隧道混凝土抗硫酸盐侵蚀试验研究

王建华 肖景文 庞 雷

（四川省交通建设集团股份有限公司，四川 成都 610047）

0 引言

隧道结构体系是由围岩和支护结构组成的，并且围岩的性质常常决定着支护结构强度及类型。各围岩体的复杂特性使得隧道工程设计与施工变得复杂。石膏岩属于蒸发沉积岩，在整个地质沉积史中分布较广[1]。自然状态下，石膏岩有一定的强度，但遇水后，其中的硬石膏岩（主要成分CaSO4）水化成石膏岩（主要成分CaSO4·2H2O），会导致体积膨胀，严重影响隧道工程的稳定性，导致其底鼓，围岩等遭到破坏，通常需要采取防腐措施，比如将抗硫酸盐防腐剂加入混凝土以提高其长期耐久性。为此，本文研究隧道石膏岩对混凝土内部硫酸盐侵蚀的影响。

1 硫酸盐侵蚀机理及试验方法

1.1 石膏岩对结构的侵蚀机理

隧道混凝土内部硫酸盐侵蚀包括化学、物理两种腐蚀情况，前者是硫酸盐离子和混凝土水化产物，后者是无水硫酸盐晶体转化为含水硫酸盐时的固相增长[2]。

1.2 试验方法

依 据（GB∕T 8077-2012）（GB 8076-2008）GB∕T 50080-2016）（GB∕T 50081-2019）（GB∕T 50082-2009）（GB∕T 17671-1999）等标准多角度测试加入抗硫酸盐防腐剂混凝土的性能[3]。

1.2.1 混凝土净浆流动度

水平放置玻璃板，将其用湿布擦拭干净，表面为湿润状态但不形成水珠，并将搅拌器、搅拌锅和截锥圆模清洗干净并保持表面处于湿润状态无明显水渍，再用湿布包裹截锥圆模，放在玻璃板的中央备用。用电子天平精确称量300g水泥，对其进行搅拌且在过程中添加87g水与建议数量的外加剂。搅拌的方式为缓慢-停滞-快速，时间为120s-15s-120s。完成搅拌后迅速把混凝土净浆倒进截锥圆模且刮平表面，竖直提起截锥圆模令混凝土净浆流动在玻璃板上，时间至少为30s，并用钢尺测量玻璃板上净浆的直径，混凝土净浆流动度值为夹角是90°的最大直径平均值[4]。

1.2.2 混凝土性能试验

混凝土搅拌采用的是一次倒料的方式，首先在搅拌前要将搅拌机清洗干净，并进行预拌，待搅拌机内挂浆后将剩余料卸出，用电子称准确称量粗骨料、胶凝材料、细骨料，并依次按顺序倒入搅拌机内，进行干拌，时间为60s，再将称量准确的水和抗硫酸盐型减水剂加入其中，边加边搅拌，待所有原材料均倒入搅拌机内，再继续搅拌120s，随即将新拌混凝土倒出，测量坍落度和扩展度之后装入模具振捣成型[5]，并养护至规定龄期，测试混凝土试块的抗压强度。

1.2.3 混凝土抗硫酸盐试验

（1）试件设计。硫酸盐侵蚀-干湿循环试验所用的掺TK-PCE1、TK-PCE2 的 试 件 均 为100mm×100mm×100mm的立方体试件，分别命名为A组，B组。

（2）干湿循环过程。硫酸盐侵蚀-干湿循环试验选用质量分数为5%、10%、饱和硫酸钠溶液，配制硫酸盐溶液采用的无水硫酸钠含量≥99.0%。具体干湿循环制度采用浸泡-风干-烘干-冷却的干湿循环方式[6]。在进行干湿循环试验前，对烘干至恒重的立方体试件进行质量称重，并且记录试验前各个试块质量。将试件标养26d后浸泡于硫酸钠溶液中48h后，取出试块，将其放入101-2型数显鼓风恒温干燥箱中，风干1h，然后用60℃高温烘干20h，在室温环境中冷却3h为一个干湿循环。每10次循环更换硫酸钠溶液一次。本次干湿循环试验共150个周期，分别在30、60、90、105、120、135、150 次干湿循环周期时，观测试块外观现象并进行拍照记录、质量测量、抗压强度测试。

（3）干湿循环作用下主要指标的测试与计算方法。

表观现象：观察受侵蚀后抗硫酸盐防腐剂混凝土试件表观形态，通过观察不同硫酸盐溶液浓度和不同干湿循环周期后试件的表观现象[7]。例如：观察试块表面的坑蚀、膨胀裂缝、结晶盐、脱落和溃散等现象。

质量变化率：对干湿循环试验前后各试块质量进行称重，通过干湿循环前后试件质量变化率来反映抗硫酸盐防腐剂混凝土的抗硫酸侵蚀性。计算公式为：

式中：

ΔWn——抗硫酸盐防腐剂混凝土受侵蚀后试件的质量损失率；

M0——抗硫酸盐防腐剂混凝土未侵蚀试件的基准质量；

Mn——抗硫酸盐防腐剂混凝土干湿循环后试件的质量。

抗压强度指在单向受压破坏时，试块所能承受的最大荷载与截面面积的比值。通过不同干湿循环周期下试件抗压强度反映抗硫酸盐防腐剂混凝土抗硫酸盐侵蚀能力。抗压强度测试试验参照（GB∕T 50081-2019），计算公式为：

式中：

fc——抗硫酸盐防腐剂混凝土试件的抗压强度；

P——抗硫酸盐防腐剂混凝土试件承受的最大荷载；

A——抗硫酸盐防腐剂混凝土试件承受的受压面积。

抗压强度耐侵蚀系数参照GB∕T 50082-2009，为不同干湿循环次数后混凝土抗压强度与标准养护条件下抗压强度之比[8]。当Kf＞1时，表明试件抗压强度增长；反之，抗压强度降低，试件开始劣化。计算公式为：

式中：

Kf——抗压强度耐侵蚀系数；

fc0——标准条件养护下的混凝土试件抗压强度测试值；

fcn——抗硫酸盐防腐剂混凝土受硫酸盐侵蚀后不同干湿循环次数下试件的抗压强度测试值。

2 结果与讨论

2.1 混凝土净浆流动度对比试验

分析抗硫酸盐防腐剂对混凝土净浆流动度经时变化的影响，试验采用PCE、PCE+A、TK-PCE1、TK-PCE2 四种抗硫酸盐防腐剂，按4组进行。分别测量混凝土净浆在0h、0.5h、1.0h、2.0h的流动度。

不同抗硫酸盐减水剂影响下混凝土净浆流动度的测试结果如图1所示。

图1 抗硫酸盐防腐剂对混凝土净浆流动性能的影响

通过图1可知，掺PCE、PCE+A、TK-PCE2、TK-PCE1的0h 混凝土净浆流动度分别为250mm、240mm、235mm和230mm，按顺序呈下降趋势；掺PCE的2.0h混凝土净浆流动度约为140mm，对比0h损失较大；掺PCE+A的2.0h混凝土净浆流动度约为180mm，具有最佳流动保持性；掺TK-PCE1、TK-PCE2的2.0h混凝土净浆流动度都减少至155mm左右，损失较小。抗硫酸盐外加剂A具有明显的缓凝增强作用。TK-PCE1、TK-PCE2与PCE相比，在侧链末端引入了磺酸基，磺酸基团类阴离子吸附于带正电荷的混凝土颗粒表面，延长了混凝土的凝结时间，所以TK-PCE1、TK-PCE2组0h净浆流动度略小于PCE组，但净浆流动度保持性能好于PCE组。

2.2 混凝土工作性能试验和强度试验

混凝土初始工作性能试验和强度试验分成5组，按空白组、PCE、PCE+A、TK-PCE1、TK-PCE2进行混凝土的工作性能试验。

相同用水量下，掺PCE、PCE+A、TK-PCE1、TK-PCE2的混凝土坍落度和扩展度具有显著差异，掺PCE+A的混凝土流动更均匀，掺TK-PCE1、TK-PCE2的混凝土坍落度和扩展度均小于掺PCE的对照组。相比于空白组，掺抗硫酸盐防腐剂的混凝土各龄期强度略高，掺量相同的PCE、TK-PCE1、TK-PCE2的混凝土抗压强度相当，力学性能同时满足《混凝土外加剂》（GB 8076-2008）和《混凝土抗侵蚀防腐剂》（JC∕T 1011-2021）的要求。

2.3 混凝土抗硫酸盐腐蚀试验

根据抗硫酸盐防腐剂对混凝土工作性能和强度的试验结果，硫酸盐侵蚀-干湿循环试验采用对混凝土强度有促进作用的TK-PCE1，TK-PCE2与空白组开展试验，分别命名为A组、B组、C组。

2.3.1 混凝土外观现象分析

通过观察，抗硫酸盐防腐剂混凝土在10%硫酸钠溶液中进行干湿循环过程中，当干湿循环至60次时，A组试件和B组试件表面发生起皮现象，但A组试件表面起皮现象较为明显；当干湿循环至90次时，试件表面颜色变浅，并且可以明显地看到表面覆盖一层白色硫酸钠结晶盐、且试件棱角处发现细小裂缝；干湿循环120次后，肉眼可见凹凸不平的膨胀现象，且试块表面伴随细小裂缝产生，试件底部由于膨胀裂缝进一步发展，开始出现溃散现象；当干湿循环至135次后，试块表面腐蚀现象加重，大量纤维外露在试块表面，在试件表面裂缝处有白色硫酸盐结晶；当干湿循环至150次后，试件开始出现水泥基体掉落和纤维外露现象，试件棱角处越来越圆滑。由此可见：当试件在10%硫酸钠溶液中进行干湿循环时，抗硫酸盐防腐剂混凝土试件受硫酸盐侵蚀后损伤劣化程度较大。尤其是在干湿循环后期，试件底部由于盐溶液蒸发使浓度达到饱和状态，生成膨胀性石膏和钙矾石，导致试件底部出现溃散、脱落。

2.3.2 混凝土质量变化率

抗硫酸盐防腐剂混凝土在硫酸钠溶液中进行干湿循环后的质量变化率见表1、图2。

由表1、图2可以看出，在三种硫酸钠溶液中经历150次干湿循环后，抗硫酸盐防腐剂混凝土试件质量变化率均出现先增加后损失的二阶变化规律。A组试件受侵蚀后，质量损失严重，试件在饱和硫酸钠溶液中抗侵蚀能力最差。

表1 不同溶液、干湿循环周期下试件的质量变化率

B组试件受侵蚀后，质量变化率规律和A组试件基本类似。整体来看，随着硫酸盐溶液浓度升高，抗硫酸盐防腐剂混凝土抗侵蚀性能越差。

2.3.3 混凝土抗压强度腐蚀系数

测试干湿循环150次后5%硫酸钠溶液中试件的抗压强度，同时计算混凝土抗压强度耐蚀系数，结果见表2。

表2 混凝土试件抗压强度

根据公式（3）计算得出A组（掺TK-PCE1）混凝土抗压强度腐蚀系数为77%；B组（掺TK-PCE2）混凝土抗压强度腐蚀系数为82%；空白组（没掺防腐剂产品）混凝土抗压强度腐蚀系数为57%（不合格）。

2.4 混凝土的直接抗拉力性能

通过百分表测量抗硫酸盐防腐剂混凝土试件的抗拉力强度与变形之间的关系，结果见图3。

图3 抗拉力强度与变形之间的关系

利用图3抗拉力强度与变形之间的关系，将试验过程中A、B组试件的拉伸过程划分为三个阶段，如表3、表4所示。

表3 A组试件抗拉试验三个阶段分析表

表4 B组试件抗拉试验三个阶段分析表

结合图3和表3、表4分析可知，抗拉力强度与变形的初始曲线具有较好弹性，抗拉力强度随变形量的增加而增加。A、B组试件中的比例与破坏、屈服与破坏的极限状态拉应力比值分别约为0.70、0.95，得出比例、屈服极限状态的过渡点分别是破坏极限状态拉应力的70%与95%。

3 结束语

研究结果表明：掺PCE+A的2.0h混凝土净浆流动度约为180mm，具有最佳流动保持性，掺TK-PCE1、TKPCE2组0h混凝土净浆流动度略小于PCE组，但净浆流动度保持性能好于PCE组；相同用水量下掺PCE+A的混凝土流动更均匀；当试件在10%硫酸钠溶液中进行干湿循环时，抗硫酸盐防腐剂混凝土试件受硫酸盐侵蚀后损伤劣化程度较大，干湿循环后期试件底部出现溃散、脱落；随着硫酸盐溶液浓度升高，抗硫酸盐防腐剂混凝土抗侵蚀性能越差；掺TK-PCE1、TK-PCE2、空白组混凝土抗压强度腐蚀系数分别为77%、82%、57%；抗拉力强度随变形量的增加而增加，比例、屈服极限状态的过渡点分别是破坏极限状态拉应力的70%与95%。

总的来说，添加抗硫酸盐防腐剂的混凝土能够较好地满足各项混凝土指标。