王志廣

（中鐵十九局礦業(yè)公司，浙江 江山 324100）

1 水泥混凝土防腐抗?jié)B技術研究的進展

1.1 水泥混凝土抗硫酸鹽侵蝕技術的基本情況及其進展

大多數(shù)土壤中都含有一些硫酸鹽，若其硫酸鹽濃度低，則對混凝土不會產(chǎn)生顯著的影響；若硫酸鹽濃度高，則可對其建筑物或構筑物的地下部分，如橋梁、隧道、涵洞和房屋的基礎產(chǎn)生顯著的破壞作用。這種破壞可能以膨脹形式出現(xiàn)而導致結構位移。例如，前東德Magdeburg城泉水的SO-24含量達2040mg/L，在4年內由于混凝土膨脹使Elbe河橋樁升高8cm，造成嚴重開裂，導致拆除并重建這些橋樁。硫酸鹽膨脹也可使混凝土中的水泥水化產(chǎn)物喪失膠凝性，呈酥松狀或糊狀。例如，加拿大西部大草原土壤含堿的硫酸鹽濃度高達1 5%（地下水經(jīng)常含有硫酸鹽4000gm/L～9000mg/L），由于硫酸鹽侵蝕，混凝土呈多孔和酥松，最終成為無粘結力的物質。我國隧道工程中也常遇到硫酸鹽濃度高的地質環(huán)境。例如青藏鐵路要經(jīng)過硫酸鹽濃度相當高的鹽湖地區(qū)，云貴高原的山地。雖然我國已有抗硫酸鹽水泥的標準，但對如何配制和澆筑抗硫酸鹽混凝土仍缺乏足夠的施工技術和經(jīng)驗。

2 混凝土結構裂縫產(chǎn)生的原因

結構裂縫產(chǎn)生的原因很復雜，根據(jù)國內外的調查資料，引起裂縫有兩大類原因，一種由外荷載（如靜、動荷載）的直接應力和結構次應力引起的裂縫，其機率約20%；一種是結構因溫度、膨脹、收縮、徐變和不均勻沉降等因素由變形變化引起的裂縫，其機率約80%。

2.1 材料缺陷在變形裂縫中收縮裂縫占有80%的比例，從砼的性質來說大概有：

2.1.1 干燥收縮研究表明，水泥加水后變成水泥硬化體，其絕對體積減小。每100克水泥水化后的化學減縮值為7～9ml，如砼水泥用量為350kg/m3，則形成孔縫體積約25～30升/m3之巨。這是砼抗拉強度低和極限拉伸變形小的根本原因。研究表明，每100克水泥漿體可蒸發(fā)水約6ml，如砼水泥用量為350kg/m3，當砼在干燥條件下，則蒸發(fā)水量達21升/m3。毛細孔縫中水逸出產(chǎn)生毛細壓力，使砼產(chǎn)生“毛細收縮”。由此引起水泥砂漿的干縮值為0.1～0.2%；砼的干縮值為0.04～0.06%。而砼的極限拉伸值只有 0.01～0.02%，故易引起干縮裂縫。

2.1.2 溫差收縮水泥水化是個放熱過程，其水化熱為165～250焦爾/克，隨砼水泥用量提高，其絕熱溫升可達50～80℃。研究表明，當砼內外溫差10℃時，產(chǎn)生的冷縮值εc=△T／α=10/1×10-5=0.01%，如溫差為 20～30℃時，其冷縮值為0.02～0.03%，當其大于砼的極限拉伸值時，則引起結構開裂。

2.1.3 塑性收縮砼初凝之前出現(xiàn)泌水和水份急劇蒸發(fā)，引起失水收縮，此時骨料與水泥之間也產(chǎn)生不均勻的沉縮變形，它發(fā)生在砼終凝之前的塑性階段，故稱為塑性收縮。其收縮量可達1%左右。在砼表面上，特別在抹壓不及時和養(yǎng)護不良的部位出現(xiàn)龜裂，寬度達1～2mm，屬表面裂縫。水灰比過大，水泥用量大，外加劑保水性差，粗骨料少，振搗不良，環(huán)境溫度高，表面失水大等都能導致砼塑性收縮而發(fā)生表面開裂現(xiàn)象。

2.1.4 自生收縮密封的砼內部相對濕度隨水泥水化的進展而降低，稱為自干燥。自干燥造成毛細孔中的水分不飽和而產(chǎn)生負壓，因而引起砼的自生收縮。高水灰比的普通砼（OPC）由于毛細孔隙中貯存大量水分，自干燥引起的收縮壓力較小，所以自生收縮值較低而不被注意。但是，低水灰比的高性能砼（HPC）則不同，早期強度較高的發(fā)展率會使自由水消耗較快，以至使孔體系中的相對濕度低于80%。而HPC結構致密，外界水很難滲入補充，在這種條件下開始產(chǎn)生自干收縮。研究表明，齡期2個月水膠比為0.4的HPC，自干收縮率為0.01%，水膠比為0.3的HPC，自干收縮率為0.02%。HPC的總收縮中干縮和自收縮幾乎相等，水膠比越小自收縮所占比例越大。由此可知，HPC的收縮性與OPC完全不同，OPC以干縮為主，而HPC以自干收縮為主。問題的要害是：HPC自收縮過程開始于水化速率處于高潮階段的頭幾天，濕度梯度首先引發(fā)表面裂縫，隨后引發(fā)內部微裂縫，若砼變形受到約束，則進一步產(chǎn)生收縮裂縫。這是高標號砼容易開裂的主要原因之一。

3 水泥混凝土防腐抗?jié)B的基本原理

3.1 水泥混凝土的特性

水泥混凝土既沒有鋼材那樣堅強，也沒有鋼材那樣剛韌，為什么它是應用最廣泛的工程材料呢？這有很多原因。首先，混凝土具有十分良好的抗水性。不象木材和普通鋼材那樣，混凝土能經(jīng)受水的作用而不產(chǎn)生嚴重的變質，使它成為建造控制、貯蓄和運輸水的結構物的理想材料。在水壩、渠道、水管和蓄水池工程中采用混凝土，在全世界幾乎是到處可見。混凝土對一些具有侵蝕性水的耐受性，使得它的用途推廣到許多有害工業(yè)和自然環(huán)境中去。暴露于潮濕環(huán)境中的結構構件：如樁、基礎、地板、梁、柱、屋頂、外墻和路面，經(jīng)常都用混凝土或鋼筋混凝土來制造。鋼筋混凝土在設計時，假定鋼筋和混凝土這兩種材料能共同承受力的作用。予應力混凝土是張拉混凝土中的鋼筋或鋼絲束，引入一定大小或-定分布的予應力，在一定的程度上抵消了由施加的荷載所產(chǎn)生的拉應力。可以肯定，極大數(shù)量的混凝土是用于制造鋼筋混凝土或者預應力混凝土構件的。

3.2 復雜的微觀內應力（變形）狀態(tài)

如果將一塊混凝土按比例放大，就可看作由粗骨料和硬化的水泥砂漿這兩種性質迥異的主要材料構成的非線性、三維實體結構物。在承受荷載之前和之后，都存在十分復雜的微觀應力（應變）場。這正是混凝土材性變化大和性能指標離散的主要原因。

3.3 變形的多元組成

混凝土承受的應力作用或環(huán)境條件的變化都將發(fā)生相應的變形，它們主要由三部分組成：

粗細骨料的彈性變形--占混凝土體積中絕大部分的砂石，本身的強度和彈性模量均高出混凝土的很多，在達到混凝土的最大應力（極限強度）時其變形一般仍在彈性范圍以內，即變形與應力值成正比，卸載后變形可全部恢復，不留殘余應變。

水泥凝膠體的粘性流動--水泥水化作用形成的凝膠體在數(shù)十年內還不是一種形狀絕對固定的材料（盡管其變形量很?。?。在應力作用下，除了即時發(fā)生的變形外，還將隨時間的延續(xù)而發(fā)生緩慢、但逐漸收斂的粘性流動，使混凝土的變形不斷增長，從而構成塑性變形。當應力卸除后，即時恢復的變形有限，隨后恢復的變形雖在繼續(xù)，但始終仍存在較大的殘余變形?；炷脸惺艿膽υ酱蟆t塑性變形和殘余變形增加越多。

微裂縫的形成和擴展--拉應力作用下，在應力的垂直方向形成微裂縫，并迅速擴展，使拉應變大大增加。壓應力作用下，在大致平行于應力方向形成縱向裂縫，穿過骨料界面和水泥砂漿，減弱了相鄰部分的聯(lián)系；裂縫端部的局部集中應力造成水泥砂漿的損傷。形成薄弱區(qū)，使縱向變形增大許多。在峰值應力后，雖然混凝土的應力減小，但變形將繼續(xù)增大。全部卸載后，這部分變形基本上不能恢復。

[1]史常青.確保鐵路隧道不滲不漏的施工技術研究[J].鐵道標準設計，2005-02-20.