含石膏泥灰?guī)r地層隧道噴射混凝土TSA侵蝕試驗(yàn)分析

張亞軍

（山西路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司，山西 太原 030006）

根據(jù)《2020年交通運(yùn)輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》統(tǒng)計(jì)，截至2020年底，全國公路隧道21 316處，里程達(dá)2 199.93萬m。隨著我國公路隧道運(yùn)營年限的增加，隧道病害問題日益顯現(xiàn)[1-2]，對公路網(wǎng)運(yùn)營安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅，使公路隧道的運(yùn)營養(yǎng)護(hù)面臨極大壓力。

石膏質(zhì)巖作為一種蒸發(fā)沉積巖，廣泛分布于整個(gè)地質(zhì)沉積史中。在已建成運(yùn)營的公路隧道中，頻頻出現(xiàn)地層為石膏巖或膏溶巖（石膏巖與灰?guī)r共存）的情況[3-4]。由于石膏巖與灰?guī)r均為可溶鹽，一方面，石膏巖溶蝕產(chǎn)生的硫酸鹽會(huì)對隧道襯砌結(jié)構(gòu)混凝土產(chǎn)生腐蝕作用，從而使混凝土材料發(fā)生硫酸鹽侵蝕而失去強(qiáng)度。另外，灰?guī)r地層地下水中常含有碳酸根或碳酸氫根離子，如遇到隧址區(qū)氣溫較低時(shí)，極易導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)碳硫硅鈣石型硫酸鹽侵蝕（簡稱TSA），這種侵蝕區(qū)別于傳統(tǒng)鈣礬石或石膏型硫酸鹽侵蝕，其破壞性極大，直接可以將混凝土膠凝材料泥化，且在發(fā)生初期很難被檢測識(shí)別。與傳統(tǒng)硫酸鹽侵蝕相比，TSA并不會(huì)引起混凝土宏觀體積發(fā)生明顯膨脹開裂，卻直接導(dǎo)致水泥石中C-S-H凝膠分解，使混凝土最終變?yōu)橐环N失去強(qiáng)度的果肉狀泥砂混合物[5]，因此它具有一定的隱蔽性和很強(qiáng)的破壞性。

目前，對于鈣礬石或石膏型硫酸鹽侵蝕方面已進(jìn)行大量研究，主要集中在其發(fā)生機(jī)理、生成路徑、影響因素及鑒定方法等方面[6-7]，而對低溫下石膏巖地層中出現(xiàn)的碳硫硅鈣石型硫酸鹽侵蝕則關(guān)注較少。此外，目前對于工程中發(fā)生TSA的案例主要集中在大壩等水利工程[8-9]，對于隧道襯砌結(jié)構(gòu)發(fā)生TSA的案例及其相關(guān)處治研究還不多見。因此，針對石膏泥灰?guī)r地層隧道工程結(jié)構(gòu)混凝土真實(shí)服役環(huán)境下TSA的成因機(jī)制和病害處治尚需進(jìn)一步研究。

為此，為保障TSA侵蝕地區(qū)公路隧道服役期結(jié)構(gòu)安全，以山西省某高速公路隧道為依托，開展含石膏泥灰?guī)r地層隧道TSA侵蝕機(jī)理和防治對策研究，研究成果可為類似地層隧道設(shè)計(jì)與施工及混凝土病害處治提供技術(shù)支撐。

1 工程背景

該隧道位于山西省某高速公路，長2 515 m，洞身最大埋深231 m。隧道噴射混凝土發(fā)生腐蝕的區(qū)段主要為奧陶系中統(tǒng)上馬家溝組一段（O2s1），該地層頂部為46～48 m厚泥灰?guī)r，其下為泥灰?guī)r、灰?guī)r互層，底部泥灰?guī)r中含石膏透鏡體。圍巖中石膏（二水石膏與硬石膏）含量最大達(dá)90%以上。

隧址區(qū)年平均降水量達(dá)592.33 mm，隧道K34+500—K34+800段地表分布的廢棄硫鐵礦礦坑（見圖1）為降水入滲提供了良好條件，同時(shí)，F(xiàn)eS2氧化后與水反應(yīng)，產(chǎn)生大量的SO42-，為地下水中SO42-提供來源。隧道地下水測試結(jié)果見表1，表明地下水水化學(xué)類型為 OH-+SO42-—Ca2++Na+。

圖1 地表礦坑形態(tài)圖

表1 該隧道水質(zhì)化驗(yàn)結(jié)果

2 噴射混凝土破壞特征與物相分析

2.1 噴射混凝土破壞特征

該隧道病害處治過程中，發(fā)現(xiàn)在拆除隧道二次襯砌后，部分噴射混凝土已成為無膠凝性的灰白色爛泥狀物質(zhì)（圖2），完全失去強(qiáng)度，混凝土裂紋和孔隙中賦存白色物質(zhì)，粗骨料邊緣有白色色暈，這種混凝土軟化現(xiàn)象多發(fā)生在濕度較大的部位。

圖2 該隧道噴射混凝土侵蝕破壞情況

2.2 噴射混凝土物相分析

2.2.1 噴射混凝土物相分析

通過對混凝土腐蝕物骨料進(jìn)行巖相分析（圖3），該隧道噴射混凝土物相結(jié)果見表2所列。被侵蝕混凝土采用了碳酸鹽骨料，這也為混凝土遭受碳硫硅鈣石型硫酸鹽侵蝕提供了必要的CO32-。

圖3 腐蝕混凝土骨料

表2 腐蝕混凝土骨料物相分析結(jié)果 %

2.2.2 腐蝕物微觀測試分析

對該隧道噴射混凝土腐蝕物進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)地取樣，并利用傅里葉紅外光譜（FTIR）精修對腐蝕物進(jìn)行定性分析，結(jié)果如圖4所示。

圖4 噴射混凝土腐蝕物FTIR測試結(jié)果

圖4所示為噴射混凝土腐蝕物的FTIR圖譜。測試結(jié)果顯示，由于腐蝕物在500 cm-1和673 cm-1出現(xiàn)了明顯的峰值，可確定其含有大量的碳硫硅鈣石。同時(shí)，在850 cm-1處未出現(xiàn)明顯峰值也表明腐蝕物中鈣礬石含量極小，工程現(xiàn)場所取的混凝土腐蝕物樣品均已發(fā)生了嚴(yán)重的碳硫硅鈣石型硫酸鹽侵蝕（表3），其中碳硫硅鈣石含量高達(dá)54.7%。

表3 主要基團(tuán)的吸收峰

3 TSA侵蝕作用下噴射混凝土強(qiáng)度劣化規(guī)律

3.1 侵蝕試驗(yàn)方法

3.1.1 原材料及配合比

侵蝕試驗(yàn)采用與該隧道噴射混凝土相同配合比（見表4），試驗(yàn)原材料如下：水泥為P.O 42.5；摻合料為石灰石粉；細(xì)集料為河砂；粗集料為石灰?guī)r，粒徑5～10 mm；減水劑為聚羧酸類。

表4 混凝土配合比 kg/m3

3.1.2 侵蝕試驗(yàn)方法

通過現(xiàn)場及室內(nèi)試驗(yàn)還原混凝土服役時(shí)所處的侵蝕環(huán)境（圖5），再現(xiàn)該隧道初支混凝土發(fā)生硫酸鹽型侵蝕的全過程。

圖5 現(xiàn)場混凝土試件制作及養(yǎng)護(hù)

試驗(yàn)過程中分別在不同時(shí)期觀察混凝土外觀變化，并采取XRD精修及FTIR對腐蝕物成分進(jìn)行定量及定性分析。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖6所示為現(xiàn)場成型混凝土不同浸泡時(shí)間外觀變化，結(jié)果顯示近一年的時(shí)間內(nèi)，試件表面未出現(xiàn)明顯變化，而當(dāng)浸泡時(shí)間為16個(gè)月時(shí)，試件表面出現(xiàn)起皮剝落；浸泡到20個(gè)月時(shí)，除表面起皮剝落外，試件表面出現(xiàn)輕微泥漿化。

圖6 噴射混凝土不同浸泡時(shí)間外觀變化

為進(jìn)一步分析混凝土劣化的規(guī)律和腐蝕機(jī)制，對混凝土表皮剝落物進(jìn)行XRD和FTIR測試，圖7和圖8分別所示浸泡時(shí)間為16個(gè)月和20個(gè)月時(shí)腐蝕物的XRD圖譜。

圖7 噴射混凝土浸泡16個(gè)月時(shí)腐蝕物XRD圖譜

圖8 噴射混凝土浸泡20個(gè)月時(shí)腐蝕物XRD圖譜

測試結(jié)果顯示，16個(gè)月的腐蝕物在0.956～0.972 nm、0.551～0.561 nm以及0.378～0.387 nm附近出現(xiàn)特征峰，而20個(gè)月的腐蝕物還在0.467～0.486 nm附近出現(xiàn)特征峰，表明腐蝕物中出現(xiàn)了硫酸鹽侵蝕物。碳硫硅鈣石的FTIR圖譜主要在500 cm-1、1 400 cm-1、875 cm-1、1 100 cm-1處存在特征峰，其中500 cm-1處為 ［SiO6］基團(tuán)的特征峰，1 400 cm-1、875 cm-1處為CO32-基團(tuán)的特征峰，而SO42-基團(tuán)的特征峰與鈣礬石中SO42-基團(tuán)的特征峰相同。為此，圖9給出了2種腐蝕產(chǎn)物的FTIR圖譜。

圖9 現(xiàn)場成型混凝土腐蝕物FTIR圖譜

隧道襯砌結(jié)構(gòu)失穩(wěn)假定是在既定外荷載下混凝土侵蝕后強(qiáng)度衰減所致，并假設(shè)侵蝕是均勻分布在襯砌結(jié)構(gòu)迎水面表面的，而不考慮強(qiáng)度衰減部位、程度（截面占比）等其他因素。以典型TSA侵蝕斷面為例，腐蝕混凝土中TSA含量為19.3%，TSA首次出現(xiàn)的時(shí)間為18個(gè)月，該斷面受TSA侵蝕約為55個(gè)月。

由此可獲得強(qiáng)度變化規(guī)律如下：

a）TSA 生成速率 υt:

b）TSA含量與強(qiáng)度衰減速度關(guān)系 假定斷面破壞時(shí)外部荷載（包括膨脹荷載）已經(jīng)達(dá)到最大值，隧道襯砌破壞是由結(jié)構(gòu)強(qiáng)度自身衰減程度決定。以隧道斷面YK34+500為樣本，經(jīng)計(jì)算反演分析在既定荷載作用下隧道襯砌結(jié)構(gòu)（TSA含量19.3%）破壞時(shí)噴射混凝土強(qiáng)度殘余值為75%.

因此，噴射混凝土強(qiáng)度衰減速率υt約為：（1-75%）/55=0.455%.

4 噴射混凝土抗TSA侵蝕對策

4.1 噴射混凝土抗TSA侵蝕試驗(yàn)

4.1.1 抗TSA侵蝕試驗(yàn)方法

混凝土配合比參照該隧道原噴射混凝土設(shè)計(jì)資料得到，試驗(yàn)共設(shè)計(jì)7種配合比（表5），其中配合比4為該隧道病害處治期采用的混凝土配合比，配合比5為該隧道發(fā)生病害配合比。為加速TSA的生成，配比內(nèi)摻10%硫酸鎂，通過外觀形貌、強(qiáng)度耐蝕系數(shù)及XRD精修等方法，對各配合比混凝土是否出現(xiàn)TSA進(jìn)行評價(jià)。

表5 混凝土配合比及養(yǎng)護(hù)方式 kg/m3

4.1.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

碳硫硅鈣石測試結(jié)果見表6，表明在9個(gè)月的低溫養(yǎng)護(hù)下，該隧道發(fā)生病害時(shí)所采用的混凝土配合比（5號(hào)）出現(xiàn)了較明顯的碳硫硅鈣石侵蝕（4.11%），而采用石灰質(zhì)粗骨料且水泥為P.O 42.5的1號(hào)試樣也出現(xiàn)了微量碳硫硅鈣石（1.64%），其他試樣未檢測出碳硫硅鈣石。當(dāng)?shù)蜏仞B(yǎng)護(hù)11個(gè)月時(shí)，5號(hào)試樣碳硫硅鈣石生成量繼續(xù)增加，達(dá)到5.09%，1號(hào)試樣腐蝕物中碳硫硅鈣石含量也達(dá)到了3.97%.另外，對于摻加石灰質(zhì)粗骨料的2號(hào)試樣以及浸泡在石灰石粉溶液中的6號(hào)和7號(hào)試樣也同樣出現(xiàn)輕微的碳硫硅鈣石侵蝕。因此，依據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果可知，相較于外源性碳酸根（石灰石粉溶液浸泡），當(dāng)碳酸根以內(nèi)源性形式存在時(shí)，混凝土材料較易發(fā)生碳硫硅鈣石型硫酸鹽侵蝕，而內(nèi)源性侵蝕中，材料粒徑越小，比表面積越大，其越容易參與碳硫硅鈣石的形成。

表6 各配合比碳硫硅鈣石定量分析結(jié)果 %

圖10和圖11分別所示為不同齡期下抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的耐蝕系數(shù)。

圖10 低溫養(yǎng)護(hù)條件下各試樣抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)

圖11 低溫養(yǎng)護(hù)條件下各試樣抗折強(qiáng)度耐蝕系數(shù)

就不同齡期下強(qiáng)度耐蝕系數(shù)而言（圖10和圖11），發(fā)生硫酸鹽侵蝕最嚴(yán)重的是5號(hào)試樣，即該隧道發(fā)生病害的配合比，其次為1號(hào)和2號(hào)試樣，而4號(hào)試樣配合比規(guī)避掉了所有可能提供碳酸根的材料，因而未出現(xiàn)碳硫硅鈣石。

4.2 噴射混凝土抗TSA侵蝕對策

4.2.1 噴射混凝土材料組成

基于噴射混凝土的抗TSA侵蝕試驗(yàn)，優(yōu)化噴射混凝土材料組成可有效提高混凝土的抗蝕性能（圖12），具體包括：

圖12 混凝土預(yù)防TSA對策

a）防止水分的侵入 通過優(yōu)化骨料顆粒級(jí)配，降低水膠比等措施提高混凝土抗?jié)B能力，或通過設(shè)置防水層阻止水分向混凝土基體中擴(kuò)散。

b）改變膠凝材料的組分 應(yīng)盡量采用C3A和C4AF含量低的水泥，而不要使用加石灰石粉填料的水泥，水泥中鋁離子的含量要盡量少。

c）拌制混凝土?xí)r使用適量活性礦物摻合料或有潛在水硬性的材料替代水泥，可在一定程度上預(yù)防或延緩TSA的發(fā)生。

d）控制膠凝材料體系中SO3和Al2O3的數(shù)量，使SO3/Al2O3物質(zhì)的量比3小。

4.2.2 隧道排水結(jié)構(gòu)

a）增加隧道襯砌結(jié)構(gòu)密實(shí)性，隧道初期支護(hù)混凝土抗?jié)B等級(jí)不得小于P6；另一方面，隧道二次襯砌混凝土抗?jié)B等級(jí)不得小于P8。

b）加強(qiáng)隧道防排水系統(tǒng)排水能力，注重隧道排水管的高程銜接，不得出現(xiàn)積水、無法排水的現(xiàn)象。

c）封閉堵塞隧道圍巖（巖體）內(nèi)地下水滲流路徑，減少地下水向隧道周邊匯集水量。

5 結(jié)語

a）通過XRD+FTIR的測試組合方法，可以判定該隧道襯砌混凝土腐蝕物中主要成分為碳硫硅鈣石，即混凝土發(fā)生了碳硫硅鈣石型硫酸鹽侵蝕。

b）根據(jù)隧道襯砌結(jié)構(gòu)病害發(fā)展資料，按照施工時(shí)間、病害發(fā)育程度與發(fā)展規(guī)模，估測隧道襯砌混凝土結(jié)構(gòu)在工程中出現(xiàn)TSA侵蝕的時(shí)間為18～36個(gè)月間。

c）當(dāng)碳硫硅鈣石含量達(dá)到5.09%時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)僅為86%，而抗折強(qiáng)度耐蝕系數(shù)僅為79%，即抗折強(qiáng)度損失對碳硫硅鈣石型硫酸鹽侵蝕更加敏感。

d）通過采用玄武巖粗骨料和不含石灰粉的水泥，可有效提高該隧道噴射混凝土抗硫酸侵蝕性能。