石膏岩区隧道衬砌混凝土侵蚀机理分析及配合比设计.pdf

7 2 铁道建筑 Ra i l wa y E n g i n e e r i n g J u n e ， 2 0 1 5 文章编 号 ： 1 0 0 3 - 1 9 9 5 ( 2 0 1 5 ) 0 6 — 0 0 7 2 - 0 3 石膏岩区隧道衬砌混凝土侵蚀机理分析及配合比设计 唐清 宽 ， 王 静 ， 吴银 亮 ( 1 ． 中交路桥华南 工程 有限责任公 司 ， 广东 中山5 2 8 4 0 0 ； 2 ． 东湖学院 ， 湖北 武汉4 3 0 2 1 2 ； 3 ． 中交第二公路勘察设 计研究院有限公司 ， 湖北 武汉4 3 0 0 5 2 ) 摘要 ： 从凉水井隧道石 膏类围岩的化学成分分析入手 ， 通过水泥净浆试验结合扫描 电镜测试 ， 分析 了石 膏岩 对 隧道衬砌 混凝 土 的侵 蚀机 理 。 当石 膏岩被误 作 为 混凝 土 集料 时 ， 在 水 泥 与 岩石 的接 触 面上 产 生 了大量 的钙矾 石 ， 对接 触 面直接 产生破 坏作 用 ， 降低 了试 块 强度 。根 据相 关规 范及 规 定 ， 设 计 了高性 能 防腐蚀 混凝土 的配合 比 ， 并对该 配合 比进行 了试 验验证 ， 结 果显 示矿物掺 合料 和 纤维 均能够提 高混凝 土 的强度 并降低 氯 离子 扩散 系数 ， 改善 其抗 裂性 能。 关键 词 ： 扫描 电子显微 镜硫酸 盐侵蚀 配合 比设计 隧道 中图分 类号 ： T U 4 5 1 文献 标识码 ： A D O I ： 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 3 — 1 9 9 5 ． 2 0 1 5 ． 0 6 ． 1 9 从 工程 的安全 角 度考 虑 ， 在 工 程 建设 过 程 中应尽 量避开石膏岩这类特殊岩石地段 ， 当无法避免时就 需要特别注意石膏岩溶蚀生成的硫酸根离子对混凝土 结构的外部侵蚀作用 ， 以及将石膏岩误作 为混凝土骨 料对混 凝土结 构 的 内部 侵 蚀 作 用 。无论 是 哪 种 侵蚀 ， 均会对混凝土产生一系列如结构膨胀 、 强度降低、 结构 破坏 、 性能 劣 化 等 破 坏 作 用 。鉴 于 此 ， 本 文 以 宜 巴 高 速 凉 水 井 隧道 为 研 究 对 象 ， 通 过 扫 描 电子 显 微 镜 ( S E M) 成像 方法 ， 分 析硫 酸盐 对 隧 道混 凝 土 的侵 蚀 机理 ， 并 针对建设 在 石 膏岩 区 的 隧道 专 门设 计 了高 性 能混凝 土配合 比， 这种 配 合 比的混 凝 土 能 有效 防止 石 膏岩溶 蚀生成 的硫 酸 根 离子 对 衬 砌 结构 的破 坏 ， 对 隧 道安全 运营具 有重 要 的现实 意义 。 1 石膏岩成分分析 凉水 井 隧道位 于 宜 巴高 速 公路 上 ， 隧址 区石 膏类 围岩主要 为 三叠 系嘉陵 江组嘉 二段 至嘉 五段海 相沉积 岩 ， 矿物 成分 主要 为石 膏 、 硬 石 膏 和 白云 石 ， 岩 性 主 要 为含 膏质 白 云岩 、 白云 质石 膏 岩 、 石 膏 岩 以及 硬 石 膏 岩 。 从凉水井隧道 中出露的典型石膏类 围岩 中取样 s l和 s 2 ， 室 内进行能谱分析 ， 结果见 表 1 。这些值与 石膏岩 中 C a O的理 论含量 3 2 ． 6 ％ ， S O ，的理论含 量 4 6 ． 5 ％ 十分接 近 ， 可 判定 隧道 围岩 主要为 石膏 岩 。 此外 ， 为了更加准确地 了解 石膏岩 的化学成分及 收稿 日期 ： 2 0 1 4 ． 1 2 - 1 0； 修 回 日期 ： 2 0 1 5 - 0 4 - 1 9 作者简介 ： 唐清宽( 1 9 6 4 一) ， 男 ， 陕西蒲城人 ， 高级工程师 。 含量 ， 将 样 品 s 2干燥 后磨成 岩粉 ， 在 中国地质大 学 ( 武汉 ) 国家重点 实验 室进 行 化学 成 分 全分 析 ， 结 果 见 表 2 。 表 1 石 膏岩样 能谱分析 结果 ％ S i O 2 A 1 2 0 3 C a O Mg O K 2 O S O3 S r O Z r O2 烧失量 1 ． 3 8 0． 0 7 3 O． 2 7 1 ． 9 7 0 ． 0 5 40 ． 8 5 0 ． 1 9 0 ． 0 4 2 5 ．1 4 2 石膏岩对 混凝土侵蚀 方式及侵蚀机理分析 2 ． 1 石膏岩 对混 凝土 的侵蚀 方式 石膏岩 对混 凝土 的侵蚀 主要 有 以下两 种方式 。 1 ) 石膏岩溶蚀后使周 围水溶液 中含有 大量 硫酸 根离 子 ， 硫 酸根 离子 扩散 进 入 混 凝 土 内部 与 水 泥 水 化 的 C a ( O H) 反 应再 次生 成石膏 而结 晶膨 胀 、 与水化 铝 酸钙 或单硫 型水 化 硫 铝 酸 钙 ( A F m) 反 应 生成 膨 胀 性 物质 三硫 型 水化 硫 铝 酸钙 ( A F t ) ， 使得 混 凝 土发 生 膨 胀开裂 ， 从而产生硫酸盐侵蚀 ( 外部侵蚀) ， 侵蚀 等级 为 D级 。 2 ) 误 用含 石膏 岩 的骨 料 配制 混凝 土 时 ， 骨 料 表 面 的石膏矿物将参与水泥的水化反应， 与水泥中的铝酸 钙 、 铁 铝酸钙 矿物 反应 或 与 水化 形 成 的 水 化铝 酸 钙 或 单 硫型 的水 化硫 铝 酸钙 ( A F m) 继续 反 应 ， 形 成膨 胀 性 物质三硫型水化硫 铝酸钙 ( A F t ) ， 骨料一浆体界面 的 7 4 铁道建筑 J u n e ， 2 0 1 5 3 ． 3 高性 能 防腐蚀 混凝 土设计 配合 比试验 验证 根据上述设计配合 比， 按标准方法成型试件并养 护 ， 测定 7 d和 2 8 d的强度 以及 2 8 d的氯 离子 扩散 系 数 ， 结果如表 4所示。可见 ， 掺矿物掺合料的混凝土在 强度方面有很大优势 ， 矿渣粉和粉煤灰对氯离子扩散 系数的影响差别不大 ， 掺人两种合成纤维后氯离子扩 散系数进一步下降， 同时也可以改善抗裂性。 表 4设计配合 比试验验证结果 4 结论 本文从凉水井隧道石膏类 围岩的化学成分分析入 手 ， 通过水泥净浆试验并结合扫描 电镜测试 ， 分析了石 膏岩对隧道混凝土的侵蚀机理。发现当石膏岩被误作 为混凝土集料时 ， 在水泥与岩石的接触面上产生 了大 量的钙矾石 ， 呈针状结晶向四周伸展。其膨胀特性会 对接触面产生破坏作用， 降低试块强度 。 根据相关规范的建议及规定 ， 设计 了高性能防腐 蚀混凝土的配合比， 并对该配合 比进行了试验验证 ， 结 果显示 矿物 掺合 料和纤 维均 能够提 高混 凝土 的强度 并 降低氯离子扩散系数 ， 同时改善其抗裂性能。 参 考 文 献 [1] 肖允发 ， 杨华砚 ， 罗健 ， 等 ． 硬石 膏水化 和芒硝结 晶膨胀 性 的测定 [ J ] ． 勘察科学技术 ， 1 9 8 5 ( 5 ) ： 7 — 1 0 ． [ 2] 吴银亮． 石膏岩工程 地质 特性及其对 隧道混凝土结构 危害 机制研究 [ D ] ． 武汉 ： 中国地质大学 ， 2 0 1 3 ． [ 3] 于丽芳 ， 杨志军 ， 周永章 ， 等． 扫描 电镜 和环境扫 描 电镜在 地学领域的应用综 述 [ J ] ．中山大学研 究生学 刊 ( 自然科 学 、 医学版 ) ， 2 0 0 8 ， 2 9 ( 1 ) ： 1 0 4 — 1 0 6 ． [ 4] 曾昭东 ， 刘洋 ， 何茂文 ． 防碱性溶出型侵蚀混凝土配合 比设 计与施工 [ J ] ． 混凝 土 ， 2 0 1 0 ( 4 ) ： 1 0 4 - 1 0 6 ． [ 5] 夏丁 ， 汤 晶， 吴银亮 ． 隧道石膏质围岩沉积环境及矿物组成 分析 [ J ] ． 西南公路 ， 2 0 1 4 ( 4 ) ： 1 3 4 — 1 3 7 ． [ 6] 耿维怒 ， 尚建丽 ， 陈庆 事 ， 等 ． 含硫 酸盐骨料 导致混凝 上腐 蚀的试验研 究[ J ] ． 建筑技术 ， 1 9 9 2 ， 1 9 ( 8 ) ： 4 7 2 — 4 7 4 ． [ 7] 中华人 民共和国住房和城乡建设部 ． G B ／ T 5 0 4 7 6 --2 0 0 8 混凝土结构耐久性 设计 规范 [ s ] ． 北 京 ： 中 国建 筑工 业 出 版 社 。 2 0 0 9 ． [8] 中华人 民共和 国建设部． G B 5 0 0 2 1 —2 0 0 1 岩土工程 勘察 规范 [ S ] ． 北京 ： 中国建筑工业 出版社 ， 2 0 0 2 ． [ 9] 中华人 民共 和国交通部． J T G ／ T B 0 7 ． O 1 —2 0 0 6 公 路工程 混 凝土结构 防腐蚀技术规 范[ s ] ． 北京 ： 人民交通 出版 社 ， 2 0 06． [ 1 0 ] 中华人 民共和 国住房与城乡建设部．J G J 5 5 —2 0 1 1 普通 混凝土配合 比设计规程 [ S ] ． 北 京 ： 中国建筑 工业 出版 社 ， 2 O11 ． [ 1 1 ] 黄 功学 ． 聚丙 烯纤 维混凝 土 ( 砂 浆 ) 物理力 学性 能试 验研 究 [ D] ． 郑州 ： 郑州大学 ， 2 0 0 5 ． [ 1 2 ] 杨 福海 ， 王乾玺 ， 宋建夏． 聚丙烯纤维与聚酯纤维对混凝 土 力学性能影响的研究[ J ] ． 宁夏 工程技术 ， 2 0 1 5 ， 1 4 ( 1 ) ： 3 8 — 42． ( 责任审编葛全红)