铁路混凝土抗硫酸盐侵蚀试验研究及技术对策

2020-01-02仲新华李享涛渠亚男裘智辉谢永江

铁道建筑 2019年12期

仲新华，李享涛，渠亚男，裘智辉，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.北京铁科特种工程技术有限公司，北京 100081）

混凝土学是一门新生的学科。人们对于混凝土的认识远不及对于金属那样深透完备，混凝土在很多腐蚀环境中的劣化问题还处于探寻摸索阶段。由于硫酸盐侵蚀破坏过程漫长，难以完全现场模拟进行全过程观测，因此相当一段时间内硫酸盐侵蚀机理的研究主要依赖室内加速试验［1-2］。室内加速试验虽然能在短时间内揭示其破坏特征，但与工程实际之间存在很大差异，且仅依据破坏特征相似进行硫酸盐侵蚀过程和机理研究亦不严谨［3］。随着检测技术的发展，通过晶体衍射图谱比对获得了水泥石的部分含硫酸盐组分的晶体成分，结合水泥的水化产物对硫酸盐的侵蚀过程和机理进行了推断［4-5］。

虽然关于硫酸盐侵蚀混凝土的机理尚存在争议，但为便于应用，工程界习惯按硫酸盐侵蚀破坏机理提出具体预防措施，如采用抗硫酸盐侵蚀水泥或掺用较多的活性矿物掺和料［6-7］，在实际应用中取得了积极效果。然而，也有研究和工程实例表明采用抗硫酸盐侵蚀水泥不能有效降低混凝土结构水分蒸发部位的劣化进程，掺加活性矿物掺和料后反而加剧了蒸发区混凝土的破坏程度［8-9］。

我国硫酸盐土壤分布广泛，尤其是近年来铁路网建设向西部推进，大量铁路桥墩、涵洞和隧道等主体结构面临硫酸盐侵蚀风险。因此，提高混凝土的抗硫酸盐侵蚀能力是铁路主体结构耐久性设计的关键。本文介绍了铁路混凝土抗硫酸盐侵蚀的部分试验成果及主要技术对策，为目前铁路建设，特别是西部铁路建设中硫酸盐破坏环境下混凝土结构耐久性设计提供参考。

1 混凝土的硫酸盐侵蚀破坏机理

学术界普遍认为，硫酸盐侵蚀混凝土涉及一系列复杂的物理化学反应，造成混凝土损伤，但目前尚无法明确划分物理或化学损伤的界限。近年来科技人员在硫酸盐对混凝土的损伤机理方面进行了较多的探索，如通过分析硫酸钠结晶热力学、等效应力、盐胀特性以及建立本构关系等［10-13］途径进行研究，取得了有益进展。目前仍将硫酸盐侵蚀破坏机理分为物理结晶和化学腐蚀［14-15］2种。

1.1 物理结晶

混凝土内部存在大量孔隙，主要由混凝土拌和水蒸发和水泥石收缩产生，大部分以毛细孔或界面微裂缝的形式存在。当环境中的盐溶液进入孔隙后，通过水分蒸发或温度降低使盐结晶相变。随着环境干燥和潮湿状态的交替进行，孔隙中的盐结晶体不断生长。当盐结晶体增大到对孔隙产生阻隔效应时，盐结晶体周边及受阻隔的毛细孔内壁水泥石处于复杂的应力状态。其结果是发生微裂缝的扩展和水泥石的破坏。

1.2 化学腐蚀

由于水泥中矿物的种类、数量及其水化进程存在随机性，在水泥水化后形成的多矿物集合体中或多或少存在一定数量的介稳状态化合物。当水泥石与环境中的硫酸盐接触时，水泥石中的水化铝酸钙和单硫型硫铝酸钙等介稳状态化合物进一步反应生成稳定的高硫型水化硫铝酸钙（简称“钙矾石”），钙矾石晶体体积膨胀产生的结晶压力导致水泥石破坏，这被称为钙矾石型腐蚀。当硫酸盐中的硫酸钠浓度持续增加时，原本硫酸钠和氢氧化钙反应生成硫酸钙和氢氧化钠的平衡被打破，氢氧化钠和硬化水泥中的水化铝酸盐反应生成可溶的铝酸钠，降低了钙矾石生成的可能，从而使得生成的硫酸钙因浓度升高以二水石膏的形态结晶析出，产生膨胀破坏，这被称为石膏型腐蚀。当环境中同时存在碳酸盐和硫酸盐时，侵蚀性二氧化碳溶蚀反应和硫酸盐腐蚀同时发生，常伴生有无胶结力的碳硫硅钙石产物，使得水泥石失去强度，这被称为碳硫硅钙石型腐蚀。

2 混凝土抗硫酸盐侵蚀试验

工程实践发现，硫酸盐腐蚀地区的结构物多在地表附近干湿交替处发生混凝土崩坏现象。究其原因：①因为水泥水化产物的组成和结构复杂，其随水泥水化的时间和混凝土所处环境条件（水、龄期、温度、pH值等）的变化而变化，水泥石在干缩和湿胀的反复中更易产生微细裂纹；②温度和湿度频繁交替变化的环境有利于毛细吸附作用，引起混凝土水分蒸发以及表层混凝土裂纹内硫酸盐结晶。

对既有结构物的调查发现，即便硫酸盐浓度较高，其对完全处于水下或土壤中的混凝土结构的损伤也是非常有限的。

2.1 干湿交替试验

先采用3%硫酸钠溶液浸泡12 h 再在100 ℃的环境中干燥12 h，这样交替循环的方法对160 mm（长）×40 mm（宽）×40 mm（高）的4种砂浆试件进行试验。试验过程中通过观察试件外观和测试干燥试件质量的方法判断试件的损伤程度。

4 种砂浆试件分别为MC50 水泥砂浆试件、MC30防腐砂浆试件、MC50 防腐砂浆试件、环氧沥青厚涂砂浆试件（MC30防腐砂浆表面厚涂环氧沥青）。

4 种砂浆试件的主要原材料为：42.5 级普通硅酸盐水泥，细度模数为2.6 的中粗河砂，灰砂比为1∶3。通过用水量调整强度。其中：防腐砂浆中掺入自主研发的防腐剂，掺量为20%；环氧沥青是在90#沥青中掺入10%的环氧树脂。

试验发现：①环氧沥青厚涂砂浆试件除表面略有起砂外，试件外观和质量几乎没有变化。②MC50 水泥砂浆试件和MC30，MC50 防腐砂浆试件均出现程度不一的表面裂缝。MC50 水泥砂浆试件出现明显的表面剥落，质量损失明显；MC30 防腐砂浆试件出现明显的表面鼓胀，MC50 防腐砂浆试件表面鼓胀相对较轻，MC30，MC50防腐砂浆试件均有一定程度的增重。

设试验前试件的干燥质量为w，试件试验过程中干燥质量为w′，则失重率为（w-w′）/w×100%。试件失重率随循环次数的变化曲线见图1。可以看出：提高强度和掺入防腐剂均有助于提高砂浆抗硫酸盐侵蚀能力，采用环氧沥青对水泥砂浆进行厚涂防腐后其具有良好的抵抗严重腐蚀的能力。

图1 试件失重率随循环次数的变化曲线

2.2 浸泡试验

采用浸泡法对60 mm（长）×10 mm（宽）×10 mm（高）的砂浆试件进行试验。试件脱模后预先经过7 d的50 ℃水浴养护，然后分别浸没于3%的硫酸钠溶液和饮用水中，在28，56，90 d龄期进行抗折强度测试。

4 种砂浆试件中矿物掺和料采用质量法等量替代水泥，根据矿物掺和料的活性指数通过调整用水量使得4种砂浆试件处于相同的强度水平。

试验发现：①浸泡28 d 龄期时4 种试件外观和抗折强度几乎都没有变化；②浸泡56 d 龄期时4 种试件外观没有明显变化，但纯普通水泥砂浆试件的强度降低比较明显；③浸泡90 d 龄期时纯普通水泥砂浆试件表面剥蚀较明显，其他3种试件外观没有明显变化，纯普通水泥砂浆试件和掺20%粉煤灰砂浆试件强度降幅大。

试件强度比为硫酸钠溶液中浸泡试件的抗折强度和饮用水中浸泡试件的抗折强度之比。试件强度比随浸泡时间变化曲线见图2。可以看出：掺入粉煤灰和矿渣粉均有助于提高砂浆抗硫酸盐侵蚀能力，掺20%矿渣粉和掺30%粉煤灰效果接近，说明矿渣粉具有更好的掺入效应。

图2 试件强度比随浸泡时间变化曲线

3 铁路主体结构混凝土抗硫酸盐侵蚀主要技术对策

抗硫酸盐侵蚀能力是混凝土耐久性的重要指标。铁路行业对硫酸盐侵蚀的重视由来已久，早在青藏铁路一期工程就已经开展过系统研究。20 世纪90年代开始，随着国内外对混凝土结构耐久性的重视和持续研究，铁路行业才逐步完善了混凝土抗硫酸盐侵蚀的主要技术措施。

近15年来，随着铁路建设大发展，铁路混凝土结构耐久性设计规范历经2 次修订，每次修订都是对混凝土的抗硫酸盐侵蚀环境分类、技术措施和验证方法的提高和完善，铁路主体结构混凝土抗硫酸盐侵蚀技术对策体现在以下5个方面：

1）规范并细分了硫酸盐侵蚀的环境类别和作用等级

依据环境介质中硫酸根离子的浓度，铁建设〔2005〕157 号《铁路混凝土结构耐久性设计暂行规定》将以硫酸盐为主的化学腐蚀环境分为H1，H2，H3 和H4 四级；现行的TB 10005—2010《铁路混凝土结构耐久性设计规范》）增加了物理结晶环境，并进一步细分为Y1，Y2，Y3和Y4四级。

2）对混凝土强度等级提出了最低要求

强度高的混凝土通常具有更高的密实度和耐久性。为了从源头控制混凝土的抗硫酸盐侵蚀能力，TB 10005—2010 将处于硫酸盐环境的桥梁、隧道、轨道、路基等主体结构混凝土最低强度等级规定为C35。

3）限制了部分混凝土配合比关键参数

为了更好地指导工程应用中混凝土配合比的设计，TB 10005—2010 又将混凝土的最小胶凝材料用量、水胶比、矿物掺和料掺量等关键参数作了进一步的规定。如规定水胶比小于0.40时，盐类结晶环境混凝土的粉煤灰掺量不宜超过40%，防止粉煤灰掺量过高带来负面效应。

4）规范了硫酸盐侵蚀试验具体方法和判定依据

为了评价混凝土的抗硫酸盐侵蚀能力，GB/T 749—2008《水泥抗硫酸盐侵蚀试验方法》非等效替代ASTM C452—2006Standard Test Method for Potential Expan⁃sion of Portland⁃cement Mortars Exposed to Sulfate提出了水泥胶砂抗硫酸盐潜在膨胀性能试验方法（P 法），同时替代GB/T 2420—1981《水泥抗硫酸盐侵蚀快速试验方法》提出了水泥胶砂抗硫酸盐浸泡侵蚀性能试验方法（K 法）。GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》提出了混凝土在干湿循环条件下的抗硫酸盐侵蚀试验方法。

TB 10005—2010 规定处于硫酸盐化学腐蚀环境的混凝土应采用GB/T 749—2008 中的K 法进行抗侵蚀试验，且56 d 龄期抗侵蚀系数不小于0.8；规定处于硫酸盐物理结晶环境的混凝土应采用GB/T 50082—2009 进行试验，且混凝土抗硫酸盐物理结晶破坏性能应符合表1的要求。