龐佳瑋,周瑩,李勇泉,穆松,伍洲,劉凱
(1.廣東華陸高速公路有限公司,廣東 廣州 510623;2.高性能土木工程材料國家重點實驗室,江蘇 南京 210008;3.江蘇蘇博特新材料股份有限公司,江蘇 南京 211103;4.廣東省路橋建設發(fā)展有限公司,廣東 中山 528463)
隧道襯砌混凝土在滲漏水的作用下易發(fā)生溶蝕破壞。隧道襯砌滲漏水有軟水和酸性水,軟水即水中化學成分較少,其對隧道襯砌的破壞主要來自于水的溶蝕作用;當水中溶有CO2、SO2等酸性氣體時,會形成不同酸度的水,對襯砌混凝土的溶蝕作用更加復雜。當環(huán)境水中含有多種微生物成分時,微生物新陳代謝產(chǎn)物也會對襯砌混凝土產(chǎn)生破壞。
環(huán)境水中的Ca2+濃度較低,混凝土內(nèi)部孔溶液中Ca2+濃度相對較高,外界環(huán)境與混凝土孔溶液之間Ca2+濃度有很大差異。在濃度梯度的作用下,混凝土孔隙中的Ca2+傳輸?shù)江h(huán)境水中,導致孔溶液中的Ca2+溶出。軟水溶蝕的本質(zhì)是擴散,擴散持續(xù),Ca2+會不斷流失,進而導致C-S-H凝膠溶解、混凝土堿度降低,使材料性能下降、結構耐久性變差[1]。軟水溶蝕的主要作用對象是水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2和C-S-H凝膠,它們先后溶出導致混凝土孔隙率增大、強度下降,從而進一步使其耐久性下降,結構使用壽命縮短。
化學溶蝕的種類通常有硫酸鹽、碳酸鹽、鎂鹽和氯鹽。環(huán)境水中的SO42-與水泥水化產(chǎn)物中的Ca(OH)2發(fā)生反應生成石膏,石膏又與水化鋁酸鈣反應生成鈣礬石,隨著反應的進行,水化鋁酸鈣逐漸消耗完全,SO42-繼續(xù)與Ca(OH)2反應生成石膏,其反應式如式(1)所示。
從上面的反應式可以看出,化學溶蝕的主要作用對象是水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2,破壞的本質(zhì)是化學反應,腐蝕產(chǎn)物石膏和鈣礬石會吸水導致體積膨脹,進一步促進混凝土結構破壞,從而導致結構耐久性能下降。
生物溶蝕通常指水中存在的微生物如硝化細菌、氧化硫桿菌、氧化鐵桿菌、去硫弧菌、排硫桿菌等對混凝土結構的侵蝕破壞作用。硝化細菌通過對胺的硝化作用生成硝酸,使混凝土遭受酸腐蝕;嗜酸性氧化硫細菌代謝生成的生物硫酸使混凝土遭受腐蝕;即使在厭氧條件下,厭氧微生物代謝生成的草酸、乙酸等有機酸也會導致混凝土內(nèi)部C-SH分解,并喪失膠結能力,進一步導致混凝土結構耐久性能下降。
混凝土結構溶蝕主要分為滲透溶蝕和接觸溶蝕兩種。滲透溶蝕主要是溶蝕過程中受到的水壓力較大或不可忽略,并且隨著水壓力增大,混凝土的滲透性增強,溶蝕液隨之增多,滲透主要發(fā)生在二襯混凝土結構上,滲透溶蝕中Ca2+的傳輸方式主要是遷移,在外力作用下發(fā)生水化產(chǎn)物水解,破壞結構穩(wěn)定性。接觸溶蝕是指不受水壓力或所受水壓力可以忽略不計,溶蝕程度和接觸面積有關,混凝土與水體的接觸面積越大,溶蝕速度越快、程度越深。接觸溶蝕主要發(fā)生在初襯混凝土結構上,接觸溶蝕中Ca2+的傳輸方式主要是擴散,Ca2+在內(nèi)外濃度差的作用下發(fā)生溶解傳輸,導致結構破壞。
根據(jù)各物質(zhì)的焓變和熵變計算反應的吉布斯自由能,判斷反應能否自發(fā)進行[2]。結果發(fā)現(xiàn),常溫(25℃)下,水泥基材料中各組分發(fā)生水解反應為自發(fā)反應,因此有必要通過提升水泥基材料的抗溶蝕性能來延長結構使用壽命。
Ca(OH)2溶解反應的熱力學計算見表1。由表1可知,標準狀態(tài)下的反應焓變小于0,為放熱反應;反應的熵變小于0,為熵減反應;T<667.44 K(即394.29℃)時,ΔrGm小于0,此時反應為自發(fā)反應,其反應式如式(2)所示:
表1 Ca(OH)2溶解熱力學數(shù)據(jù)
C-S-H溶解反應的熱力學計算見表2。由表2可知,標準狀態(tài)下的反應焓變小于0,為放熱反應;反應的熵變小于0,為熵減反應;在T<664.87 K(即391.72℃)時,ΔrGm小于0,此時反應為自發(fā)反應,其反應式如式(3)所示。
表2 C-S-H溶解熱力學數(shù)據(jù)
鈣礬石溶解反應的熱力學計算見表3。由表3可知,標準狀態(tài)下的反應焓變小于0,為放熱反應;反應的熵變大于0,為熵增反應;ΔrGm恒小于0,此反應為自發(fā)反應,其反應式如式(4)所示。
表3 鈣礬石溶解的力學數(shù)據(jù)
從混凝土配合比優(yōu)化和化學外加劑兩方面考慮,各提升方案中作用原理、優(yōu)勢和劣勢以及現(xiàn)有提升程度見表4。從表4可知,這幾種方法對提升混凝土抗溶蝕性能均有一定效果,但效果不明顯。在實際工程中,推薦混凝土配合比優(yōu)化和化學外加劑協(xié)同作用來提升混凝土的抗溶蝕性能。
表4 隧道襯砌混凝土抗溶蝕措施
(1)隧道襯砌混凝土溶蝕破壞機理分為軟水溶蝕、化學腐蝕和生物侵蝕三種。
(2)混凝土溶蝕分為滲透溶蝕和接觸溶蝕兩種,其中滲透溶蝕中Ca2+的傳輸方式主要是遷移,接觸溶蝕中Ca2+的傳輸方式主要是擴散。
(3)常溫條件下,三種水解反應均為自發(fā)反應,對混凝土耐久性能產(chǎn)生極大影響,提升混凝土抗溶蝕性能是延長隧道混凝土壽命的必要條件。
(4)可從混凝土配合比優(yōu)化和化學外加劑兩方面來提升隧道襯砌混凝土的抗溶蝕性能。