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セメントの水和と強度発現は、主に2つのケイ酸塩相、すなわち三ケイ酸カルシウム（C 3 S）（エーライト）と二ケイ酸カルシウム（C 2 S）（ビーライト）に依存します。[1]水和すると、主な反応生成物はケイ酸カルシウム水和物（CSH）と水酸化カルシウムCa（OH）2 （セメント化学表記法ではCHと表記されます）です。CSHは、セメント硬化ペースト内で接着剤の役割を果たしており、凝集力を担っています。セメントには、C 3 AとC 4 AFという2つのアルミネート相も含まれています。それぞれ三アルミン酸カルシウムと四アルミノフェライトカルシウムです。C 3 Aの水和生成物は、カルシウムアルミノフェライト一硫酸塩のAFmと、カルシウムアルミノフェライト三硫酸塩（AFt）のエトリンガイトです。C 4 AFは、ハイドロガーネットと鉄エトリンガイトとして水和します。
硫酸塩による侵食は、通常、硫酸塩源を含む土壌と接触している床スラブに発生します。[2]地面の湿気によって溶解した硫酸塩は床スラブのコンクリートに移行し、硬化したセメントペーストのさまざまな鉱物相と反応します。
この攻撃はSOを含む土壌から発生する。2−4
...コンクリートの水分は、MgSO 4や Na 2 SO 4などの可溶性で吸湿性のあるイオンと反応します。三カルシウムアルミネート(C 3 A) 水和物は、最初に硫酸イオンと反応してエトリンガイト(AFt) を形成します。エトリンガイトは、コンクリートの細孔内でゆっくりと成長する小さな針状に結晶化します。細孔が完全に満たされると、エトリンガイトは細孔内で高い結晶化圧力を発生させ、コンクリートマトリックスにかなりの引張応力を及ぼして亀裂を形成します。最終的には、ポートランド石(Ca(OH) 2 ) および CSHと平衡状態にあり、コンクリート間隙水に溶解している Ca 2+イオンもSO2−4
...イオンはCaSO 4 ·2H 2 O（石膏）を沈殿させる。SO2−4
...イオンはCSHの層状構造に捕捉または吸着されることもあります。[3]これらの連続反応により、コンクリートの多孔性内部に膨張性鉱物相が沈殿し、コンクリートの劣化、ひび割れ、そして最終的には構造物の破損を引き起こします。
外部からの攻撃
これはより一般的なタイプであり、溶解した硫酸塩を含む地下水がコンクリートと接触した場合に典型的に発生します。コンクリートに拡散した硫酸イオンはポートランド石（CH）と反応して石膏を形成します：[3]
ŜH + CH → CSH 2（セメント化学表記）
C 3 A + 3 CŜH 2 + 26 H → C 3 A·3CŜ·H 32
硫酸イオンの濃度が減少すると、エトリンガイトは一硫酸アルミン酸塩（AFm）に分解されます。
2 C 3 A + C 3 A·3CŜ·H 32 → 3 C 3 A·3CŜ·H 12
三カルシウムアルミネート+エトリンガイト→ 一硫酸アルミネート (AFm)
それがコンクリートと反応すると、スラブが膨張し、持ち上がり、歪み、ひび割れが生じるほか、周囲の壁に圧力がかかり、構造を著しく弱める動きを引き起こす可能性があります。
建物の基礎工事で頻繁に使用され、硫酸塩腐食を引き起こす充填材には次のようなものがあります。[2]
これらの材料は広く入手可能であったため、イングランド北西部で広く使用されており、炭鉱、製鉄所、鋳造所、発電所などの産業からの廃棄物でもありました。[2]
コンクリート中の石膏の過剰
コンクリート中に石膏が過剰に存在する場合、石膏は硫酸アルミン酸塩と反応してエトリンガイトを形成します。
C 3 A·3CŜ·H 12 + 2 CSH 2 + 16 H → C 3 A·3CŜ·H 32
薄い断面では、かなり明確な反応前線が観察されることがよくあります。反応前線より前のコンクリートは正常、またはほぼ正常です。反応前線の後ろでは、コンクリートの組成と微細構造が変化します。これらの変化は、種類や程度が異なりますが、一般的には次のような変化が見られます。
- 広範囲にわたる亀裂
- 拡大
- セメントペーストと骨材間の結合力の低下
- 硬化したセメントペーストの組成が変化し、モノ硫酸アルミネート相がエトリンガイトに変化し、後期には石膏が形成される。必要な追加のカルシウムは、セメントペースト中の水酸化カルシウムとケイ酸カルシウム水和物によって供給される。
これらの変更の影響として、コンクリートの全体的な強度が低下します。
上記の効果は、硫酸ナトリウムまたは硫酸カリウムの溶液による攻撃の典型的なものです。硫酸マグネシウムを含む溶液は、通常、同じ濃度であればより攻撃的です。これは、マグネシウムも反応に参加し、固体相のカルシウムを置き換えて、ブルーサイト（水酸化マグネシウム）とケイ酸マグネシウム水和物を形成するためです。置き換えられたカルシウムは、主に石膏として沈殿します。
硫酸塩の供給源
- 粘土層中の黄鉄鉱がコンクリートと接触して酸化すると、コンクリートと反応する硫酸が生成されます。
- 下水道内の細菌活動-導管内の水中に蓄積された有機物に富む汚泥内で嫌気性 硫酸還元が起こり、硫化水素ガス (H 2 S) が発生します。H 2 Sは坑道内の空気中に放出された後、大気中の酸素によってさらに硫酸に酸化されます。
- 石積みにおいては、粘土質材料中の黄鉄鉱の酸化によって生成された硫酸塩がレンガ中に存在することがある。硫酸塩は長期間にわたって徐々に放出され、特に水分移動によって硫酸塩が集中する場所ではモルタルの硫酸塩腐食を引き起こす。[4]
- 海水:硫酸塩は、塩化物に次いで海水中に存在する2番目の陰イオンです。
識別
硫酸塩による腐食は修復調査によって特定されますが、湿気の問題ではなく構造上の問題と考えられるため、湿気調査を行う際には見落とされがちですが、反応を促進するには湿気が必要です。[2]
構造物とその下の地形を目視および水平に検査することが、硫酸塩の問題を認識するための最初のステップです。充填物の種類と深さを特徴付けるには、探査用の穴が必要です。
建物の床下に水がある場合、壁の損傷や移動の程度に応じて、構造エンジニアに指示を出す必要があるかもしれません。[2]
是正措置
是正措置は、攻撃の重大度と、その進展に関連するリスクに応じて異なります。
損傷の程度により修理が必要な場合、影響を受けたスラブを解体して除去しなければならないことが多く、その残土を交換用スラブの下のハードコアとして使用してはならない。[2]
歴史と文学
硫黄が損傷の原因となることは古くから知られています。これは金属の腐食やコンクリートの劣化など多くの材料に当てはまります。『リア王』の中でシェイクスピアはこう言っています。[5]
地獄があり、暗闇があり、硫黄の穴
があり、燃え、焼け付くような、悪臭、消耗、 ひどい、ひどい、ひどい！
参照
参考文献
- ^ Lea, FM; Hewlett, PC (1998). Lea's chemistry of cement and concrete (第 4 版). ロンドン: Arnold. ISBN 0340565896. OCLC 38879581.
- ^ abcdef ドーソン、エイドリアン。「認定測量士」。オリンピック建設。2019年10月7日閲覧。
- ^ ab Tian, Bing; Cohen, Menashi D (2000 年1月)。「コンクリートへの硫酸塩攻撃中に石膏が形成されると膨張につながるか?」セメント・コンクリート研究。30 ( 1): 117–123。doi :10.1016/S0008-8846(99)00211-2。
- ^ 「コンクリートの硫酸塩腐食」Understanding-cement.com . 2015年3月3日閲覧。
- ^ Neville, Adam (2004-08-01). 「コンクリートに対する硫酸塩攻撃の混乱した世界」.セメントおよびコンクリート研究. 34 (8): 1275–1296. doi :10.1016/j.cemconres.2004.04.004. ISSN 0008-8846 . 2022年2月22日閲覧。