宋普濤 ，唐晶晶 ，王晶 ，王永海 ，周永祥

（1.中國(guó)建筑科學(xué)研究院有限公司，北京 100013；2.中國(guó)水利水電第十一工程局有限公司，河南 鄭州 450001）

0 引言

鹽漬土、地下水、鹽湖、海洋等均含有硫酸鹽，硫酸鹽對(duì)混凝土的侵蝕是一系列復(fù)雜的物理、化學(xué)過(guò)程，被認(rèn)為是影響耐久性的重要因素之一[1]。硫酸鹽中的陽(yáng)離子與硬化水泥漿中的鈣離子發(fā)生置換，促使硬化水泥漿溶解，并生成體積膨脹的水化產(chǎn)物（鈣礬石、石膏等），造成混凝土結(jié)構(gòu)疏松、開(kāi)裂、剝落及強(qiáng)度下降[2-3]，進(jìn)而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)安全性能下降，影響建筑結(jié)構(gòu)的耐久性。

天津軌道交通Z4線位于天津?yàn)I海新區(qū)，盾構(gòu)注漿材料周?chē)寥兰暗叵滤懈缓蛩猁}等侵蝕介質(zhì)。地勘資料表明，周邊土壤中硫酸根離子含量高達(dá)11 527 mg/L[4]，對(duì)注漿材料及盾構(gòu)地鐵混凝土構(gòu)件耐久性影響巨大。制備抗硫酸鹽侵蝕性能更優(yōu)的高性能注漿材料，尤為重要。

目前，注漿材料的抗硫酸鹽侵蝕能力的試驗(yàn)方法尚無(wú)標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)，本文主要借鑒混凝土抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)試驗(yàn)方法以及硫酸鹽侵蝕深度的試驗(yàn)方法，開(kāi)展注漿材料的抗硫酸鹽侵蝕能力試驗(yàn)，并對(duì)比研究抗硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)方法的可行性。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

（1）水泥：北京金隅集團(tuán)有限責(zé)任公司生產(chǎn)的P·O42.5水泥，其化學(xué)成分及物理力學(xué)性能分別見(jiàn)表1、表2。

表1 水泥的主要化學(xué)成分 %

表2 水泥的物理力學(xué)性能

（2）粉煤灰：鄒城電廠產(chǎn)的Ⅱ級(jí)粉煤灰，主要化學(xué)成分及物理力學(xué)性能分別如表3、表4所示。

表3 粉煤灰的主要化學(xué)成分 %

表4 粉煤灰的物理力學(xué)性能

（3）礦渣粉：河北某廠生產(chǎn)的S95級(jí)礦渣粉，比表面積435 m2/kg，流動(dòng)度比95%，28 d膠砂活性指數(shù)98%。

（4）膨潤(rùn)土：江蘇某廠生產(chǎn)的鈉基膨潤(rùn)土，黃色粉末，密度3520 kg/m3，膨脹率 18 mL/g。

（5）河砂：北京某石料廠產(chǎn)的細(xì)砂，細(xì)度模數(shù)1.9，含泥量0.2%，表觀密度2650 kg/m3。

（6）減水劑：聚羧酸高性能減水劑，白色粉末，減水率大于27%。

（7）功能型摻合料（FF）：中國(guó)建筑科學(xué)研究院研制，由沸石粉、超細(xì)粉體材料、絮凝劑等材料按一定比例復(fù)合而成，可綜合改善注漿材料的流動(dòng)性、和易性、密實(shí)性、強(qiáng)度及耐久性。

（8）水：自來(lái)水。

1.2 配合比

通過(guò)降低水膠比，調(diào)整膠砂比，摻入適量礦渣粉，去除膨潤(rùn)土并摻入確保注漿材料和易性，提高密實(shí)性、強(qiáng)度和耐久性的功能型摻合料FF，配制出抗硫酸鹽侵蝕性能更優(yōu)的高性能盾構(gòu)注漿材料。摻膨潤(rùn)土的傳統(tǒng)注漿材料與不摻膨潤(rùn)土的高性能注漿材料配合比參數(shù)如表5所示，注漿材料設(shè)計(jì)濕表觀密度為2100 kg/m3，減水劑按占膠凝材料質(zhì)量計(jì)。

Z0及Z1為傳統(tǒng)注漿材料，Z2~Z6為高性能注漿材料。其中Z0及Z1的初始流動(dòng)度均在（300±10）mm，為減少流動(dòng)度差異對(duì)注漿材料抗硫酸鹽侵蝕性能的影響，通過(guò)調(diào)整減水劑摻量，使高性能注漿材料初始流動(dòng)度也保持在（310±10）mm。注漿材料流動(dòng)度參照GB/T 50448—2015《水泥基灌漿材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》中的截椎流動(dòng)度試驗(yàn)方法進(jìn)行測(cè)試。

表5 注漿材料的配合比參數(shù)

1.3 抗硫酸鹽侵蝕性能試驗(yàn)方法

注漿材料采用40 mm×40 mm×160 mm的膠砂試模成型，2 d后統(tǒng)一拆模，然后放入（20±1）℃、相對(duì)濕度≥90%的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)?？沽蛩猁}侵蝕試驗(yàn)用膠砂試塊養(yǎng)護(hù)28 d，并對(duì)試塊進(jìn)行烘干處理后放入硫酸鹽干濕循環(huán)試驗(yàn)機(jī)試件盒中。

硫酸鹽干濕循環(huán)試驗(yàn)機(jī)試驗(yàn)盒中硫酸鹽侵蝕溶液濃度為5%，每個(gè)干濕循環(huán)總時(shí)間約24 h，溫度變化范圍為25~80℃。干濕循環(huán)試驗(yàn)參照GB/T 50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行。

（1）方法1：抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)試驗(yàn)

干濕循環(huán)次數(shù)為30、60、90、120次，分別測(cè)試規(guī)定齡期受硫酸鹽溶液侵蝕試件的抗壓強(qiáng)度以及與之對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試件的抗壓強(qiáng)度。經(jīng)過(guò)N次干濕循環(huán)后注漿材料的抗硫酸鹽耐蝕系數(shù)按式（1）計(jì)算：

式中：K——抗硫酸鹽侵蝕系數(shù)，%；

fN、f0——分別為試件在侵蝕溶液及標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中浸泡一定齡期時(shí)的抗壓強(qiáng)度，MPa。

（2）方法2：硫酸鹽侵蝕深度試驗(yàn)

干濕循環(huán)120次后，采用膠砂抗折試驗(yàn)機(jī)將注漿材料試件折斷，并在試件斷面表層噴涂濃度為5%的硫酸鋇溶液，噴涂完畢，并等待30 min后采用游標(biāo)卡尺測(cè)量斷面白色硫酸鋇沉淀區(qū)域距離試塊外表面寬度。試塊斷面每條側(cè)邊分10等份，取4條側(cè)邊測(cè)量數(shù)據(jù)的平均值作為硫酸鹽侵蝕深度，并用于判斷注漿材料的抗硫酸鹽侵蝕能力。

2 結(jié)果與討論

2.1 抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)

在硫酸鹽侵蝕環(huán)境下及自然養(yǎng)護(hù)條件下，經(jīng)30、60、90、120次干濕循環(huán)后，盾構(gòu)注漿材料的抗壓強(qiáng)度及抗壓強(qiáng)度耐 蝕系數(shù)見(jiàn)表6。

表6 不同養(yǎng)護(hù)條件下各對(duì)應(yīng)齡期盾構(gòu)注漿材料的抗壓強(qiáng)度及抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)

由表6可以看出：

（1）摻膨潤(rùn)土的傳統(tǒng)注漿材料各相應(yīng)齡期、不同養(yǎng)護(hù)條件下試塊抗壓強(qiáng)度均低于高性能注漿材料；水膠比越小，注漿材料的抗壓強(qiáng)度越高；FF部分替代粉煤灰及礦渣粉進(jìn)一步提高了注漿材料的抗壓強(qiáng)度。

（2）30、60、90、120次干濕循環(huán)時(shí)摻膨潤(rùn)土的傳統(tǒng)注漿材料抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)均大于高性能注漿材料；相對(duì)而言，高性能注漿材料抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)隨水膠比的減小而增大；FF部分替代粉煤灰及礦渣粉進(jìn)一步提高了注漿材料的抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)。

干濕循環(huán)環(huán)境下，高溫對(duì)摻膨潤(rùn)土注漿材料的強(qiáng)度提升作用大于劣化破壞作用，這可能與摻膨潤(rùn)土注漿材料相對(duì)疏松的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)[5]。硫酸鹽侵蝕環(huán)境下，高溫作用提升了注漿材料水泥水化產(chǎn)物向鈣礬石的轉(zhuǎn)化速率[6]，鈣礬石生成產(chǎn)生的膨脹填充了注漿材料的內(nèi)部空隙，提高了注漿材料的密實(shí)性，進(jìn)而提高了抗壓強(qiáng)度。

結(jié)合表6可知，傳統(tǒng)注漿材料的抗壓強(qiáng)度更低，但抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)更高，抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)試驗(yàn)方法不宜用于評(píng)價(jià)摻膨潤(rùn)土的傳統(tǒng)注漿材料的抗硫酸鹽侵蝕性能，但可用于評(píng)價(jià)不摻膨潤(rùn)土的高性能注漿材料的抗硫酸鹽侵蝕性能。

2.2 硫酸鹽侵蝕深度

干濕循環(huán)120次后，各注漿材料的硫酸鹽侵蝕深度見(jiàn)表7，噴涂硝酸鋇后注漿材料橫截面顯色情況如圖1所示。

表7 干濕循環(huán)120次后注漿材料的硫酸鹽侵蝕深度

圖1 噴涂硝酸鋇后注漿材料橫截面顯色情況

由表7可知，傳統(tǒng)注漿材料的硫酸鹽侵蝕深度遠(yuǎn)大于高性能注漿材料；相對(duì)而言，高性能注漿材料硫酸鹽侵蝕深度隨水膠比的減小而降低；FF部分替代粉煤灰及礦渣粉進(jìn)一步降低了注漿材料的硫酸鹽侵蝕深度。

結(jié)合圖1注漿材料橫截面顯色情況可知，噴涂硝酸鋇后，傳統(tǒng)注漿材料顏色變化很明顯，高性能注漿材料顏色變化不明顯，采用硫酸鹽侵蝕深度試驗(yàn)方法評(píng)價(jià)高性能注漿材料抗硫酸鹽侵蝕性能的可操作性較差。高性能注漿材料更密實(shí)，空隙率更低，硫酸根離子滲入數(shù)量更少，噴涂硝酸鋇后，硝酸鋇與硫酸根反應(yīng)生成硫酸鋇的數(shù)量少，顏色變化不太明顯。因此，不摻膨潤(rùn)土的高性能注漿材料的抗硫酸鹽侵蝕性能宜選擇抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)試驗(yàn)方法進(jìn)行評(píng)價(jià)。

3 結(jié)論

（1）通過(guò)降低水膠比，并采用適量的功能性復(fù)合摻合料和礦渣粉取代膨潤(rùn)土可配制出抗硫酸鹽侵蝕性能更優(yōu)的高性能注漿材料。

（2）抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)試驗(yàn)方法不適于評(píng)價(jià)傳統(tǒng)注漿材料的抗硫酸鹽侵蝕性能，但可用于評(píng)價(jià)高性能注漿材料的抗硫酸鹽侵蝕性能。

（3）硫酸鹽侵蝕深度試驗(yàn)用于評(píng)價(jià)高性能注漿材料的抗硫酸鹽侵蝕性能的可操作性較差，但可用于評(píng)價(jià)傳統(tǒng)注漿材料的抗硫酸鹽侵蝕性能。

（4）由于抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)試驗(yàn)方法及硫酸鹽侵蝕深度試驗(yàn)方法均難以同時(shí)用于評(píng)價(jià)傳統(tǒng)注漿材料和高性能注漿材料的抗硫酸鹽侵蝕性能，因此，今后研究中需提出更合適的盾構(gòu)注漿材料抗硫酸鹽侵蝕性能試驗(yàn)方法。