硫酸鹽-凍融共同作用下隧道襯砌支護(hù)噴射混凝土劣化性能研究

席紅兵，李柏生

(1.甘肅建投天水建設(shè)管理有限公司，甘肅 天水 741000；2.甘肅天水綠色裝配式建筑產(chǎn)業(yè)發(fā)展有限公司，甘肅 天水 741000)

0 引言

襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)是為了防止圍巖變形或坍塌而在隧道洞身周邊用鋼筋混凝土材料修建的永久性支護(hù)結(jié)構(gòu)。隧道初期支護(hù)最常采用的是噴射混凝土，即在普通混凝土的基礎(chǔ)上加入速凝劑并由壓力噴槍成型，從而對(duì)圍巖起到支護(hù)作用[1-2]。隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，交通壓力逐漸增大，發(fā)展快速高效的城市交通已刻不容緩。在“一帶一路”倡議的推動(dòng)下，西部地區(qū)地鐵工程迎來了建設(shè)高潮[3-4]。然而，西部地區(qū)氣候條件惡劣，在秋冬季遭受正負(fù)溫度交替作用和地下水離子侵蝕(其中硫酸鹽的質(zhì)量濃度最高)，對(duì)地鐵隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的耐久性影響較大[5-6]。因此，研究硫酸鹽-凍融循環(huán)下襯砌支護(hù)噴射混凝土的損傷過程具有重要的工程意義。

目前，針對(duì)硫酸鹽和凍融循環(huán)侵蝕下混凝土的耐久性問題已開展了大量的研究工作。陳四利等[7]對(duì)混凝土在硫酸鹽和凍融循環(huán)共同侵蝕下的性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明凍融初期硫酸鹽能夠增強(qiáng)混凝土強(qiáng)度，而在侵蝕后期雙重侵蝕加速了混凝土的劣化。高禮雄[8]研究了礦物摻合料對(duì)混凝土在硫酸鹽-凍融侵蝕共同作用下的變化規(guī)律，摻入礦物摻合料降低了水泥基材料的抗硫酸鹽凍融侵蝕能力，與單一侵蝕相比，性能劣化較快。周茗如等[9]試驗(yàn)研究了硫酸鎂和凍融雙重作用下粉煤灰混凝土的性能退化規(guī)律，分析了不同含氣量下粉煤灰混凝土的抗鹽溶液凍融循環(huán)性能，試驗(yàn)結(jié)果表明，不含引氣劑的混凝土粉煤灰的最佳摻量為25%；而當(dāng)粉煤灰含量相同時(shí)，適當(dāng)?shù)囊龤鈩┠軌蛱嵘炷恋目果}凍性能。肖前慧等[10]研究了凍融與硫酸鹽侵蝕耦合作用下再生混凝土的耐久性能，討論了混凝土在不同侵蝕溶液中的劣化規(guī)律，研究發(fā)現(xiàn)5%的Na2SO4溶液侵蝕最為嚴(yán)重。對(duì)于襯砌支護(hù)噴射混凝土耐久性能的研究，已有較多的成果。王家濱等[11]研究了凍融損傷后噴射混凝土的抗碳化能力的影響，結(jié)果表明凍融損傷加速了混凝土的碳化深度。Lee等[12]、屈文[13]、Paglia等[14]對(duì)噴射混凝土的抗凍性和硫酸鹽侵蝕性能進(jìn)行了研究，但對(duì)于噴射混凝土在硫酸鹽-凍融循環(huán)共同作用下的耐久性能，特別是以西北地區(qū)環(huán)境為侵蝕背景的研究較少。本文以蘭州地鐵服役腐蝕環(huán)境為背景，基于蘭州秋冬溫度變化的凍融循環(huán)機(jī)制，同時(shí)根據(jù)檢測(cè)到的蘭州地下水硫酸鹽離子質(zhì)量濃度確定硫酸鎂溶液的侵蝕質(zhì)量濃度，研究粉煤灰和玄武巖纖維摻量變化對(duì)襯砌支護(hù)噴射混凝土宏觀性能的影響，并建立抗壓強(qiáng)度衰減模型。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料

膠凝材料選用P·O 42.5的普通硅酸鹽水泥和Ⅱ級(jí)粉煤灰，其物理力學(xué)性能和化學(xué)組成分別如表1和表2所示。采用的細(xì)砂表觀密度為2.60 g/cm3、細(xì)度模數(shù)為2.8。粗骨料選用5～10 mm的碎石，表觀密度為2.7 g/cm3。減水劑為江蘇蘇博特有限公司生產(chǎn)的聚羧酸高性能減水劑，減水率為30%。玄武巖纖維形貌如圖1所示(長(zhǎng)度為18 mm、密度為2.56 g/cm3、彈性模量為75 000 MPa)。速凝劑為無堿液體速凝劑，固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為41%。

表1 水泥的物理力學(xué)性能

表2 膠凝材料化學(xué)組成

圖1 玄武巖纖維形貌

1.2 襯砌混凝土配合比及制備

本文研究的襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)為隧道初期支護(hù)，在制備時(shí)采用噴射成型的方式。襯砌混凝土的水膠比為0.42，將只采用普通硅酸鹽水泥制備的襯砌混凝土作為對(duì)照組，考察了粉煤灰和玄武巖纖維對(duì)襯砌混凝土在硫酸鹽-凍融環(huán)境下耐久性能的影響。粉煤灰取代率分別為10%、20%、30%，玄武巖纖維體積摻量分別為0.05%、0.1%、0.15%。噴射混凝土配合比和抗壓強(qiáng)度見表3。襯砌混凝土制備采用干噴法，制備過程參照文獻(xiàn)[15]。試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的立方體和100 mm×100 mm×400 mm的棱柱體。試件成型后，在溫度為(20±2)°C和濕度大于95%的條件下標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d，自然養(yǎng)護(hù)至60 d。

表3 噴射混凝土配合比和抗壓強(qiáng)度

1.3 鹽凍侵蝕試驗(yàn)

為了模擬隧道襯砌支護(hù)混凝土在實(shí)際環(huán)境中的侵蝕破壞，本試驗(yàn)直接以硫酸鎂溶液為凍融液，來實(shí)現(xiàn)硫酸鹽和凍融的共同作用。試驗(yàn)依據(jù)GB/T 50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》和蘭州地區(qū)氣候條件設(shè)計(jì)凍融循環(huán)溫度。根據(jù)蘭州氣象資料顯示，最高氣溫為39.8 ℃，最低氣溫為-21.7 ℃，因此，采用凍融循環(huán)機(jī)模擬冬春季季節(jié)交替造成的襯砌混凝土破壞，采用的溫度為-15～6 ℃，每次凍融循環(huán)在4 h內(nèi)完成。蘭州地下水中的硫酸根和鎂離子質(zhì)量濃度分別為4 250 mg/L和600 mg/L[16]，因此，根據(jù)硫酸鎂的溶解度選擇侵蝕溶液的體積分?jǐn)?shù)為5%。在每個(gè)鹽凍循環(huán)周期結(jié)束后更換硫酸鎂溶液，以保證溶液質(zhì)量濃度恒定。試驗(yàn)每?jī)鋈谘h(huán)25次為1個(gè)周期，每個(gè)周期結(jié)束后取出試件在室內(nèi)晾干2 d，分別測(cè)試試件的質(zhì)量、抗壓強(qiáng)度和超聲聲速。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 混凝土外觀形貌

試件FA0BF10在硫酸鹽溶液中凍融循環(huán)不同次數(shù)后的外觀形貌如圖2所示。由圖可知，噴射混凝土在鹽凍循環(huán)下的破壞是一個(gè)循序漸進(jìn)的過程，即隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，混凝土的外觀損傷程度也逐漸增大。在凍融循環(huán)50次后，試件表面和邊角位置局部出現(xiàn)了砂化現(xiàn)象，砂漿有輕微的脫落；凍融循環(huán)100次后，試件表面出現(xiàn)大面積砂漿剝落現(xiàn)象，邊緣處剝落程度也增大；而在凍融循環(huán)200次后，試件表面的砂漿全部剝落，骨料已基本上全部外露。同時(shí)，還可以從外觀形貌分析可知，在凍融50～100次時(shí)，試件的外觀變化較小，這是因?yàn)樵趦鋈谘h(huán)初期，混凝土的抗拉強(qiáng)度能夠抵抗凍融產(chǎn)生的損傷應(yīng)力；而凍融循環(huán)100～200次時(shí)，試件外觀形貌有較大程度的變化，這是因?yàn)樵谇治g后期，不斷地凍融循環(huán)過程中硫酸鹽與混凝土內(nèi)部水化產(chǎn)物生成了更多的膨脹性產(chǎn)物，膨脹應(yīng)力大于混凝土的抗拉強(qiáng)度，導(dǎo)致混凝土表面的砂漿全部剝落，骨料外露。由于試件FA0BF10中摻入了玄武巖纖維，在凍融循環(huán)過程中，纖維能夠幫助混凝土承擔(dān)部分的膨脹應(yīng)力，同時(shí)纖維的橋接作用在后期起作用，因而在凍融循環(huán)200次后試件尺寸是較為完整的，沒有出現(xiàn)大面積的剝落。

(a)50次

2.2 質(zhì)量變化規(guī)律

襯砌支護(hù)噴射混凝土在硫酸鹽-凍融共同作用下的質(zhì)量損失變化率如圖3所示。由圖可知，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，噴射混凝土在硫酸鹽溶液中質(zhì)量損失率先增大；當(dāng)凍融循環(huán)達(dá)到75次時(shí)，質(zhì)量損失率減小，隨后又持續(xù)增大。噴射混凝土在凍融循環(huán)和硫酸鹽侵蝕共同作用下質(zhì)量變化主要包括以下2個(gè)方面：1)凍融循環(huán)作用導(dǎo)致混凝土表面的漿體和骨料剝落，從而使得混凝土的質(zhì)量在循環(huán)初期降低；2)由于在凍融循環(huán)的過程中硫酸鹽溶液不斷進(jìn)入混凝土內(nèi)部，與水化產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)生成膨脹性的鈣礬石和石膏，填充了孔隙，使得混凝土質(zhì)量在凍融循環(huán)中期增加，而在循環(huán)的中后期，混凝土試件的剝落則是由凍融循環(huán)和硫酸鹽侵蝕2部分共同導(dǎo)致的。

由圖3(a)可知，當(dāng)凍融循環(huán)200次后，試件FA0、FA10、FA20、FA30的質(zhì)量損失率分別為1.89%、1.75%、1.63%和1.81%，其中粉煤灰摻量為30%的試件質(zhì)量損失率最大。在混凝土中摻入粉煤灰后，其具有微集料效應(yīng)和火山灰效應(yīng)，能夠填充毛細(xì)孔，強(qiáng)化混凝土的界面過渡區(qū)，提高密實(shí)度、抗?jié)B性和抗凍性。然而，混凝土中摻入過量的粉煤灰會(huì)使得火山灰效應(yīng)和微集料效應(yīng)減弱，增大混凝土孔隙率和有害孔數(shù)量，降低混凝土抗凍融循環(huán)的能力。

由圖3(b)可知，玄武巖纖維對(duì)混凝土抗硫酸鹽-凍融循環(huán)侵蝕能力的提升作用較小，0.1%體積摻量的玄武巖纖維的性能最優(yōu)，當(dāng)纖維摻量達(dá)到0.15%時(shí)，在凍融循環(huán)前期，與未摻纖維的混凝土相比，其質(zhì)量損失率較小，但到凍融后期，質(zhì)量損失率達(dá)到最大。在凍融循環(huán)-硫酸鹽作用200次后，試件FA0、FA0BF5、FA0BF10和FA0BF15的質(zhì)量損失率分別為1.89%、1.84%、1.81%和1.96%。玄武巖纖維的摻入能夠抑制早期干縮開裂，減緩混凝土內(nèi)部微裂紋的產(chǎn)生，降低孔隙率，在混凝土開裂剝落時(shí)，能夠起到橋接作用，減緩裂縫開裂過程；但是當(dāng)纖維摻量過多時(shí)，纖維在混凝土中分散不均勻，從而出現(xiàn)結(jié)團(tuán)，形成薄弱面，從而降低其抗凍性。

(a)粉煤灰摻量

2.3 相對(duì)動(dòng)彈性模量

硫酸鹽-凍融共同作用下各個(gè)襯砌支護(hù)噴射混凝土試件的相對(duì)動(dòng)彈性模量變化規(guī)律如圖4所示。由圖可知，噴射混凝土的相對(duì)動(dòng)彈性模量隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加呈現(xiàn)出初期緩慢降低，中期下降速率增大，在凍融后期急劇下降的趨勢(shì)。其主要原因是在凍融循環(huán)的初期，噴射混凝土未形成大的損傷，凍融循環(huán)和鹽溶液侵蝕主要作用在混凝土表面，混凝土內(nèi)部仍然是密實(shí)狀態(tài)，相對(duì)動(dòng)彈性模量降低緩慢；當(dāng)凍融和硫酸鹽侵蝕繼續(xù)進(jìn)行時(shí)，混凝土內(nèi)部出現(xiàn)損傷，鹽溶液擴(kuò)散速率增大，水化產(chǎn)物與硫酸鹽發(fā)生反應(yīng)生成侵蝕產(chǎn)物，侵蝕產(chǎn)物的膨脹作用在混凝土表面形成裂縫，與凍融剝落共同導(dǎo)致混凝土在后期動(dòng)彈性模量的快速下降。

由圖4(a)可知，在硫酸鹽-凍融循環(huán)作用200次后，試件FA0、FA10、FA20、FA30的相對(duì)動(dòng)彈性模量為0.80、0.82、0.85和0.79，其中粉煤灰摻量為20%的混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量下降最小，表明其抗硫酸鹽-凍融循環(huán)性能最好。粉煤灰在混凝土中能夠發(fā)生二次水化，提高了混凝土的密實(shí)性，并在一定程度上增加了試件內(nèi)部孔隙曲折度，降低了混凝土的毛細(xì)作用，從而使得凍融循環(huán)的剝落作用降低以及鹽溶液的擴(kuò)散速率減小。由圖4(b)可知，凍融循環(huán)200次后，試件FA0、FA0BF5、FA0BF10和FA0BF15的相對(duì)動(dòng)彈性模量分別為0.80、0.818、0.814和0.77。玄武巖纖維摻量為0.05%和0.1%的試件在200次凍融循環(huán)后的相對(duì)動(dòng)彈性模量基本相同，而當(dāng)摻量增加到0.15%時(shí)，相對(duì)動(dòng)彈性模量反而急速降低。主要原因是過量的纖維增大了混凝土內(nèi)部缺陷，孔隙率增大，在凍融循環(huán)時(shí)，冰在孔隙中的結(jié)晶壓增大，且硫酸鹽的滲透速率增大，膨脹產(chǎn)物和結(jié)晶壓作用下試件裂縫擴(kuò)展較快，使得后期相對(duì)動(dòng)彈性模量快速下降。

(a)粉煤灰摻量

2.4 相對(duì)抗壓強(qiáng)度

相對(duì)抗壓強(qiáng)度為混凝土各個(gè)凍融循環(huán)周期結(jié)束后的抗壓強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)60 d混凝土標(biāo)抗壓強(qiáng)度的比值。硫酸鹽-凍融共同作用下襯砌支護(hù)噴射混凝土的相對(duì)抗壓強(qiáng)度如圖5所示。相對(duì)抗壓強(qiáng)度均隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而減小。由圖5(a)可知，隨著粉煤灰摻量的增大(小于20%)，相對(duì)抗壓強(qiáng)度增大，即粉煤灰摻量小于20%時(shí)，粉煤灰的摻入能夠降低凍融循環(huán)對(duì)噴射混凝土的劣化程度。凍融循環(huán)200次后，F(xiàn)A0和FA10試件相對(duì)抗壓強(qiáng)度基本相同，分別為0.8%和0.81%，而FA20的相對(duì)抗壓強(qiáng)度為0.85%，當(dāng)粉煤灰摻量增大到30%時(shí)，相對(duì)抗壓強(qiáng)度降低為0.77%。玄武巖纖維對(duì)相對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響與粉煤灰相同，即當(dāng)纖維摻量增大時(shí)相對(duì)抗壓強(qiáng)度也增大，但摻量達(dá)到0.15%時(shí)，相對(duì)抗壓強(qiáng)度降低，摻入0.05%和0.1%玄武巖纖維的混凝土與對(duì)照組相比較為接近，0.15%摻量的相對(duì)抗壓強(qiáng)度稍高于其他2組混凝土。與對(duì)照組試件FA0相比，凍融循環(huán)200次后，摻入0.05%、0.1%和0.15%的玄武巖纖維使混凝土的相對(duì)抗壓強(qiáng)度增大1.38%、2.19%和-1.75%。在硫酸鹽-凍融作用下相對(duì)抗壓強(qiáng)度的變化過程是混凝土內(nèi)部裂縫、孔隙分布和界面特征的共同作用，抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)的變化與混凝土內(nèi)部的缺陷和損傷直接相關(guān)，因此，相對(duì)抗壓強(qiáng)度對(duì)硫酸鹽-凍融侵蝕的敏感程度較高[17]。

(a)粉煤灰摻量

3 抗壓強(qiáng)度衰減模型

3.1 衰減模型基本形式

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，硫酸鹽-凍融循環(huán)后噴射混凝土的相對(duì)抗壓強(qiáng)度與凍融循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系呈二次項(xiàng)關(guān)系，則噴射混凝土抗壓強(qiáng)度fcN與凍融循環(huán)次數(shù)N之間的關(guān)系可表示為

fcN=kfc0(aN+b)。

(1)

式中：k、a、b為待定參數(shù)；fcN和fc0分別為不同凍融循環(huán)次數(shù)后噴射混凝土的抗壓強(qiáng)度和侵蝕前噴射混凝土的抗壓強(qiáng)度；N為凍融循環(huán)次數(shù)。

以不摻粉煤灰和玄武巖的試件為基準(zhǔn)，通過回歸分析可得出凍融循環(huán)200次以內(nèi)噴射混凝土抗壓強(qiáng)度為

fcN=kfc0(-0.001N+1)。

(2)

式中k=kFkB，其中kF和kB分別為不同粉煤灰摻量和玄武巖纖維摻量單因素作用下混凝土抗壓強(qiáng)度修正因子。

則噴射混凝土相對(duì)抗壓強(qiáng)度fcN/fc0與鹽凍循環(huán)次數(shù)N的關(guān)系為

fcN/fc0=kFkB(-0.001N+1)。

(3)

3.2 影響因素修正因子

3.2.1 粉煤灰摻量修正因子kF

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，以不摻粉煤灰的試件FA0為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)不同凍融循環(huán)次數(shù)下粉煤灰摻量為0%、10%、20%和30%試件的相對(duì)抗壓強(qiáng)度進(jìn)行歸一化處理，如圖6所示。得到不同粉煤灰摻量修正因子與粉煤灰摻量之間的關(guān)系為

圖6 粉煤灰摻量與相對(duì)抗壓強(qiáng)度影響系數(shù)的關(guān)系

kF=-0.000 2F2+0.006F+1。

(4)

式中F為粉煤灰摻量。

3.2.2 玄武巖纖維修正因子kB

以試件FA0為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)不同硫酸鹽-凍融循環(huán)次數(shù)后玄武巖纖維摻量為0%、0.05%、0.1%、0.15%試件的相對(duì)抗壓強(qiáng)度進(jìn)行歸一化處理，如圖7所示，經(jīng)回歸分析可得到不同玄武巖纖維摻量修正因子與玄武巖纖維摻量的關(guān)系為

圖7 玄武巖纖維摻量與相對(duì)抗壓強(qiáng)度影響系數(shù)的關(guān)系

kB=-3.7B2+0.5B+1。

(5)

式中B為玄武巖纖維摻量。

3.3 影響因素修正因子

綜合式(3)—(5)，可得到考慮凍融循環(huán)次數(shù)、粉煤灰摻量和玄武巖纖維摻量因素的噴射混凝土在硫酸鹽-凍融循環(huán)作用后的抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律預(yù)測(cè)模型如下：

fcN=(-0.000 2F2+0.000 6F+1)·(-3.7B2+

0.5B+1)·(-0.001N+1)fc0。

(6)

3.4 衰減模型

根據(jù)抗壓強(qiáng)度衰減模型計(jì)算得到相對(duì)抗壓強(qiáng)度計(jì)算值與試驗(yàn)值之間的關(guān)系,如圖8所示。從圖中可以看出，二者之間雖然存在一定的誤差，但能夠滿足誤差要求。因此，根據(jù)建立的噴射混凝土抗壓強(qiáng)度衰減模型,能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)噴射混凝土在不同凍融循環(huán)次數(shù)后的抗壓強(qiáng)度值。

(a)粉煤灰摻量

4 結(jié)論與討論

本文以蘭州地鐵隧道實(shí)際服役環(huán)境為依據(jù)設(shè)計(jì)了隧道襯砌支護(hù)混凝土的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)侵蝕制度，研究了粉煤灰摻量和玄武巖纖維摻量對(duì)襯砌支護(hù)混凝土劣化規(guī)律的影響，得出以下結(jié)論。

1)隨著硫酸鹽-凍融循環(huán)次數(shù)的增大，混凝土質(zhì)量損失率在凍融初期先增大后減小，而在后期快速增加。粉煤灰和玄武巖纖維的摻量分別為20%和0.1%時(shí)質(zhì)量損失率最小。

2)噴射混凝土的相對(duì)動(dòng)彈性模量和相對(duì)抗壓強(qiáng)度隨鹽凍循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律基本一致，均隨著鹽凍循環(huán)的進(jìn)行逐漸降低，前期降低速率較慢，后期下降較快，但二者對(duì)于混凝土損傷的敏感程度不同。

3)基于回歸分析法建立了噴射混凝土抗壓強(qiáng)度隨鹽凍循環(huán)次數(shù)的衰減模型。采用衰減模型得到的相對(duì)抗壓強(qiáng)度計(jì)算值與試驗(yàn)值之間雖然存在一定的誤差，但能夠滿足誤差要求范圍。

本研究從材料層面和結(jié)構(gòu)層面分別探討了鹽凍循環(huán)對(duì)噴射混凝土的影響，并建立了抗壓強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型，但仍需結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際環(huán)境暴露劣化規(guī)律進(jìn)行深入探討。因此，在后續(xù)研究中會(huì)在地鐵隧道實(shí)際服役環(huán)境下開展耐久性試驗(yàn)，以反映西北地區(qū)硫酸鹽-凍融共同作用下隧道襯砌噴射混凝土的耐久性劣化規(guī)律。