RS（Ⅰ）溶蝕抑制劑對(duì)噴射混凝土性能的影響

羅偉平，劉凱，蒲春平，穆松，姚文斌，周瑩

（1.廣東華陸高速公路有限公司，廣東 廣州 510000；2.江蘇省建筑科學(xué)研究院有限公司，高性能土木工程材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 211103；3.廣東潮汕環(huán)線高速公路有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引言

隨著我國(guó)基礎(chǔ)建設(shè)的不斷推進(jìn)，公路和鐵路建設(shè)數(shù)量及規(guī)模不斷增大，隧道作為公路和鐵路的重要組成部分，其面臨的耐久性問題日益凸顯，其中最為常見的是滲漏現(xiàn)象，長(zhǎng)時(shí)間的滲漏導(dǎo)致襯砌混凝土的水化產(chǎn)物發(fā)生溶解，即出現(xiàn)溶蝕現(xiàn)象，堵塞排水管，嚴(yán)重威脅隧道的結(jié)構(gòu)耐久性及服役壽命[1-4]。截至目前，云南、廣東、貴州、四川等多地的隧道中出現(xiàn)了溶蝕引起的排水管堵塞現(xiàn)象[5-9]，如圖1所示。

針對(duì)混凝土溶蝕問題，目前已有學(xué)者從配合比參數(shù)、溶蝕抑制角度開展了相關(guān)研究。結(jié)果表明[10]，配合比參數(shù)對(duì)混凝土溶蝕性能提升效果為水膠比＞礦物摻合料＞砂率，其中，減小水灰比可增大漿體微結(jié)構(gòu)的密實(shí)性，顯著提高水泥硬化漿體抵抗水溶蝕的能力[11-13]。相比于純水泥漿體，礦物摻合料可以與水泥水化產(chǎn)物進(jìn)一步發(fā)生火山灰反應(yīng)，進(jìn)一步提高漿體的密實(shí)性和抗溶蝕能力[14-17]。此外，在混凝土中采用納米SiO2可以使混凝土微結(jié)構(gòu)致密化，延緩侵蝕離子在混凝土內(nèi)部的擴(kuò)散傳輸速率，達(dá)到抑制溶蝕的作用[18]。然而上述措施在實(shí)際工程中，配合比設(shè)計(jì)等易受地材品質(zhì)（級(jí)配、含泥量等）、施工條件影響，難以滿足不同服役條件下的混凝土耐溶蝕性能需求，不具有普遍性。RS（Ⅰ）溶蝕抑制劑作為一種有機(jī)無機(jī)納米雜化材料，通過增加膠凝體系的密實(shí)性和提高疏水性來改善混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，已經(jīng)在海工混凝土中得到廣泛應(yīng)用[19]，但在噴射混凝土材料中應(yīng)用較少。本文以實(shí)際工程為背景，探究了RS（Ⅰ）溶蝕抑制劑對(duì)噴射混凝土性能的影響，以期為后續(xù)工程應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

（1）水泥：華潤(rùn)（封開）P·O42.5水泥，其物理力學(xué)性能和主要化學(xué)成分分別見表1和表2。

表1 水泥的物理力學(xué)性能

表2 水泥的主要化學(xué)成分 %

（2）速凝劑：市售有堿速凝劑，符合GB/T 35159—2017《噴射混凝土用速凝劑》要求，其主要技術(shù)性能見表3。

表3 速凝劑的主要技術(shù)性能

（3）集料：細(xì)集料為河砂，含泥量為1.5%，細(xì)度模數(shù)2.76；粗集料為5～10 mm碎石，產(chǎn)自合盛石場(chǎng)，空隙率為45%。

（4）RS（Ⅰ）溶蝕抑制劑：江蘇蘇博特新材料股份有限公司生產(chǎn)，該產(chǎn)品主要由有機(jī)羧酸聚合物和無機(jī)碳納米材料組成，其中聚合物通過將有機(jī)溶劑甲苯與有機(jī)羧酸攪拌均勻后升溫至50～150℃，加入適量聚醚和催化劑反應(yīng)10～16 h制備而成[20]；再將有機(jī)羧酸聚合物與無機(jī)碳納米材料在水溶液中，以1500～1800 r/min攪拌4～6 h，經(jīng)均勻分散后制得。具有提高混凝土憎水性能、降低吸水率和提高混凝土結(jié)構(gòu)密實(shí)性的作用，性能符合JC/T 2553—2019《混凝土抗侵蝕抑制劑》要求，其主要性能見表4。

表4 RS（Ⅰ）溶蝕抑制劑的主要性能

（5）減水劑：SBT@-PCA（I）聚羧酸高性能減水劑，含固量為18%，減水率26%，江蘇蘇博特新材料股份有限公司。

1.2 試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用工程C25噴射混凝土配合比，其中RS（Ⅰ）溶蝕抑制劑的摻量分別10、20、30、40 kg/m3，用水量等量扣除其所含水量，水膠比為0.40，砂率為50%，具體配合比見表5。

表5 C25噴射混凝土的配合比 kg/m3

1.3 測(cè)試與表征

（1）凝結(jié)時(shí)間測(cè)試：參照GB/T 35159—2017進(jìn)行，其中速凝劑摻量為5%。

（2）預(yù)拌噴射混凝土的工作性測(cè)試：參照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行，在預(yù)拌噴射混凝土出機(jī)后，加入速凝劑，采用人工快速拌合的方式將速凝劑與混凝土拌合均勻，邊振搗邊成型試塊。

（3）抗壓強(qiáng)度測(cè)試：參照GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行；混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)和吸水率測(cè)試：參照GB/T 50082—2019《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行。

（4）溶蝕試驗(yàn)：參照BS PD CEN/TR 16142進(jìn)行[21]，試驗(yàn)環(huán)境溫度為（20±2）℃，試驗(yàn)持續(xù)齡期為14 d，混凝土抵抗溶蝕的能力通過有效擴(kuò)散系數(shù)pDe進(jìn)行表征，pDe值越大，表示混凝土的抗溶蝕能力越強(qiáng)，混凝土的溶蝕等級(jí)評(píng)價(jià)[21]如表6所示。

表6 混凝土溶蝕等級(jí)評(píng)價(jià)

（5）SEM分析：采用FEI公司生產(chǎn)的Quanta 250型掃描電子顯微鏡進(jìn)行；EDAX分析：采用GENESIS Apollo X能譜儀進(jìn)行。

2 RS（Ⅰ）對(duì)噴射混凝土性能的影響

2.1 對(duì)凈漿凝結(jié)時(shí)間的影響

噴射混凝土凝結(jié)硬化速率是快速施工并穩(wěn)固初期支護(hù)的重要保障。凝結(jié)時(shí)間太長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致早期強(qiáng)度偏低，在受到施工擾動(dòng)時(shí)易成塊掉落，影響施工安全性及進(jìn)度；凝結(jié)時(shí)間的太短則會(huì)導(dǎo)致凝結(jié)硬化過快，致使噴射混凝土與圍巖粘結(jié)性降低，回彈率增大。圖2為RS（Ⅰ）溶蝕抑制劑摻量對(duì)摻速凝劑水泥凈漿凝結(jié)時(shí)間的影響。

由圖2可見，隨RS（Ⅰ）溶蝕抑制劑摻量的增加，凈漿的初凝、終凝時(shí)間均先延長(zhǎng)后縮短。當(dāng)RS（Ⅰ）摻量為10 kg/m3時(shí)，凈漿的凝結(jié)時(shí)間較DZ組（未摻組）延長(zhǎng)；當(dāng)RS（Ⅰ）摻量為30、40 kg/m3時(shí)，凈漿的凝結(jié)時(shí)間較DZ組縮短；當(dāng)RS（Ⅰ）摻量為20 kg/m3時(shí)，凈漿的凝結(jié)時(shí)間與DZ組相近，基本不影響漿體的凝結(jié)，可滿足正常噴射混凝土施工對(duì)凝結(jié)時(shí)間的要求。

2.2 對(duì)拌合物工作性能的影響

流動(dòng)性直接影響新拌噴射混凝土的可泵性和可噴性。流動(dòng)性過小易導(dǎo)致黏聚性增大，泵送阻力增大則易導(dǎo)致堵管，且在噴射到施工面后易脫落；流動(dòng)性過大則易導(dǎo)致噴射于拱肩和拱頂區(qū)域時(shí)噴射混凝土的流淌及脫落[22]。表7為RS（Ⅰ）溶蝕抑制劑摻量對(duì)噴射混凝土新拌及經(jīng)時(shí)1 h坍落度和擴(kuò)展度的影響。

表7 C25噴射混凝土的工作性能

由表7可以看出，隨著RS（Ⅰ）摻量的增加，新拌混凝土的坍落度和擴(kuò)展度呈先增大后減小的趨勢(shì)。RS（Ⅰ）在10～30 kg/m3摻量范圍內(nèi)混凝土的坍落度和擴(kuò)展度均大于DZ組，且1 h后基本無損失，仍保持良好的工作性能，表明RS（Ⅰ）溶蝕抑制劑在此摻量范圍起到了改善噴射混凝土初始流動(dòng)性和經(jīng)時(shí)損失的作用，可保障新拌噴射混凝土的泵送性能。

2.3 對(duì)噴射混凝土力學(xué)性能和耐久性的影響

圖3為RS（Ⅰ）溶蝕抑制劑摻量對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響。

由圖3可見，相比于DZ組，在10～40 kg/m3摻量范圍內(nèi)，隨著RS（Ⅰ）摻量的增加，噴射混凝土的1、28 d抗壓強(qiáng)度均呈逐漸提高的趨勢(shì)。這是由于RS（Ⅰ）中的密實(shí)組分在摻入混凝土后一部分充當(dāng)水化成核促進(jìn)了水泥的水化進(jìn)程，一部分起到了填充孔隙的作用，RS（Ⅰ）摻量增加，密實(shí)組分比例增大，抗壓強(qiáng)度改善效果增強(qiáng)。

圖4為RS（Ⅰ）溶蝕抑制劑摻量對(duì)混凝土吸水率的影響。

由圖4可見，RS（Ⅰ）在摻量10～40 kg/m3范圍內(nèi)，相比于DZ組，摻入RS（Ⅰ）后顯著降低了噴射混凝土的吸水率，降幅達(dá)38%以上。這是由于，RS（Ⅰ）中的疏水組分在摻入混凝土中后，與水泥水解生成的金屬離子形成具有疏水性質(zhì)的絡(luò)合物，存在于漿體孔隙內(nèi)壁，阻礙了水向混凝土內(nèi)部的擴(kuò)散，進(jìn)而起到降低噴射混凝土吸水率的作用[23-24]；隨著RS（Ⅰ）摻量的增加，混凝土吸水率逐漸趨于平緩，這是由于形成的疏水物質(zhì)在混凝土內(nèi)部逐漸趨于飽和，當(dāng)達(dá)到一定量時(shí)，其吸水率變化趨于平緩。

圖5為RS（Ⅰ）溶蝕抑制劑摻量對(duì)噴射混凝土28 d氯離子擴(kuò)散系數(shù)的影響曲線。

由圖5可見，摻入RS（Ⅰ）后顯著減小了噴射混凝土的28 d氯離子擴(kuò)散系數(shù)，且隨其摻量的增加，28 d氯離子擴(kuò)散系數(shù)先減小后趨平緩，在摻量為20 kg/m3時(shí)出現(xiàn)拐點(diǎn)，此時(shí)的氯離子擴(kuò)散系數(shù)較DZ組減小了12%。其原因一方面是密實(shí)組分改善了噴射混凝土的密實(shí)性，使氯離子擴(kuò)散系數(shù)減??；另一方面是疏水組分提高了混凝土內(nèi)部孔隙內(nèi)部的疏水性，水分傳輸受到抑制，進(jìn)而起到抑制氯離子傳輸?shù)淖饔谩?/p>

表8中的有效擴(kuò)散系數(shù)pDe可直觀反映RS（Ⅰ）溶蝕抑制劑對(duì)噴射混凝土抗溶蝕性能的影響。

表8 噴射混凝土的抗溶蝕性能

由表8可見，隨著RS（Ⅰ）摻量的增加，有效擴(kuò)散系數(shù)呈增大趨勢(shì)。對(duì)照表6的溶蝕評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)可知，RS（Ⅰ）在20～40 kg/m3摻量范圍內(nèi)可顯著提高噴射混凝土的抗溶蝕性能。這是由于噴射混凝土的溶蝕是水流作用下的混凝土中水泥水化產(chǎn)物的溶出性侵蝕，RS（Ⅰ）溶蝕抑制劑的摻入增大了混凝土的密實(shí)性和孔隙內(nèi)壁的疏水性，一方面起到了降低混凝土內(nèi)部水分傳輸速率的作用，另一方面由于疏水物質(zhì)的存在，延緩了水化產(chǎn)物的溶出，進(jìn)而起到抑制溶蝕的作用。

綜合以上凝結(jié)時(shí)間、混凝土抗壓強(qiáng)度、吸水率及28 d氯離子擴(kuò)散系數(shù)等變化規(guī)律可知，RS（Ⅰ）摻量為20 kg/m3時(shí)，噴射混凝土具有較好的力學(xué)性能和耐久性。

3 作用機(jī)理分析

基于上述試驗(yàn)得出RS（Ⅰ）溶蝕抑制劑的最佳摻量為20 kg/m3，選擇DZ和SY-2組混凝土試件，采用去離子水加速法進(jìn)行溶蝕試驗(yàn)后，取樣終止水化、烘干后進(jìn)行SEM和EDAX微觀分析，結(jié)果見圖6和圖7。

溶蝕是指水化產(chǎn)物在水環(huán)境作用下，其出現(xiàn)脫鈣溶出導(dǎo)致pH值不斷減小，使得水化產(chǎn)物逐漸失去膠凝性的腐蝕現(xiàn)象[17]。從圖6、圖7可見：（1）DZ組混凝土在經(jīng)過溶蝕后，微觀結(jié)構(gòu)開始呈現(xiàn)出疏松狀；圖7中DZ組的EDAX元素含量表明微觀組成中鈣離子已經(jīng)溶出。（2）SY-2組混凝土經(jīng)溶蝕后水化產(chǎn)物棱角分明，圖7中SY-2組的EDAX圖譜中仍存在較大比例的鈣離子，由此可知SY-2組混凝土中的鈣離子未出現(xiàn)顯著的流失現(xiàn)象。表明RS（Ⅰ）摻入混凝土中后抑制了水化產(chǎn)物中鈣離子的溶出，改善了水化產(chǎn)物的抗溶蝕性能。

4 工程應(yīng)用

采用上述RS（Ⅰ）溶蝕抑制劑及最佳摻量（20 kg/m3）制備抗溶蝕噴射混凝土應(yīng)用于廣東某隧道中，并與相同配比未摻RS（I）的普通噴射混凝土進(jìn)行性能對(duì)比，在施工過程中，取隧道拱腰區(qū)域制備噴射混凝土大板，相同條件下養(yǎng)護(hù)28 d，進(jìn)行力學(xué)性能、氯離子擴(kuò)散系數(shù)及溶蝕性能測(cè)試，結(jié)果見表9。

表9 C25噴射混凝土的力學(xué)性能及耐久性

由表9可見：試驗(yàn)組的28 d混凝土抗壓強(qiáng)度高于對(duì)照組，較對(duì)照組提高了44.5%；氯離子擴(kuò)散系數(shù)能直觀反映混凝土抵抗氯離子侵蝕的能力，相較于對(duì)照組，試驗(yàn)組的DRcm減小了13.7%；試驗(yàn)組有效擴(kuò)散系數(shù)達(dá)到溶蝕等級(jí)“低”等級(jí)。表明實(shí)際施工中，在噴射混凝土中摻入RS（Ⅰ）仍具有顯著的改善噴射混凝土抗溶蝕性能的作用。

在施工15個(gè)月后對(duì)施工區(qū)域噴射混凝土進(jìn)行取芯并觀測(cè)排水管內(nèi)的結(jié)晶情況，結(jié)果見圖8。

由圖8可見，對(duì)照組排水管內(nèi)已經(jīng)出現(xiàn)結(jié)晶體，而試驗(yàn)組排水管未出現(xiàn)結(jié)晶，表明RS（Ⅰ）溶蝕抑制劑起到了改善噴射混凝土抗溶蝕性能的作用。

表10為施工預(yù)留的同齡期同養(yǎng)試塊和隧道實(shí)體服役噴射混凝土芯樣468 d齡期時(shí)的抗壓強(qiáng)度、強(qiáng)度損失率及吸水率測(cè)試結(jié)果。

表10 468 d齡期C25噴射混凝土的性能

由表10可見：（1）相比于同養(yǎng)試塊，在服役15個(gè)月后，試驗(yàn)組的抗壓強(qiáng)度損失率為13.4%，較對(duì)照組的17.5%降低了4.1個(gè)百分點(diǎn)，表明對(duì)照組受溶蝕腐蝕程度較試驗(yàn)組高，即摻入20 kg/m3RS（Ⅰ）溶蝕抑制劑的噴射混凝土可以保障噴射混凝土在溶蝕后的強(qiáng)度發(fā)展。（2）試驗(yàn)組芯樣吸水率較對(duì)照組降低了25%，表明抗溶蝕噴射混凝土具有明顯的疏水性能，即噴射混凝土中摻入RS（Ⅰ）溶蝕抑制劑后，起到了改善疏水性、降低吸水率的作用。綜上所述，摻RS（Ⅰ）溶蝕抑制劑的抗溶蝕噴射混凝土可有效提高隧道初支抵抗溶蝕的能力，延長(zhǎng)初支服役壽命，保障隧道服役安全性。

5 結(jié)論

（1）RS（Ⅰ）溶蝕抑制劑摻量為20 kg/m3時(shí)，具有不影響噴射混凝土凝結(jié)時(shí)間，降低氯離子擴(kuò)散系數(shù)和吸水率，提高噴射混凝土抗壓強(qiáng)度和抗溶蝕性能的作用。

（2）RS（Ⅰ）溶蝕抑制劑的密實(shí)疏水特性抑制了水化產(chǎn)物中鈣離子的溶出，保障水化產(chǎn)物結(jié)構(gòu)完整性，提高硬化水泥漿體抵抗溶蝕的能力。

（3）工程應(yīng)用表明，摻20 kg/m3RS（Ⅰ）溶蝕抑制劑制備的抗溶蝕噴射混凝土可保障噴射混凝土服役期間的力學(xué)性能和耐久性，與普通噴射混凝土相比，28 d抗壓強(qiáng)度提高了44.5%，28 d氯離子擴(kuò)散系數(shù)減小了13.7%，有效擴(kuò)散系數(shù)等級(jí)為“低”等級(jí)。