楊 溢

（中交瑞通路橋養(yǎng)護科技有限公司,陜西 西安 710000）

0 引言

我國西南地區(qū)地下水資源較為豐富，水中富含硫酸鹽離子，隧道襯砌混凝土受硫酸鹽腐蝕后會影響隧道混凝土結構的穩(wěn)定性，同時地下水位的變動又使襯砌混凝土受到干濕交替的加速破壞，十分不利于隧道安全運營。混凝土結構從損傷劣化開始到失效失穩(wěn)的過程較為緩慢，無形中增加了隧道工程災害的隱蔽性和破壞性。在混凝土材料損傷及破壞過程中，超聲波波速表現(xiàn)出明顯變化，同時還會釋放大量彈性波。通過分析材料波速及聲發(fā)射信號，能判斷出材料結構內部形態(tài)的變化情況，分析破壞機制。將超聲波技術應用于檢測既有隧道襯砌混凝土結構受硫酸鹽侵蝕的過程，對于及時發(fā)現(xiàn)隧道襯砌病害，確保隧道安全穩(wěn)定運行具有積極意義。

1 檢測方案

1.1 試樣制作

檢測用混凝土試樣取自我國西南地區(qū)某在役高速公路隧道襯砌結構，同時按照相同配合比進行了新試樣制備，具體配合比見表1。其中1#試樣和2#試樣分別取自該隧道初期支護和二襯結構，3#試樣為新制備試樣。試樣制備時使用P.O42.5普通硅酸鹽水泥，水泥性能詳見表2，水泥細度通過80 μm方孔篩篩分試驗確定；粒徑5～20 mm的細骨料為連續(xù)級配；同時使用聚羧酸型減水劑，并以S95級磨細礦渣和Ⅱ級粉煤灰為摻合料。

表1 待檢試樣設計配合比

表2 水泥性能

1.2 檢測方法

將試樣加工成100 mm×100 mm×100 mm的標準規(guī)格，成型后的試樣自然養(yǎng)護24 h并拆模，移至相對濕度95%、溫度（20±2）℃的室內養(yǎng)護28 d。在試樣上自下向上按照20 cm間隔依次設置H1、H2、H3、H4截面。

試驗開始后，配制質量分數(shù)10%以及梯度濃度為10%的硫酸鹽腐蝕溶液，按照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》（GB/T50082—2009）展開干濕循環(huán)試驗[1]，模擬隧道襯砌混凝土受硫酸鹽侵蝕的過程。試驗開始后將試樣在常溫下持續(xù)浸泡16 h，取出后在60 ℃烘箱內烘干5 h，再放置于室溫下冷卻1 h，在試樣侵蝕20 d、40 d、60 d、80 d后取出，并通過WEP-600型液壓屏顯萬能試驗機展開單軸壓縮試驗，檢測加載期間聲發(fā)射特征和聲波傳播速度的變化情況。

聲波傳感器布置在試樣側面，進行加載過程中聲波波速變化情況的測量。試樣內超聲波傳播時間差通過發(fā)射和接收傳感器測量，時間差與試樣長度之比即為聲波傳播速度[2]。試樣破裂的聲發(fā)射信號則由固定在試樣側面的聲發(fā)射傳感器接收。混凝土試樣腐蝕后微觀結構通過能譜儀和掃描電鏡觀測，結合X射線衍射結果，進行試樣腐蝕產物物質組成分析。

1.3 試驗儀器及測試時間

NELD-LSC全自動硫酸鹽干濕循環(huán)試驗機是主要的硫酸鹽侵蝕試驗設備，同時配備NM-4A超聲檢測分析儀、PCI-2聲發(fā)射檢測系統(tǒng)，諧振頻率60 kHz的通道傳感器，前置40 db放大器增益。

取自隧道襯砌結構的試樣1和試樣2在取樣時已經存在一定程度的腐蝕，在室內試驗開始后的32 d出現(xiàn)嚴重的表觀損壞，無法繼續(xù)試驗，故測試時間僅為32 d，而新制備的試樣測試時間為65 d。

2 隧道襯砌混凝土受硫酸鹽侵蝕機理

2.1 硫酸鹽侵蝕機理

隧道混凝土襯砌結構遭受到內外部化學作用后各類水化物會隨之分解，作為膠體黏結劑的性能也會隨之喪失，襯砌混凝土裂化崩落[3]。其中，硫酸鹽對隧道混凝土襯砌結構的侵蝕過程，其實就是地下水中的SO42-流體水從表面裂縫進入混凝土結構，并與混凝土中的水化物分子產生化學反應，生成石膏或鈣礬石。以上過程中結合水化物分子的反應物如果從結晶體內析出，并受到周圍介質的約束，混凝土裂縫便會持續(xù)擴大，引發(fā)結構破壞。隧道混凝土襯砌結構受硫酸鹽侵蝕的類型主要包括C-S-H酸鹽分解型和結晶型兩類。

2.1.1 C-S-H酸鹽分解型侵蝕

此類侵蝕作用根據(jù)作用原因不同分為Mg2+侵蝕和碳硫硅鈣石侵蝕兩種：①Mg2+侵蝕為MgSO4介質溶液所引發(fā)的侵蝕，包括Mg2+和含SO42-雙重侵蝕過程，介質溶液與鋼筋混凝土結構發(fā)生反應后生成石膏或鈣礬石，并與其他石膏石黏結膨脹后產生內應力，將CH和C離子分解后生成MH和C，使石膏石黏結堿度降低，混凝土結構也因強度及黏結膨脹性能的損失而成為糊狀物；②碳硫硅鈣石的來源主要有兩種：一是混凝土中的Ca2+在硫酸鹽環(huán)境下與環(huán)境中的SO42-反應后生成CaSO4，相當于向水泥中摻入石灰石，生成Ca(OH)2后與二氧化碳和水結合，進一步生成CaCO3并與前一層次發(fā)生循環(huán)反應，造成混凝土結構的不斷破壞。二是由硅鈣礬石生成。在以上兩種作用下，加速C-S-H酸鹽分解以及混凝土強度損失。

2.1.2 結晶型侵蝕

這種侵蝕按照作用原理分為物理結晶和化學結晶兩類。①物理結晶侵蝕，即隧道襯砌混凝土遇水后強堿酸性金屬鹽和硫酸鹽雜質因濃度過高而析出，同時產生較大的結晶壓力，進而破壞混凝土結構；②化學結晶侵蝕：鈣化鋁礬石晶體遇水后體積將增大至原來的2.5倍，這種體積膨脹過程受到周圍介質應力約束后產生內應力并呈彈性膠凝狀，并析出石膏狀結晶溶液。若混凝土中SO2-4石膏濃度不超出1 000 mg/L，當鎂礬石和氯化鈣同時結晶后才能析出；若SO42-石膏濃度在1 000～2 000 mg/L范圍內，當鈣礬石與其他石膏石同時結晶后析出，但只對侵蝕起從屬作用；若SO42-石膏濃度在2 000 mg/L以上，這種化學結晶侵蝕便開始起主導作用。

2.2 混凝土劣化微觀機理

既有隧道襯砌混凝土受硫酸鹽腐蝕初期，試樣棱角酥松，出現(xiàn)輕微劣化圖[1（a）]，此后隨著腐蝕程度的加速，輕微裂縫從試樣棱邊延伸至內部[圖1（b）]，裂縫增多拓寬，棱角劣化程度加重，并出現(xiàn)軟化脫落[1（c）]，最后出現(xiàn)貫通裂縫[1（d）]。

圖1 試樣受硫酸鹽侵蝕的外觀形態(tài)演化

根據(jù)硫酸鹽侵蝕前后試樣的微觀結構，在未經受硫酸鹽腐蝕時襯砌混凝土中水化產物C-S-H凝膠含量較高，且結構較完整密實。持續(xù)侵蝕32 d后1#和2#試樣徹底劣化，3#試樣內出現(xiàn)明顯的貫通性裂縫，且裂縫空隙被鈣礬石和石膏等晶體填充。

在干濕循環(huán)作用下，試樣在干燥狀態(tài)時內部鹽溶液中的水分蒸發(fā)迅速，達到飽和后析出鹽分，吸水后生成Na2SO4.10H2O，體積隨即膨脹4～5倍，說明干濕循環(huán)作用對既有隧道襯砌混凝土腐蝕損傷起加速作用[4]。根據(jù)對腐蝕產物生長聚集過程的分析，隨著試驗過程的推進，裂縫中薄片狀石膏和針棒狀鈣礬石從邊緣持續(xù)向內部生長、聚集，最終交織成網(wǎng)狀，并向空隙內壁持續(xù)施加膨脹應力，引發(fā)混凝土內部結構開裂。

3 試驗結果及侵蝕規(guī)律

3.1 聲波速度變化規(guī)律

試樣混凝土受到硫酸鹽溶液侵蝕后所生成的膨脹物對結構內部既有裂隙產生填充作用，促使結構緊密性提升。而隨著這種侵蝕過程的繼續(xù)進行，膨脹物持續(xù)增多，一旦膨脹應力超出混凝土結構承載力，既有裂隙便會向結構薄弱處延伸，出現(xiàn)更多裂隙，引發(fā)混凝土結構劣化失效。

根據(jù)不同試樣內聲波速度變化測試結果（圖2和圖3），從隧道襯砌結構現(xiàn)場所取試樣的初始聲波波速比新制備試樣小。因混凝土襯砌受硫酸鹽侵蝕分為缺陷填充期和缺陷發(fā)展期，故密實結構中超聲波傳播速度比稀疏結構中快。1#、2#試樣為現(xiàn)場取樣，內部裂隙發(fā)育，3#試樣為新制備試樣，內部密實，故1#、2#試樣中聲波初始傳播速度（3 603.2 m/s、3 675.4 m/s）比3#試樣傳播速度（4 423.8 m/s）慢。經過30 d的加速侵蝕后，差距更大。

圖2 2#試樣聲波速度變化

圖3 3#試樣聲波速度變化

結合隧道襯砌裂隙分布和硫酸鹽侵蝕作用的關系，既有隧道襯砌結構已經受到硫酸鹽侵蝕，且侵蝕程度持續(xù)加深。由于硫酸鹽沿隧道襯砌向隧道臨空面滲透，故1#、2#試樣H4截面的聲波速度均小于H3截面，說明既有隧道襯砌受硫酸鹽侵蝕具有一定方向性，即主要從侵蝕源向未侵蝕部位滲透。

根據(jù)以上分析，既有隧道襯砌受硫酸鹽侵蝕分為裂隙充填期和裂隙發(fā)展期，與之相對應，混凝土結構中聲波波速也分成增強區(qū)和減弱區(qū)。1#試樣侵蝕程度最為嚴重，其H3和H4截面、軸向及總平均聲速均表現(xiàn)為下降趨勢，以上部位降幅分別為6.23%、5.12%、4.65%和4.44%。由此可知，1#試樣在檢測期間處于裂隙發(fā)展后期，混凝土裂隙發(fā)育，結構松散，聲波波速降幅較大。1#試樣端頭侵蝕反應明顯比其余部位強，并表現(xiàn)為縱向和側向雙向侵蝕。雖然在第10 d表現(xiàn)出小幅度增長，但此后仍降低至2 708 m/s及以下。2#試樣各測點聲波傳播速度整體上升，檢測期間處于裂隙充填前期。3#試樣在65 d硫酸鹽侵蝕超聲波檢測期間，聲波傳播速度均較快，且呈升高趨勢，主要原因在于現(xiàn)澆混凝土襯砌結構養(yǎng)護后起初并未受到硫酸鹽腐蝕，強度持續(xù)遞增，室內試驗中經過硫酸鹽侵蝕后進入裂隙充填期，強度大幅提升，直至試驗進行至65 d時仍處于裂隙充填期。

3.2 應力-應變測試結果

根據(jù)不同試驗階段混凝土應力-應變曲線，峰值應力σc和峰值應變εc之比為峰值割線變形模量Ep，應力與應變之比為彈性模量Ee。在試樣遭受硫酸鹽腐蝕后，峰值應力σc、峰值割線變形模量Ep和彈性模量Ee均隨腐蝕時間的延長而表現(xiàn)出先增后減的變化趨勢。試驗開始后的第20 d，峰值應力σc、峰值割線變形模量Ep和彈性模量Ee比試驗開始前分別增大8.81%、15.2%和16.4%；試驗開始后的第32 d，三個參數(shù)值依次遞減至試驗開始前的81.6%、64.4%和73.8%。

單軸加載試驗期間，試樣內部裂縫持續(xù)增大，結構內部所包含的能量以彈性波形式釋放，具體信號通過聲發(fā)射傳感器監(jiān)測并記錄。根據(jù)不同試驗階段試樣加載時聲發(fā)射事件變化趨勢圖，受到硫酸鹽腐蝕的試樣在加載初期表現(xiàn)出線彈性變形，聲發(fā)射事件數(shù)量較少。此后隨著加載應力的持續(xù)增大，試樣內部既有裂紋持續(xù)擴展，新的裂紋不斷形成，聲發(fā)射數(shù)量也持續(xù)增大，直至裂紋貫通后聲發(fā)射事件數(shù)量達到頂峰。

試驗開始前的試樣和試驗進行20 d的試樣，加載時多個聲發(fā)射事件活躍區(qū)間隔出現(xiàn)，試驗進行20 d及32 d的試樣，加載時聲發(fā)射事件活躍區(qū)分布集中，原因在于外力作用引起試樣腐蝕破裂時，內部能量得到釋放，聲發(fā)射事件數(shù)增大。試驗開始前的試樣內部密實，在能量得到釋放后聲發(fā)射事件數(shù)量驟降；隨著應力持續(xù)增大，能量再次釋放，聲發(fā)射事件增多；能量多次釋放后最終造成試樣整體破壞。

4 結論

綜上所述，既有隧道襯砌混凝土受硫酸鹽侵蝕后，劣化過程分成裂隙填充和裂隙發(fā)展兩個階段，既有隧道襯砌混凝土在硫酸鹽環(huán)境下鹽蝕作用更為明顯，也更容易劣化。隧道襯砌混凝土結構受硫酸鹽長期腐蝕作用下，結構內部形成薄弱區(qū)域，聲發(fā)射事件活躍區(qū)更為集中。在充分了解既有隧道襯砌混凝土受硫酸鹽侵蝕機理的基礎上，從原材料、配合比、施工質量、隔離襯砌混凝土和腐蝕環(huán)境等方面整體提升隧道襯砌結構抗硫酸鹽腐蝕性。