含石膏泥灰巖地層隧道噴射混凝土TSA侵蝕試驗分析

張亞軍

（山西路橋建設集團有限公司，山西 太原 030006）

根據《2020年交通運輸行業發展統計公報》統計，截至2020年底，全國公路隧道21 316處，里程達2 199.93萬m。隨著我國公路隧道運營年限的增加，隧道病害問題日益顯現[1-2]，對公路網運營安全構成嚴重威脅，使公路隧道的運營養護面臨極大壓力。

石膏質巖作為一種蒸發沉積巖，廣泛分布于整個地質沉積史中。在已建成運營的公路隧道中，頻頻出現地層為石膏巖或膏溶巖（石膏巖與灰巖共存）的情況[3-4]。由于石膏巖與灰巖均為可溶鹽，一方面，石膏巖溶蝕產生的硫酸鹽會對隧道襯砌結構混凝土產生腐蝕作用，從而使混凝土材料發生硫酸鹽侵蝕而失去強度。另外，灰巖地層地下水中常含有碳酸根或碳酸氫根離子，如遇到隧址區氣溫較低時，極易導致混凝土結構出現碳硫硅鈣石型硫酸鹽侵蝕（簡稱TSA），這種侵蝕區別于傳統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，且在發生初期很難被檢測識別。與傳統硫酸鹽侵蝕相比，TSA并不會引起混凝土宏觀體積發生明顯膨脹開裂，卻直接導致水泥石中C-S-H凝膠分解，使混凝土最終變為一種失去強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的破壞性。

目前，對于鈣礬石或石膏型硫酸鹽侵蝕方面已進行大量研究，主要集中在其發生機理、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的碳硫硅鈣石型硫酸鹽侵蝕則關注較少。此外，目前對于工程中發生TSA的案例主要集中在大壩等水利工程[8-9]，對于隧道襯砌結構發生TSA的案例及其相關處治研究還不多見。因此，針對石膏泥灰巖地層隧道工程結構混凝土真實服役環境下TSA的成因機制和病害處治尚需進一步研究。

為此，為保障TSA侵蝕地區公路隧道服役期結構安全，以山西省某高速公路隧道為依托，開展含石膏泥灰巖地層隧道TSA侵蝕機理和防治對策研究，研究成果可為類似地層隧道設計與施工及混凝土病害處治提供技術支撐。

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。隧道噴射混凝土發生腐蝕的區段主要為奧陶系中統上馬家溝組一段（O2s1），該地層頂部為46～48 m厚泥灰巖，其下為泥灰巖、灰巖互層，底部泥灰巖中含石膏透鏡體。圍巖中石膏（二水石膏與硬石膏）含量最大達90%以上。

隧址區年平均降水量達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，FeS2氧化后與水反應，產生大量的SO42-，為地下水中SO42-提供來源。隧道地下水測試結果見表1，表明地下水水化學類型為 OH-+SO42-—Ca2++Na+。

圖1 地表礦坑形態圖

表1 該隧道水質化驗結果

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，發現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（圖2），完全失去強度，混凝土裂紋和孔隙中賦存白色物質，粗骨料邊緣有白色色暈，這種混凝土軟化現象多發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行巖相分析（圖3），該隧道噴射混凝土物相結果見表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行現場實地取樣，并利用傅里葉紅外光譜（FTIR）精修對腐蝕物進行定性分析，結果如圖4所示。

圖4 噴射混凝土腐蝕物FTIR測試結果

圖4所示為噴射混凝土腐蝕物的FTIR圖譜。測試結果顯示，由于腐蝕物在500 cm-1和673 cm-1出現了明顯的峰值，可確定其含有大量的碳硫硅鈣石。同時，在850 cm-1處未出現明顯峰值也表明腐蝕物中鈣礬石含量極小，工程現場所取的混凝土腐蝕物樣品均已發生了嚴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54.7%。

表3 主要基團的吸收峰

3 TSA侵蝕作用下噴射混凝土強度劣化規律

3.1 侵蝕試驗方法

3.1.1 原材料及配合比

侵蝕試驗采用與該隧道噴射混凝土相同配合比（見表4），試驗原材料如下：水泥為P.O 42.5；摻合料為石灰石粉；細集料為河砂；粗集料為石灰巖，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 侵蝕試驗方法

通過現場及室內試驗還原混凝土服役時所處的侵蝕環境（圖5），再現該隧道初支混凝土發生硫酸鹽型侵蝕的全過程。

圖5 現場混凝土試件制作及養護

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

3.2 試驗結果與分析

圖6所示為現場成型混凝土不同浸泡時間外觀變化，結果顯示近一年的時間內，試件表面未出現明顯變化，而當浸泡時間為16個月時，試件表面出現起皮剝落；浸泡到20個月時，除表面起皮剝落外，試件表面出現輕微泥漿化。

圖6 噴射混凝土不同浸泡時間外觀變化

為進一步分析混凝土劣化的規律和腐蝕機制，對混凝土表皮剝落物進行XRD和FTIR測試，圖7和圖8分別所示浸泡時間為16個月和20個月時腐蝕物的XRD圖譜。

圖7 噴射混凝土浸泡16個月時腐蝕物XRD圖譜

圖8 噴射混凝土浸泡20個月時腐蝕物XRD圖譜

測試結果顯示，16個月的腐蝕物在0.956～0.972 nm、0.551～0.561 nm以及0.378～0.387 nm附近出現特征峰，而20個月的腐蝕物還在0.467～0.486 nm附近出現特征峰，表明腐蝕物中出現了硫酸鹽侵蝕物。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］基團的特征峰，1 400 cm-1、875 cm-1處為CO32-基團的特征峰，而SO42-基團的特征峰與鈣礬石中SO42-基團的特征峰相同。為此，圖9給出了2種腐蝕產物的FTIR圖譜。

圖9 現場成型混凝土腐蝕物FTIR圖譜

隧道襯砌結構失穩假定是在既定外荷載下混凝土侵蝕后強度衰減所致，并假設侵蝕是均勻分布在襯砌結構迎水面表面的，而不考慮強度衰減部位、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首次出現的時間為18個月，該斷面受TSA侵蝕約為55個月。

由此可獲得強度變化規律如下：

a）TSA 生成速率 υt:

b）TSA含量與強度衰減速度關系 假定斷面破壞時外部荷載（包括膨脹荷載）已經達到最大值，隧道襯砌破壞是由結構強度自身衰減程度決定。以隧道斷面YK34+500為樣本，經計算反演分析在既定荷載作用下隧道襯砌結構（TSA含量19.3%）破壞時噴射混凝土強度殘余值為75%.

因此，噴射混凝土強度衰減速率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

4.1.1 抗TSA侵蝕試驗方法

混凝土配合比參照該隧道原噴射混凝土設計資料得到，試驗共設計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為該隧道發生病害配合比。為加速TSA的生成，配比內摻10%硫酸鎂，通過外觀形貌、強度耐蝕系數及XRD精修等方法，對各配合比混凝土是否出現TSA進行評價。

表5 混凝土配合比及養護方式 kg/m3

4.1.2 試驗結果分析

碳硫硅鈣石測試結果見表6，表明在9個月的低溫養護下，該隧道發生病害時所采用的混凝土配合比（5號）出現了較明顯的碳硫硅鈣石侵蝕（4.11%），而采用石灰質粗骨料且水泥為P.O 42.5的1號試樣也出現了微量碳硫硅鈣石（1.64%），其他試樣未檢測出碳硫硅鈣石。當低溫養護11個月時，5號試樣碳硫硅鈣石生成量繼續增加，達到5.09%，1號試樣腐蝕物中碳硫硅鈣石含量也達到了3.97%.另外，對于摻加石灰質粗骨料的2號試樣以及浸泡在石灰石粉溶液中的6號和7號試樣也同樣出現輕微的碳硫硅鈣石侵蝕。因此，依據上述試驗結果可知，相較于外源性碳酸根（石灰石粉溶液浸泡），當碳酸根以內源性形式存在時，混凝土材料較易發生碳硫硅鈣石型硫酸鹽侵蝕，而內源性侵蝕中，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果 %

圖10和圖11分別所示為不同齡期下抗壓強度和抗折強度的耐蝕系數。

圖10 低溫養護條件下各試樣抗壓強度耐蝕系數

圖11 低溫養護條件下各試樣抗折強度耐蝕系數

就不同齡期下強度耐蝕系數而言（圖10和圖11），發生硫酸鹽侵蝕最嚴重的是5號試樣，即該隧道發生病害的配合比，其次為1號和2號試樣，而4號試樣配合比規避掉了所有可能提供碳酸根的材料，因而未出現碳硫硅鈣石。

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，優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 混凝土預防TSA對策

a）防止水分的侵入 通過優化骨料顆粒級配，降低水膠比等措施提高混凝土抗滲能力，或通過設置防水層阻止水分向混凝土基體中擴散。

b）改變膠凝材料的組分 應盡量采用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）拌制混凝土時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，可在一定程度上預防或延緩TSA的發生。

d）控制膠凝材料體系中SO3和Al2O3的數量，使SO3/Al2O3物質的量比3小。

4.2.2 隧道排水結構

a）增加隧道襯砌結構密實性，隧道初期支護混凝土抗滲等級不得小于P6；另一方面，隧道二次襯砌混凝土抗滲等級不得小于P8。

b）加強隧道防排水系統排水能力，注重隧道排水管的高程銜接，不得出現積水、無法排水的現象。

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

5 結語

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，即混凝土發生了碳硫硅鈣石型硫酸鹽侵蝕。

b）根據隧道襯砌結構病害發展資料，按照施工時間、病害發育程度與發展規模，估測隧道襯砌混凝土結構在工程中出現TSA侵蝕的時間為18～36個月間。

c）當碳硫硅鈣石含量達到5.09%時，混凝土抗壓強度耐蝕系數僅為86%，而抗折強度耐蝕系數僅為79%，即抗折強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。