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泛碱的形成机理和预防措施

在干混砂浆工业中，泛碱造成水泥基材料褪色而影响美观性的现象是一个大家普遍关心的问题。本文对泛碱现象进行了综合论述，详细描述了泛碱的机理和泛碱的影响因素，并重点讨论了外墙彩色砂浆的泛碱问题。大部分泛碱的临界条件是低温和高湿，人们采用许多不同的试验过程对泛碱进行模拟。我们开发了一种特殊的“双室气候箱”来评价泛碱现象。作者对采用最新开发的一种抗泛碱产品改性的彩色抹灰砂浆所进行的试验证实了这一评价方法的有效性。1.引言泛碱是由于盐分沉积在矿物建筑材料如混凝土、砂浆或砖墙的表面引起的。在建筑行业这是一个大家所熟知的问题，早在19世纪人们就已经大量描述了砌筑墙体的泛碱现象。目前，泛碱对于装饰砂浆如彩色抹灰砂浆和瓷砖填缝剂而言依然是一个令人头痛的问题。泛碱通常不会造成砂浆明显的破坏，而主要是影响产品的感官质量。泛碱经常在建筑物投入使用后的很短时间内产生，此时正是工人、建筑师和业主对新建筑物外观质量最关心的时候。特别是当彩色砂浆的颜色较深时，表面形成的白斑会引起对比度强烈的不规则斑痕。泛碱在大部分情况下是由于多孔建筑材料中的水溶性组份随孔隙水迁移到表面引起的。当传输媒质蒸发时，溶解在水中的组份沉淀后就会在材料表面形成盐的堆积物。泛碱的形成与环境有关，很难完全消除。一些处理方法如酸洗只能暂时解决问题，泛碱在经过一段时间后常常再次出现。表1列出了矿物建筑材料最常见的泛碱形式。我们的研究集中在CaCO3形成方面，因为它是装饰砂浆表面如彩色抹灰、填缝剂或饰面层产生泛碱最典型的原因。尽管大家对泛碱的主要担心来自于装饰表面的美观性，但其它类型的砂浆如瓷砖胶或自流平垫层砂浆也会出现同样的问题，因为形成CaCO3薄壳即碳化的原理是一样的。如果碳化反应发生在最初阶段，就会影响到硬化砂浆的表面性能以及最终的划伤硬度或粘结性能。表1：泛碱物质的化学组成和来源（Henning和Knöfel1997）
化学组成来源Ca(OH)2从混凝土和砂浆中析出。CaSO4.2H2O碱性硫酸盐与石灰类物质反应；SO2与空气中的湿气反应形成H2SO3。MgSO4.nH2O如果使用海水作为拌合水。CaCl2.nH2O如果在混凝土或砂浆中作为抗冻剂使用。MgCl2.nH2O如果使用海水作为拌合水。CaCO3Ca(OH)2与空气中的CO2反应。KCl,NaCl来自除冰盐。Ca(NO3)2.nH2O如果含N的有机物分解并进一步与Ca2+反应。图1：出现泛碱现象的水泥基抹灰砂浆2.泛碱的典型形成机理当盐分溶解在孔隙水中并迁移到砂浆表面沉淀下来时，就会出现泛碱现象。砂浆中的孔隙一定不会完全被水充满，即使附着在孔壁上的水膜层较薄也足以使图2所示的反应发生。在波特兰水泥基材料中CaCO3是形成泛碱的最典型相。波特兰水泥的水化产物氢氧化钙溶解于附着在孔壁上的水膜层中形成Ca2＋和OH－。大气中的CO2气体扩散到孔隙中，并溶解在上述同一水膜层中，部分形成碳酸（H2CO3）。随后发生的炭化即氢氧化钙和碳酸之间的中和反应形成了几乎不溶解的CaCO3（图2）沉淀。水泥基材料空气水膜层图2：水泥基系统中CaCO3的形成简图。温度、湿度和风对泛碱有显著影响。一般来说泛碱是季节性问题，大部分情况下在冬季出现，因为在此季节(i)水的蒸发速度变慢使盐分可以迁移到砂浆的表面以及(ii)低温使水在砂浆表面产生冷凝。泛碱基本上可以分为两种类型即初次泛碱和二次泛碱。初次泛碱施工数天或数周后在砂浆的凝结和硬化过程中发生，原因或者是由于砂浆中多余水分向外面的迁移或者是由于苛刻的气候条件（低温、高湿）引起了如上所述的碳化反应（图2）。二次泛碱可以在施工数年后发生，原因是由于砂浆与水接触如湿气冷凝或者水的渗透，处于干湿循环状态下的砂浆就是一个例子。二次泛碱所发生的反应与初次泛碱是一样的，但它所产生的斑痕常常比后者更加不均匀（Bensted，2000）。3.实验室测试泛碱的方法可以找到测试砖类材料泛碱危险性的工业标准（ASTMC67或CSAA82.2），但对彩色砂浆还没有类似的标准。这说明泛碱试验在建筑工业中很难有统一的方法。笔者所知的所有关于泛碱的测试基本上采用以下三个方法进行：(1)将砂浆表面润湿（如喷水）然后干燥来模拟室外雨水、飞溅水或雾的冷凝水的影响。试验过程可以在水箱或室外通过多次干湿循环重复进行。图3：产生CaCO3泛碱的彩色砂浆表面的反射光显微照片。注意在图中大孔隙的边缘形成了大量的CaCO3沉淀物。在该孔隙的外缘没有出现泛碱。从该孔隙进一步向外观察（照片左侧），泛碱产物形成小的团块（小于100mm）堆积在小孔隙的出口位置。菱形矿物为典型的方解石晶体，是最常见的CaCO3（Cc）。
(2)将砂浆样品的下半部分浸入到水中（参见Ritchie，1960）或放置在吸了水的海绵上（参见Constanti