仲新華，李享濤，渠亞男，裘智輝，謝永江

（1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081；2.高速鐵路軌道技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；3.北京鐵科特種工程技術(shù)有限公司，北京 100081）

混凝土學(xué)是一門新生的學(xué)科。人們對于混凝土的認(rèn)識遠(yuǎn)不及對于金屬那樣深透完備，混凝土在很多腐蝕環(huán)境中的劣化問題還處于探尋摸索階段。由于硫酸鹽侵蝕破壞過程漫長，難以完全現(xiàn)場模擬進(jìn)行全過程觀測，因此相當(dāng)一段時(shí)間內(nèi)硫酸鹽侵蝕機(jī)理的研究主要依賴室內(nèi)加速試驗(yàn)［1-2］。室內(nèi)加速試驗(yàn)雖然能在短時(shí)間內(nèi)揭示其破壞特征，但與工程實(shí)際之間存在很大差異，且僅依據(jù)破壞特征相似進(jìn)行硫酸鹽侵蝕過程和機(jī)理研究亦不嚴(yán)謹(jǐn)［3］。隨著檢測技術(shù)的發(fā)展，通過晶體衍射圖譜比對獲得了水泥石的部分含硫酸鹽組分的晶體成分，結(jié)合水泥的水化產(chǎn)物對硫酸鹽的侵蝕過程和機(jī)理進(jìn)行了推斷［4-5］。

雖然關(guān)于硫酸鹽侵蝕混凝土的機(jī)理尚存在爭議，但為便于應(yīng)用，工程界習(xí)慣按硫酸鹽侵蝕破壞機(jī)理提出具體預(yù)防措施，如采用抗硫酸鹽侵蝕水泥或摻用較多的活性礦物摻和料［6-7］，在實(shí)際應(yīng)用中取得了積極效果。然而，也有研究和工程實(shí)例表明采用抗硫酸鹽侵蝕水泥不能有效降低混凝土結(jié)構(gòu)水分蒸發(fā)部位的劣化進(jìn)程，摻加活性礦物摻和料后反而加劇了蒸發(fā)區(qū)混凝土的破壞程度［8-9］。

我國硫酸鹽土壤分布廣泛，尤其是近年來鐵路網(wǎng)建設(shè)向西部推進(jìn)，大量鐵路橋墩、涵洞和隧道等主體結(jié)構(gòu)面臨硫酸鹽侵蝕風(fēng)險(xiǎn)。因此，提高混凝土的抗硫酸鹽侵蝕能力是鐵路主體結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。本文介紹了鐵路混凝土抗硫酸鹽侵蝕的部分試驗(yàn)成果及主要技術(shù)對策，為目前鐵路建設(shè)，特別是西部鐵路建設(shè)中硫酸鹽破壞環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)提供參考。

1 混凝土的硫酸鹽侵蝕破壞機(jī)理

學(xué)術(shù)界普遍認(rèn)為，硫酸鹽侵蝕混凝土涉及一系列復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)，造成混凝土損傷，但目前尚無法明確劃分物理或化學(xué)損傷的界限。近年來科技人員在硫酸鹽對混凝土的損傷機(jī)理方面進(jìn)行了較多的探索，如通過分析硫酸鈉結(jié)晶熱力學(xué)、等效應(yīng)力、鹽脹特性以及建立本構(gòu)關(guān)系等［10-13］途徑進(jìn)行研究，取得了有益進(jìn)展。目前仍將硫酸鹽侵蝕破壞機(jī)理分為物理結(jié)晶和化學(xué)腐蝕［14-15］2種。

1.1 物理結(jié)晶

混凝土內(nèi)部存在大量孔隙，主要由混凝土拌和水蒸發(fā)和水泥石收縮產(chǎn)生，大部分以毛細(xì)孔或界面微裂縫的形式存在。當(dāng)環(huán)境中的鹽溶液進(jìn)入孔隙后，通過水分蒸發(fā)或溫度降低使鹽結(jié)晶相變。隨著環(huán)境干燥和潮濕狀態(tài)的交替進(jìn)行，孔隙中的鹽結(jié)晶體不斷生長。當(dāng)鹽結(jié)晶體增大到對孔隙產(chǎn)生阻隔效應(yīng)時(shí)，鹽結(jié)晶體周邊及受阻隔的毛細(xì)孔內(nèi)壁水泥石處于復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)。其結(jié)果是發(fā)生微裂縫的擴(kuò)展和水泥石的破壞。

1.2 化學(xué)腐蝕

由于水泥中礦物的種類、數(shù)量及其水化進(jìn)程存在隨機(jī)性，在水泥水化后形成的多礦物集合體中或多或少存在一定數(shù)量的介穩(wěn)狀態(tài)化合物。當(dāng)水泥石與環(huán)境中的硫酸鹽接觸時(shí)，水泥石中的水化鋁酸鈣和單硫型硫鋁酸鈣等介穩(wěn)狀態(tài)化合物進(jìn)一步反應(yīng)生成穩(wěn)定的高硫型水化硫鋁酸鈣（簡稱“鈣礬石”），鈣礬石晶體體積膨脹產(chǎn)生的結(jié)晶壓力導(dǎo)致水泥石破壞，這被稱為鈣礬石型腐蝕。當(dāng)硫酸鹽中的硫酸鈉濃度持續(xù)增加時(shí)，原本硫酸鈉和氫氧化鈣反應(yīng)生成硫酸鈣和氫氧化鈉的平衡被打破，氫氧化鈉和硬化水泥中的水化鋁酸鹽反應(yīng)生成可溶的鋁酸鈉，降低了鈣礬石生成的可能，從而使得生成的硫酸鈣因濃度升高以二水石膏的形態(tài)結(jié)晶析出，產(chǎn)生膨脹破壞，這被稱為石膏型腐蝕。當(dāng)環(huán)境中同時(shí)存在碳酸鹽和硫酸鹽時(shí)，侵蝕性二氧化碳溶蝕反應(yīng)和硫酸鹽腐蝕同時(shí)發(fā)生，常伴生有無膠結(jié)力的碳硫硅鈣石產(chǎn)物，使得水泥石失去強(qiáng)度，這被稱為碳硫硅鈣石型腐蝕。

2 混凝土抗硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)

工程實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，硫酸鹽腐蝕地區(qū)的結(jié)構(gòu)物多在地表附近干濕交替處發(fā)生混凝土崩壞現(xiàn)象。究其原因：①因?yàn)樗嗨a(chǎn)物的組成和結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其隨水泥水化的時(shí)間和混凝土所處環(huán)境條件（水、齡期、溫度、pH值等）的變化而變化，水泥石在干縮和濕脹的反復(fù)中更易產(chǎn)生微細(xì)裂紋；②溫度和濕度頻繁交替變化的環(huán)境有利于毛細(xì)吸附作用，引起混凝土水分蒸發(fā)以及表層混凝土裂紋內(nèi)硫酸鹽結(jié)晶。

對既有結(jié)構(gòu)物的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，即便硫酸鹽濃度較高，其對完全處于水下或土壤中的混凝土結(jié)構(gòu)的損傷也是非常有限的。

2.1 干濕交替試驗(yàn)

先采用3%硫酸鈉溶液浸泡12 h 再在100 ℃的環(huán)境中干燥12 h，這樣交替循環(huán)的方法對160 mm（長）×40 mm（寬）×40 mm（高）的4種砂漿試件進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中通過觀察試件外觀和測試干燥試件質(zhì)量的方法判斷試件的損傷程度。

4 種砂漿試件分別為MC50 水泥砂漿試件、MC30防腐砂漿試件、MC50 防腐砂漿試件、環(huán)氧瀝青厚涂砂漿試件（MC30防腐砂漿表面厚涂環(huán)氧瀝青）。

4 種砂漿試件的主要原材料為：42.5 級普通硅酸鹽水泥，細(xì)度模數(shù)為2.6 的中粗河砂，灰砂比為1∶3。通過用水量調(diào)整強(qiáng)度。其中：防腐砂漿中摻入自主研發(fā)的防腐劑，摻量為20%；環(huán)氧瀝青是在90#瀝青中摻入10%的環(huán)氧樹脂。

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：①環(huán)氧瀝青厚涂砂漿試件除表面略有起砂外，試件外觀和質(zhì)量幾乎沒有變化。②MC50 水泥砂漿試件和MC30，MC50 防腐砂漿試件均出現(xiàn)程度不一的表面裂縫。MC50 水泥砂漿試件出現(xiàn)明顯的表面剝落，質(zhì)量損失明顯；MC30 防腐砂漿試件出現(xiàn)明顯的表面鼓脹，MC50 防腐砂漿試件表面鼓脹相對較輕，MC30，MC50防腐砂漿試件均有一定程度的增重。

設(shè)試驗(yàn)前試件的干燥質(zhì)量為w，試件試驗(yàn)過程中干燥質(zhì)量為w′，則失重率為（w-w′）/w×100%。試件失重率隨循環(huán)次數(shù)的變化曲線見圖1?？梢钥闯觯禾岣邚?qiáng)度和摻入防腐劑均有助于提高砂漿抗硫酸鹽侵蝕能力，采用環(huán)氧瀝青對水泥砂漿進(jìn)行厚涂防腐后其具有良好的抵抗嚴(yán)重腐蝕的能力。

圖1 試件失重率隨循環(huán)次數(shù)的變化曲線

2.2 浸泡試驗(yàn)

采用浸泡法對60 mm（長）×10 mm（寬）×10 mm（高）的砂漿試件進(jìn)行試驗(yàn)。試件脫模后預(yù)先經(jīng)過7 d的50 ℃水浴養(yǎng)護(hù)，然后分別浸沒于3%的硫酸鈉溶液和飲用水中，在28，56，90 d齡期進(jìn)行抗折強(qiáng)度測試。

4 種砂漿試件中礦物摻和料采用質(zhì)量法等量替代水泥，根據(jù)礦物摻和料的活性指數(shù)通過調(diào)整用水量使得4種砂漿試件處于相同的強(qiáng)度水平。

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：①浸泡28 d 齡期時(shí)4 種試件外觀和抗折強(qiáng)度幾乎都沒有變化；②浸泡56 d 齡期時(shí)4 種試件外觀沒有明顯變化，但純普通水泥砂漿試件的強(qiáng)度降低比較明顯；③浸泡90 d 齡期時(shí)純普通水泥砂漿試件表面剝蝕較明顯，其他3種試件外觀沒有明顯變化，純普通水泥砂漿試件和摻20%粉煤灰砂漿試件強(qiáng)度降幅大。

試件強(qiáng)度比為硫酸鈉溶液中浸泡試件的抗折強(qiáng)度和飲用水中浸泡試件的抗折強(qiáng)度之比。試件強(qiáng)度比隨浸泡時(shí)間變化曲線見圖2?？梢钥闯觯簱饺敕勖夯液偷V渣粉均有助于提高砂漿抗硫酸鹽侵蝕能力，摻20%礦渣粉和摻30%粉煤灰效果接近，說明礦渣粉具有更好的摻入效應(yīng)。

圖2 試件強(qiáng)度比隨浸泡時(shí)間變化曲線

3 鐵路主體結(jié)構(gòu)混凝土抗硫酸鹽侵蝕主要技術(shù)對策

抗硫酸鹽侵蝕能力是混凝土耐久性的重要指標(biāo)。鐵路行業(yè)對硫酸鹽侵蝕的重視由來已久，早在青藏鐵路一期工程就已經(jīng)開展過系統(tǒng)研究。20 世紀(jì)90年代開始，隨著國內(nèi)外對混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的重視和持續(xù)研究，鐵路行業(yè)才逐步完善了混凝土抗硫酸鹽侵蝕的主要技術(shù)措施。

近15年來，隨著鐵路建設(shè)大發(fā)展，鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范歷經(jīng)2 次修訂，每次修訂都是對混凝土的抗硫酸鹽侵蝕環(huán)境分類、技術(shù)措施和驗(yàn)證方法的提高和完善，鐵路主體結(jié)構(gòu)混凝土抗硫酸鹽侵蝕技術(shù)對策體現(xiàn)在以下5個(gè)方面：

1）規(guī)范并細(xì)分了硫酸鹽侵蝕的環(huán)境類別和作用等級

依據(jù)環(huán)境介質(zhì)中硫酸根離子的濃度，鐵建設(shè)〔2005〕157 號《鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》將以硫酸鹽為主的化學(xué)腐蝕環(huán)境分為H1，H2，H3 和H4 四級；現(xiàn)行的TB 10005—2010《鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》）增加了物理結(jié)晶環(huán)境，并進(jìn)一步細(xì)分為Y1，Y2，Y3和Y4四級。

2）對混凝土強(qiáng)度等級提出了最低要求

強(qiáng)度高的混凝土通常具有更高的密實(shí)度和耐久性。為了從源頭控制混凝土的抗硫酸鹽侵蝕能力，TB 10005—2010 將處于硫酸鹽環(huán)境的橋梁、隧道、軌道、路基等主體結(jié)構(gòu)混凝土最低強(qiáng)度等級規(guī)定為C35。

3）限制了部分混凝土配合比關(guān)鍵參數(shù)

為了更好地指導(dǎo)工程應(yīng)用中混凝土配合比的設(shè)計(jì)，TB 10005—2010 又將混凝土的最小膠凝材料用量、水膠比、礦物摻和料摻量等關(guān)鍵參數(shù)作了進(jìn)一步的規(guī)定。如規(guī)定水膠比小于0.40時(shí)，鹽類結(jié)晶環(huán)境混凝土的粉煤灰摻量不宜超過40%，防止粉煤灰摻量過高帶來負(fù)面效應(yīng)。

4）規(guī)范了硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)具體方法和判定依據(jù)

為了評價(jià)混凝土的抗硫酸鹽侵蝕能力，GB/T 749—2008《水泥抗硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)方法》非等效替代ASTM C452—2006Standard Test Method for Potential Expan?sion of Portland?cement Mortars Exposed to Sulfate提出了水泥膠砂抗硫酸鹽潛在膨脹性能試驗(yàn)方法（P 法），同時(shí)替代GB/T 2420—1981《水泥抗硫酸鹽侵蝕快速試驗(yàn)方法》提出了水泥膠砂抗硫酸鹽浸泡侵蝕性能試驗(yàn)方法（K 法）。GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》提出了混凝土在干濕循環(huán)條件下的抗硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)方法。

TB 10005—2010 規(guī)定處于硫酸鹽化學(xué)腐蝕環(huán)境的混凝土應(yīng)采用GB/T 749—2008 中的K 法進(jìn)行抗侵蝕試驗(yàn)，且56 d 齡期抗侵蝕系數(shù)不小于0.8；規(guī)定處于硫酸鹽物理結(jié)晶環(huán)境的混凝土應(yīng)采用GB/T 50082—2009 進(jìn)行試驗(yàn)，且混凝土抗硫酸鹽物理結(jié)晶破壞性能應(yīng)符合表1的要求。

表1 混凝土抗硫酸鹽物理結(jié)晶破壞性能

5）對嚴(yán)重腐蝕環(huán)境提出了附加防腐要求

考慮到我國幅員遼闊，地質(zhì)條件復(fù)雜，鹽堿土壤分布廣泛，TB 10005—2010 特別規(guī)定將 H4 和 Y4 環(huán)境定義為嚴(yán)重腐蝕環(huán)境。對于嚴(yán)重腐蝕環(huán)境推薦采取附加防腐措施，如對混凝土結(jié)構(gòu)采用瀝青等耐腐材料進(jìn)行環(huán)境隔離。

4 結(jié)語

由于缺少劣化機(jī)制的有效支撐，硫酸鹽環(huán)境混凝土的防腐技術(shù)主要依賴室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果和工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。根據(jù)室內(nèi)模擬試驗(yàn)結(jié)果，硫酸鹽環(huán)境混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性風(fēng)險(xiǎn)主要集中于結(jié)構(gòu)的干濕交替部位，提高混凝土的抗侵蝕性能并進(jìn)行附加防腐是較為可靠的技術(shù)措施。