碳酸钙外壳，可减轻软水腐蚀。

2．溶解性化学腐蚀

溶解于水中的酸类和盐类可以与水泥石中的氢氧化钙起置换反应，生成易溶性盐或无胶结能力的物质，使水泥石结构破坏。最常见的是碳酸、盐酸及镁盐的侵蚀。

（1）碳酸水的腐蚀

雨水、泉水及地下水中常含有一些游离的碳酸（CO₂·H₂O），当含量超过一定量时，将对水泥石产生破坏作用，其反应历程如下：

生成的碳酸氢钙易溶于水。若水中含有较多的碳酸，并超过平衡浓度，则上式将向右进行，因而水泥石中的氢氧化钙通过转变为碳酸氢钙而溶失，进而导致其他水泥水化产物的分解，使水泥石结构破坏，低于平衡浓度的碳酸并不起侵蚀作用。

环境水中所含游离碳酸越多、水温越高，侵蚀越严重。

（2）盐酸等一般酸的腐蚀

工业废水、地下水等常含有盐酸、硝酸、氢氟酸以及醋酸、蚁酸等有机酸，它们均可与水泥石中的氢氧化钙反应，生成易溶物，如：

（3）镁盐的腐蚀

海水及地下水中常含有氯化镁等镁盐，它们可与水泥石中的氢氧化钙起置换反应生成易溶的氯化钙、无胶结能力的氢氧化镁。

3．膨胀性化学腐蚀

当水泥石与含硫酸或硫酸盐的水接触时，可以产生膨胀性化学腐蚀。其反应方程为：

生成的二水石膏在水泥石孔隙中结晶产生膨胀，也可以和水泥石中的水化铝酸钙反应生产膨胀性更大的水化硫铝酸钙。

生成的水化硫铝酸钙，由于含有大量的结晶水，体积膨胀1．5倍左右，对水泥石具有严重破坏作用。水化硫铝酸钙呈针状结晶（图2－3），故常称为“水泥杆菌”。

图2－3　水化硫铝酸钙针状晶体

硫酸镁、硫酸钠等硫酸盐均可产生上述腐蚀。

除上述三种主要腐蚀类型以外，当铝酸盐含量高的硅酸盐水泥遇到强碱作用时也会被腐蚀。

生成的铝酸钠是易溶的。

当水泥石被氢氧化钠溶液浸透再在空气中干燥时，氢氧化钠可被空气中的CO₂碳化生成具有膨胀性的碳酸钠结晶而胀裂水泥石。

实际上水泥石的腐蚀是一个极为复杂的物理化学过程，很少是单一类型的腐蚀，往往是几种腐蚀同时发生，互相影响。

综上所述，水泥腐蚀的主要原因是：侵蚀性介质以液相形式与水泥石接触并具有一定的浓度和数量；水泥石中存在引起腐蚀的组分氢氧化钙和水化铝酸钙；水泥石本身结构不密实，有一些可供侵蚀性介质渗入的毛细通道。因此，欲防止或减轻水泥石的腐蚀，可采取如下措施：

（1）根据环境条件合理选用水泥品种。如对软水腐蚀严重的工程可选用水化产物中含氢氧化钙少的水泥；对硫酸盐腐蚀严重的工程可选用含铝酸钙少的抗硫酸盐水泥（铝酸三钙含量低于5％）。

水泥中掺入活性混合材料可以有效地提高其耐腐蚀能力。

（2）提高混凝土的密实度，减少侵蚀性介质渗入水泥石内部的通道，可以有效地减轻腐蚀。

（3）在混凝土的外表面加覆盖层，隔离侵蚀性介质与水泥石接触。如在混凝土表面粘贴花岗岩板、耐酸瓷砖，喷涂沥青质或合成树脂涂料等。对腐蚀严重的工程，还可以采用聚合物混凝土等耐腐蚀性强的材料代替普通混凝土。