西南某隧道襯砌混凝土中的硫酸鹽腐蝕破壞分析及對(duì)策

姜　騫， 石　亮， 劉建忠， 穆　松

(1. 江蘇蘇博特新材料股份有限公司， 江蘇 南京　211103；2. 高性能土木工程材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 南京　210008)

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西南某隧道襯砌混凝土中的硫酸鹽腐蝕破壞分析及對(duì)策

姜騫1,2， 石亮1,2， 劉建忠1,2， 穆松1,2

(1. 江蘇蘇博特新材料股份有限公司， 江蘇 南京211103；2. 高性能土木工程材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 南京210008)

為掌握實(shí)際服役條件下隧道結(jié)構(gòu)襯砌混凝土的硫酸鹽腐蝕劣化特征與機(jī)制，通過對(duì)西南某隧道襯砌混凝土樣品的力學(xué)、耐久性能測試以及微觀分析，發(fā)現(xiàn)該隧道混凝土所遭受的腐蝕破壞由硫酸鹽侵蝕造成，且腐蝕破壞程度嚴(yán)重。腐蝕產(chǎn)物類型與混凝土所處位置相關(guān)，在襯砌表層和開裂、剝落的混凝土中腐蝕產(chǎn)物主要以鈣礬石和石膏為主，在襯砌與地面交接處的糊狀混凝土中則以碳硫硅鈣石為主。分析結(jié)果表明：混凝土自身密實(shí)性不足和其使用大量石灰石原料是出現(xiàn)嚴(yán)重腐蝕破壞的主要原因。建議從混凝土原材料組成優(yōu)選、配合比設(shè)計(jì)、施工養(yǎng)護(hù)和表層防護(hù)等多方面來提高隧道襯砌混凝土抗硫酸鹽侵蝕破壞能力。

隧道； 襯砌混凝土； 硫酸鹽腐蝕

0　引言

伴隨著西部大開發(fā)和“一帶一路”建設(shè)國家戰(zhàn)略的推進(jìn)落實(shí)，我國將繼續(xù)加大西部十二省份公路、鐵路等基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，而基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中隧道所占比重越來越大，如何解決新建隧道結(jié)構(gòu)的耐久性問題，已經(jīng)成為諸多專家和學(xué)者研究的重要課題。我國西部，尤其是西南地區(qū)山脈綿延，公路、鐵路隧道眾多，經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，該地區(qū)大量隧道混凝土結(jié)構(gòu)常處于含有硫酸鹽的土壤或地下水中[1]，易出現(xiàn)混凝土劣化、開裂等病害，給隧道長期服役和行車安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅[2]。三叉嶺隧道[3]、烏鞘嶺隧道[4]、六盤山隧道[5]、十字埡隧道[6]、杭蘭線宜巴段隧道[7]和金雞關(guān)隧道[8]等工程均處于典型的硫酸鹽侵蝕環(huán)境中，部分工程甚至已經(jīng)出現(xiàn)了嚴(yán)重的硫酸鹽腐蝕破壞[5-8]。

通常，隧道工程的硫酸鹽腐蝕破壞包括物理結(jié)晶侵蝕作用和化學(xué)侵蝕作用2類，其中化學(xué)侵蝕作用又包含鈣礬石型、石膏型和碳硫硅鈣石型腐蝕破壞[1]。按作用機(jī)制還可將硫酸鹽侵蝕類型分為膨脹型和腐蝕型，其中膨脹型破壞腐蝕已被廣為人知，在工程中已有足夠的預(yù)防措施，通常采用抗硫酸鹽水泥、控制水灰比等措施，并且使混凝土密實(shí)成型，就可以有效防止膨脹型腐蝕的發(fā)生[9]。然而，事實(shí)已證明，碳硫硅鈣石與鈣礬石在結(jié)構(gòu)和XRD(X-ray Diffraction，即X射線衍射)圖譜上非常接近，在實(shí)際工程中很容易將碳硫硅鈣石型侵蝕誤認(rèn)為是鈣礬石型侵蝕而采用常規(guī)防治措施，且這些措施并不能有效防止碳硫硅鈣石型腐蝕的發(fā)生[10]，甚至可能適得其反[11]。

由此可見，準(zhǔn)確分析襯砌混凝土的腐蝕特征與機(jī)制，是判斷腐蝕程度并提出病害整治技術(shù)方案的前提。在實(shí)際工程中，因接觸腐蝕介質(zhì)的形式存在差異，可能會(huì)導(dǎo)致即使是同一隧道工程，襯砌的不同部位發(fā)生的硫酸鹽腐蝕種類并不一致。本文選取我國西南地區(qū)某遭硫酸鹽侵蝕嚴(yán)重的隧道襯砌混凝土工程為研究對(duì)象，該隧道全長約7 km，設(shè)計(jì)為雙向4車道，隧道襯砌采用模板澆筑，設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C25，通車僅一年半(2013年11月全線通車)就出現(xiàn)襯砌混凝土剝落、地面翹曲變形等現(xiàn)象。課題組于2015年12月通過現(xiàn)場實(shí)地調(diào)研和取樣分析，深入研究隧道襯砌不同部位受硫酸鹽環(huán)境腐蝕的規(guī)律與形成機(jī)制。

1　調(diào)研取樣說明

1.1地下水

在隧道襯砌混凝土劣化區(qū)域內(nèi)的2處地下水滲涌位置取水，密封保存并帶回實(shí)驗(yàn)室測試，分析其中的主要化學(xué)成分。地下水取樣如圖1所示。

圖1　地下水取樣

1.2混凝土芯樣

在隧道全線出現(xiàn)明顯混凝土劣化區(qū)域內(nèi)每間隔約100 m選取5個(gè)不同位置(分別位于隧道118 860、118 960、119 050、119 240、119 330 m處)，并分別在同一位置距離地面30、80、130 cm處鉆芯取樣(如圖2所示)，試樣加工成φ100 mm×100 mm的圓柱體試件。取芯后將試樣密封包裝，運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室，用于測試抗壓強(qiáng)度、氯離子擴(kuò)散系數(shù)和碳化深度。

抗壓強(qiáng)度與氯離子擴(kuò)散系數(shù)參照GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中的相關(guān)規(guī)定測試。碳化深度測試則是在鉆芯試塊側(cè)面噴1%的酚酞酒精溶液后30 s，沿側(cè)面每隔10 mm測出各點(diǎn)變色深度，取平均值為碳化深度。

圖2　鉆芯取樣

1.3微觀試樣

在隧道全線出現(xiàn)明顯混凝土劣化區(qū)域內(nèi)選取不同破壞特征的混凝土試樣(如表1所示)，密封保存并帶回實(shí)驗(yàn)室，分別真空干燥后研磨至通過80 μm篩，分析其中的主要腐蝕產(chǎn)物。

表1　隧道襯砌混凝土典型劣化特征

XRD采用美國賽默飛公司的X射線衍射儀，選擇Cu靶輻射，掃描角度和速率分別為5～70°和2 °/min。紅外測試采用美國賽默飛公司Nicolet Avatar 370型傅里葉紅外光譜儀(FT-IR)。測試前需將混凝土粉末與0.2%～1.0%的溴化鉀混合壓片。

2　取樣結(jié)果分析

2.1 水質(zhì)分析

依據(jù)SL 352—2006《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》的相關(guān)規(guī)定，對(duì)水樣中的氯離子、硫酸根離子含量以及其他成分進(jìn)行了檢測，并根據(jù)GB/T 50476—2008《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》，對(duì)水樣的腐蝕等級(jí)進(jìn)行了劃分。測試分析結(jié)果如表2所示。

表2　地下水樣測試結(jié)果及腐蝕等級(jí)

根據(jù)測試分析結(jié)果可知，該隧道所處位置地下水中含有較多的硫酸鹽類物質(zhì)，按GB/T 50476—2008中的分類，屬于中等—嚴(yán)重化學(xué)腐蝕環(huán)境，即使按中等腐蝕設(shè)計(jì)，混凝土強(qiáng)度等級(jí)也應(yīng)大于C40，而該隧道襯砌混凝土強(qiáng)度等級(jí)僅達(dá)到C25。

2.2混凝土性能測試分析

2.2.1芯樣強(qiáng)度

鉆芯試塊抗壓強(qiáng)度測試結(jié)果如圖3所示。從圖3可以發(fā)現(xiàn)，劣化區(qū)域內(nèi)的混凝土試塊抗壓強(qiáng)度幾乎均小于25 MPa，劣化最嚴(yán)重的混凝土試塊，強(qiáng)度僅不足15 MPa。此外，混凝土取芯強(qiáng)度出現(xiàn)隨著距離地面高度的降低而逐漸減小的趨勢(shì)，表明越接近地下水的位置，混凝土劣化程度越嚴(yán)重，這一現(xiàn)象也與隧道內(nèi)襯砌混凝土表觀破壞程度相吻合。

圖3　混凝土芯樣強(qiáng)度

2.2.2碳化深度

在鉆芯取樣試塊表面噴涂酚酞試劑測試其碳化深度，測試結(jié)果如圖4所示。在取芯區(qū)域內(nèi)，絕大部分位置的混凝土均發(fā)生了嚴(yán)重的碳化，碳化深度幾乎均大于10 mm，碳化最嚴(yán)重處高達(dá)30 mm以上。襯砌混凝土發(fā)生了嚴(yán)重的碳化現(xiàn)象，除了與其自身強(qiáng)度等級(jí)偏低、密實(shí)性較差有關(guān)外，還與隧道內(nèi)部CO2濃度偏高密切相關(guān)。

圖4　混凝土碳化深度

2.2.3氯離子擴(kuò)散系數(shù)

圖5是5個(gè)鉆芯位置最接近地面處試塊(即劣化最嚴(yán)重處)的氯離子擴(kuò)散系數(shù)結(jié)果。試驗(yàn)結(jié)果表明，選取的所有試塊的抗氯離子滲透性能均較差，部分試塊在試驗(yàn)中甚至因密實(shí)性較差而出現(xiàn)氯離子直接穿透的現(xiàn)象。

圖5　混凝土試塊氯離子擴(kuò)散系數(shù)

2.2.4微觀分析

為了進(jìn)一步分析混凝土劣化的規(guī)律和腐蝕機(jī)制，對(duì)現(xiàn)場搜集的5種典型劣化特征處的混凝土試樣(見表1)進(jìn)行XRD和FT-IR測試，分析腐蝕產(chǎn)物的組成。

XRD圖譜結(jié)果如圖6所示。該隧道襯砌混凝土破壞主要屬于硫酸鹽腐蝕，表面混凝土開裂、剝落等試樣中的腐蝕產(chǎn)物主要以鈣礬石和石膏為主，其中剝落的白色粉末以石膏為主；然而，在接近地下水位置的混凝土出現(xiàn)糊狀破壞，糊狀產(chǎn)物中除了含有石膏以外，還有大量的碳硫硅鈣石，表明該隧道襯砌混凝土同時(shí)發(fā)生了鈣礬石、石膏型膨脹破壞和碳硫硅鈣石型腐蝕破壞。

(a) 掃描角度為5～70°

(b) 掃描角度為5～20°

XRD圖譜中碳硫硅鈣石往往與鈣礬石出峰位置重疊度較高，可能會(huì)出現(xiàn)誤判。結(jié)合生成碳硫硅鈣石產(chǎn)物將導(dǎo)致C-S-H凝膠中的硅氧四面體向硅氧八面體轉(zhuǎn)變[12]這一現(xiàn)象，為進(jìn)一步確定糊狀腐蝕產(chǎn)物的種類，取XRD測試剩余的試樣進(jìn)行FT-IR分析[13]?；炷猎嚇痈道锶~紅外圖譜如圖7所示。從圖7可以發(fā)現(xiàn)，紅外圖譜中5#試樣(即糊狀試樣)在500、671、750 cm-1位置處均出現(xiàn)了明顯的六配位[Si(OH)6]2-，因此，可以斷定該隧道襯砌混凝土在接近地下水位置附近發(fā)生了碳硫硅鈣石型硫酸鹽破壞。

圖7　混凝土試樣傅里葉紅外圖譜

此外，從現(xiàn)場取樣的混凝土中取出少量骨料，洗凈后放入稀鹽酸中，出現(xiàn)起泡現(xiàn)象，結(jié)合XRD分析結(jié)果，不管是否發(fā)生碳化，混凝土中均含有大量的碳酸鈣晶體。發(fā)生碳硫硅鈣石型破壞的必要條件之一即是存在可供反應(yīng)的碳酸鹽[14]，而該隧道地處我國西南地區(qū)，骨料資源匱乏，絕大多數(shù)混凝土的粗骨料為石灰石質(zhì)碎石，細(xì)骨料為石灰石質(zhì)機(jī)制砂，同時(shí)為提高混凝土的力學(xué)性能，常加入石粉[15-16]來改善混凝土顆粒級(jí)配。因此，混凝土制備過程中加入的石灰石質(zhì)骨料和石粉為生成碳硫硅鈣石提供了反應(yīng)物，是該隧道襯砌混凝土出現(xiàn)嚴(yán)重腐蝕破壞的重要原因之一。

3　原因與對(duì)策分析

3.1襯砌混凝土腐蝕成因

根據(jù)隧道實(shí)地調(diào)研和現(xiàn)場取樣測試分析可知，該隧道二次襯砌混凝土破壞屬于硫酸鹽化學(xué)腐蝕，硫酸鹽與混凝土反應(yīng)生成鈣礬石、石膏和碳硫硅鈣石等腐蝕產(chǎn)物，造成混凝土出現(xiàn)嚴(yán)重劣化。

根據(jù)以上測試和分析結(jié)果可知，不同結(jié)構(gòu)位置的混凝土發(fā)生的不同種類硫酸鹽腐蝕破壞與其所處環(huán)境密不可分。鈣礬石和石膏類破壞主要發(fā)生在混凝土表層。究其原因，襯砌混凝土局部處于含有硫酸根離子的地下水環(huán)境中，水分隨著毛細(xì)孔向隧道內(nèi)遷移，但隧道內(nèi)因濕度較小，導(dǎo)致混凝土表層干燥而內(nèi)部濕潤，水分含量的梯度加速了地下水從隧道外部向內(nèi)部傳輸?shù)倪^程；當(dāng)水分接近隧道內(nèi)部表面時(shí)，由于蒸發(fā)等作用導(dǎo)致水分損失，其中的硫酸鹽成分逐漸濃縮在混凝土表層的孔隙中，當(dāng)其濃度達(dá)到一定程度時(shí)，襯砌混凝土表層即發(fā)生硫酸鹽腐蝕。

碳硫硅鈣石類破壞主要發(fā)生在襯砌混凝土與地面交接處，在這個(gè)位置地下水能夠與混凝土充分接觸，再加之骨料和石粉中含有大量的碳酸鹽，提供了碳硫硅鈣石生成所必需的水分、硫酸鹽、C-S-H凝膠和碳酸鹽。碳硫硅鈣石的生成使C-S-H凝膠失去膠結(jié)能力，形成類似“糊狀”物，嚴(yán)重影響混凝土結(jié)構(gòu)的服役安全。

3.2襯砌混凝土抗硫酸鹽侵蝕對(duì)策

根據(jù)以上分析，針對(duì)該隧道出現(xiàn)的硫酸鹽腐蝕破壞，可考慮從以下多方面改進(jìn)，以提升混凝土抗硫酸鹽化學(xué)侵蝕能力。

1) 配合比優(yōu)化。根據(jù)水質(zhì)分析結(jié)果，該隧道所處環(huán)境屬于中等—嚴(yán)重的化學(xué)侵蝕環(huán)境，混凝土強(qiáng)度等級(jí)應(yīng)至少大于C40，因此，在混凝土配合比設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)進(jìn)一步降低水膠比，提高膠材用量，通過提升混凝土自身的密實(shí)性來改善和提高其抗化學(xué)侵蝕的能力。

2) 膠凝材料組成。針對(duì)該隧道出現(xiàn)的嚴(yán)重碳硫硅鈣石型腐蝕破壞，可考慮使用礦渣、粉煤灰和偏高嶺土等礦物摻合料取代部分硅酸鹽水泥作為膠凝材料[17]，以延緩碳硫硅鈣石的生成與發(fā)展。

3) 原材料優(yōu)選。針對(duì)西南地區(qū)混凝土骨料的現(xiàn)狀，應(yīng)杜絕或減少石灰石質(zhì)骨料的使用，至少應(yīng)嚴(yán)格杜絕石粉的摻加，從源頭上抑制碳硫硅鈣石的生成。

4) 規(guī)范施工。混凝土澆筑施工時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格杜絕隨意加水現(xiàn)象。

5) 及時(shí)養(yǎng)護(hù)?；炷翝仓箴B(yǎng)護(hù)不當(dāng)易造成水分散失過快，使混凝土表層形成大量的水孔，水泥得不到充分水化，造成混凝土結(jié)構(gòu)疏松，易遭受硫酸鹽侵蝕破壞。

6) 表層防護(hù)。針對(duì)襯砌混凝土服役環(huán)境特點(diǎn)，宜在混凝土內(nèi)外層均使用防護(hù)材料，既能夠降低含侵蝕介質(zhì)的地下水向混凝土內(nèi)部滲透，又能夠減少混凝土內(nèi)表面因水分蒸發(fā)而引起的硫酸鹽富集導(dǎo)致的腐蝕破壞，抑制硫酸鹽侵蝕破壞的發(fā)生。

4　結(jié)論與討論

通過對(duì)西南某隧道襯砌混凝土硫酸鹽腐蝕破壞的現(xiàn)場調(diào)研和取樣分析，討論了混凝土腐蝕產(chǎn)物的類型和成因，發(fā)現(xiàn)混凝土自身密實(shí)性不足和其使用大量石灰石原料是出現(xiàn)嚴(yán)重硫酸鹽腐蝕破壞的主要原因，并據(jù)此提出：從混凝土原材料組成優(yōu)選、配合比設(shè)計(jì)、施工養(yǎng)護(hù)和表層防護(hù)等多方面來提高隧道襯砌混凝土抗硫酸鹽侵蝕破壞能力。此外，受限于西南地區(qū)混凝土原材料(主要是骨料)的現(xiàn)狀，如何針對(duì)目前的原材料條件配制出具有優(yōu)異抗硫酸鹽侵蝕能力的混凝土，尚有待進(jìn)一步研究。

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A Case Analysis of Tunnel Lining Concrete under Sulfate Attack and It’s Countermeasures

JIANG Qian1, 2, SHI Liang1, 2, LIU Jianzhong1, 2, MU Song1, 2

(1. Jiangsu Sobute New Materials Co., Ltd., Nanjing 211103, Jiangsu, China;2.StateKeyLaboratoryofHighPerformanceCivilEngineeringMaterials,Nanjing210008,Jiangsu,China)

The test of mechanical properties and durability performance and microscopic analysis are made on lining concrete samples of a tunnel in Southwest China, so as to learn the characteristics, mechanism and influencing degree of sulfate attack. The analytical results show that the inadequate compactness and large amount of limestone used for concrete are the main causes for sulfate attack. The authors suggest to make a proper selection of concrete raw materials and rational mixing proportion design and carry out curing and surface protection technologies to improve the anti-sulfate attack capacity of lining concrete of tunnel.

tunnel; lining concrete; sulfate attack

2016-02-17;

2016-03-23

“973”計(jì)劃項(xiàng)目(SQ2015CB060428)； 中國博士后科學(xué)基金項(xiàng)目 (2013M531296)

姜騫(1988—)，男，江蘇溧陽人，2013年畢業(yè)于東南大學(xué)，材料工程專業(yè)，碩士，助理工程師，主要從事混凝土耐久性提升技術(shù)與應(yīng)用研究工作。E-mail：jiangqian@cnjsjk.cn。

10.3973/j.issn.1672-741X.2016.08.005

U 455

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1672-741X(2016)08-0918-06