含泥質(zhì)石膏巖中橋梁樁基耐久性設計

羅 宇，賈 鵬

（深圳市市政設計研究院有限公司，廣東 深圳 518000）

0 引言

隨著城市建設的不斷深入，高層建筑和大型橋梁建設的越來越多，含泥質(zhì)石膏巖這一不良巖體不斷被發(fā)現(xiàn)，對工程的基礎(chǔ)設計產(chǎn)生了很大影響。

國內(nèi)針對硫酸鹽對混凝土的腐蝕機理有較多研究，但含泥質(zhì)石膏巖與其他硫酸鹽對混凝土的侵蝕作用較為不同，且針對性研究成果較少。本文以實際項目為依托，對含泥質(zhì)石膏巖中硫酸鹽的作用機理進行分析，對以該巖層為持力層的樁基設計提出解決方案和建議措施。

1 工程概況

成都錦言大橋位于成都市南部，跨越錦江。是國內(nèi)首座空間異性拱形單索面無系桿車行斜拉橋，其主梁跨徑138 m，橋?qū)?0 m，主拱跨徑135 m，與主梁斜交18°。

根據(jù)該橋?qū)嶋H受力情況，拱座樁基直徑2.8 m，需要以中風化含泥質(zhì)石膏巖為持力層。

2 場地地質(zhì)情況

該項目橋位構(gòu)成場地的地層為：第四系全新統(tǒng)人工填土層（Qml4），第四系全新統(tǒng)沖洪積層（Qal+pl4），下伏白堊系灌口組（K2g）基巖。

含泥質(zhì)石膏巖屬于白堊系灌口組（K2g）基巖：紫紅色夾白色，粒～板狀結(jié)構(gòu)，泥巖中主要礦物為0.1～2.0 mm 粒～板狀石膏，另外含有少量水云母等泥質(zhì)物，巖質(zhì)較軟，巖石較完整，巖芯呈柱狀。巖石為軟巖，巖體完整程度為較完整。頂面埋深一般24.40～30.00 m，標高458.66～462.17 m。在50 m鉆孔深度范圍內(nèi)風化程度均為中風化，分布穩(wěn)定，厚度大。

為進一步了解含泥質(zhì)石膏中硫酸鹽濃度分布，對巖層中不同深度進行取樣分析，編號1 和2 分別對應錦江東西岸的鉆孔，見表1。

表1 橋位鉆孔取樣分析

除上述試驗數(shù)據(jù)外，各深度均未發(fā)現(xiàn)碳酸根離子，各深度的pH 值在7.2～7.6 之間。

由上表可看到，鉆孔深度50 m左右的硫酸根離子含量有明顯的的突變，最高達到76 695 mg/kg。深度28～45 m硫酸根離子含量較為穩(wěn)定，在7 400～9 550 mg/kg 之間，較高于已知周邊其他項目（世紀城二期、金融城大廈），硫酸根離子含量為4 760～6 460 mg/kg[4]。

3 硫酸鹽腐蝕性判定方法

根據(jù)《公路工程混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設計規(guī)范》（JTG T3310—2019）中4.7 條款，鹽結(jié)晶環(huán)境下公路工程混凝土結(jié)構(gòu)的環(huán)境作用等級劃分見表2。

表2 鹽結(jié)晶環(huán)境的作用等級

根據(jù)該規(guī)范的5.3.10 條款，混凝土的抗硫酸鹽凍融循環(huán)性能應按表3 規(guī)定執(zhí)行。

表3 混凝土抗硫酸鹽結(jié)晶侵蝕性能

根據(jù)《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》（GB/T 50082），每個干濕循環(huán)總時間應為（24±2）h。以KS 150 為例，實驗驗證需要178 d（28 d強度養(yǎng)護+150 d 干濕循環(huán)檢驗）。

一般來說，基礎(chǔ)是橋梁施工的首先施工的部位，若要求實驗驗證后再進行樁基施工，則過長的實驗周期會對工期產(chǎn)生較大影響，所以了解硫酸鹽腐蝕機理和合理的抗腐蝕措施至關(guān)重要。

4 硫酸鹽腐蝕機理

硫酸鹽對混凝土的腐蝕機理主要是硫酸鹽結(jié)晶導致的混凝土膨脹破壞，分為物理和化學破壞兩種[8]。

4.1 化學破壞

絕大部分硫酸鹽的化學破壞分為兩個部分。第一步是硫酸鹽與水泥水化產(chǎn)物Ca（OH）2生成硫酸鈣，即二水石膏，此過程體積增大1.24 倍。以硫酸鈉鹽為例，第一步反應方程式為：

第二步是硫酸鈣再次與水泥中的固態(tài)水化鋁酸鈣反應生成三硫型水化鋁酸鈣（又稱鈣礬石），反應方程式為：

鈣礬石是溶解度極小的鹽類物質(zhì)，其體積約為原水化鋁酸鈣的2.5 倍，體積顯著增大，致使混凝土結(jié)構(gòu)物受到開裂破壞。混凝土表面的開裂破壞又會使得外部硫酸鹽更容易進入混凝土內(nèi)部，不斷地循環(huán)發(fā)展，使得混凝土很快破壞[5]。

由于石膏巖環(huán)境中石膏天然狀態(tài)下不具備膨脹性[4]，遇水即轉(zhuǎn)變?yōu)槎啵适鄮r對混凝土的破壞主要是鈣礬石結(jié)晶破壞。

4.2 物理破壞

在干濕交替作用下，侵入混凝土孔隙中的硫酸鹽溶液隨著濃度的增加達到過飽和而結(jié)晶，對孔壁產(chǎn)生極大地結(jié)晶壓力，使混凝土破壞。

5 抵抗硫酸鹽侵蝕的方法及適用性分析

5.1 抗硫水泥

抗硫水泥分為中抗硫酸鹽水泥和高抗硫酸鹽水泥，其原理是減少水泥中硅酸三鈣和鋁酸三鈣的含量。因為硅酸三鈣（C3S）水化析出Ca（OH）2，鋁酸三鈣（C3A）水化析出水化鋁酸鈣，降低硅酸三鈣和鋁酸三鈣的含量也就降低了形成Ca（OH）2和石膏的可能性，見表4。

表4 水泥中硅酸三鈣和鋁酸三鈣的含量（質(zhì)量分數(shù)）

《抗硫酸鹽硅酸鹽水泥》（GB 748—1996）中附錄A 中注明：中抗硫酸鹽水泥，一般用于硫酸根離子濃度不超過2 500 mg/L 的純硫酸鹽的腐蝕；高抗硫酸鹽水泥，一般用于硫酸根離子濃度不超過8 000 mg/L的純硫酸鹽的腐蝕。而較新規(guī)范《抗硫酸鹽硅酸鹽水泥》（GB 748—2005）中將此條款刪除。

筆者認為其原因可能有以下幾點：

（1）不適用所用種類的硫酸鹽腐蝕，如對硫酸鎂，硫酸銨等作用甚微。

（2）不適用于干濕交替作用的鹽土環(huán)境，因為在干濕循環(huán)作用下，若混凝土的密實性不佳，硫酸鹽介質(zhì)滲入混凝土中，產(chǎn)生結(jié)晶，會導致開裂破壞。

此外，抗硫酸鹽水泥屬于特種水泥，需要水泥廠按需成產(chǎn)，價格較高，比普通水泥的價格貴35%～40%，故近年來實際工程中使用較少。

錦言大橋樁基所處環(huán)境為干濕交替作用的環(huán)境，故不適合采用抗硫酸鹽水泥作為防腐措施。

5.2 抗侵蝕抑制劑

硫酸鹽抗侵蝕抑制劑也稱結(jié)晶化抑制劑，基本上所有的商業(yè)抑制劑都是有機化合物，主要是聚羧酸鹽和膦酸鹽等。其作用原理是通過阻止臨界晶核的生長來阻止結(jié)晶。晶核大小非常小，在溶液中極不穩(wěn)定，這些不穩(wěn)定的晶核的生長被阻止后，由于其達不到穩(wěn)定的尺寸兒快速溶解，因此不會出現(xiàn)宏觀性的大晶體，也就阻止了結(jié)晶導致的破壞。如一些膦酸鹽，可以吸附在鈣礬石臨界晶核上，有效地阻止了鈣礬石凝膠向晶體轉(zhuǎn)變時的成核和生長過程[2]。一些抑制劑也會使混凝土吸水速率、失水速率均變慢，可有效抑制水分及離子在混凝土內(nèi)部的傳輸[11]，從而抑制混凝土內(nèi)部結(jié)晶破壞。

結(jié)晶化抑制劑在沿海地區(qū)已有較多使用案例，如通明海特大橋、南沙大橋、調(diào)順大橋、洛溪大橋等工程。

2020 年7 月1 日實施的《混凝土抗侵蝕抑制劑》中僅對硫酸鹽作用環(huán)境V-E 及以下級別進行分類，故筆者認為，使用對于硫酸根離子含量超出規(guī)范中的數(shù)值（見表2）的情況，抗侵蝕抑制劑僅可作為輔助措施。

5.3 優(yōu)質(zhì)礦物摻合料

由硫酸鹽腐蝕機理可知，混凝土的密實度越高,混凝土的孔隙率越小,那么硫酸鹽溶液就越難滲入混凝土的孔隙內(nèi)部,故在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生結(jié)晶物質(zhì)的速度和數(shù)量必然減少。

提高密實度的常用的方法有摻粉煤灰、硅灰等摻合料以及降低水灰比。值得注意的是單純提高密實度必然會增加混凝土的強度及減少混凝土的和易性，在樁基混凝土配合比設計中尤其需要注意。另一方面，可以用混凝土的強度反映混凝土的密實度。

此外，研究表明，使用粉煤灰、礦渣、硅灰、天然火山灰的等輔助材料可以減緩延遲鈣礬石的生成[2]。

5.4 抗侵蝕措施選用

錦言大橋樁基礎(chǔ)按最不利狀況（即SO2-4含量76 695 mg/kg）選取抗硫酸鹽侵蝕措施。根據(jù)上述抗硫酸鹽侵蝕方法及適用性分析，采用“普硅水泥（抗硫水泥）+優(yōu)質(zhì)礦物摻合料（粉煤灰、硅灰）+抗硫抑制劑”作為樁基混凝土的防腐蝕措施。

6 樁基設計

依托錦言大橋工程，對石膏巖中的樁基耐久性設計步驟提出以下建議。

6.1 明確硫酸根離子濃度分布

在設計中，不能簡單地依據(jù)地勘報告中的數(shù)據(jù)進行設計，因為地勘報告中可能為該巖層的最高含量數(shù)據(jù)，這一數(shù)據(jù)并不能代表硫酸鹽整個巖層中的分布。應在詳勘階段提出對巖層中不同深度進行取樣分析的要求，為設計提供數(shù)據(jù)支撐。

若有硫酸根離子高濃度區(qū)，樁基應盡量不伸入該區(qū)域，并保留一定安全距離。如錦言大橋樁底設計在該高濃度區(qū)上方5.5～8 m。

6.2 明確硫酸根離子濃度參考設計值

石膏巖中，土體中的硫酸根離子含量非常高，但根據(jù)規(guī)范，判斷腐蝕等級應根據(jù)巖體溶于水后水溶液中的硫酸根離子，即“水溶值”，這不難理解，因為硫酸鹽只有溶于水后方可進行相應的的化學反應。例如錦言大橋，由表1 可知，樁基范圍內(nèi)硫酸根離子水溶值含量在7 400～9 550 mg/kg 之間，但此范圍內(nèi)巖體中全部硫酸根離子含量高達38w mg/kg。前者遠小于后者，故根據(jù)其水溶值含量數(shù)據(jù)判定錦言大橋樁基環(huán)境作用等級為V-F。

6.3 明確防腐蝕的措施

在石膏巖這一巖層中，筆者認為防止硫酸鹽結(jié)晶破壞最有效的方法是提高混凝土的密實度，具體措施為增加摻粉煤灰等摻合料以及降低水膠比。無需使用抗硫酸鹽水泥。

6.4 明確配合比

錦言大橋按照C50 水下混凝土進行配合比設計，具體見表5（表5 中無粗細骨料）。

表5 錦言大橋樁基混凝土配合比設計

該配合比混凝土的7 d 強度51.0 MPa，28 d 強度62.2 MPa。并按最不利狀況（即SOO2-4含量76 695 mg/kg）進行耐久性實驗檢測，120 次硫酸鹽干濕循環(huán)后耐腐蝕系數(shù)為98.3%，150 次硫酸鹽干濕循環(huán)后耐腐蝕系數(shù)為93.9%。

實驗結(jié)果表明，該配合比滿足抗硫酸鹽腐蝕要求，可作為類似工程項目的參考。

6.5 其他要求

（1）現(xiàn)場應進行非原樁位試樁，驗證混凝土的工作性能。

（2）樁基主筋保護層加大至10 cm。

（3）預埋注漿閥，預留樁底后壓漿條件，樁基施工完成后采用水泥漿對可能存在的樁底空隙做后壓漿處理。

7 結(jié)語

該文提出了含泥質(zhì)石膏巖中的腐蝕機理、合理有效的抗腐蝕措施及橋梁樁基設計的要點，根據(jù)實際工程及實驗進行檢測，并得出以下結(jié)論：

（1）石膏巖層中硫酸鹽含量隨深度變化而不同，實際項目中應在不同深度取樣分析,根據(jù)硫酸鹽含量分布確定樁基長度。

（2）石膏巖對混凝土的破壞與其他硫酸鹽不同，主要是鈣礬石結(jié)晶破壞。

（3）判斷石膏巖腐蝕性時，應采用石膏巖中硫酸根離子水溶值含量，而非單位巖體中全部硫酸根離子含量，一般來說，前者遠小于后者。

（4）防止石膏巖中硫酸鹽結(jié)晶破壞最有效的方法是提高混凝土的密實度。