盐类结晶破坏环境下隧道衬砌混凝土适宜含气量研究

2020-01-02黄法礼李化建陶建强易忠来谢永江

铁道建筑 2019年12期

黄法礼，李化建，陶建强，王振，易忠来，谢永江

（1.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081；2.高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京 100081；3.重庆大学材料科学与工程学院，重庆 400045）

硫酸盐侵蚀是影响混凝土耐久性的重要因素，同时也是影响因素最为复杂、对混凝土危害最大的一类环境侵蚀作用。近年来，在我国公路、铁路、水电等工程以及建筑物基础中均有混凝土结构受硫酸盐侵蚀的问题，遭受硫酸盐侵蚀的混凝土会出现膨胀、开裂、剥落、腐蚀变质等现象，使混凝土的强度和耐久性能逐渐劣化，严重影响工程结构的安全性和可靠性。

硫酸盐侵蚀环境下对混凝土的破坏可分为物理腐蚀、化学腐蚀2种类型。其中，物理腐蚀是指硫酸盐侵入混凝土后没有与水泥石中的组分发生化学反应，而是直接从孔溶液中结晶出来，不断积累导致体积膨胀，进而引发混凝土开裂破坏［1-2］。例如：Na2SO4和MgSO4从孔溶液中结晶分别形成Na2SO4·10H2O和MgSO4·7H2O晶体，产生结晶压力导致混凝土性能劣化。化学腐蚀是指硫酸根离子与水泥石中某些组分发生化学反应，生成膨胀性或无胶结能力的产物，导致混凝土破坏的过程。根据侵蚀机理的不同，硫酸盐化学腐蚀可分为钙矾石型硫酸盐侵蚀、石膏型硫酸盐侵蚀、碳硫硅钙石型硫酸盐侵蚀等多种模式［3-5］。工程实践表明，盐类结晶对混凝土的破坏速度更快，破坏力更大［6-7］。

对于处于盐类结晶破坏环境下的隧道衬砌混凝土结构，在静水压力作用下，侵蚀性物质通过渗漏到达衬砌临空面后，隧道内的自然风、活塞风等荷载会加速衬砌临空面的水分蒸发，表层混凝土出现干湿循环现象，盐类结晶更容易析出，生长速度更快，盐类结晶破坏性更为严峻［8-9］。我国TB 10005—2010《铁路混凝土结构耐久性设计规范》中将盐类结晶破坏环境有别于硫酸盐化学侵蚀环境独立划分为一类作用环境，并规定在盐类结晶破坏环境下应采用引气混凝土，混凝土含气量应大于4%，且硬化混凝土气泡间距系数应小于300 μm。鉴于含气量对混凝土各项性能指标均有一定程度的影响，本文系统研究了含气量对混凝土工作性能、力学强度、孔结构、气泡参数和抗硫酸盐结晶破坏性能的影响，以期为提升盐类结晶破坏环境下隧道衬砌混凝土的耐久性提供技术支撑。

1 试验

1.1 原材料及配合比

水泥为北京金隅水泥有限公司生产的P·O 42.5普通硅酸盐水泥，细骨料为细度模数2.8 的Ⅱ区天然河砂，粗骨料采用5～20 mm 连续级配花岗岩碎石，减水剂采用山东翰明生产的聚羧酸高性能减水剂，引气剂为江苏苏博特新材料有限公司提供的JYQ-3型引气剂。水泥主要物理性能和化学组成见表1，混凝土配合比见表2。

表1 水泥主要物理性能和化学组成

表2 混凝土配合比 kg·m-3

1.2 试验方法

通过调整减水剂和引气剂掺量，将混凝土坍落度控制在120±10 mm 内，将混凝土含气量调整至2.9%，4.6%，5.6%，7.5%。减水剂和引气剂用量及对应的混凝土坍落度和含气量见表3。

表3 外加剂用量及对应的混凝土坍落度和含气量

新拌混凝土坍落度和含气量测试按照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》规定进行。标准养护和硫酸盐干湿循环条件下混凝土抗压强度测试按照GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》规定进行。硫酸盐干湿循环程序按照GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》规定执行。

混凝土孔结构采用美国Micromeritics 公司Auto-Pore IV 9500 型全自动压汞法孔径分析仪测试，测试对象为标准养护28 d 混凝土试件，样品制备和测试步骤参照GB/T 21650.1—2008《压汞法和气体吸附法测定固体材料孔径分布和孔隙度》中的规定执行。硬化混凝土气泡参数采用Rapid Air457 混凝土气孔结构分析仪进行测试。

2 结果与讨论

2.1 含气量对混凝土工作性能的影响

混凝土坍落度相当的条件下，含气量为2.9%，4.6%，5.6%，7.5%时减水剂掺量分别为2.25，2.20，1.75，1.75 kg/m³。可见，达到相当坍落度时，随着含气量的增加混凝土减水剂掺量明显减小，即增大含气量可以改善混凝土工作性能。含气量对混凝土工作性能的影响可以归结为2 个因素：①增大含气量可以增加浆体体积，起到润滑作用，从而提高混凝土工作性能；②在水泥水化过程中，由于钙离子的吸附作用，水泥颗粒表面带正电，而气泡带负电，因此气泡很容易被水泥颗粒表面所吸引，从而在水泥颗粒之间形成气泡桥，这种桥联效应会增大颗粒间的结合力，从而降低混凝土工作性能［10-11］。对于胶凝材料用量偏低、流动性偏小的混凝土而言，气泡在其中的润滑作用更为显著，因此，混凝土工作性能随着含气量的增大而增大。

2.2 含气量对混凝土力学性能的影响

标准养护条件下含气量对混凝土抗压强度的影响见图1。可知，随着含气量增大，各龄期混凝土抗压强度均有一定程度的降低。

图1 标准养护条件下含气量对混凝土抗压强度的影响

混凝土中引入气泡会对混凝土强度产生2方面影响：①在混凝土中引入大量微小均匀的气泡能改善拌和物的和易性，有利于混凝土的密实成型，同时，微小气泡的细化作用能改善水泥石和集料的界面结构，从而对混凝土强度发展产生有利影响；②混凝土中的微小气泡聚集成大气泡，对混凝土的强度产生不利影响。结合图1可知，当混凝土含气量小于4.6%时，含气量对混凝土强度发展影响较小，当混凝土含气量大于4.6%时，随着含气量的增大混凝土强度有较大幅度的降低。

硫酸盐干湿循环条件下，含气量对混凝土抗压强度的影响见图2。可知，初期阶段，随着干湿循环次数的增加混凝土强度略微增大，干湿循环次数达到90次之后混凝土强度出现明显的降低。初期阶段混凝土强度的增大主要是3 方面因素造成的：①由于水泥水化，混凝土内部逐渐被水化产物填充密实，促使混凝土强度增大；②硫酸盐环境促使混凝土内部产生钙矾石，进一步增加混凝土内部密实程度；③硫酸盐在混凝土内部孔隙形成的硫酸盐类结晶体提高了混凝土的密实性。而当混凝土内部孔隙被填满后，随着干湿循环次数的增加，内部盐类结晶体的继续富集产生结晶压力，当结晶压力大于混凝土抗拉强度时会导致混凝土结构破坏，造成混凝土强度降低。杨全兵等［12］研究表明，当硫酸盐溶液的浓度大于5%时，混凝土内部产生的盐类结晶压力可超过7 MPa，其产生的破坏力足以引起混凝土的破坏。

图2 硫酸盐干湿循环条件下含气量对混凝土抗压强度的影响

2.3 含气量对混凝土孔结构的影响

不同含气量混凝土内部孔径与累积孔体积的关系见图3。可知，随着混凝土含气量增大，累积孔体积明显增加，这主要是由于随着含气量的增大，混凝土内部孔隙增加所致。

图3 不同含气量混凝土内部孔径与累积孔体积对应关系

文献［13］对混凝土内部孔径划分了界限：孔径小于20 nm 的孔为无害孔；孔径在20～50 nm 的孔为少害孔；孔径在50～200 nm 的孔为有害孔；孔径大于200 nm 的孔为多害孔。不同含气量混凝土内部不同孔径空隙所占比例见图4。可知，随着混凝土含气量增大，混凝土内部无害孔和少害孔比例明显减少，有害孔和多害孔的比例显著增大，当混凝土含气量为7.5%时，多害孔比例达到45%。

图4 混凝土内部不同孔径空隙所占比例

2.4 含气量对硬化混凝土气泡参数的影响

新拌混凝土含气量与硬化混凝土含气量相关性见图5。可知，新拌混凝土含气量与硬化混凝土含气量之间具有良好的相关性，相关性系数为0.986，这与之前研究结论一致［14］。根据TB 10005—2010 中盐类结晶破坏环境下新拌混凝土含气量应大于4%的要求，其硬化混凝土含气量应大于3.7%。

图5 新拌混凝土含气量与硬化混凝土含气量的相关性

新拌混凝土含气量与硬化混凝土气泡间距系数的相关性见图6。可知，随着新拌混凝土含气量增大，硬化混凝土气泡间距系数逐渐减小，当新拌混凝土含气量达到5.6%时，继续增大混凝土含气量，硬化混凝土气泡间距系数趋于稳定。这主要是因为随着含气量的增加，混凝土内部微小气泡的数量急剧增加，导致气泡间距系数减小。当含气量过大时，引入的微小气泡容易积聚形成大气泡，气泡间距系数逐渐趋于平稳甚至略微增大。试验测试范围内，新拌混凝土含气量与硬化混凝土气泡间距系数的相关关系依然可以用幂函数加以描述［14］，且相关性良好（R2=0.922）。根据TB 10005—2010 中盐类结晶破坏环境下硬化混凝土气泡间距系数应小于300 μm的要求，其新拌混凝土含气量应大于3.3%。当新拌混凝土含气量大于4%时，其气泡间距系数小于256 μm。因此，通常情况下，控制新拌混凝土含气量大于4%即可满足盐类结晶破坏环境下对混凝土气泡参数的要求。

图6 新拌混凝土含气量与硬化混凝土气泡间距系数的相关性

2.5 含气量对混凝土抗硫酸盐结晶破坏性能影响

硫酸盐干湿循环环境下，混凝土抗压强度耐蚀系数随干湿循环次数的变化情况见图7。可知，试验测定的4 个含气量水平对应的混凝土抗压强度耐蚀系数均大于0.75，即抗硫酸盐结晶破坏等级大于等于KS150。混凝土抗压强度耐蚀系数随着干湿循环次数的增加总体呈先增大后减小的趋势。这主要是因为在干湿循环初期，混凝土内部形成的盐晶体主要起到填充空隙和密实的作用，使得混凝土的强度增加，但是随着干湿循环的持续，盐晶体继续富集和长大，引起混凝土孔结构的破坏，导致强度急剧降低。

图7 含气量对混凝土抗硫酸盐结晶破坏性能的影响

由图7可见：当混凝土含气量为5.6%时，其抗硫酸盐性能最好，经过150 次干湿循环之后其抗硫酸盐侵蚀系数达到90%。含气量为2.9%和4.6%的混凝土的抗硫酸盐性能相当，含气量为7.5%混凝土的抗硫酸盐侵蚀的性能较差。这主要是由于混凝土含气量越高其内部引入的微小气泡越多，气泡的比表面积越大，其气泡间距系数越小，硫酸盐环境下引入的封闭气孔可以作为盐类结晶压力的“缓冲区”，起到一定的卸压作用，因此在一定范围内同一强度等级的混凝土含气量越高，其抗硫酸盐侵蚀性能越好。但是当含气量过高时会对混凝土自身强度造成较大损失（参见图1），抵抗盐类结晶压力破坏的能力大幅降低，表现为混凝土含气量过大时，其抗硫酸盐侵蚀性能降低。因此，在研究混凝土含气量对缓解盐类结晶破坏的影响时，应综合考虑引气对混凝土力学性能和耐久性能的双重影响。