硫酸鹽-凍融共同作用下隧道襯砌支護噴射混凝土劣化性能研究

席紅兵，李柏生

(1.甘肅建投天水建設管理有限公司，甘肅 天水 741000；2.甘肅天水綠色裝配式建筑產業發展有限公司，甘肅 天水 741000)

0 引言

襯砌支護結構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結構。隧道初期支護最常采用的是噴射混凝土，即在普通混凝土的基礎上加入速凝劑并由壓力噴槍成型，從而對圍巖起到支護作用[1-2]。隨著經濟的不斷發展，交通壓力逐漸增大，發展快速高效的城市交通已刻不容緩。在“一帶一路”倡議的推動下，西部地區地鐵工程迎來了建設高潮[3-4]。然而，西部地區氣候條件惡劣，在秋冬季遭受正負溫度交替作用和地下水離子侵蝕(其中硫酸鹽的質量濃度最高)，對地鐵隧道支護結構的耐久性影響較大[5-6]。因此，研究硫酸鹽-凍融循環下襯砌支護噴射混凝土的損傷過程具有重要的工程意義。

目前，針對硫酸鹽和凍融循環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]對混凝土在硫酸鹽和凍融循環共同侵蝕下的性能進行了試驗研究，結果表明凍融初期硫酸鹽能夠增強混凝土強度，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混凝土在硫酸鹽-凍融侵蝕共同作用下的變化規律，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性能，試驗結果表明，不含引氣劑的混凝土粉煤灰的最佳摻量為25%；而當粉煤灰含量相同時，適當的引氣劑能夠提升混凝土的抗鹽凍性能。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律，研究發現5%的Na2SO4溶液侵蝕最為嚴重。對于襯砌支護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]對噴射混凝土的抗凍性和硫酸鹽侵蝕性能進行了研究，但對于噴射混凝土在硫酸鹽-凍融循環共同作用下的耐久性能，特別是以西北地區環境為侵蝕背景的研究較少。本文以蘭州地鐵服役腐蝕環境為背景，基于蘭州秋冬溫度變化的凍融循環機制，同時根據檢測到的蘭州地下水硫酸鹽離子質量濃度確定硫酸鎂溶液的侵蝕質量濃度，研究粉煤灰和玄武巖纖維摻量變化對襯砌支護噴射混凝土宏觀性能的影響，并建立抗壓強度衰減模型。

1 試驗概況

1.1 試驗材料

膠凝材料選用P·O 42.5的普通硅酸鹽水泥和Ⅱ級粉煤灰，其物理力學性能和化學組成分別如表1和表2所示。采用的細砂表觀密度為2.60 g/cm3、細度模數為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，固體質量分數為41%。

表1 水泥的物理力學性能

表2 膠凝材料化學組成

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結構為隧道初期支護，在制備時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照組，考察了粉煤灰和玄武巖纖維對襯砌混凝土在硫酸鹽-凍融環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度見表3。襯砌混凝土制備采用干噴法，制備過程參照文獻[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%的條件下標準養護28 d，自然養護至60 d。

表3 噴射混凝土配合比和抗壓強度

1.3 鹽凍侵蝕試驗

為了模擬隧道襯砌支護混凝土在實際環境中的侵蝕破壞，本試驗直接以硫酸鎂溶液為凍融液，來實現硫酸鹽和凍融的共同作用。試驗依據GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》和蘭州地區氣候條件設計凍融循環溫度。根據蘭州氣象資料顯示，最高氣溫為39.8 ℃，最低氣溫為-21.7 ℃，因此，采用凍融循環機模擬冬春季季節交替造成的襯砌混凝土破壞，采用的溫度為-15～6 ℃，每次凍融循環在4 h內完成。蘭州地下水中的硫酸根和鎂離子質量濃度分別為4 250 mg/L和600 mg/L[16]，因此，根據硫酸鎂的溶解度選擇侵蝕溶液的體積分數為5%。在每個鹽凍循環周期結束后更換硫酸鎂溶液，以保證溶液質量濃度恒定。試驗每凍融循環25次為1個周期，每個周期結束后取出試件在室內晾干2 d，分別測試試件的質量、抗壓強度和超聲聲速。

2 試驗結果與討論

2.1 混凝土外觀形貌

試件FA0BF10在硫酸鹽溶液中凍融循環不同次數后的外觀形貌如圖2所示。由圖可知，噴射混凝土在鹽凍循環下的破壞是一個循序漸進的過程，即隨著凍融循環次數的增加，混凝土的外觀損傷程度也逐漸增大。在凍融循環50次后，試件表面和邊角位置局部出現了砂化現象，砂漿有輕微的脫落；凍融循環100次后，試件表面出現大面積砂漿剝落現象，邊緣處剝落程度也增大；而在凍融循環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，還可以從外觀形貌分析可知，在凍融50～100次時，試件的外觀變化較小，這是因為在凍融循環初期，混凝土的抗拉強度能夠抵抗凍融產生的損傷應力；而凍融循環100～200次時，試件外觀形貌有較大程度的變化，這是因為在侵蝕后期，不斷地凍融循環過程中硫酸鹽與混凝土內部水化產物生成了更多的膨脹性產物，膨脹應力大于混凝土的抗拉強度，導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，在凍融循環過程中，纖維能夠幫助混凝土承擔部分的膨脹應力，同時纖維的橋接作用在后期起作用，因而在凍融循環200次后試件尺寸是較為完整的，沒有出現大面積的剝落。

(a)50次

2.2 質量變化規律

襯砌支護噴射混凝土在硫酸鹽-凍融共同作用下的質量損失變化率如圖3所示。由圖可知，隨著凍融循環次數的增加，噴射混凝土在硫酸鹽溶液中質量損失率先增大；當凍融循環達到75次時，質量損失率減小，隨后又持續增大。噴射混凝土在凍融循環和硫酸鹽侵蝕共同作用下質量變化主要包括以下2個方面：1)凍融循環作用導致混凝土表面的漿體和骨料剝落，從而使得混凝土的質量在循環初期降低；2)由于在凍融循環的過程中硫酸鹽溶液不斷進入混凝土內部，與水化產物發生反應生成膨脹性的鈣礬石和石膏，填充了孔隙，使得混凝土質量在凍融循環中期增加，而在循環的中后期，混凝土試件的剝落則是由凍融循環和硫酸鹽侵蝕2部分共同導致的。

由圖3(a)可知，當凍融循環200次后，試件FA0、FA10、FA20、FA30的質量損失率分別為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，其具有微集料效應和火山灰效應，能夠填充毛細孔，強化混凝土的界面過渡區，提高密實度、抗滲性和抗凍性。然而，混凝土中摻入過量的粉煤灰會使得火山灰效應和微集料效應減弱，增大混凝土孔隙率和有害孔數量，降低混凝土抗凍融循環的能力。

由圖3(b)可知，玄武巖纖維對混凝土抗硫酸鹽-凍融循環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，當纖維摻量達到0.15%時，在凍融循環前期，與未摻纖維的混凝土相比，其質量損失率較小，但到凍融后期，質量損失率達到最大。在凍融循環-硫酸鹽作用200次后，試件FA0、FA0BF5、FA0BF10和FA0BF15的質量損失率分別為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，減緩混凝土內部微裂紋的產生，降低孔隙率，在混凝土開裂剝落時，能夠起到橋接作用，減緩裂縫開裂過程；但是當纖維摻量過多時，纖維在混凝土中分散不均勻，從而出現結團，形成薄弱面，從而降低其抗凍性。

(a)粉煤灰摻量

2.3 相對動彈性模量

硫酸鹽-凍融共同作用下各個襯砌支護噴射混凝土試件的相對動彈性模量變化規律如圖4所示。由圖可知，噴射混凝土的相對動彈性模量隨著凍融循環次數的增加呈現出初期緩慢降低，中期下降速率增大，在凍融后期急劇下降的趨勢。其主要原因是在凍融循環的初期，噴射混凝土未形成大的損傷，凍融循環和鹽溶液侵蝕主要作用在混凝土表面，混凝土內部仍然是密實狀態，相對動彈性模量降低緩慢；當凍融和硫酸鹽侵蝕繼續進行時，混凝土內部出現損傷，鹽溶液擴散速率增大，水化產物與硫酸鹽發生反應生成侵蝕產物，侵蝕產物的膨脹作用在混凝土表面形成裂縫，與凍融剝落共同導致混凝土在后期動彈性模量的快速下降。

由圖4(a)可知，在硫酸鹽-凍融循環作用200次后，試件FA0、FA10、FA20、FA30的相對動彈性模量為0.80、0.82、0.85和0.79，其中粉煤灰摻量為20%的混凝土相對動彈性模量下降最小，表明其抗硫酸鹽-凍融循環性能最好。粉煤灰在混凝土中能夠發生二次水化，提高了混凝土的密實性，并在一定程度上增加了試件內部孔隙曲折度，降低了混凝土的毛細作用，從而使得凍融循環的剝落作用降低以及鹽溶液的擴散速率減小。由圖4(b)可知，凍融循環200次后，試件FA0、FA0BF5、FA0BF10和FA0BF15的相對動彈性模量分別為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次凍融循環后的相對動彈性模量基本相同，而當摻量增加到0.15%時，相對動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部缺陷，孔隙率增大，在凍融循環時，冰在孔隙中的結晶壓增大，且硫酸鹽的滲透速率增大，膨脹產物和結晶壓作用下試件裂縫擴展較快，使得后期相對動彈性模量快速下降。

(a)粉煤灰摻量

2.4 相對抗壓強度

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

(a)粉煤灰摻量

3 抗壓強度衰減模型

3.1 衰減模型基本形式

根據試驗結果，硫酸鹽-凍融循環后噴射混凝土的相對抗壓強度與凍融循環次數之間的關系呈二次項關系，則噴射混凝土抗壓強度fcN與凍融循環次數N之間的關系可表示為

fcN=kfc0(aN+b)。

(1)

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

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

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度修正因子。

則噴射混凝土相對抗壓強度fcN/fc0與鹽凍循環次數N的關系為

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

根據試驗結果，以不摻粉煤灰的試件FA0為標準，對不同凍融循環次數下粉煤灰摻量為0%、10%、20%和30%試件的相對抗壓強度進行歸一化處理，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系為

圖6 粉煤灰摻量與相對抗壓強度影響系數的關系

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為標準，對不同硫酸鹽-凍融循環次數后玄武巖纖維摻量為0%、0.05%、0.1%、0.15%試件的相對抗壓強度進行歸一化處理，如圖7所示，經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系為

圖7 玄武巖纖維摻量與相對抗壓強度影響系數的關系

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次數、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-凍融循環作用后的抗壓強度變化規律預測模型如下：

fcN=(-0.000 2F2+0.000 6F+1)·(-3.7B2+

0.5B+1)·(-0.001N+1)fc0。

(6)

3.4 衰減模型

根據抗壓強度衰減模型計算得到相對抗壓強度計算值與試驗值之間的關系,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，根據建立的噴射混凝土抗壓強度衰減模型,能夠較為準確地預測噴射混凝土在不同凍融循環次數后的抗壓強度值。

(a)粉煤灰摻量

4 結論與討論

本文以蘭州地鐵隧道實際服役環境為依據設計了隧道襯砌支護混凝土的實驗室試驗侵蝕制度，研究了粉煤灰摻量和玄武巖纖維摻量對襯砌支護混凝土劣化規律的影響，得出以下結論。

1)隨著硫酸鹽-凍融循環次數的增大，混凝土質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%時質量損失率最小。

2)噴射混凝土的相對動彈性模量和相對抗壓強度隨鹽凍循環次數的變化規律基本一致，均隨著鹽凍循環的進行逐漸降低，前期降低速率較慢，后期下降較快，但二者對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度隨鹽凍循環次數的衰減模型。采用衰減模型得到的相對抗壓強度計算值與試驗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構層面分別探討了鹽凍循環對噴射混凝土的影響，并建立了抗壓強度預測模型，但仍需結合現場實際環境暴露劣化規律進行深入探討。因此，在后續研究中會在地鐵隧道實際服役環境下開展耐久性試驗，以反映西北地區硫酸鹽-凍融共同作用下隧道襯砌噴射混凝土的耐久性劣化規律。