王建華 肖景文 龐 雷

（四川省交通建設集團股份有限公司，四川 成都 610047）

0 引言

隧道結構體系是由圍巖和支護結構組成的，并且圍巖的性質常常決定著支護結構強度及類型。各圍巖體的復雜特性使得隧道工程設計與施工變得復雜。石膏巖屬于蒸發(fā)沉積巖，在整個地質沉積史中分布較廣[1]。自然狀態(tài)下，石膏巖有一定的強度，但遇水后，其中的硬石膏巖（主要成分CaSO4）水化成石膏巖（主要成分CaSO4·2H2O），會導致體積膨脹，嚴重影響隧道工程的穩(wěn)定性，導致其底鼓，圍巖等遭到破壞，通常需要采取防腐措施，比如將抗硫酸鹽防腐劑加入混凝土以提高其長期耐久性。為此，本文研究隧道石膏巖對混凝土內部硫酸鹽侵蝕的影響。

1 硫酸鹽侵蝕機理及試驗方法

1.1 石膏巖對結構的侵蝕機理

隧道混凝土內部硫酸鹽侵蝕包括化學、物理兩種腐蝕情況，前者是硫酸鹽離子和混凝土水化產(chǎn)物，后者是無水硫酸鹽晶體轉化為含水硫酸鹽時的固相增長[2]。

1.2 試驗方法

依 據(jù)（GB∕T 8077-2012）（GB 8076-2008）GB∕T 50080-2016）（GB∕T 50081-2019）（GB∕T 50082-2009）（GB∕T 17671-1999）等標準多角度測試加入抗硫酸鹽防腐劑混凝土的性能[3]。

1.2.1 混凝土凈漿流動度

水平放置玻璃板，將其用濕布擦拭干凈，表面為濕潤狀態(tài)但不形成水珠，并將攪拌器、攪拌鍋和截錐圓模清洗干凈并保持表面處于濕潤狀態(tài)無明顯水漬，再用濕布包裹截錐圓模，放在玻璃板的中央備用。用電子天平精確稱量300g水泥，對其進行攪拌且在過程中添加87g水與建議數(shù)量的外加劑。攪拌的方式為緩慢-停滯-快速，時間為120s-15s-120s。完成攪拌后迅速把混凝土凈漿倒進截錐圓模且刮平表面，豎直提起截錐圓模令混凝土凈漿流動在玻璃板上，時間至少為30s，并用鋼尺測量玻璃板上凈漿的直徑，混凝土凈漿流動度值為夾角是90°的最大直徑平均值[4]。

1.2.2 混凝土性能試驗

混凝土攪拌采用的是一次倒料的方式，首先在攪拌前要將攪拌機清洗干凈，并進行預拌，待攪拌機內掛漿后將剩余料卸出，用電子稱準確稱量粗骨料、膠凝材料、細骨料，并依次按順序倒入攪拌機內，進行干拌，時間為60s，再將稱量準確的水和抗硫酸鹽型減水劑加入其中，邊加邊攪拌，待所有原材料均倒入攪拌機內，再繼續(xù)攪拌120s，隨即將新拌混凝土倒出，測量坍落度和擴展度之后裝入模具振搗成型[5]，并養(yǎng)護至規(guī)定齡期，測試混凝土試塊的抗壓強度。

1.2.3 混凝土抗硫酸鹽試驗

（1）試件設計。硫酸鹽侵蝕-干濕循環(huán)試驗所用的摻TK-PCE1、TK-PCE2 的 試 件 均 為100mm×100mm×100mm的立方體試件，分別命名為A組，B組。

（2）干濕循環(huán)過程。硫酸鹽侵蝕-干濕循環(huán)試驗選用質量分數(shù)為5%、10%、飽和硫酸鈉溶液，配制硫酸鹽溶液采用的無水硫酸鈉含量≥99.0%。具體干濕循環(huán)制度采用浸泡-風干-烘干-冷卻的干濕循環(huán)方式[6]。在進行干濕循環(huán)試驗前，對烘干至恒重的立方體試件進行質量稱重，并且記錄試驗前各個試塊質量。將試件標養(yǎng)26d后浸泡于硫酸鈉溶液中48h后，取出試塊，將其放入101-2型數(shù)顯鼓風恒溫干燥箱中，風干1h，然后用60℃高溫烘干20h，在室溫環(huán)境中冷卻3h為一個干濕循環(huán)。每10次循環(huán)更換硫酸鈉溶液一次。本次干濕循環(huán)試驗共150個周期，分別在30、60、90、105、120、135、150 次干濕循環(huán)周期時，觀測試塊外觀現(xiàn)象并進行拍照記錄、質量測量、抗壓強度測試。

（3）干濕循環(huán)作用下主要指標的測試與計算方法。

表觀現(xiàn)象：觀察受侵蝕后抗硫酸鹽防腐劑混凝土試件表觀形態(tài)，通過觀察不同硫酸鹽溶液濃度和不同干濕循環(huán)周期后試件的表觀現(xiàn)象[7]。例如：觀察試塊表面的坑蝕、膨脹裂縫、結晶鹽、脫落和潰散等現(xiàn)象。

質量變化率：對干濕循環(huán)試驗前后各試塊質量進行稱重，通過干濕循環(huán)前后試件質量變化率來反映抗硫酸鹽防腐劑混凝土的抗硫酸侵蝕性。計算公式為：

式中：

ΔWn——抗硫酸鹽防腐劑混凝土受侵蝕后試件的質量損失率；

M0——抗硫酸鹽防腐劑混凝土未侵蝕試件的基準質量；

Mn——抗硫酸鹽防腐劑混凝土干濕循環(huán)后試件的質量。

抗壓強度指在單向受壓破壞時，試塊所能承受的最大荷載與截面面積的比值。通過不同干濕循環(huán)周期下試件抗壓強度反映抗硫酸鹽防腐劑混凝土抗硫酸鹽侵蝕能力?？箟簭姸葴y試試驗參照（GB∕T 50081-2019），計算公式為：

式中：

fc——抗硫酸鹽防腐劑混凝土試件的抗壓強度；

P——抗硫酸鹽防腐劑混凝土試件承受的最大荷載；

A——抗硫酸鹽防腐劑混凝土試件承受的受壓面積。

抗壓強度耐侵蝕系數(shù)參照GB∕T 50082-2009，為不同干濕循環(huán)次數(shù)后混凝土抗壓強度與標準養(yǎng)護條件下抗壓強度之比[8]。當Kf＞1時，表明試件抗壓強度增長；反之，抗壓強度降低，試件開始劣化。計算公式為：

式中：

Kf——抗壓強度耐侵蝕系數(shù)；

fc0——標準條件養(yǎng)護下的混凝土試件抗壓強度測試值；

fcn——抗硫酸鹽防腐劑混凝土受硫酸鹽侵蝕后不同干濕循環(huán)次數(shù)下試件的抗壓強度測試值。

2 結果與討論

2.1 混凝土凈漿流動度對比試驗

分析抗硫酸鹽防腐劑對混凝土凈漿流動度經(jīng)時變化的影響，試驗采用PCE、PCE+A、TK-PCE1、TK-PCE2 四種抗硫酸鹽防腐劑，按4組進行。分別測量混凝土凈漿在0h、0.5h、1.0h、2.0h的流動度。

不同抗硫酸鹽減水劑影響下混凝土凈漿流動度的測試結果如圖1所示。

圖1 抗硫酸鹽防腐劑對混凝土凈漿流動性能的影響

通過圖1可知，摻PCE、PCE+A、TK-PCE2、TK-PCE1的0h 混凝土凈漿流動度分別為250mm、240mm、235mm和230mm，按順序呈下降趨勢；摻PCE的2.0h混凝土凈漿流動度約為140mm，對比0h損失較大；摻PCE+A的2.0h混凝土凈漿流動度約為180mm，具有最佳流動保持性；摻TK-PCE1、TK-PCE2的2.0h混凝土凈漿流動度都減少至155mm左右，損失較小?？沽蛩猁}外加劑A具有明顯的緩凝增強作用。TK-PCE1、TK-PCE2與PCE相比，在側鏈末端引入了磺酸基，磺酸基團類陰離子吸附于帶正電荷的混凝土顆粒表面，延長了混凝土的凝結時間，所以TK-PCE1、TK-PCE2組0h凈漿流動度略小于PCE組，但凈漿流動度保持性能好于PCE組。

2.2 混凝土工作性能試驗和強度試驗

混凝土初始工作性能試驗和強度試驗分成5組，按空白組、PCE、PCE+A、TK-PCE1、TK-PCE2進行混凝土的工作性能試驗。

相同用水量下，摻PCE、PCE+A、TK-PCE1、TK-PCE2的混凝土坍落度和擴展度具有顯著差異，摻PCE+A的混凝土流動更均勻，摻TK-PCE1、TK-PCE2的混凝土坍落度和擴展度均小于摻PCE的對照組。相比于空白組，摻抗硫酸鹽防腐劑的混凝土各齡期強度略高，摻量相同的PCE、TK-PCE1、TK-PCE2的混凝土抗壓強度相當，力學性能同時滿足《混凝土外加劑》（GB 8076-2008）和《混凝土抗侵蝕防腐劑》（JC∕T 1011-2021）的要求。

2.3 混凝土抗硫酸鹽腐蝕試驗

根據(jù)抗硫酸鹽防腐劑對混凝土工作性能和強度的試驗結果，硫酸鹽侵蝕-干濕循環(huán)試驗采用對混凝土強度有促進作用的TK-PCE1，TK-PCE2與空白組開展試驗，分別命名為A組、B組、C組。

2.3.1 混凝土外觀現(xiàn)象分析

通過觀察，抗硫酸鹽防腐劑混凝土在10%硫酸鈉溶液中進行干濕循環(huán)過程中，當干濕循環(huán)至60次時，A組試件和B組試件表面發(fā)生起皮現(xiàn)象，但A組試件表面起皮現(xiàn)象較為明顯；當干濕循環(huán)至90次時，試件表面顏色變淺，并且可以明顯地看到表面覆蓋一層白色硫酸鈉結晶鹽、且試件棱角處發(fā)現(xiàn)細小裂縫；干濕循環(huán)120次后，肉眼可見凹凸不平的膨脹現(xiàn)象，且試塊表面伴隨細小裂縫產(chǎn)生，試件底部由于膨脹裂縫進一步發(fā)展，開始出現(xiàn)潰散現(xiàn)象；當干濕循環(huán)至135次后，試塊表面腐蝕現(xiàn)象加重，大量纖維外露在試塊表面，在試件表面裂縫處有白色硫酸鹽結晶；當干濕循環(huán)至150次后，試件開始出現(xiàn)水泥基體掉落和纖維外露現(xiàn)象，試件棱角處越來越圓滑。由此可見：當試件在10%硫酸鈉溶液中進行干濕循環(huán)時，抗硫酸鹽防腐劑混凝土試件受硫酸鹽侵蝕后損傷劣化程度較大。尤其是在干濕循環(huán)后期，試件底部由于鹽溶液蒸發(fā)使?jié)舛冗_到飽和狀態(tài)，生成膨脹性石膏和鈣礬石，導致試件底部出現(xiàn)潰散、脫落。

2.3.2 混凝土質量變化率

抗硫酸鹽防腐劑混凝土在硫酸鈉溶液中進行干濕循環(huán)后的質量變化率見表1、圖2。

由表1、圖2可以看出，在三種硫酸鈉溶液中經(jīng)歷150次干濕循環(huán)后，抗硫酸鹽防腐劑混凝土試件質量變化率均出現(xiàn)先增加后損失的二階變化規(guī)律。A組試件受侵蝕后，質量損失嚴重，試件在飽和硫酸鈉溶液中抗侵蝕能力最差。

表1 不同溶液、干濕循環(huán)周期下試件的質量變化率

B組試件受侵蝕后，質量變化率規(guī)律和A組試件基本類似。整體來看，隨著硫酸鹽溶液濃度升高，抗硫酸鹽防腐劑混凝土抗侵蝕性能越差。

2.3.3 混凝土抗壓強度腐蝕系數(shù)

測試干濕循環(huán)150次后5%硫酸鈉溶液中試件的抗壓強度，同時計算混凝土抗壓強度耐蝕系數(shù)，結果見表2。

表2 混凝土試件抗壓強度

根據(jù)公式（3）計算得出A組（摻TK-PCE1）混凝土抗壓強度腐蝕系數(shù)為77%；B組（摻TK-PCE2）混凝土抗壓強度腐蝕系數(shù)為82%；空白組（沒摻防腐劑產(chǎn)品）混凝土抗壓強度腐蝕系數(shù)為57%（不合格）。

2.4 混凝土的直接抗拉力性能

通過百分表測量抗硫酸鹽防腐劑混凝土試件的抗拉力強度與變形之間的關系，結果見圖3。

圖3 抗拉力強度與變形之間的關系

利用圖3抗拉力強度與變形之間的關系，將試驗過程中A、B組試件的拉伸過程劃分為三個階段，如表3、表4所示。

表3 A組試件抗拉試驗三個階段分析表

表4 B組試件抗拉試驗三個階段分析表

結合圖3和表3、表4分析可知，抗拉力強度與變形的初始曲線具有較好彈性，抗拉力強度隨變形量的增加而增加。A、B組試件中的比例與破壞、屈服與破壞的極限狀態(tài)拉應力比值分別約為0.70、0.95，得出比例、屈服極限狀態(tài)的過渡點分別是破壞極限狀態(tài)拉應力的70%與95%。

3 結束語

研究結果表明：摻PCE+A的2.0h混凝土凈漿流動度約為180mm，具有最佳流動保持性，摻TK-PCE1、TKPCE2組0h混凝土凈漿流動度略小于PCE組，但凈漿流動度保持性能好于PCE組；相同用水量下?lián)絇CE+A的混凝土流動更均勻；當試件在10%硫酸鈉溶液中進行干濕循環(huán)時，抗硫酸鹽防腐劑混凝土試件受硫酸鹽侵蝕后損傷劣化程度較大，干濕循環(huán)后期試件底部出現(xiàn)潰散、脫落；隨著硫酸鹽溶液濃度升高，抗硫酸鹽防腐劑混凝土抗侵蝕性能越差；摻TK-PCE1、TK-PCE2、空白組混凝土抗壓強度腐蝕系數(shù)分別為77%、82%、57%；抗拉力強度隨變形量的增加而增加，比例、屈服極限狀態(tài)的過渡點分別是破壞極限狀態(tài)拉應力的70%與95%。

總的來說，添加抗硫酸鹽防腐劑的混凝土能夠較好地滿足各項混凝土指標。