某隧洞工程襯砌混凝土軟骨料成因分析與影響評(píng)價(jià)

顧培英，湯 雷，趙明志，鄧 昌

(1.南京水利科學(xué)研究院，江蘇南京 210029;2.水利部水科學(xué)與水工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210029;3.天津市引灤工程隧洞管理處，河北遷西 064300)

北方某無(wú)壓輸水隧洞工程已運(yùn)行近30 a，隧洞長(zhǎng)12 km左右。2003年工程管理部門(mén)發(fā)現(xiàn)約8%長(zhǎng)度范圍內(nèi)的部分襯砌混凝土邊墻及底板表面較大范圍內(nèi)出現(xiàn)白色坑點(diǎn)，露出白色軟石子骨料，用指甲即可刮除，并且該現(xiàn)象逐年加劇，本文將這些軟石子骨料簡(jiǎn)稱(chēng)為軟骨料。管理部門(mén)擔(dān)心軟骨料現(xiàn)象是某種化學(xué)反應(yīng)，若軟骨料增多，則會(huì)影響結(jié)構(gòu)安全。根據(jù)水工混凝土建筑物結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和所處工作環(huán)境的不同，其常見(jiàn)病害主要包括裂縫、凍脹、沖磨、空蝕、碳化、溶蝕、侵蝕和堿骨料反應(yīng)等［1-2］。由于本工程的水質(zhì)沒(méi)有腐蝕性，水流流速和混凝土碳化正常，隧洞內(nèi)部溫度在12～14℃之間，不具備凍脹條件，也不具備堿骨料反應(yīng)破壞特征［3-4］，所以軟骨料現(xiàn)象不屬于上面所述的常見(jiàn)病害。為查清隧洞局部段白色坑點(diǎn)的病害成因，本研究首先對(duì)襯砌混凝土的表面軟骨料分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析;然后選擇有代表性的位置進(jìn)行取樣，進(jìn)而開(kāi)展襯砌混凝土試件的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn);再利用抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)后的試件對(duì)內(nèi)部軟骨料分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。另外分別對(duì)試件中所提取的軟骨料或疑似軟骨料、正常石子骨料進(jìn)行X射線衍射(XRD)試驗(yàn)和巖相分析，得到襯砌混凝土軟骨料的礦物成分，在此基礎(chǔ)上對(duì)襯砌混凝土病害影響程度及其安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 襯砌混凝土軟骨料分布統(tǒng)計(jì)分析

1.1 表面軟骨料分布

襯砌混凝土表面軟骨料的典型表象如圖1所示。分別對(duì)隧洞左右邊墻和底板的表面軟骨料分布情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見(jiàn)表1。分析表1可知，每平方米襯砌混凝土表面平均有1～2個(gè)軟骨料;相對(duì)于邊墻而言，底板的軟骨料數(shù)量較多;軟骨料粒徑基本在2～3 cm之間，符合石子骨料粒徑的實(shí)際情況。

圖1 襯砌混凝土表面軟骨料的典型表象Fig.1 Typical appearance of soft aggregate on lining concrete surface

表1 襯砌混凝土表面軟骨料分布統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 1 Distribution of soft aggregates on lining concrete surface

1.2 內(nèi)部軟骨料分布

在隧洞10個(gè)表面軟骨料處鉆取芯樣，共制作29個(gè)試件進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。在抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)后，分別人工提取試件中的軟骨料或疑似軟骨料、正常石子骨料，稱(chēng)量?jī)深?lèi)石子骨料各自的質(zhì)量，并加以統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 試件軟骨料質(zhì)量分?jǐn)?shù)及抗壓強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 2 Statistical results of contents of soft aggregates and compression strengths of concrete core samples

分析表2可知，除個(gè)別試件外，隧洞工程大多數(shù)軟骨料質(zhì)量分?jǐn)?shù)均較小，呈隨機(jī)分布，無(wú)明顯規(guī)律，其平均值由表及里依次為2.5%、4.4%、2.9%、1.8%，軟骨料質(zhì)量分?jǐn)?shù)的總體平均值為3.2%。試件F8－3、F8－4的軟骨料質(zhì)量分?jǐn)?shù)較大，主要是因?yàn)椴糠忠伤栖浌橇媳话诖髩K石子骨料中，提取軟骨料較困難，而該大塊石子骨料本身強(qiáng)度并不低，所謂軟骨料其實(shí)包含了較多的正常石子骨料，所以這兩個(gè)試件的軟骨料質(zhì)量分?jǐn)?shù)偏大。值得一提的是，由于取樣點(diǎn)位于軟骨料處且提取軟骨料困難，疑似軟骨料中夾帶了大量質(zhì)量較好的正常石子骨料，所以，軟骨料質(zhì)量分?jǐn)?shù)的實(shí)際值應(yīng)該小于3.2%。大多數(shù)正常石子骨料為青色，少量為肉色，內(nèi)部軟骨料情況如圖2所示。

圖2 內(nèi)部軟骨料情況Fig.2 Soft aggregates inside concrete

2 襯砌混凝土試件抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

采用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，依據(jù)SL 352—2006《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》［5］進(jìn)行襯砌混凝土試件的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可知，試件的抗壓強(qiáng)度平均值由表及里依次為34.4 MPa、36.9 MPa、32.4 MPa、32.8 MPa，抗壓強(qiáng)度的總體平均值為34.5 MPa，試件的表、里抗壓強(qiáng)度平均值變化不大。

混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C20的是F1－1～F3－2，共3個(gè)芯樣7個(gè)試件，其抗壓強(qiáng)度最大值為43.8 MPa，最小值為19.5 MPa，平均值為30.8 MPa。根據(jù)GB/T50107—2010《混凝土強(qiáng)度檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》，樣本容量小于10組，采用非統(tǒng)計(jì)方法評(píng)定混凝土抗壓強(qiáng)度［6］，試件平均抗壓強(qiáng)度比標(biāo)準(zhǔn)值高54.0%，大于規(guī)范要求的15%;最小值為標(biāo)準(zhǔn)值的97.5%，大于規(guī)范要求的95%。

混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C25的是F4－1～F10－1，共7個(gè)芯樣22個(gè)試件，其抗壓強(qiáng)度最大值為44.5 MPa，最小值為25.3 MPa，平均值為35.7 MPa。試件的平均抗壓強(qiáng)度比標(biāo)準(zhǔn)值高42.8%，最小值為標(biāo)準(zhǔn)值的101.2%，均大于規(guī)范要求。

通過(guò)上述分析可知，隧洞軟骨料處的襯砌混凝土試件的抗壓強(qiáng)度均大于設(shè)計(jì)要求，軟骨料現(xiàn)象并未削弱襯砌混凝土的抗壓強(qiáng)度。

3 骨料XRD試驗(yàn)和巖相結(jié)構(gòu)分析

XRD試驗(yàn)是指通過(guò)分析衍射圖譜，獲得材料的礦物成分以及原子或分子的結(jié)構(gòu)形態(tài)等信息的研究手段，目前已在許多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用［7－8］。本文分別對(duì)3組典型的襯砌混凝土石子骨料樣品進(jìn)行XRD試驗(yàn)，分析其礦物成分，并進(jìn)行正交偏光顯微鏡巖相結(jié)構(gòu)分析［9－10］。3組石子骨料樣品分別為青色石子骨料、肉色石子骨料和軟骨料。

由骨料樣品衍射圖譜可知，青色石子骨料的礦物成分主要是白云石和極少量的石英;肉色石子骨料的主要成分是白云石和一定量的長(zhǎng)石，還有少量的石英;軟骨料的主要成分是白云石和一定量的石英，還有少量石灰石和伊利石。

巖相晶體如圖3所示，在青色石子骨料中觀察到粗大的白云石晶體，沒(méi)有觀察到其他礦物成分;在肉色石子骨料中觀察到粗大的白云石晶體和一定量的長(zhǎng)石晶體，還存在大量細(xì)小的白云石晶體;在軟骨料中觀察到細(xì)小的白云石晶體和石英晶體，還有微晶質(zhì)石英。白云石表象為青色石子與肉色石子，在巖相顯微鏡下青色石子結(jié)晶粗大，肉色石子結(jié)晶細(xì)密并含一定量的長(zhǎng)石，伊利石表象為灰白色石子，巖相顯微鏡下難以觀察到伊利石。

4 軟骨料成因分析及影響評(píng)價(jià)

4.1 軟骨料成因分析

根據(jù)前述的XRD試驗(yàn)和巖相分析結(jié)果可知，石子骨料的主要成分是白云石，另有少量的伊利石和極少量的長(zhǎng)石、石英、石灰石等。結(jié)合襯砌混凝土的病害表象，軟骨料的成分主要是伊利石，軟骨料現(xiàn)象主要是由少量的伊利石引起的。在試件內(nèi)挑出的石子中，軟骨料或疑似軟骨料的數(shù)量極少，且它們很難以整塊形式存在。文獻(xiàn)［11］表明，伊利石是一種類(lèi)似云母且有層狀結(jié)構(gòu)的黏土礦物，常由白云母、鉀長(zhǎng)石風(fēng)化形成，或由其他礦物蝕變形成，其外觀為白色或灰白色，含雜質(zhì)較多的呈灰色或黑色，具有土狀、性脆、易碎、光滑、質(zhì)地細(xì)膩等特性，莫氏硬度為1～2。本隧洞工程的襯砌混凝土軟骨料是當(dāng)初施工時(shí)混雜于白云石骨料中的軟弱伊利石，經(jīng)過(guò)工程近30a的運(yùn)行，混凝土表層砂漿在常年水流沖刷作用下逐漸被破壞，混凝土骨料裸露，具有層狀結(jié)構(gòu)的伊利石性脆、易碎、硬度低，最先遭受破壞，直接表現(xiàn)為白色坑點(diǎn)現(xiàn)象。由于底板水流沖刷比邊墻嚴(yán)重，所以底板表面的軟骨料數(shù)量相對(duì)較多，這與前面的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果相吻合。

圖3 巖相晶體Fig.3 Lithofacies map

白云石和伊利石都是在漫長(zhǎng)的地質(zhì)演變過(guò)程中形成的巖石，在目前工況下不可能發(fā)生白云石轉(zhuǎn)化為伊利石的情況，即不會(huì)出現(xiàn)軟骨料增多現(xiàn)象，不會(huì)影響混凝土結(jié)構(gòu)安全。襯砌混凝土表面軟骨料逐年增多是由于隨著工程運(yùn)行年限的延長(zhǎng)，在水流沖刷作用下，混凝土表層剝落并造成薄弱的伊利石骨料逐漸顯露，但軟骨料的總體數(shù)量是有限的。此外，混凝土骨料發(fā)生固態(tài)化學(xué)反應(yīng)的幾率極小，只有在高溫或強(qiáng)酸、強(qiáng)堿等環(huán)境下才會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)［12－13］，而隧洞的內(nèi)部溫度在12～14℃之間，地下水的水質(zhì)指標(biāo)遠(yuǎn)低于弱腐蝕標(biāo)準(zhǔn)，其沒(méi)有腐蝕性，因此可以判斷襯砌混凝土骨料不具備化學(xué)反應(yīng)的條件。另外，襯砌混凝土軟骨料分布統(tǒng)計(jì)分析表明，除混凝土表面存在軟骨料現(xiàn)象外，其內(nèi)部雖然與外界水、空氣隔絕，但也存在軟骨料現(xiàn)象，同樣說(shuō)明當(dāng)初施工時(shí)混凝土中就存在伊利石骨料。

4.2 影響評(píng)價(jià)

隧洞工程襯砌混凝土內(nèi)部軟骨料分布統(tǒng)計(jì)分析表明，大多數(shù)軟骨料質(zhì)量分?jǐn)?shù)均較小，呈隨機(jī)分布，無(wú)明顯規(guī)律，軟骨料質(zhì)量分?jǐn)?shù)的總體平均值為3.2%，實(shí)際值小于3.2%。隧洞襯砌混凝土試件的抗壓強(qiáng)度均大于設(shè)計(jì)要求，軟骨料現(xiàn)象并未削弱襯砌混凝土的抗壓強(qiáng)度。對(duì)試件中提取的疑似軟骨料質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行分析，其數(shù)量的多少與襯砌混凝土的抗壓強(qiáng)度沒(méi)有明顯的關(guān)系。由此可以推斷，當(dāng)初施工時(shí)骨料中混雜的軟骨料數(shù)量相當(dāng)有限，至少?zèng)]有對(duì)混凝土的整體強(qiáng)度產(chǎn)生明顯的、直接的影響。

綜上所述，隧洞襯砌混凝土中軟骨料所占比例較小，不會(huì)明顯影降低襯砌混凝土的抗壓強(qiáng)度，若對(duì)襯砌混凝土表面加以處理，將會(huì)避免白色坑點(diǎn)現(xiàn)象的加劇發(fā)生。

5 結(jié) 語(yǔ)

每平方米襯砌混凝土表面平均有1～2個(gè)軟骨料，內(nèi)部軟骨料質(zhì)量分?jǐn)?shù)較小，其總體平均值為3.2%，呈隨機(jī)分布。混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C20、C25的試件平均抗壓強(qiáng)度分別比標(biāo)準(zhǔn)值高54.0%、42.8%，最小值分別為標(biāo)準(zhǔn)值的97.5%、101.2%，抗壓強(qiáng)度均大于設(shè)計(jì)要求。骨料的XRD試驗(yàn)和巖相結(jié)構(gòu)分析表明石子骨料成分主要是白云石，另有少量的伊利石和極少量的長(zhǎng)石、石英、石灰石等，軟骨料的成分主要是伊利石。

軟骨料是當(dāng)初施工時(shí)在料場(chǎng)石子中混入的少量伊利石，其總體數(shù)量有限。隨著隧洞運(yùn)行年限的延長(zhǎng)，在水流沖刷作用下，襯砌混凝土表層剝落并造成薄弱的伊利石骨料逐漸顯露。由于襯砌混凝土中軟骨料所占比例較小，不會(huì)明顯影響襯砌混凝土抗壓強(qiáng)度，若對(duì)襯砌混凝土表面加以處理，將會(huì)避免軟骨料暴露現(xiàn)象的加劇發(fā)生。

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