石膏巖區(qū)隧道襯砌混凝土侵蝕機理分析及配合比設計

唐清寬，王靜，吳銀亮

(1.中交路橋華南工程有限責任公司，廣東中山528400;2.東湖學院，湖北武漢430212; 3.中交第二公路勘察設計研究院有限公司，湖北武漢430052)

石膏巖區(qū)隧道襯砌混凝土侵蝕機理分析及配合比設計

唐清寬1，王靜2，吳銀亮3

(1.中交路橋華南工程有限責任公司，廣東中山528400;2.東湖學院，湖北武漢430212; 3.中交第二公路勘察設計研究院有限公司，湖北武漢430052)

從涼水井隧道石膏類圍巖的化學成分分析入手，通過水泥凈漿試驗結合掃描電鏡測試，分析了石膏巖對隧道襯砌混凝土的侵蝕機理。當石膏巖被誤作為混凝土集料時，在水泥與巖石的接觸面上產(chǎn)生了大量的鈣礬石，對接觸面直接產(chǎn)生破壞作用，降低了試塊強度。根據(jù)相關規(guī)范及規(guī)定，設計了高性能防腐蝕混凝土的配合比，并對該配合比進行了試驗驗證，結果顯示礦物摻合料和纖維均能夠提高混凝土的強度并降低氯離子擴散系數(shù)，改善其抗裂性能。

掃描電子顯微鏡 硫酸鹽侵蝕 配合比設計 隧道

從工程的安全角度考慮，在工程建設過程中應盡量避開石膏巖這類特殊巖石地段［1］，當無法避免時就需要特別注意石膏巖溶蝕生成的硫酸根離子對混凝土結構的外部侵蝕作用，以及將石膏巖誤作為混凝土骨料對混凝土結構的內(nèi)部侵蝕作用。無論是哪種侵蝕，均會對混凝土產(chǎn)生一系列如結構膨脹、強度降低、結構破壞、性能劣化等破壞作用［2］。鑒于此，本文以宜巴高速涼水井隧道為研究對象，通過掃描電子顯微鏡(SEM)成像方法［3］，分析硫酸鹽對隧道混凝土的侵蝕機理［4］，并針對建設在石膏巖區(qū)的隧道專門設計了高性能混凝土配合比，這種配合比的混凝土能有效防止石膏巖溶蝕生成的硫酸根離子對襯砌結構的破壞，對隧道安全運營具有重要的現(xiàn)實意義。

1 石膏巖成分分析

涼水井隧道位于宜巴高速公路上，隧址區(qū)石膏類圍巖主要為三疊系嘉陵江組嘉二段至嘉五段海相沉積巖，礦物成分主要為石膏、硬石膏和白云石［5］，巖性主要為含膏質白云巖、白云質石膏巖、石膏巖以及硬石膏巖。

從涼水井隧道中出露的典型石膏類圍巖中取樣S1和S2，室內(nèi)進行能譜分析，結果見表1。這些值與石膏巖中CaO的理論含量32.6%，SO3的理論含量46.5%十分接近，可判定隧道圍巖主要為石膏巖。

此外，為了更加準確地了解石膏巖的化學成分及含量，將樣品S2干燥后磨成巖粉，在中國地質大學(武漢)國家重點實驗室進行化學成分全分析，結果見表2。

表1 石膏巖樣能譜分析結果%

表2 石膏巖樣S2化學成分全分析結果%

2 石膏巖對混凝土侵蝕方式及侵蝕機理分析

2.1 石膏巖對混凝土的侵蝕方式

石膏巖對混凝土的侵蝕主要有以下兩種方式。

1)石膏巖溶蝕后使周圍水溶液中含有大量硫酸根離子，硫酸根離子擴散進入混凝土內(nèi)部與水泥水化的Ca(OH)2反應再次生成石膏而結晶膨脹、與水化鋁酸鈣或單硫型水化硫鋁酸鈣(AFm)反應生成膨脹性物質三硫型水化硫鋁酸鈣(AFt)，使得混凝土發(fā)生膨脹開裂，從而產(chǎn)生硫酸鹽侵蝕(外部侵蝕)，侵蝕等級為D級。

2)誤用含石膏巖的骨料配制混凝土時，骨料表面的石膏礦物將參與水泥的水化反應，與水泥中的鋁酸鈣、鐵鋁酸鈣礦物反應或與水化形成的水化鋁酸鈣或單硫型的水化硫鋁酸鈣(AFm)繼續(xù)反應，形成膨脹性物質三硫型水化硫鋁酸鈣(AFt)，骨料—漿體界面的膨脹應力達到一定程度時將會開裂，從而降低混凝土強度，這也是一種硫酸鹽侵蝕(內(nèi)部侵蝕)方式。

不論是何種侵蝕方式，發(fā)生的最基本的化學反應及機理是一致的，故在此以內(nèi)部侵蝕為重點進行水泥凈漿試驗［6］。水泥凈漿試驗是采用鋁酸鹽水泥(鋁酸三鈣含量高，加快反應速度)制作凈漿試塊，并在試塊成形前將石膏巖塊埋入試塊內(nèi)部，觀察試塊碎裂狀況，并在試塊碎裂后提取石膏表面物質進行微觀測試，從而對石膏巖區(qū)混凝土侵蝕機理進行分析。

2.2 石膏巖對混凝土的侵蝕機理分析

通過水泥凈漿試驗發(fā)現(xiàn)，當石膏巖與水泥接觸一段時間后，試塊的表面便出現(xiàn)開裂現(xiàn)象(見圖1)，將水泥內(nèi)包裹的石膏巖取出后，發(fā)現(xiàn)巖石表面附著了較多的膏狀物(見圖2)。

圖1 試塊崩裂狀況

圖2 試塊內(nèi)部石膏巖表面附著物

將石膏巖表面的膏狀物刮下后在掃描電鏡(SEM)下進行微觀分析(見圖3)，可以看到明顯的鈣礬石針狀結晶，說明鋁酸鹽水泥漿體與石膏接觸的表面生成了大量的鈣礬石，鈣礬石吸水膨脹而產(chǎn)生巨大的內(nèi)應力致使試塊崩裂。

為了進一步探討石膏巖作為混凝土集料對混凝土的侵蝕破壞作用，將試塊中混凝土與骨料接觸面進行掃描電鏡測試。圖4很好地反映了石膏巖作為集料時試塊內(nèi)部大量生成鈣礬石的狀況。由于鈣礬石呈針狀結晶向四周伸展，自身也會膨脹變大，直接對骨料接觸面造成破壞，而骨料接觸面又是混凝土結構中最脆弱的部位，膨脹率與強度的減少有直接關系，若膨脹發(fā)生在骨料接觸面這種關鍵部位則會對試塊的整體強度產(chǎn)生更大的影響。

圖3 石膏巖表面附著物SEM圖片(×2 000倍)

圖4 試塊與石膏巖集料接觸面SEM圖片(×2 000倍)

3 隧道二次襯砌高性能防腐蝕混凝土配合比設計及驗證

3.1 隧道二次襯砌混凝土結構耐久性設計要求

依據(jù)相關規(guī)范［7-10］對隧道二次襯砌混凝土耐久度方面的建議及規(guī)定，對高性能防腐混凝土配合比進行設計時，水灰比不大于0.42，選用高抗硫酸鹽水泥，摻加Ⅰ級粉煤灰或S95級礦渣粉，摻量20%～40%，混凝土強度等級提高至C35，抗?jié)B等級S12、氯離子擴散系數(shù)(28 d齡期時采用非穩(wěn)態(tài)氯離子快速遷移試驗方法(RCM法)測試)宜≤5×10－12m2/s，膠凝材料抗硫酸鹽侵蝕系數(shù)宜≥12，鋼筋保護層厚度提高至40 mm。

3.2 高性能防腐蝕混凝土配合比設計

根據(jù)上述建議及規(guī)定，采用42.5普通硅酸鹽水泥或高抗硫酸鹽水泥、S95級礦渣粉和Ⅰ級粉煤灰作為膠凝材料，礦渣粉和粉煤灰摻量為20%～40%，并在30%礦渣粉摻量下加入聚丙烯纖維［11］和聚酯纖維［12］，具體配合比設計如表3所示。表中，OPC表示試驗所用水泥為42.5普通硅酸鹽水泥，除OPC外其它配比均釆用42.5高抗硫酸鹽水泥。F20～F40表示粉煤灰摻量為20%～40%，K20～K40表示礦渣粉摻量為20%～40%，JZ表示在30%礦渣粉摻量下?lián)郊泳埘ダw維，JBX表示在30%礦渣粉摻量下?lián)郊泳郾├w維。

表3 石膏圍巖中高性能防腐蝕混凝土配合比設計

3.3 高性能防腐蝕混凝土設計配合比試驗驗證

根據(jù)上述設計配合比，按標準方法成型試件并養(yǎng)護，測定7 d和28 d的強度以及28 d的氯離子擴散系數(shù)，結果如表4所示。可見，摻礦物摻合料的混凝土在強度方面有很大優(yōu)勢，礦渣粉和粉煤灰對氯離子擴散系數(shù)的影響差別不大，摻入兩種合成纖維后氯離子擴散系數(shù)進一步下降，同時也可以改善抗裂性。

表4 設計配合比試驗驗證結果

4 結論

本文從涼水井隧道石膏類圍巖的化學成分分析入手，通過水泥凈漿試驗并結合掃描電鏡測試，分析了石膏巖對隧道混凝土的侵蝕機理。發(fā)現(xiàn)當石膏巖被誤作為混凝土集料時，在水泥與巖石的接觸面上產(chǎn)生了大量的鈣礬石，呈針狀結晶向四周伸展。其膨脹特性會對接觸面產(chǎn)生破壞作用，降低試塊強度。

根據(jù)相關規(guī)范的建議及規(guī)定，設計了高性能防腐蝕混凝土的配合比，并對該配合比進行了試驗驗證，結果顯示礦物摻合料和纖維均能夠提高混凝土的強度并降低氯離子擴散系數(shù)，同時改善其抗裂性能。

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(責任審編葛全紅)

TU451

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.06.19

1003-1995(2015)06-0072-03

2014-12-10;

2015-04-19

唐清寬(1964—)，男，陜西蒲城人，高級工程師。