石膏巖區(qū)隧道襯砌混凝土侵蝕機(jī)理分析及配合比設(shè)計(jì)

唐清寬，王靜，吳銀亮

(1.中交路橋華南工程有限責(zé)任公司，廣東中山528400;2.東湖學(xué)院，湖北武漢430212; 3.中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北武漢430052)

石膏巖區(qū)隧道襯砌混凝土侵蝕機(jī)理分析及配合比設(shè)計(jì)

唐清寬1，王靜2，吳銀亮3

(1.中交路橋華南工程有限責(zé)任公司，廣東中山528400;2.東湖學(xué)院，湖北武漢430212; 3.中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北武漢430052)

從涼水井隧道石膏類圍巖的化學(xué)成分分析入手，通過(guò)水泥凈漿試驗(yàn)結(jié)合掃描電鏡測(cè)試，分析了石膏巖對(duì)隧道襯砌混凝土的侵蝕機(jī)理。當(dāng)石膏巖被誤作為混凝土集料時(shí)，在水泥與巖石的接觸面上產(chǎn)生了大量的鈣礬石，對(duì)接觸面直接產(chǎn)生破壞作用，降低了試塊強(qiáng)度。根據(jù)相關(guān)規(guī)范及規(guī)定，設(shè)計(jì)了高性能防腐蝕混凝土的配合比，并對(duì)該配合比進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果顯示礦物摻合料和纖維均能夠提高混凝土的強(qiáng)度并降低氯離子擴(kuò)散系數(shù)，改善其抗裂性能。

掃描電子顯微鏡 硫酸鹽侵蝕 配合比設(shè)計(jì) 隧道

從工程的安全角度考慮，在工程建設(shè)過(guò)程中應(yīng)盡量避開(kāi)石膏巖這類特殊巖石地段［1］，當(dāng)無(wú)法避免時(shí)就需要特別注意石膏巖溶蝕生成的硫酸根離子對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的外部侵蝕作用，以及將石膏巖誤作為混凝土骨料對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的內(nèi)部侵蝕作用。無(wú)論是哪種侵蝕，均會(huì)對(duì)混凝土產(chǎn)生一系列如結(jié)構(gòu)膨脹、強(qiáng)度降低、結(jié)構(gòu)破壞、性能劣化等破壞作用［2］。鑒于此，本文以宜巴高速?zèng)鏊淼罏檠芯繉?duì)象，通過(guò)掃描電子顯微鏡(SEM)成像方法［3］，分析硫酸鹽對(duì)隧道混凝土的侵蝕機(jī)理［4］，并針對(duì)建設(shè)在石膏巖區(qū)的隧道專門(mén)設(shè)計(jì)了高性能混凝土配合比，這種配合比的混凝土能有效防止石膏巖溶蝕生成的硫酸根離子對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的破壞，對(duì)隧道安全運(yùn)營(yíng)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 石膏巖成分分析

涼水井隧道位于宜巴高速公路上，隧址區(qū)石膏類圍巖主要為三疊系嘉陵江組嘉二段至嘉五段海相沉積巖，礦物成分主要為石膏、硬石膏和白云石［5］，巖性主要為含膏質(zhì)白云巖、白云質(zhì)石膏巖、石膏巖以及硬石膏巖。

從涼水井隧道中出露的典型石膏類圍巖中取樣S1和S2，室內(nèi)進(jìn)行能譜分析，結(jié)果見(jiàn)表1。這些值與石膏巖中CaO的理論含量32.6%，SO3的理論含量46.5%十分接近，可判定隧道圍巖主要為石膏巖。

此外，為了更加準(zhǔn)確地了解石膏巖的化學(xué)成分及含量，將樣品S2干燥后磨成巖粉，在中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行化學(xué)成分全分析，結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 石膏巖樣能譜分析結(jié)果%

表2 石膏巖樣S2化學(xué)成分全分析結(jié)果%

2 石膏巖對(duì)混凝土侵蝕方式及侵蝕機(jī)理分析

2.1 石膏巖對(duì)混凝土的侵蝕方式

石膏巖對(duì)混凝土的侵蝕主要有以下兩種方式。

1)石膏巖溶蝕后使周圍水溶液中含有大量硫酸根離子，硫酸根離子擴(kuò)散進(jìn)入混凝土內(nèi)部與水泥水化的Ca(OH)2反應(yīng)再次生成石膏而結(jié)晶膨脹、與水化鋁酸鈣或單硫型水化硫鋁酸鈣(AFm)反應(yīng)生成膨脹性物質(zhì)三硫型水化硫鋁酸鈣(AFt)，使得混凝土發(fā)生膨脹開(kāi)裂，從而產(chǎn)生硫酸鹽侵蝕(外部侵蝕)，侵蝕等級(jí)為D級(jí)。

2)誤用含石膏巖的骨料配制混凝土?xí)r，骨料表面的石膏礦物將參與水泥的水化反應(yīng)，與水泥中的鋁酸鈣、鐵鋁酸鈣礦物反應(yīng)或與水化形成的水化鋁酸鈣或單硫型的水化硫鋁酸鈣(AFm)繼續(xù)反應(yīng)，形成膨脹性物質(zhì)三硫型水化硫鋁酸鈣(AFt)，骨料—漿體界面的膨脹應(yīng)力達(dá)到一定程度時(shí)將會(huì)開(kāi)裂，從而降低混凝土強(qiáng)度，這也是一種硫酸鹽侵蝕(內(nèi)部侵蝕)方式。

不論是何種侵蝕方式，發(fā)生的最基本的化學(xué)反應(yīng)及機(jī)理是一致的，故在此以內(nèi)部侵蝕為重點(diǎn)進(jìn)行水泥凈漿試驗(yàn)［6］。水泥凈漿試驗(yàn)是采用鋁酸鹽水泥(鋁酸三鈣含量高，加快反應(yīng)速度)制作凈漿試塊，并在試塊成形前將石膏巖塊埋入試塊內(nèi)部，觀察試塊碎裂狀況，并在試塊碎裂后提取石膏表面物質(zhì)進(jìn)行微觀測(cè)試，從而對(duì)石膏巖區(qū)混凝土侵蝕機(jī)理進(jìn)行分析。

2.2 石膏巖對(duì)混凝土的侵蝕機(jī)理分析

通過(guò)水泥凈漿試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)石膏巖與水泥接觸一段時(shí)間后，試塊的表面便出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象(見(jiàn)圖1)，將水泥內(nèi)包裹的石膏巖取出后，發(fā)現(xiàn)巖石表面附著了較多的膏狀物(見(jiàn)圖2)。

圖1 試塊崩裂狀況

圖2 試塊內(nèi)部石膏巖表面附著物

將石膏巖表面的膏狀物刮下后在掃描電鏡(SEM)下進(jìn)行微觀分析(見(jiàn)圖3)，可以看到明顯的鈣礬石針狀結(jié)晶，說(shuō)明鋁酸鹽水泥漿體與石膏接觸的表面生成了大量的鈣礬石，鈣礬石吸水膨脹而產(chǎn)生巨大的內(nèi)應(yīng)力致使試塊崩裂。

為了進(jìn)一步探討石膏巖作為混凝土集料對(duì)混凝土的侵蝕破壞作用，將試塊中混凝土與骨料接觸面進(jìn)行掃描電鏡測(cè)試。圖4很好地反映了石膏巖作為集料時(shí)試塊內(nèi)部大量生成鈣礬石的狀況。由于鈣礬石呈針狀結(jié)晶向四周伸展，自身也會(huì)膨脹變大，直接對(duì)骨料接觸面造成破壞，而骨料接觸面又是混凝土結(jié)構(gòu)中最脆弱的部位，膨脹率與強(qiáng)度的減少有直接關(guān)系，若膨脹發(fā)生在骨料接觸面這種關(guān)鍵部位則會(huì)對(duì)試塊的整體強(qiáng)度產(chǎn)生更大的影響。

圖3 石膏巖表面附著物SEM圖片(×2 000倍)

圖4 試塊與石膏巖集料接觸面SEM圖片(×2 000倍)

3 隧道二次襯砌高性能防腐蝕混凝土配合比設(shè)計(jì)及驗(yàn)證

3.1 隧道二次襯砌混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)要求

依據(jù)相關(guān)規(guī)范［7-10］對(duì)隧道二次襯砌混凝土耐久度方面的建議及規(guī)定，對(duì)高性能防腐混凝土配合比進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，水灰比不大于0.42，選用高抗硫酸鹽水泥，摻加Ⅰ級(jí)粉煤灰或S95級(jí)礦渣粉，摻量20%～40%，混凝土強(qiáng)度等級(jí)提高至C35，抗?jié)B等級(jí)S12、氯離子擴(kuò)散系數(shù)(28 d齡期時(shí)采用非穩(wěn)態(tài)氯離子快速遷移試驗(yàn)方法(RCM法)測(cè)試)宜≤5×10－12m2/s，膠凝材料抗硫酸鹽侵蝕系數(shù)宜≥12，鋼筋保護(hù)層厚度提高至40 mm。

3.2 高性能防腐蝕混凝土配合比設(shè)計(jì)

根據(jù)上述建議及規(guī)定，采用42.5普通硅酸鹽水泥或高抗硫酸鹽水泥、S95級(jí)礦渣粉和Ⅰ級(jí)粉煤灰作為膠凝材料，礦渣粉和粉煤灰摻量為20%～40%，并在30%礦渣粉摻量下加入聚丙烯纖維［11］和聚酯纖維［12］，具體配合比設(shè)計(jì)如表3所示。表中，OPC表示試驗(yàn)所用水泥為42.5普通硅酸鹽水泥，除OPC外其它配比均釆用42.5高抗硫酸鹽水泥。F20～F40表示粉煤灰摻量為20%～40%，K20～K40表示礦渣粉摻量為20%～40%，JZ表示在30%礦渣粉摻量下?lián)郊泳埘ダw維，JBX表示在30%礦渣粉摻量下?lián)郊泳郾├w維。

表3 石膏圍巖中高性能防腐蝕混凝土配合比設(shè)計(jì)

3.3 高性能防腐蝕混凝土設(shè)計(jì)配合比試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)上述設(shè)計(jì)配合比，按標(biāo)準(zhǔn)方法成型試件并養(yǎng)護(hù)，測(cè)定7 d和28 d的強(qiáng)度以及28 d的氯離子擴(kuò)散系數(shù)，結(jié)果如表4所示?？梢?jiàn)，摻礦物摻合料的混凝土在強(qiáng)度方面有很大優(yōu)勢(shì)，礦渣粉和粉煤灰對(duì)氯離子擴(kuò)散系數(shù)的影響差別不大，摻入兩種合成纖維后氯離子擴(kuò)散系數(shù)進(jìn)一步下降，同時(shí)也可以改善抗裂性。

表4 設(shè)計(jì)配合比試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果

4 結(jié)論

本文從涼水井隧道石膏類圍巖的化學(xué)成分分析入手，通過(guò)水泥凈漿試驗(yàn)并結(jié)合掃描電鏡測(cè)試，分析了石膏巖對(duì)隧道混凝土的侵蝕機(jī)理。發(fā)現(xiàn)當(dāng)石膏巖被誤作為混凝土集料時(shí)，在水泥與巖石的接觸面上產(chǎn)生了大量的鈣礬石，呈針狀結(jié)晶向四周伸展。其膨脹特性會(huì)對(duì)接觸面產(chǎn)生破壞作用，降低試塊強(qiáng)度。

根據(jù)相關(guān)規(guī)范的建議及規(guī)定，設(shè)計(jì)了高性能防腐蝕混凝土的配合比，并對(duì)該配合比進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果顯示礦物摻合料和纖維均能夠提高混凝土的強(qiáng)度并降低氯離子擴(kuò)散系數(shù)，同時(shí)改善其抗裂性能。

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(責(zé)任審編葛全紅)

TU451

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.06.19

1003-1995(2015)06-0072-03

2014-12-10;

2015-04-19

唐清寬(1964—)，男，陜西蒲城人，高級(jí)工程師。