含石膏泥灰岩地层隧道喷射混凝土TSA侵蚀试验分析

2022-09-14张亚军

山西交通科技 2022年4期

张亚军

（山西路桥建设集团有限公司，山西太原 030006）

根据《2020年交通运输行业发展统计公报》统计，截至2020年底，全国公路隧道21 316处，里程达2 199.93万m。随着我国公路隧道运营年限的增加，隧道病害问题日益显现[1-2]，对公路网运营安全构成严重威胁，使公路隧道的运营养护面临极大压力。

石膏质岩作为一种蒸发沉积岩，广泛分布于整个地质沉积史中。在已建成运营的公路隧道中，频频出现地层为石膏岩或膏溶岩（石膏岩与灰岩共存）的情况[3-4]。由于石膏岩与灰岩均为可溶盐，一方面，石膏岩溶蚀产生的硫酸盐会对隧道衬砌结构混凝土产生腐蚀作用，从而使混凝土材料发生硫酸盐侵蚀而失去强度。另外，灰岩地层地下水中常含有碳酸根或碳酸氢根离子，如遇到隧址区气温较低时，极易导致混凝土结构出现碳硫硅钙石型硫酸盐侵蚀（简称TSA），这种侵蚀区别于传统钙矾石或石膏型硫酸盐侵蚀，其破坏性极大，直接可以将混凝土胶凝材料泥化，且在发生初期很难被检测识别。与传统硫酸盐侵蚀相比，TSA并不会引起混凝土宏观体积发生明显膨胀开裂，却直接导致水泥石中C-S-H凝胶分解，使混凝土最终变为一种失去强度的果肉状泥砂混合物[5]，因此它具有一定的隐蔽性和很强的破坏性。

目前，对于钙矾石或石膏型硫酸盐侵蚀方面已进行大量研究，主要集中在其发生机理、生成路径、影响因素及鉴定方法等方面[6-7]，而对低温下石膏岩地层中出现的碳硫硅钙石型硫酸盐侵蚀则关注较少。此外，目前对于工程中发生TSA的案例主要集中在大坝等水利工程[8-9]，对于隧道衬砌结构发生TSA的案例及其相关处治研究还不多见。因此，针对石膏泥灰岩地层隧道工程结构混凝土真实服役环境下TSA的成因机制和病害处治尚需进一步研究。

为此，为保障TSA侵蚀地区公路隧道服役期结构安全，以山西省某高速公路隧道为依托，开展含石膏泥灰岩地层隧道TSA侵蚀机理和防治对策研究，研究成果可为类似地层隧道设计与施工及混凝土病害处治提供技术支撑。

1 工程背景

该隧道位于山西省某高速公路，长2 515 m，洞身最大埋深231 m。隧道喷射混凝土发生腐蚀的区段主要为奥陶系中统上马家沟组一段（O2s1），该地层顶部为46～48 m厚泥灰岩，其下为泥灰岩、灰岩互层，底部泥灰岩中含石膏透镜体。围岩中石膏（二水石膏与硬石膏）含量最大达90%以上。

隧址区年平均降水量达592.33 mm，隧道K34+500—K34+800段地表分布的废弃硫铁矿矿坑（见图1）为降水入渗提供了良好条件，同时，FeS2氧化后与水反应，产生大量的SO42-，为地下水中SO42-提供来源。隧道地下水测试结果见表1，表明地下水水化学类型为 OH-+SO42-—Ca2++Na+。

图1 地表矿坑形态图

表1 该隧道水质化验结果

2 喷射混凝土破坏特征与物相分析

2.1 喷射混凝土破坏特征

该隧道病害处治过程中，发现在拆除隧道二次衬砌后，部分喷射混凝土已成为无胶凝性的灰白色烂泥状物质（图2），完全失去强度，混凝土裂纹和孔隙中赋存白色物质，粗骨料边缘有白色色晕，这种混凝土软化现象多发生在湿度较大的部位。

图2 该隧道喷射混凝土侵蚀破坏情况

2.2 喷射混凝土物相分析

2.2.1 喷射混凝土物相分析

通过对混凝土腐蚀物骨料进行岩相分析（图3），该隧道喷射混凝土物相结果见表2所列。被侵蚀混凝土采用了碳酸盐骨料，这也为混凝土遭受碳硫硅钙石型硫酸盐侵蚀提供了必要的CO32-。

图3 腐蚀混凝土骨料

表2 腐蚀混凝土骨料物相分析结果 %

2.2.2 腐蚀物微观测试分析

对该隧道喷射混凝土腐蚀物进行现场实地取样，并利用傅里叶红外光谱（FTIR）精修对腐蚀物进行定性分析，结果如图4所示。

图4 喷射混凝土腐蚀物FTIR测试结果

图4所示为喷射混凝土腐蚀物的FTIR图谱。测试结果显示，由于腐蚀物在500 cm-1和673 cm-1出现了明显的峰值，可确定其含有大量的碳硫硅钙石。同时，在850 cm-1处未出现明显峰值也表明腐蚀物中钙矾石含量极小，工程现场所取的混凝土腐蚀物样品均已发生了严重的碳硫硅钙石型硫酸盐侵蚀（表3），其中碳硫硅钙石含量高达54.7%。

表3 主要基团的吸收峰

3 TSA侵蚀作用下喷射混凝土强度劣化规律

3.1 侵蚀试验方法

3.1.1 原材料及配合比

侵蚀试验采用与该隧道喷射混凝土相同配合比（见表4），试验原材料如下：水泥为P.O 42.5；掺合料为石灰石粉；细集料为河砂；粗集料为石灰岩，粒径5～10 mm；减水剂为聚羧酸类。

表4 混凝土配合比 kg/m3

3.1.2 侵蚀试验方法

通过现场及室内试验还原混凝土服役时所处的侵蚀环境（图5），再现该隧道初支混凝土发生硫酸盐型侵蚀的全过程。

图5 现场混凝土试件制作及养护

试验过程中分别在不同时期观察混凝土外观变化，并采取XRD精修及FTIR对腐蚀物成分进行定量及定性分析。

3.2 试验结果与分析

图6所示为现场成型混凝土不同浸泡时间外观变化，结果显示近一年的时间内，试件表面未出现明显变化，而当浸泡时间为16个月时，试件表面出现起皮剥落；浸泡到20个月时，除表面起皮剥落外，试件表面出现轻微泥浆化。

图6 喷射混凝土不同浸泡时间外观变化

为进一步分析混凝土劣化的规律和腐蚀机制，对混凝土表皮剥落物进行XRD和FTIR测试，图7和图8分别所示浸泡时间为16个月和20个月时腐蚀物的XRD图谱。

图7 喷射混凝土浸泡16个月时腐蚀物XRD图谱

图8 喷射混凝土浸泡20个月时腐蚀物XRD图谱

测试结果显示，16个月的腐蚀物在0.956～0.972 nm、0.551～0.561 nm以及0.378～0.387 nm附近出现特征峰，而20个月的腐蚀物还在0.467～0.486 nm附近出现特征峰，表明腐蚀物中出现了硫酸盐侵蚀物。碳硫硅钙石的FTIR图谱主要在500 cm-1、1 400 cm-1、875 cm-1、1 100 cm-1处存在特征峰，其中500 cm-1处为［SiO6］基团的特征峰，1 400 cm-1、875 cm-1处为CO32-基团的特征峰，而SO42-基团的特征峰与钙矾石中SO42-基团的特征峰相同。为此，图9给出了2种腐蚀产物的FTIR图谱。

图9 现场成型混凝土腐蚀物FTIR图谱

隧道衬砌结构失稳假定是在既定外荷载下混凝土侵蚀后强度衰减所致，并假设侵蚀是均匀分布在衬砌结构迎水面表面的，而不考虑强度衰减部位、程度（截面占比）等其他因素。以典型TSA侵蚀断面为例，腐蚀混凝土中TSA含量为19.3%，TSA首次出现的时间为18个月，该断面受TSA侵蚀约为55个月。

由此可获得强度变化规律如下：

a）TSA 生成速率 υt:

b）TSA含量与强度衰减速度关系假定断面破坏时外部荷载（包括膨胀荷载）已经达到最大值，隧道衬砌破坏是由结构强度自身衰减程度决定。以隧道断面YK34+500为样本，经计算反演分析在既定荷载作用下隧道衬砌结构（TSA含量19.3%）破坏时喷射混凝土强度残余值为75%.

因此，喷射混凝土强度衰减速率υt约为：（1-75%）/55=0.455%.

4 喷射混凝土抗TSA侵蚀对策

4.1 喷射混凝土抗TSA侵蚀试验

4.1.1 抗TSA侵蚀试验方法

混凝土配合比参照该隧道原喷射混凝土设计资料得到，试验共设计7种配合比（表5），其中配合比4为该隧道病害处治期采用的混凝土配合比，配合比5为该隧道发生病害配合比。为加速TSA的生成，配比内掺10%硫酸镁，通过外观形貌、强度耐蚀系数及XRD精修等方法，对各配合比混凝土是否出现TSA进行评价。

表5 混凝土配合比及养护方式 kg/m3

4.1.2 试验结果分析

碳硫硅钙石测试结果见表6，表明在9个月的低温养护下，该隧道发生病害时所采用的混凝土配合比（5号）出现了较明显的碳硫硅钙石侵蚀（4.11%），而采用石灰质粗骨料且水泥为P.O 42.5的1号试样也出现了微量碳硫硅钙石（1.64%），其他试样未检测出碳硫硅钙石。当低温养护11个月时，5号试样碳硫硅钙石生成量继续增加，达到5.09%，1号试样腐蚀物中碳硫硅钙石含量也达到了3.97%.另外，对于掺加石灰质粗骨料的2号试样以及浸泡在石灰石粉溶液中的6号和7号试样也同样出现轻微的碳硫硅钙石侵蚀。因此，依据上述试验结果可知，相较于外源性碳酸根（石灰石粉溶液浸泡），当碳酸根以内源性形式存在时，混凝土材料较易发生碳硫硅钙石型硫酸盐侵蚀，而内源性侵蚀中，材料粒径越小，比表面积越大，其越容易参与碳硫硅钙石的形成。