鐵路混凝土抗硫酸鹽侵蝕試驗研究及技術對策

仲新華，李享濤，渠亞男，裘智輝，謝永江

（1.中國鐵道科學研究院集團有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081；2.高速鐵路軌道技術國家重點實驗室，北京 100081；3.北京鐵科特種工程技術有限公司，北京 100081）

混凝土學是一門新生的學科。人們對于混凝土的認識遠不及對于金屬那樣深透完備，混凝土在很多腐蝕環(huán)境中的劣化問題還處于探尋摸索階段。由于硫酸鹽侵蝕破壞過程漫長，難以完全現(xiàn)場模擬進行全過程觀測，因此相當一段時間內(nèi)硫酸鹽侵蝕機理的研究主要依賴室內(nèi)加速試驗［1-2］。室內(nèi)加速試驗雖然能在短時間內(nèi)揭示其破壞特征，但與工程實際之間存在很大差異，且僅依據(jù)破壞特征相似進行硫酸鹽侵蝕過程和機理研究亦不嚴謹［3］。隨著檢測技術的發(fā)展，通過晶體衍射圖譜比對獲得了水泥石的部分含硫酸鹽組分的晶體成分，結合水泥的水化產(chǎn)物對硫酸鹽的侵蝕過程和機理進行了推斷［4-5］。

雖然關于硫酸鹽侵蝕混凝土的機理尚存在爭議，但為便于應用，工程界習慣按硫酸鹽侵蝕破壞機理提出具體預防措施，如采用抗硫酸鹽侵蝕水泥或摻用較多的活性礦物摻和料［6-7］，在實際應用中取得了積極效果。然而，也有研究和工程實例表明采用抗硫酸鹽侵蝕水泥不能有效降低混凝土結構水分蒸發(fā)部位的劣化進程，摻加活性礦物摻和料后反而加劇了蒸發(fā)區(qū)混凝土的破壞程度［8-9］。

我國硫酸鹽土壤分布廣泛，尤其是近年來鐵路網(wǎng)建設向西部推進，大量鐵路橋墩、涵洞和隧道等主體結構面臨硫酸鹽侵蝕風險。因此，提高混凝土的抗硫酸鹽侵蝕能力是鐵路主體結構耐久性設計的關鍵。本文介紹了鐵路混凝土抗硫酸鹽侵蝕的部分試驗成果及主要技術對策，為目前鐵路建設，特別是西部鐵路建設中硫酸鹽破壞環(huán)境下混凝土結構耐久性設計提供參考。

1 混凝土的硫酸鹽侵蝕破壞機理

學術界普遍認為，硫酸鹽侵蝕混凝土涉及一系列復雜的物理化學反應，造成混凝土損傷，但目前尚無法明確劃分物理或化學損傷的界限。近年來科技人員在硫酸鹽對混凝土的損傷機理方面進行了較多的探索，如通過分析硫酸鈉結晶熱力學、等效應力、鹽脹特性以及建立本構關系等［10-13］途徑進行研究，取得了有益進展。目前仍將硫酸鹽侵蝕破壞機理分為物理結晶和化學腐蝕［14-15］2種。

1.1 物理結晶

混凝土內(nèi)部存在大量孔隙，主要由混凝土拌和水蒸發(fā)和水泥石收縮產(chǎn)生，大部分以毛細孔或界面微裂縫的形式存在。當環(huán)境中的鹽溶液進入孔隙后，通過水分蒸發(fā)或溫度降低使鹽結晶相變。隨著環(huán)境干燥和潮濕狀態(tài)的交替進行，孔隙中的鹽結晶體不斷生長。當鹽結晶體增大到對孔隙產(chǎn)生阻隔效應時，鹽結晶體周邊及受阻隔的毛細孔內(nèi)壁水泥石處于復雜的應力狀態(tài)。其結果是發(fā)生微裂縫的擴展和水泥石的破壞。

1.2 化學腐蝕

由于水泥中礦物的種類、數(shù)量及其水化進程存在隨機性，在水泥水化后形成的多礦物集合體中或多或少存在一定數(shù)量的介穩(wěn)狀態(tài)化合物。當水泥石與環(huán)境中的硫酸鹽接觸時，水泥石中的水化鋁酸鈣和單硫型硫鋁酸鈣等介穩(wěn)狀態(tài)化合物進一步反應生成穩(wěn)定的高硫型水化硫鋁酸鈣（簡稱“鈣礬石”），鈣礬石晶體體積膨脹產(chǎn)生的結晶壓力導致水泥石破壞，這被稱為鈣礬石型腐蝕。當硫酸鹽中的硫酸鈉濃度持續(xù)增加時，原本硫酸鈉和氫氧化鈣反應生成硫酸鈣和氫氧化鈉的平衡被打破，氫氧化鈉和硬化水泥中的水化鋁酸鹽反應生成可溶的鋁酸鈉，降低了鈣礬石生成的可能，從而使得生成的硫酸鈣因濃度升高以二水石膏的形態(tài)結晶析出，產(chǎn)生膨脹破壞，這被稱為石膏型腐蝕。當環(huán)境中同時存在碳酸鹽和硫酸鹽時，侵蝕性二氧化碳溶蝕反應和硫酸鹽腐蝕同時發(fā)生，常伴生有無膠結力的碳硫硅鈣石產(chǎn)物，使得水泥石失去強度，這被稱為碳硫硅鈣石型腐蝕。

2 混凝土抗硫酸鹽侵蝕試驗

工程實踐發(fā)現(xiàn)，硫酸鹽腐蝕地區(qū)的結構物多在地表附近干濕交替處發(fā)生混凝土崩壞現(xiàn)象。究其原因：①因為水泥水化產(chǎn)物的組成和結構復雜，其隨水泥水化的時間和混凝土所處環(huán)境條件（水、齡期、溫度、pH值等）的變化而變化，水泥石在干縮和濕脹的反復中更易產(chǎn)生微細裂紋；②溫度和濕度頻繁交替變化的環(huán)境有利于毛細吸附作用，引起混凝土水分蒸發(fā)以及表層混凝土裂紋內(nèi)硫酸鹽結晶。

對既有結構物的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，即便硫酸鹽濃度較高，其對完全處于水下或土壤中的混凝土結構的損傷也是非常有限的。

2.1 干濕交替試驗

先采用3%硫酸鈉溶液浸泡12 h 再在100 ℃的環(huán)境中干燥12 h，這樣交替循環(huán)的方法對160 mm（長）×40 mm（寬）×40 mm（高）的4種砂漿試件進行試驗。試驗過程中通過觀察試件外觀和測試干燥試件質(zhì)量的方法判斷試件的損傷程度。

4 種砂漿試件分別為MC50 水泥砂漿試件、MC30防腐砂漿試件、MC50 防腐砂漿試件、環(huán)氧瀝青厚涂砂漿試件（MC30防腐砂漿表面厚涂環(huán)氧瀝青）。

4 種砂漿試件的主要原材料為：42.5 級普通硅酸鹽水泥，細度模數(shù)為2.6 的中粗河砂，灰砂比為1∶3。通過用水量調(diào)整強度。其中：防腐砂漿中摻入自主研發(fā)的防腐劑，摻量為20%；環(huán)氧瀝青是在90#瀝青中摻入10%的環(huán)氧樹脂。

試驗發(fā)現(xiàn)：①環(huán)氧瀝青厚涂砂漿試件除表面略有起砂外，試件外觀和質(zhì)量幾乎沒有變化。②MC50 水泥砂漿試件和MC30，MC50 防腐砂漿試件均出現(xiàn)程度不一的表面裂縫。MC50 水泥砂漿試件出現(xiàn)明顯的表面剝落，質(zhì)量損失明顯；MC30 防腐砂漿試件出現(xiàn)明顯的表面鼓脹，MC50 防腐砂漿試件表面鼓脹相對較輕，MC30，MC50防腐砂漿試件均有一定程度的增重。

設試驗前試件的干燥質(zhì)量為w，試件試驗過程中干燥質(zhì)量為w′，則失重率為（w-w′）/w×100%。試件失重率隨循環(huán)次數(shù)的變化曲線見圖1。可以看出：提高強度和摻入防腐劑均有助于提高砂漿抗硫酸鹽侵蝕能力，采用環(huán)氧瀝青對水泥砂漿進行厚涂防腐后其具有良好的抵抗嚴重腐蝕的能力。

圖1 試件失重率隨循環(huán)次數(shù)的變化曲線

2.2 浸泡試驗

采用浸泡法對60 mm（長）×10 mm（寬）×10 mm（高）的砂漿試件進行試驗。試件脫模后預先經(jīng)過7 d的50 ℃水浴養(yǎng)護，然后分別浸沒于3%的硫酸鈉溶液和飲用水中，在28，56，90 d齡期進行抗折強度測試。

4 種砂漿試件中礦物摻和料采用質(zhì)量法等量替代水泥，根據(jù)礦物摻和料的活性指數(shù)通過調(diào)整用水量使得4種砂漿試件處于相同的強度水平。

試驗發(fā)現(xiàn)：①浸泡28 d 齡期時4 種試件外觀和抗折強度幾乎都沒有變化；②浸泡56 d 齡期時4 種試件外觀沒有明顯變化，但純普通水泥砂漿試件的強度降低比較明顯；③浸泡90 d 齡期時純普通水泥砂漿試件表面剝蝕較明顯，其他3種試件外觀沒有明顯變化，純普通水泥砂漿試件和摻20%粉煤灰砂漿試件強度降幅大。

試件強度比為硫酸鈉溶液中浸泡試件的抗折強度和飲用水中浸泡試件的抗折強度之比。試件強度比隨浸泡時間變化曲線見圖2。可以看出：摻入粉煤灰和礦渣粉均有助于提高砂漿抗硫酸鹽侵蝕能力，摻20%礦渣粉和摻30%粉煤灰效果接近，說明礦渣粉具有更好的摻入效應。

圖2 試件強度比隨浸泡時間變化曲線

3 鐵路主體結構混凝土抗硫酸鹽侵蝕主要技術對策

抗硫酸鹽侵蝕能力是混凝土耐久性的重要指標。鐵路行業(yè)對硫酸鹽侵蝕的重視由來已久，早在青藏鐵路一期工程就已經(jīng)開展過系統(tǒng)研究。20 世紀90年代開始，隨著國內(nèi)外對混凝土結構耐久性的重視和持續(xù)研究，鐵路行業(yè)才逐步完善了混凝土抗硫酸鹽侵蝕的主要技術措施。

近15年來，隨著鐵路建設大發(fā)展，鐵路混凝土結構耐久性設計規(guī)范歷經(jīng)2 次修訂，每次修訂都是對混凝土的抗硫酸鹽侵蝕環(huán)境分類、技術措施和驗證方法的提高和完善，鐵路主體結構混凝土抗硫酸鹽侵蝕技術對策體現(xiàn)在以下5個方面：

1）規(guī)范并細分了硫酸鹽侵蝕的環(huán)境類別和作用等級

依據(jù)環(huán)境介質(zhì)中硫酸根離子的濃度，鐵建設〔2005〕157 號《鐵路混凝土結構耐久性設計暫行規(guī)定》將以硫酸鹽為主的化學腐蝕環(huán)境分為H1，H2，H3 和H4 四級；現(xiàn)行的TB 10005—2010《鐵路混凝土結構耐久性設計規(guī)范》）增加了物理結晶環(huán)境，并進一步細分為Y1，Y2，Y3和Y4四級。

2）對混凝土強度等級提出了最低要求

強度高的混凝土通常具有更高的密實度和耐久性。為了從源頭控制混凝土的抗硫酸鹽侵蝕能力，TB 10005—2010 將處于硫酸鹽環(huán)境的橋梁、隧道、軌道、路基等主體結構混凝土最低強度等級規(guī)定為C35。

3）限制了部分混凝土配合比關鍵參數(shù)

為了更好地指導工程應用中混凝土配合比的設計，TB 10005—2010 又將混凝土的最小膠凝材料用量、水膠比、礦物摻和料摻量等關鍵參數(shù)作了進一步的規(guī)定。如規(guī)定水膠比小于0.40時，鹽類結晶環(huán)境混凝土的粉煤灰摻量不宜超過40%，防止粉煤灰摻量過高帶來負面效應。

4）規(guī)范了硫酸鹽侵蝕試驗具體方法和判定依據(jù)

為了評價混凝土的抗硫酸鹽侵蝕能力，GB/T 749—2008《水泥抗硫酸鹽侵蝕試驗方法》非等效替代ASTM C452—2006Standard Test Method for Potential Expan?sion of Portland?cement Mortars Exposed to Sulfate提出了水泥膠砂抗硫酸鹽潛在膨脹性能試驗方法（P 法），同時替代GB/T 2420—1981《水泥抗硫酸鹽侵蝕快速試驗方法》提出了水泥膠砂抗硫酸鹽浸泡侵蝕性能試驗方法（K 法）。GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》提出了混凝土在干濕循環(huán)條件下的抗硫酸鹽侵蝕試驗方法。

TB 10005—2010 規(guī)定處于硫酸鹽化學腐蝕環(huán)境的混凝土應采用GB/T 749—2008 中的K 法進行抗侵蝕試驗，且56 d 齡期抗侵蝕系數(shù)不小于0.8；規(guī)定處于硫酸鹽物理結晶環(huán)境的混凝土應采用GB/T 50082—2009 進行試驗，且混凝土抗硫酸鹽物理結晶破壞性能應符合表1的要求。

表1 混凝土抗硫酸鹽物理結晶破壞性能

5）對嚴重腐蝕環(huán)境提出了附加防腐要求

考慮到我國幅員遼闊，地質(zhì)條件復雜，鹽堿土壤分布廣泛，TB 10005—2010 特別規(guī)定將 H4 和 Y4 環(huán)境定義為嚴重腐蝕環(huán)境。對于嚴重腐蝕環(huán)境推薦采取附加防腐措施，如對混凝土結構采用瀝青等耐腐材料進行環(huán)境隔離。

4 結語

由于缺少劣化機制的有效支撐，硫酸鹽環(huán)境混凝土的防腐技術主要依賴室內(nèi)試驗結果和工程應用經(jīng)驗。根據(jù)室內(nèi)模擬試驗結果，硫酸鹽環(huán)境混凝土結構的耐久性風險主要集中于結構的干濕交替部位，提高混凝土的抗侵蝕性能并進行附加防腐是較為可靠的技術措施。