鹽類結(jié)晶破壞環(huán)境下隧道襯砌混凝土適宜含氣量研究

黃法禮，李化建，陶建強(qiáng)，王 振，易忠來，謝永江

（1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.高速鐵路軌道技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；3.重慶大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400045）

硫酸鹽侵蝕是影響混凝土耐久性的重要因素，同時(shí)也是影響因素最為復(fù)雜、對混凝土危害最大的一類環(huán)境侵蝕作用。近年來，在我國公路、鐵路、水電等工程以及建筑物基礎(chǔ)中均有混凝土結(jié)構(gòu)受硫酸鹽侵蝕的問題，遭受硫酸鹽侵蝕的混凝土?xí)霈F(xiàn)膨脹、開裂、剝落、腐蝕變質(zhì)等現(xiàn)象，使混凝土的強(qiáng)度和耐久性能逐漸劣化，嚴(yán)重影響工程結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性。

硫酸鹽侵蝕環(huán)境下對混凝土的破壞可分為物理腐蝕、化學(xué)腐蝕2種類型。其中，物理腐蝕是指硫酸鹽侵入混凝土后沒有與水泥石中的組分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，而是直接從孔溶液中結(jié)晶出來，不斷積累導(dǎo)致體積膨脹，進(jìn)而引發(fā)混凝土開裂破壞［1-2］。例如：Na2SO4和MgSO4從孔溶液中結(jié)晶分別形成Na2SO4·10H2O和MgSO4·7H2O晶體，產(chǎn)生結(jié)晶壓力導(dǎo)致混凝土性能劣化?；瘜W(xué)腐蝕是指硫酸根離子與水泥石中某些組分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成膨脹性或無膠結(jié)能力的產(chǎn)物，導(dǎo)致混凝土破壞的過程。根據(jù)侵蝕機(jī)理的不同，硫酸鹽化學(xué)腐蝕可分為鈣礬石型硫酸鹽侵蝕、石膏型硫酸鹽侵蝕、碳硫硅鈣石型硫酸鹽侵蝕等多種模式［3-5］。工程實(shí)踐表明，鹽類結(jié)晶對混凝土的破壞速度更快，破壞力更大［6-7］。

對于處于鹽類結(jié)晶破壞環(huán)境下的隧道襯砌混凝土結(jié)構(gòu)，在靜水壓力作用下，侵蝕性物質(zhì)通過滲漏到達(dá)襯砌臨空面后，隧道內(nèi)的自然風(fēng)、活塞風(fēng)等荷載會(huì)加速襯砌臨空面的水分蒸發(fā)，表層混凝土出現(xiàn)干濕循環(huán)現(xiàn)象，鹽類結(jié)晶更容易析出，生長速度更快，鹽類結(jié)晶破壞性更為嚴(yán)峻［8-9］。我國TB 10005—2010《鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》中將鹽類結(jié)晶破壞環(huán)境有別于硫酸鹽化學(xué)侵蝕環(huán)境獨(dú)立劃分為一類作用環(huán)境，并規(guī)定在鹽類結(jié)晶破壞環(huán)境下應(yīng)采用引氣混凝土，混凝土含氣量應(yīng)大于4%，且硬化混凝土氣泡間距系數(shù)應(yīng)小于300 μm。鑒于含氣量對混凝土各項(xiàng)性能指標(biāo)均有一定程度的影響，本文系統(tǒng)研究了含氣量對混凝土工作性能、力學(xué)強(qiáng)度、孔結(jié)構(gòu)、氣泡參數(shù)和抗硫酸鹽結(jié)晶破壞性能的影響，以期為提升鹽類結(jié)晶破壞環(huán)境下隧道襯砌混凝土的耐久性提供技術(shù)支撐。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料及配合比

水泥為北京金隅水泥有限公司生產(chǎn)的P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，細(xì)骨料為細(xì)度模數(shù)2.8 的Ⅱ區(qū)天然河砂，粗骨料采用5～20 mm 連續(xù)級(jí)配花崗巖碎石，減水劑采用山東翰明生產(chǎn)的聚羧酸高性能減水劑，引氣劑為江蘇蘇博特新材料有限公司提供的JYQ-3型引氣劑。水泥主要物理性能和化學(xué)組成見表1，混凝土配合比見表2。

表1 水泥主要物理性能和化學(xué)組成

表2 混凝土配合比 kg·m-3

1.2 試驗(yàn)方法

通過調(diào)整減水劑和引氣劑摻量，將混凝土坍落度控制在120±10 mm 內(nèi)，將混凝土含氣量調(diào)整至2.9%，4.6%，5.6%，7.5%。減水劑和引氣劑用量及對應(yīng)的混凝土坍落度和含氣量見表3。

表3 外加劑用量及對應(yīng)的混凝土坍落度和含氣量

新拌混凝土坍落度和含氣量測試按照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定進(jìn)行。標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)和硫酸鹽干濕循環(huán)條件下混凝土抗壓強(qiáng)度測試按照GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定進(jìn)行。硫酸鹽干濕循環(huán)程序按照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)》規(guī)定執(zhí)行。

混凝土孔結(jié)構(gòu)采用美國Micromeritics 公司Auto-Pore IV 9500 型全自動(dòng)壓汞法孔徑分析儀測試，測試對象為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d 混凝土試件，樣品制備和測試步驟參照GB/T 21650.1—2008《壓汞法和氣體吸附法測定固體材料孔徑分布和孔隙度》中的規(guī)定執(zhí)行。硬化混凝土氣泡參數(shù)采用Rapid Air457 混凝土氣孔結(jié)構(gòu)分析儀進(jìn)行測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 含氣量對混凝土工作性能的影響

混凝土坍落度相當(dāng)?shù)臈l件下，含氣量為2.9%，4.6%，5.6%，7.5%時(shí)減水劑摻量分別為2.25，2.20，1.75，1.75 kg/m3?？梢?，達(dá)到相當(dāng)坍落度時(shí)，隨著含氣量的增加混凝土減水劑摻量明顯減小，即增大含氣量可以改善混凝土工作性能。含氣量對混凝土工作性能的影響可以歸結(jié)為2 個(gè)因素：①增大含氣量可以增加漿體體積，起到潤滑作用，從而提高混凝土工作性能；②在水泥水化過程中，由于鈣離子的吸附作用，水泥顆粒表面帶正電，而氣泡帶負(fù)電，因此氣泡很容易被水泥顆粒表面所吸引，從而在水泥顆粒之間形成氣泡橋，這種橋聯(lián)效應(yīng)會(huì)增大顆粒間的結(jié)合力，從而降低混凝土工作性能［10-11］。對于膠凝材料用量偏低、流動(dòng)性偏小的混凝土而言，氣泡在其中的潤滑作用更為顯著，因此，混凝土工作性能隨著含氣量的增大而增大。

2.2 含氣量對混凝土力學(xué)性能的影響

標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下含氣量對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響見圖1。可知，隨著含氣量增大，各齡期混凝土抗壓強(qiáng)度均有一定程度的降低。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下含氣量對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

混凝土中引入氣泡會(huì)對混凝土強(qiáng)度產(chǎn)生2方面影響：①在混凝土中引入大量微小均勻的氣泡能改善拌和物的和易性，有利于混凝土的密實(shí)成型，同時(shí)，微小氣泡的細(xì)化作用能改善水泥石和集料的界面結(jié)構(gòu)，從而對混凝土強(qiáng)度發(fā)展產(chǎn)生有利影響；②混凝土中的微小氣泡聚集成大氣泡，對混凝土的強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響。結(jié)合圖1可知，當(dāng)混凝土含氣量小于4.6%時(shí)，含氣量對混凝土強(qiáng)度發(fā)展影響較小，當(dāng)混凝土含氣量大于4.6%時(shí)，隨著含氣量的增大混凝土強(qiáng)度有較大幅度的降低。

硫酸鹽干濕循環(huán)條件下，含氣量對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響見圖2?？芍跗陔A段，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加混凝土強(qiáng)度略微增大，干濕循環(huán)次數(shù)達(dá)到90次之后混凝土強(qiáng)度出現(xiàn)明顯的降低。初期階段混凝土強(qiáng)度的增大主要是3 方面因素造成的：①由于水泥水化，混凝土內(nèi)部逐漸被水化產(chǎn)物填充密實(shí)，促使混凝土強(qiáng)度增大；②硫酸鹽環(huán)境促使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生鈣礬石，進(jìn)一步增加混凝土內(nèi)部密實(shí)程度；③硫酸鹽在混凝土內(nèi)部孔隙形成的硫酸鹽類結(jié)晶體提高了混凝土的密實(shí)性。而當(dāng)混凝土內(nèi)部孔隙被填滿后，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，內(nèi)部鹽類結(jié)晶體的繼續(xù)富集產(chǎn)生結(jié)晶壓力，當(dāng)結(jié)晶壓力大于混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)會(huì)導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)破壞，造成混凝土強(qiáng)度降低。楊全兵等［12］研究表明，當(dāng)硫酸鹽溶液的濃度大于5%時(shí)，混凝土內(nèi)部產(chǎn)生的鹽類結(jié)晶壓力可超過7 MPa，其產(chǎn)生的破壞力足以引起混凝土的破壞。

圖2 硫酸鹽干濕循環(huán)條件下含氣量對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

2.3 含氣量對混凝土孔結(jié)構(gòu)的影響

不同含氣量混凝土內(nèi)部孔徑與累積孔體積的關(guān)系見圖3。可知，隨著混凝土含氣量增大，累積孔體積明顯增加，這主要是由于隨著含氣量的增大，混凝土內(nèi)部孔隙增加所致。

圖3 不同含氣量混凝土內(nèi)部孔徑與累積孔體積對應(yīng)關(guān)系

文獻(xiàn)［13］對混凝土內(nèi)部孔徑劃分了界限：孔徑小于20 nm 的孔為無害孔；孔徑在20～50 nm 的孔為少害孔；孔徑在50～200 nm 的孔為有害孔；孔徑大于200 nm 的孔為多害孔。不同含氣量混凝土內(nèi)部不同孔徑空隙所占比例見圖4?？芍S著混凝土含氣量增大，混凝土內(nèi)部無害孔和少害孔比例明顯減少，有害孔和多害孔的比例顯著增大，當(dāng)混凝土含氣量為7.5%時(shí)，多害孔比例達(dá)到45%。

圖4 混凝土內(nèi)部不同孔徑空隙所占比例

2.4 含氣量對硬化混凝土氣泡參數(shù)的影響

新拌混凝土含氣量與硬化混凝土含氣量相關(guān)性見圖5。可知，新拌混凝土含氣量與硬化混凝土含氣量之間具有良好的相關(guān)性，相關(guān)性系數(shù)為0.986，這與之前研究結(jié)論一致［14］。根據(jù)TB 10005—2010 中鹽類結(jié)晶破壞環(huán)境下新拌混凝土含氣量應(yīng)大于4%的要求，其硬化混凝土含氣量應(yīng)大于3.7%。

圖5 新拌混凝土含氣量與硬化混凝土含氣量的相關(guān)性

新拌混凝土含氣量與硬化混凝土氣泡間距系數(shù)的相關(guān)性見圖6?？芍S著新拌混凝土含氣量增大，硬化混凝土氣泡間距系數(shù)逐漸減小，當(dāng)新拌混凝土含氣量達(dá)到5.6%時(shí)，繼續(xù)增大混凝土含氣量，硬化混凝土氣泡間距系數(shù)趨于穩(wěn)定。這主要是因?yàn)殡S著含氣量的增加，混凝土內(nèi)部微小氣泡的數(shù)量急劇增加，導(dǎo)致氣泡間距系數(shù)減小。當(dāng)含氣量過大時(shí)，引入的微小氣泡容易積聚形成大氣泡，氣泡間距系數(shù)逐漸趨于平穩(wěn)甚至略微增大。試驗(yàn)測試范圍內(nèi)，新拌混凝土含氣量與硬化混凝土氣泡間距系數(shù)的相關(guān)關(guān)系依然可以用冪函數(shù)加以描述［14］，且相關(guān)性良好（R2=0.922）。根據(jù)TB 10005—2010 中鹽類結(jié)晶破壞環(huán)境下硬化混凝土氣泡間距系數(shù)應(yīng)小于300 μm的要求，其新拌混凝土含氣量應(yīng)大于3.3%。當(dāng)新拌混凝土含氣量大于4%時(shí)，其氣泡間距系數(shù)小于256 μm。因此，通常情況下，控制新拌混凝土含氣量大于4%即可滿足鹽類結(jié)晶破壞環(huán)境下對混凝土氣泡參數(shù)的要求。

圖6 新拌混凝土含氣量與硬化混凝土氣泡間距系數(shù)的相關(guān)性

2.5 含氣量對混凝土抗硫酸鹽結(jié)晶破壞性能影響

硫酸鹽干濕循環(huán)環(huán)境下，混凝土抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化情況見圖7?？芍囼?yàn)測定的4 個(gè)含氣量水平對應(yīng)的混凝土抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)均大于0.75，即抗硫酸鹽結(jié)晶破壞等級(jí)大于等于KS150?；炷量箟簭?qiáng)度耐蝕系數(shù)隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加總體呈先增大后減小的趨勢。這主要是因?yàn)樵诟蓾裱h(huán)初期，混凝土內(nèi)部形成的鹽晶體主要起到填充空隙和密實(shí)的作用，使得混凝土的強(qiáng)度增加，但是隨著干濕循環(huán)的持續(xù)，鹽晶體繼續(xù)富集和長大，引起混凝土孔結(jié)構(gòu)的破壞，導(dǎo)致強(qiáng)度急劇降低。

圖7 含氣量對混凝土抗硫酸鹽結(jié)晶破壞性能的影響

由圖7可見：當(dāng)混凝土含氣量為5.6%時(shí)，其抗硫酸鹽性能最好，經(jīng)過150 次干濕循環(huán)之后其抗硫酸鹽侵蝕系數(shù)達(dá)到90%。含氣量為2.9%和4.6%的混凝土的抗硫酸鹽性能相當(dāng)，含氣量為7.5%混凝土的抗硫酸鹽侵蝕的性能較差。這主要是由于混凝土含氣量越高其內(nèi)部引入的微小氣泡越多，氣泡的比表面積越大，其氣泡間距系數(shù)越小，硫酸鹽環(huán)境下引入的封閉氣孔可以作為鹽類結(jié)晶壓力的“緩沖區(qū)”，起到一定的卸壓作用，因此在一定范圍內(nèi)同一強(qiáng)度等級(jí)的混凝土含氣量越高，其抗硫酸鹽侵蝕性能越好。但是當(dāng)含氣量過高時(shí)會(huì)對混凝土自身強(qiáng)度造成較大損失（參見圖1），抵抗鹽類結(jié)晶壓力破壞的能力大幅降低，表現(xiàn)為混凝土含氣量過大時(shí)，其抗硫酸鹽侵蝕性能降低。因此，在研究混凝土含氣量對緩解鹽類結(jié)晶破壞的影響時(shí)，應(yīng)綜合考慮引氣對混凝土力學(xué)性能和耐久性能的雙重影響。

3 結(jié)論

1）對于膠凝材料用量較低、流動(dòng)性偏小的混凝土，增大其含氣量可以起到顯著的潤滑作用，降低混凝土屈服應(yīng)力，改善其工作性能。

2）標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，隨著含氣量增大混凝土強(qiáng)度逐漸降低；硫酸鹽干濕循環(huán)條件下，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加混凝土強(qiáng)度略微增大，干濕循環(huán)90次之后混凝土強(qiáng)度出現(xiàn)明顯的降低。

3）新拌混凝土含氣量與硬化混凝土含氣量、氣泡間距系數(shù)之間均具有良好的相關(guān)性，控制新拌混凝土含氣量大于4%即可滿足鹽類結(jié)晶破壞環(huán)境下對混凝土氣泡參數(shù)的要求。

4）鹽類結(jié)晶破壞環(huán)境下應(yīng)綜合考慮引氣對混凝土力學(xué)性能和耐久性能的雙重影響，混凝土含氣量的最佳范圍為4.0%～6.0%。