硝酸侵蚀衬砌喷射混凝土中性化过程及机理

2019-10-28王家滨牛荻涛何晖

土木与环境工程学报 2019年5期

王家滨，牛荻涛，何晖

(1.西安工业大学建筑工程学院，西安 710021；2.西安建筑科技大学土木工程学院；西部绿色建筑国家重点实验室，西安 710055)

喷射混凝土是使用喷射机械和压缩空气，将掺有速凝剂的混凝土喷射到岩石或土壤表面，并迅速凝结、硬化为具有强度的结构层混凝土。喷射混凝土作为一种新的混凝土施工工艺和新型支护结构，自诞生以来，就被应用于各类隧道及基坑边坡的支护。随着混凝土材料科学及施工技术的发展，喷射混凝土永久衬砌结构逐渐受到重视，并在隧道工程中广泛应用[1]。

对于喷射混凝土，在速凝剂及喷射施工共同作用下，其凝结时间、水化硬化过程、微观结构及力学性能与普通混凝土差异较大[14-15]。酸侵蚀(尤其是硝酸侵蚀)普通混凝土中性化过程及机理不能直接应用于喷射混凝土。为了系统研究硝酸侵蚀造成喷射混凝土衬砌结构中性化的过程及机理，采用硝酸溶液(pH值为2)浸泡法，开展喷射混凝土中性化试验，测试侵蚀喷射混凝土物理力学性能、混凝土pH值及水溶性硝酸根离子含量，探究喷射混凝土中性化过程；分析及表征中性化区混凝土物相组成及微观形貌，研究喷射混凝土中性化发展过程及机理。

1 试验

1.1 试验材料

试验用原材料均来自宝兰高速铁路麦积山隧道施工现场：42.5普通硅酸盐水泥(C3S=52.7%，C2S=23.04%，C3A=6.37%，C4AF=11.76%，MgO=2.67%)，II级低钙粉煤灰(SiO2=43.64%，Al2O3=25.38%，Fe2O3=4.19%，CaO=5.62%)，渭河粗砂(μf=3.4，II区)，渭河卵石(5～10 mm)，剪切波浪形钢纤维(抗拉强度≥600 MPa)，铝氧熟料系低碱粉状速凝剂；聚羧酸高性能减水剂(减水率不小于27%)。

1.2 喷射混凝土配合比

试验采用的喷射混凝土配合比以麦积山隧道初支衬砌结构喷射混凝土配合比为基础，调整水胶比及砂率，并经过试喷，最终确定试验喷射混凝土配合比。试验喷射混凝土配合比及力学性能(养护90 d)分别见表1和表2。

表1 试验混凝土配合比Tabal 1 Mix proportion of experiment concrete kg/m3

表2 混凝土抗压强度及劈裂抗拉强度Table 2 Compressive and splitting tensile strength MPa

1.3 喷射混凝土试件制作

喷射混凝土制作采用干喷法，按照《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范》(GB 50086―2015)中规定进行制作，混凝土大板尺寸为1 000 mm×500 mm×150 mm。

1)混凝土板在成型3 h后脱模，置于标养室中养护至7 d。

2)将混凝土大板切割为9个400 mm×100 mm×100 mm的棱柱体(大板前后各切去50 mm，左右切去50 mm，上下切去25 mm)，继续标准养护至28 d，在实验室内自然养护至90 d。

3)将棱柱体试件切割成立方体(100 mm×100 mm×100 mm)。喷射混凝土大板制作过程如图1所示。

图1 喷射混凝土大板制作过程Fig.1 Production process of shotcrete

1.4 试验方法

1.4.1 硝酸侵蚀喷射混凝土试验

试验方法：硝酸溶液浸泡法。

试验龄期：试验进行6个龄期，分别为浸泡30、60、90、120、150、180 d。

侵蚀溶液：pH值为2的硝酸溶液。经前期探索试验发现，pH值为1时，混凝土侵蚀速度过快，pH值为3时，混凝土侵蚀速度过慢。二者均无法在预计的试验龄期内得到可靠的实验数据。因此，试验最终确定硝酸溶液pH值为2。

测试内容：动弹性模量、质量、抗压强度、劈裂抗拉强度、损伤层厚度、混凝土pH值及硝酸根离子含量。

试验期间，每天测量浸泡溶液的pH值，使用浓硝酸(分析纯，AR)调整溶液pH值，使其稳定在2.0±0.2。同时，溶液每间隔一段时间更换一次(侵蚀30 d以内时，每3 d更换一次；侵蚀30 d以后，每7 d更换一次)。喷射混凝土耐久性试验所需试件种类及数量见表3。

表3 试验试件种类及数量Table 3 Grouping and Number of Test Specimens

1.4.2 试验结果计算混凝土相对动弹性模量测试采用超声波对测声时法进行测定(北京康科瑞NM-4B型非金属超声检测仪)，结果按照式(1)计算。

(1)

混凝土质量损失率按照式(2)计算。

(2)

式中：WN为硝酸侵蚀混凝土试件质量损失率；mn,i为浸泡n天的第i个混凝土试件质量，kg；m0,i为第i个混凝土试件初始质量，kg。

混凝土相对抗压强度和劈裂抗拉强度损失率按式(3)计算。

(3)

式中：FN为硝酸侵蚀混凝土强度损失率；fcc(st),n,ji为浸泡n天的第j组第i个混凝土抗压或劈裂抗拉强度，MPa；fcc(st),0,ji为第j组第i个混凝土试件抗压或劈裂抗拉强度，MPa。

混凝土损伤厚度测试以文献[16]中的方法进行，损伤厚度按式(4)计算。

(4)

式中：hf为混凝土损伤层厚度，mm；V1,i为超声波在损伤第i个混凝土试件中传播速度，mm/μs；V2,i为超声波在第i个未损伤混凝土试件中的传播速度，mm/μs；t0,i为第i个混凝土试件斜率1/V2,i的直线外推到测距是0时的声时，μs。

1.4.3 孔溶液pH值和硝酸根离子测试试验采用100 mm × 100 mm × 100 mm立方体试件，使用环氧树脂将试件的喷射面、底面及3个切割面进行密封，只保留1个切割面作为侵蚀面。

1)采用数控混凝土取粉机沿侵蚀面向内进行分层取粉(1～10 mm处每1 mm为1层，11～20 mm处每2 mm为1层)。

2)将粉末过0.1 mm方孔筛，取筛下粉末进行烘干(105 ℃，24 h)。取10 g粉末置于三角烧瓶中，加入200 mL蒸馏水，震荡5 min后静置24 h。

4)试验共进行3次，取三者的平均值为该层混凝土中硝酸根离子的含量。

(5)

1.4.4 微观结构表征为研究硝酸侵蚀喷射混凝土的耐久性能退化机理，采用X射线衍射(Empyrean系列X射线衍射仪，荷兰PANalytical)、热分析(TGA/DSCII型综合热分析仪，瑞士梅特勒-托利多公司)和扫描电镜(S4800型冷场发射扫描电镜，日本日立)，对喷射混凝土侵蚀产物的矿物组成、含量及微观形貌进行表征。其中，X射线衍射及热分析试样为粉末，沿试件侵蚀面向内取第2～3 mm处的粉末并过0.1 mm方孔筛，取筛下物进行分析。微观形貌样品取自测试完抗压强度的试件，采用镊子剥取第2～3 mm之间的砂浆薄片。微观测试样品均放置在含有干燥剂的封口袋内，并用氮气在密封的广口瓶中保存，防止样品受潮和发生碳化。

2 喷射混凝土中性化

2.1 物理力学性能

硝酸侵蚀混凝土的物理力学性能如表4所示。在侵蚀初期，C43F10相对动弹性模量损失率及质量损失率最大，S43F10SF50最小。随着侵蚀反应深入，喷射混凝土动弹性模量损失率及质量损失率逐渐增大，且逐渐超过C43F10。侵蚀龄期180 d时，喷射混凝土相对动弹性模量损失率及质量损失率远大于C43F10。对于相对抗压强度及劈裂抗拉强度，S43F10下降最快，其次为C43F10，而S43F10SF50下降相对较慢。

C43F10在振捣成型过程中，浆体上浮骨料下沉，表面形成一定厚度的水胶比稍大且粉煤灰含量较高的浮浆层，水化硬化后毛细孔较混凝土内部含量高。在硝酸侵蚀初期，浮浆层快速与硝酸反应形成酥松的侵蚀产物层，造成早期相对动弹性模量损失率偏大。由于C43F10内部密实度高，硝酸扩散受阻，因此，侵蚀龄期60 d后，C43F10相对动弹性模量损失率增长减小。随着C43F10表面浮浆层结构的持续劣化和内部侵蚀不断进行，质量及强度损失率持续增大。

S43F10抗酸侵蚀性能较差，其原因是：1)在速凝剂作用下，喷射混凝土水化硬化速度快，水化产物晶体较为粗大且结晶度稍差，内部存在较多微孔。2)混凝土在喷射过程中不可避免引入气泡，使其孔隙率较大。因此，对比C43F10，喷射混凝土具有不同的微观结构和孔结构，即孔隙率较大，独立微气孔含量高。在侵蚀过程中，硝酸通过毛细孔向内部快速扩散，物理力学性能快速下降。

S43F10SF50抗硝酸侵蚀性能较S43F10高，但提升不明显。由于钢纤维活性强，与硝酸反应速度大于混凝土。生成的硝酸铁等物质部分填充在钢纤维-混凝土界面中，将钢纤维包裹，氧化反应速度减慢。另一方面，未被氧化的钢纤维在喷射混凝土中形成桥连作用以及钢纤维对喷射混凝土表面的约束作用，因此，S43F10SF50相对动弹性模量和质量变化率下降速度稍慢于S43F10。

表4 硝酸侵蚀后试件物理力学性能变化Table 4 Physical and mechanical properties of specimen under nitric acid corrosion

注：“模筑”为C43F10；“普喷”为S43F10；“钢喷”为S43F10SF50。

2.2 混凝土损伤厚度

硝酸侵蚀混凝土损伤厚度如图2所示。随着侵蚀龄期增加，混凝土损伤厚度增大。侵蚀龄期小于60 d时，损伤厚度从大到小依次为：S43F10>S43F10SF50>C43F10。随着侵蚀进行，S43F10SF50损伤厚度逐渐增大并超过S43F10，且二者之间的差值逐渐增大。喷射混凝土损伤厚度较大是其内部独特的孔结构所致。硝酸通过喷射混凝土中的气孔和毛细连通孔，向其内部快速扩散并发生化学反应，造成混凝土损伤厚度快速增大。而对于S43F10SF50，钢纤维在侵蚀早期被氧化形成硝酸铁等物质填充在纤维-混凝土界面中，减缓反应进行。随着硝酸铁向溶液中逐渐溶出，钢纤维被侵蚀

图2 混凝土试件损伤层厚度Fig.2 Damage depth of concrete specimens

并在喷射混凝土中形成孔道。硝酸通过孔道快速扩散并在试件内部形成二维侵蚀状态，损伤厚度快速增大。

图3 硝酸侵蚀混凝土离子含量变化Fig.3 Ions content of concrete specimen with nitric

2.3 混凝土离子含量变化

2.3.1 侵蚀龄期影响

1)混凝土的pH值硝酸侵蚀混凝土的pH值快速降低，但随着深度增大，pH值逐渐增大，继而稳定在12.2～12.4之间。混凝土与硝酸接触发生侵蚀反应，形成可溶性中性盐。侵蚀初期，混凝土中含有大量碱性矿物并能够维持pH值稳定。随着反应进行，混凝土表层碱性水化产物逐渐被反应，生成高溶解度的硝酸钙，试件表面孔隙率增大，硝酸扩散加快，推动侵蚀界面不断向混凝土内部迁移，使混凝土的pH值快速降低且中性化区加大。当深度大于10 mm，混凝土内部尚未被侵蚀且密实度高，H+扩散阻力增大，含量快速降低，侵蚀反应减慢，直至停止。因此，pH值变化曲线中存在两部分，分别为pH值变动区和pH值稳定区。在变动区中，pH值剧烈变化，逐渐增大；在稳定区中，pH值稳定在一定范围内，微弱波动。

图4 被侵蚀喷射混凝土表面形成海绵状侵蚀产物层Fig.4 Spongy corrosion products layer on the surface of

2.3.2 试件成型方式影响

1)混凝土pH值从图3(a)、(b)可以看出，模筑混凝土的pH值低于喷射混凝土，但差值较小。浸泡龄期为180 d时，模筑混凝土表层pH值为8.13，而普通喷射混凝土为8.43，差值仅为0.3。模筑混凝土pH值下降速度稍快是模筑混凝土表面高孔隙率及高水胶比浮浆层造成的；而喷射混凝土的pH值下降速度快是其内部含有较多微孔造成的。由于模筑混凝土内部密实度高，离子扩散受阻，pH值随着深度的增加快速增大。喷射混凝土内、外部孔结构分布一致，导致H+扩散阻力小。因此，喷射混凝土pH值变动区较模筑混凝土大。

2.3.3 钢纤维影响从图3(b)、(c)可以看出，喷射钢纤维混凝土的pH值随侵蚀龄期的增加，下降幅度较慢。同侵蚀龄期，喷射钢纤维混凝土的pH值大于普通喷射混凝土。侵蚀龄期为180 d时，喷射钢纤维混凝土表面pH值为9.88，而普通喷射混凝土为8.43。另外，钢纤维喷射混凝土的pH值变动区范围为9 mm，较普通喷射混凝土的10 mm窄。

3 喷射混凝土中性化过程及机理

3.1 中性化区物相组成分析

图5所示为硝酸侵蚀C43F10及S43F10中性化区XRD图谱(深度2 mm处)。未侵蚀混凝土主要矿物组成包含钙矾石(AFt)、硅灰石、羟钙石、石英、长石、方解石。其中，钙矾石、硅灰石(水化硅酸钙C—S—H最终产物)、羟钙石及长石(水化钙铝黄长石C—A—S—H或水化硅铝酸钠N—A—S—H后期产物)属于水化产物矿物；石英及方解石属于骨料矿物，来源于砂和卵石。

另外，喷射混凝土中羟钙石衍射峰强度减弱并在龄期150 d时消失，而模筑混凝土在侵蚀30 d时羟钙石衍射峰强度几乎没有降低，但在后期，强度快速减弱，至龄期90 d时基本消失。硝酸侵蚀180 d时，模筑混凝土中AFt、高岭石及钙硝石衍射峰强度略大于喷射混凝土。NO3-AFm衍射峰出现均在侵蚀60 d时，但喷射混凝土在侵蚀180 d时消失，晚于模筑混凝土的120 d，说明模筑混凝土的pH值降低较喷射混凝土快，硝酸根离子较喷射混凝土高。

图5 硝酸侵蚀混凝土试件XRD图谱Fig.5 XRD patterns of nitric acid corrosion concrete

3.2 中性化区物相相对含量

图6所示为硝酸侵蚀普通喷射混凝土的热分析图谱。图谱中存在多处吸热峰，与《无机非金属材料图谱手册》[18]中标准图谱进行对比，60～100 ℃是C—S—H凝胶及AFt脱去结合水吸热峰，145 ℃为单硫型水化硫铝酸钙AFm脱去结合水吸热峰，400～450 ℃为羟钙石分解吸热峰，550～590 ℃是高岭石羟基逸出吸热峰，650～750 ℃为方解石分解吸热峰。采用厂家附带软件对热分析图谱进行分析，得出相应物相的相对含量，如图7所示。

随着侵蚀龄期增大，混凝土中水化产物相对含量降低。C43F10水化产物在侵蚀龄期90 d后基本完全反应，S43F10水化产物在侵蚀150 d后反应完全，而S43F10SF50水化产物在试验龄期内相对含量持续降低，但未完全反应。同侵蚀龄期，水化产物相对含量从高到低依次为：S43F10SF50>S43F10>C43F10。

图6 硝酸侵蚀喷射混凝土中性化区热分析图谱Fig.6 Thermal analysis patterns of neutralization zone of nitric acid corrosion

中性化区生成产物相对含量随侵蚀龄期增大。同侵蚀龄期，高岭石含量从高到低为：C43F10>S43F10>S43F10SF50，而生成时间为:S43F10(60次)>C43F10(90次)>S43F10SF50(120次)。对于NO3-AFm，相对含量呈现出先增大后减小，继而为零，其变化规律与XRD图谱中衍射峰强度变化规律一致。从XRD图谱和水化产物及生成物的相对含量变化规律综合分析可知，S43F10SF50抗硝酸侵蚀性能较S43F10高，C43F10抗侵蚀性较低。

图7 水化产物和生成物相对含量Fig.7 Relative content of hydration and corrosion

3.3 硝酸侵蚀喷射混凝土中性化过程分析

采用扫描电镜，对硝酸侵蚀喷射混凝土微观结构表征，结合矿物组成及热分析结果进行综合分析，硝酸侵蚀喷射混凝土过程分为中和反应阶段、水化产物分解阶段、混凝土表面剥蚀等3个阶段。

3.3.1 中和反应阶段混凝土与硝酸接触，表面碱性水化产物Ca(OH)2和C—S—H与H+迅速发生酸碱中和反应，生成高溶解度钙盐及无胶凝性SiO2·nH2O(图8(a))。水化产物被反应，从而在原位形成微孔，造成混凝土中孔增多(图8(b))。此时，由于C—S—H中被吸附的铁伴随着C—S—H被硝酸侵蚀分解而释放，形成少量的硝酸铁并沉积在混凝土表面。因此，混凝土表面呈黄褐色(图9)。

图8 氢氧化钙和C—S—H凝胶被硝酸侵蚀后的SEM照片Fig.8 SEM images of portlandite and C—S—H gel after

图9 喷射混凝土表面颜色Fig.9 Surface color changing of

图10 喷射混凝土中C—S—H分解形成气孔Fig.10 SEM image of shotcrete immersed for 90

图11 钙矾石被侵蚀转变为NO3-AFmFig.11 Ettringite reacted with

3.3.3 混凝土表面剥蚀阶段由于喷射混凝土水化早期形成的网状结构以及C—S—H结构被破坏，形成大量毛细孔和微裂缝，加速硝酸向混凝土内部迁移。混凝土损伤厚度快速增大，中性化区pH值继续下降，并在试件表面形成白色的呈龟裂状的疏松产物层。骨料中的碳酸盐类矿物被硝酸溶蚀而形成坑洞(图12)。最终，混凝土物理力学性能退化更加迅速，中性化反应速度加快。