硫酸鹽環(huán)境下水穩(wěn)基層的病害分析及防治措施

許 剛

(新疆市政建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，新疆 烏魯木齊 830063)

硫酸鹽環(huán)境下水穩(wěn)基層的病害分析及防治措施

許 剛

(新疆市政建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，新疆 烏魯木齊 830063)

介紹了水泥穩(wěn)定砂礫基層的作用機(jī)理，分析了硫酸鹽環(huán)境對(duì)水泥穩(wěn)定砂礫基層結(jié)構(gòu)及強(qiáng)度的影響，并針對(duì)該環(huán)境下水穩(wěn)基層常見(jiàn)的病害類型，提出了一些防治建議，從而確保道路的正常運(yùn)營(yíng)。

道路基層，水泥穩(wěn)定砂礫，硫酸鹽環(huán)境，擋水墻

0 引言

1892年，Michalis(米哈埃利斯)在侵蝕的混凝土中發(fā)現(xiàn)了一種針粒狀晶體，并稱之為“水泥桿菌”，實(shí)質(zhì)上是水化三硫鋁酸鈣，它使硬化的混凝土開(kāi)裂，這是最早的硫酸鹽侵蝕研究。1902年蘇聯(lián)發(fā)現(xiàn)了環(huán)境水侵蝕事例，此后各國(guó)相繼發(fā)現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)受環(huán)境水侵蝕的事例。除此以外，我國(guó)在硫酸鹽侵蝕方面也做了相應(yīng)研究，于二十世紀(jì)五六十年代初期，主要研究了抗硫酸鹽侵蝕的試驗(yàn)方法和破壞機(jī)理，認(rèn)為硫酸鹽侵蝕是所有化學(xué)腐蝕中對(duì)混凝土或水泥制品影響最大的腐蝕。隨著GB/T 50476—2008混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范的正式頒布，標(biāo)志著我國(guó)在硫酸鹽侵蝕研究和應(yīng)用方面有了較大的發(fā)展，該規(guī)范對(duì)面臨硫酸鹽困擾的混凝土工程有很好的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

在道路建設(shè)過(guò)程中，水泥穩(wěn)定砂礫被廣泛用來(lái)作為新建道路基層，而由于項(xiàng)目區(qū)域性差異較大，是否能夠采取合理的處理措施將直接影響到工程整體質(zhì)量，故本文針對(duì)硫酸鹽侵蝕環(huán)境下，水泥穩(wěn)定砂礫基層常見(jiàn)病害提出相應(yīng)處置措施。

1 水泥穩(wěn)定砂礫基層作用機(jī)理分析

在城市道路工程建設(shè)過(guò)程中，水泥穩(wěn)定砂礫作為半剛性基層，極大地提高了道路結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，延長(zhǎng)了道路使用壽命；而對(duì)于地域遼闊的新疆來(lái)說(shuō)，水泥穩(wěn)定砂礫的原材料來(lái)源廣泛且價(jià)廉，故水泥穩(wěn)定砂礫更是被廣泛用于道路工程建設(shè)中。

水+水泥+級(jí)配砂礫→水泥穩(wěn)定砂礫，而組成水泥的主要成分有：3CaO·SiO2約占40%，2CaO·SiO2約占35%，3CaO·Al2O3約占6%，4CaO·Al2O3·Fe2O3約占10%，CaSO4約占4%。

水泥與水反應(yīng)之后，主要產(chǎn)生堿性的硅酸鈣、鋁酸鈣和消石灰，硅酸鈣是主要的膠結(jié)成分，而消石灰則沉淀成透明的固體，然而水泥穩(wěn)定土的膠結(jié)作用主要靠硅酸鈣和鋁酸鈣與礦物顆粒表面的結(jié)合，進(jìn)而提高土體的整體強(qiáng)度。

2 硫酸鹽環(huán)境改變水泥穩(wěn)定砂礫基層的結(jié)構(gòu)及強(qiáng)度

Na2SO4·10H2O+Ca(OH)2→CaSO4·2H2O+2NaOH+8H2O

3(CaSO4·2H2O)+3CaO·Al2O3·6H2O+19H2O→3CaO·Al2O3·3CaSO4·31H2O(鈣礬石)

由于水化鋁酸鈣下硫酸鈣作用生成水化硫酸鋁酸鈣的反應(yīng)是在固相中進(jìn)行的，其中結(jié)合著大量結(jié)晶水，其體積約為原來(lái)水化鋁酸鈣的2.5倍，亦即硫酸鹽與結(jié)硬水泥中的鋁酸三鈣結(jié)合而產(chǎn)生硫酸鋁酸鈣(鈣礬石)，這一新生成物能膨脹，使原來(lái)的體積增大，產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力從而破壞水泥穩(wěn)定土的膠結(jié)作用，影響其整體穩(wěn)定性及強(qiáng)度。

3 硫酸鹽環(huán)境下水泥穩(wěn)定砂礫基層的病害防治措施

通過(guò)以上分析，以水泥穩(wěn)定砂礫作為基層的道路，在硫酸鹽環(huán)境下若不采用相應(yīng)處置措施，必將嚴(yán)重影響道路的使用壽命；一般來(lái)說(shuō)，水泥熟料中的鋁酸三鈣含量、水泥用量和混凝土密實(shí)度是影響混凝土抗硫酸鹽腐蝕的三大主要因素，以下依此提出幾點(diǎn)防治措施：

1)采用抗硫酸鹽水泥或控制水泥中的鋁酸三鈣(C3A)含量：抗硫酸鹽水泥主要成分為硅酸鈣，含有較少的鋁酸三鈣(C3A)，試驗(yàn)表明，無(wú)論是外部硫酸鹽侵蝕還是內(nèi)部硫酸鹽侵蝕，均隨著水泥中C3A含量增加而膨脹增大。相對(duì)普通硅酸鹽水泥而言，抗硫酸鹽水泥價(jià)格有較大提升，必將大大增加道路工程成本，故該處置方式的采用還應(yīng)結(jié)合道路工程項(xiàng)目的具體情況，通過(guò)綜合比較后確定。

2)道路采用柔性基層：利用柔性基層代替半剛性基層，亦即級(jí)配碎石和級(jí)配礫石替代水泥穩(wěn)定砂礫來(lái)作為道路基層。由各種大小不同粒級(jí)集料組成的混合料，當(dāng)其級(jí)配符合技術(shù)規(guī)范的規(guī)定時(shí)，稱其為級(jí)配型集料，級(jí)配型集料包括級(jí)配碎石、級(jí)配碎礫石和級(jí)配礫石。其中，粗、細(xì)碎石集料和石屑各占一定比例的混合料，當(dāng)其顆粒組成符合密實(shí)級(jí)配要求時(shí)，稱為級(jí)配碎石；粗、中、小礫石集料和砂各占一定比例的混合料，當(dāng)其顆粒組成符合規(guī)定的密實(shí)級(jí)配要求且塑性指標(biāo)和承載比均符合規(guī)定要求時(shí)，稱為級(jí)配礫石。此方式雖然一定程度上解決了水泥穩(wěn)定砂礫的病害，但是采用柔性基層的道路使用壽命也將大大縮短，尤其對(duì)于城市主、次干路及快速路。

3)道路采用防、止水措施：在硫酸鹽環(huán)境下，水是水泥穩(wěn)定砂礫基層產(chǎn)生病害的必備條件，若很好的控制水泥穩(wěn)定砂礫基層中含水量，亦能一定程度上避免其病害的出現(xiàn)。一是在車(chē)行道兩側(cè)設(shè)置擋水墻(如圖1所示)，深度與路槽深度一致，避免車(chē)行道之外流動(dòng)水直接進(jìn)入道路結(jié)構(gòu)層，進(jìn)而影響道路結(jié)構(gòu)層；二是在車(chē)行道兩側(cè)設(shè)置防水土工膜(如圖2所示)，深度為深入路槽以下20 cm，其作用原理與擋水墻一致，且具有工程成本低的優(yōu)點(diǎn)，但其耐久性較差且防水功能易遭到破壞。

4 工程實(shí)例

4.1 工程概況

阿拉爾市塔里木大道改擴(kuò)建工程，該道路為城市主干路，總長(zhǎng)度為6 531.90 m，本次建設(shè)總寬度為58.0 m，其中6.0 m人行道+4.5 m非機(jī)動(dòng)車(chē)道+5.75 m綠化帶+10.75 m機(jī)動(dòng)車(chē)道+4 m中央分隔帶+ 10.75 m機(jī)動(dòng)車(chē)道+5.75 m綠化帶+4.5 m非機(jī)動(dòng)車(chē)道+6.0 m人行道，總寬度58 m。

項(xiàng)目區(qū)域場(chǎng)地土對(duì)混凝土具有中腐蝕，對(duì)混凝土中的鋼筋具有中腐蝕；場(chǎng)地地下水埋深在2.5 m～3.4 m，地下水類型為潛水，水位變化幅度為0.5 m，地下水對(duì)混凝土具有弱腐蝕，對(duì)混凝土中的鋼筋具有中腐蝕。

現(xiàn)狀塔里木大道始建于2002年，由于路面結(jié)構(gòu)層中采用了水泥穩(wěn)定砂礫作為基層且車(chē)行道兩側(cè)均有漫灌方式的綠化帶，故現(xiàn)狀路面鹽脹鼓包現(xiàn)象特別突出，嚴(yán)重影響行車(chē)安全及舒適性。2012年，經(jīng)由多部門(mén)通過(guò)經(jīng)濟(jì)論證及方案比選，確定將該道路車(chē)行道全線進(jìn)行新建，徹底解決鹽脹鼓包問(wèn)題。

4.2 處置措施

根據(jù)項(xiàng)目區(qū)域具體的工程地質(zhì)情況，并針對(duì)該道路出現(xiàn)的病害及癥結(jié)所在，通過(guò)嚴(yán)密經(jīng)濟(jì)論證，最終確定將道路全線現(xiàn)狀水泥穩(wěn)定砂礫基層全部挖除，然后采用級(jí)配礫石和級(jí)配碎石(柔性基層)替代現(xiàn)狀水泥穩(wěn)定砂礫(半剛性基層)，同時(shí)在車(chē)行道兩側(cè)設(shè)置擋水墻(如圖1所示)，且在擋水墻混凝土內(nèi)添加DTA抗硫酸鹽防腐劑。該項(xiàng)目于2013年年底建成通車(chē)，至今運(yùn)行效果良好，再未出現(xiàn)鹽脹鼓包現(xiàn)象。

5 結(jié)語(yǔ)

水泥穩(wěn)定砂礫作為道路基層有其不可替代的優(yōu)越性，但同時(shí)也受到了工程環(huán)境的限制和影響，故針對(duì)硫酸鹽環(huán)境下的道路工程，得出以下幾點(diǎn)建議：

1)根據(jù)道路工程的實(shí)際情況，通過(guò)經(jīng)濟(jì)論證，采用抗硫酸鹽水泥替代普通硅酸鹽水泥，以此拌制水泥穩(wěn)定砂礫作為道路基層，增強(qiáng)道路整體穩(wěn)定性，延長(zhǎng)道路使用壽命。

2)采用級(jí)配型集料(柔性基層)代替水泥穩(wěn)定砂礫(半剛性基層)作為道路基層，同時(shí)采用相應(yīng)防、止水措施，節(jié)省工程投資，確保道路的正常使用壽命。

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On disease analysis of moisture base under sulfate environment and its prevention measures

Xu Gang

(XinjiangMunicipalArchitecturalDesignInstituteCo.,Ltd,Urumqi830063,China)

The paper introduces the mechanism for the cement stabilized sand gravel subgrade, analyzes the influence of the sulfate environment’s influence on the cement stabilized sand gravel subgrade and its intensity, and points out some prevention suggestions according to the common disease types of the stabilized sand gravel subgrade under the environment, so as to ensure the common operation of roads.

road basement, cement stabilized sand gravel, sulfate environment, retention wall

1009-6825(2017)01-0162-03

2016-10-26

許 剛(1983- )，男，碩士，工程師

U416.213

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