隧道混凝土硫酸盐侵蚀病害分析与防治措施_邵永帝.pdf

CM&M 2023.01163时，体积会随之增大产生膨胀作用力效果，使混凝土内部结构受力产生裂缝。化学侵蚀是混凝土中元素同地下水氧化硫元素发生化学反应，形成二水石膏及钙矾石，导致混凝土固相体积增加。膨胀产生的内压力挤压作用，导致疏松破坏混凝土内部结构，影响正常使用寿命。硫酸盐物理侵蚀形成结晶如图 1。硫酸盐化学侵蚀溶蚀图 2 所示。0 引言我国地质情况复杂，在混凝土结构隧道工程中常遇到硫酸盐等侵蚀性地质条件，混凝土结构受地下水硫酸盐长时间侵蚀，会发生开裂、沉降、起拱等病害，从而影响结构稳定性1。因此应合理应用加固防治技术措施，通过基础面处置、盖设防水板、混凝土二次衬砌、渗漏部位处置等管理、技术手段消除隧道渗漏病害，提升混凝土结构安全等级，实现安全、经济及环保的运营使用标准。1 隧道硫酸盐侵蚀病害特性分析在因内外部环境及内部材质的物化作用下，混凝土组成原材料的水化物会形成分解反应，使其交替粘结剂功能失去功效，进而引发溃散、脱落现象，此类混凝土材料劣化的情况被称为混凝土侵蚀2。混凝土硫酸盐侵蚀的形成，是一系列复杂的物化侵蚀反应过程。其形成实质是富有SO2-的地下水，经过流体表层细微缝隙流入到混凝土固化结构中，同混凝土材料中含有的相应水化物分子产生化学作用，生成了石膏及钙矾石等物质。此类化学反应产生物质一旦与其他水化物分子相互作用，在结晶结构中形成解析，并遭受介质外力的挤压作用，其混凝土结构细小裂缝会形成扩大，发展成较大结构裂缝，形成混凝土病害，影响隧道的日常运营和应用。作为隧道混凝土结构侵蚀病害的主要诱因，硫酸盐侵蚀形成分为物理侵蚀、化学侵蚀两类3。物理侵蚀是地下水通过蒸发作用，使其内部硫酸盐移至混凝土背水侧。随时间增加，混凝土孔隙中硫酸盐含量提升，到达饱和门限时，混凝土的孔隙处及衬砌面位置会形成结晶分层。结晶形成隧道混凝土硫酸盐侵蚀病害分析与防治措施邵永帝摘要：隧道混凝土结构在长时间经受硫酸盐矿物质地下水的侵蚀作用下，易产生结晶分层、疏松剥离，进而导致结构强度下降，对隧道的正常使用和运营构成威胁。结合隧道硫酸盐侵蚀病害特性展开分析，针对硫酸盐病害侵蚀作用下隧道实施地下水防治加固治理，在借助原有混凝土结构承载作用基础上，根据划区防治、因地制宜的准则，综合分析应用硫酸盐混凝土套拱加固技术，建立系统的硫酸盐病害加固防治措施，制定已渗漏部位处置方案，实现混凝土结构稳定性提升。关键词：隧道混凝土；硫酸盐侵蚀；二次衬砌；防水处理（中铁十九局集团第六工程有限公司，江苏无锡 214000）图2 硫酸盐化学侵蚀溶蚀图1 硫酸盐物理侵蚀形成结晶164工程机械与维修CONSUMERS&CONSTRUCTION用户施工导致隧道混凝土结构侵蚀病害的因素有很多，如：混凝土浇筑密实度不符合要求、仰拱成型度不规范、回填微膨胀防腐效果不达标等。加之机动车重力载荷的持续作用，使得含有腐蚀元素的地下水通过混凝土毛细空隙进入内部结构，都会加速地下水侵入混凝土，形成水腐、水浸物化反应，破坏隧道混凝土衬砌受力及基底结构4。由于侵蚀而导致的混凝土细集料软化及缺失、结构膨胀腐蚀，会降低底部承载力效果，进一步加速形成隧道衬砌面的塌陷、凸起及开裂。2 硫酸盐病害加固防治措施根据硫酸盐对隧道混凝土腐蚀特征分析，主要是针对地下水的防护治理完成混凝土支护结构加固。通过采用中埋式止水带及全包防水模式，阻断地下水从隧道围岩缝隙流至二次衬砌混凝土，并通过在混凝土中添加中抗硫酸盐水泥、抗裂防水剂、粉煤灰等外加剂，优化配比设计，达到提高隧道耐久度的效果。硫酸盐病害加固防治措施具体，可从混凝土初期支护处置、配置装配防水板、铺设止水带、混凝土衬砌施工质量控制等方面展开。2.1 混凝土初期支护处置如混凝土初期喷射表面集中出现渗水，应通过灌浆止水法处理。灌浆材料主要应用水玻璃与超细水泥混合浆液，实际浆液配比应参照具体围岩渗漏情况进行适当调配，以达到最优止渗效果5。如果渗漏水压较高、围岩缝隙较小，可选择水溶聚氨酯材料制浆。浆液实际凝结时间应参考渗漏情况，通过调整凝固外加剂掺入比例进行控制。如果混凝土初期支护处理后外表面存在裸露的钢筋、锚杆等坚硬物，应先进行切除操作，控制螺头位置保留 5mm，打磨、锤铆平整后盖塑料帽，再实施砂浆分层喷涂，控制喷涂层与防水层的贴合程度。对于补喷混凝土初期支护存在凹凸不平位置，避免破坏防水板，并控制操作满足后续混凝土二次衬砌设计尺寸规范。实施混凝土喷射过程中，喷射方向应与喷射面呈 90直角，以有效增加混凝土喷射的密实效果，降低施工动能损耗。根据设计标准严格控制喷射速凝材料的使用剂量，避免少喷和漏喷等情况。在完成混凝土喷射施工并定型后，应对混凝土实施必要的养护，通过控制水分在空气中的蒸发流失速度，避免混凝土表面出现结构裂缝、疏松等病害。2.2 配置装配防水板2.2.1 合理确定防水板规格防水板的选取应参照隧道围岩的等级、膨胀性、软化性、岩体节理等参数。以级泥岩围岩为例，通常其膨胀性较小，遇水软化明显，具备水平节理特征。此类型围岩可应用以凸状防水板与聚酯无纺布为主材建立的分离模式全断面排水体系，凸状防水板外表面有凸状颗粒，构成排水装置，地下水砂泥经过聚酯无纺布过滤后，经过凸状颗粒构成的排水缝排出，流入排水沟。注意：应避免使用透水盲管及复合防水板，以免地下缝隙水中泥沙堵塞盲管，影响排水效果。衬砌地下水清排处理如图 3 所示。2.2.2 铺装防水板控制要点利用专用铺挂操作台车实施防水板铺装，铺装好无纺布后，实施防水板挂装。摊铺无纺布过程中应使用射钉固定，并利用塑料或金属材质的垫片作保护处理，避免拉拽破坏。混凝土二次衬砌与铺装防水板实施应控制间隔，铺装按先隧道拱部后边墙的顺序实施，对防水板边缘采用双缝焊接处理。使用垫片实施固定处理，保证板间搭接表面的平整、顺滑，避免出现缝隙、褶皱。如需平整应通过初期支护处置操作步骤处理。铺装完成的防水板应进行防护处理，避免外界机械等损坏防水板。2.3 铺设止水带隧道混凝土衬砌预留的沉降缝和施工缝位置应铺设止水带，保证止水带质量和规格。如铺设止水带仍存在渗水，应实施封堵注浆操作6。止水带铺装过程中应做防护处理，避免被钢筋等坚硬物体损坏，如存在损坏应及时处理修缮。止水带应做固定处理，避免混凝土浇筑时位置移动。混凝土浇筑完成后实施振捣，并保证振捣时长，保证止水带底部缝隙、气泡完全排出，使混凝土与止水带贴合密实。止水带接头处理方式应依参照具体止水位置与止水带材质确定，橡胶材质接头应使用复合接或搭接处理，保证缝隙宽度在 50mm 以上。2.4 混凝土衬砌施工质量控制为达到隧道设计耐久时间、防渗等级和防腐蚀效果，可在混凝土衬砌实施过程中，应用中抗硫酸盐水泥替换常规水泥，通过适当掺入防水防裂外加剂提升防腐抗渗效果。掺入比例参考凝固外加剂总量的约 6%的比例实施。2.4.1 确定混凝土配比依据隧道混凝土耐久度规范，以地质等级为硫酸盐侵蚀 H2 级，抗腐蚀系数大于 0.8，电通量系数低于 1200 的围岩为例，混凝土设计强度系数应为 C35。混凝土材料选取一级粉煤灰、中抗硫酸盐水泥、防裂防水外加剂、高效缓图3 衬砌地下水清排处理CM&M 2023.01165凝减水剂及设计规格质量的粗细骨料。正式拌和前应经过实验试配验证，确保其符合设计要求的耐久效果、含碱比例等参数，使得混凝土原料与外加剂保持良好的相容效果，无性能降低反应；同时充分参考混凝土 28d 强度等级及 56d 电通量标准。经过多次技术性、经济性对比选配，选择最优材料配比。在混凝土二次衬砌实施完毕后，应针对混凝土强度、电通量等参数，应用钻芯取样法实施同条件检验，保证参数与工程设计参数相符7。2.4.2 混凝土衬砌作业要点隧道混凝土衬砌施工时，应配备对应体量的自动化计量、调控混凝土拌和站。混凝土通过专用运输车装运，泵送灌模，二次衬砌使用液压衬砌台车机。在隧道初期支护质量状况稳定、初期支护渗水清排操作完成、排水板密实牢靠的前提下，实施混凝土二次衬砌。实际实施工序应按先衬砌仰拱位置，再一次性定型浇筑拱、墙。浇筑模具应保证装配牢固、贴合密实，避免浇筑时出现漏浆、移模情况。模具拆除时应保证混凝土接触面光滑、平整，为后续混凝土衬砌建立优质作业面基础。混凝土遭受侵蚀的原因和影响程度，由于其发生部位不同而存在差异 8。地面与衬砌层接触位置易产生碳硫硅钙石物质，对此应通过配置防腐抗渗混凝土处理，并配合涂抹防渗材料，控制碳硫硅钙石物质的产生，避免此类混凝土结构形成扩散态势，提高混凝土防渗效果。实施抗渗防腐混凝土处理过程中，可配合通过缩小骨料粒径密度或掺入丙烯酸乳液的方式，提升混凝土抗干缩效果，以达到混凝土抗侵蚀效果。针对混凝土衬砌表层的侵蚀控制措施，应通过控制混凝土自身结构和表面侵蚀接触环境实现。混凝土自身结构控制主要通过提升混凝土密实效果和强度实现。混凝土表面侵蚀环境控制，主要通过在地下水同混凝土接触面位置设置防渗材料，降低 SO2-的流动和渗入效果，易维持混凝土内部结构中水化物的形态稳定。此外，还可以采取优选混凝土材料优选、加入掺矿物掺合料、科学进行混凝土养护等措施。3 局部渗漏部位处置措施完成隧道二次衬砌后，如排查仍存在混凝土局部位置渗漏点，应分析渗水情况及成因，才气以疏通为主、疏通封堵相结合的模式治理。针对渗水不严重位置，应在渗水处利用专业注浆机械实施注浆封堵处理。根据渗水程度配比水泥水灰比，通常水灰比为 1:2，并按适当比例掺入水玻璃掺料。一般按水泥用量的 3%比例掺入水玻璃掺料。衬砌裂缝注浆封堵如图 4 所示。针对渗水面较大位置，应使用割槽埋管法实施渗水排堵。定位渗水点，在渗水处最上方位置开槽口，垂直割槽直至连通排水沟。利用排水管将地下渗水引流至排水沟，完成后利用水泥砂浆封堵槽口，并做找平处理。4 结语硫酸盐类侵蚀性地质条件对隧道混凝土结构危害较大，易形成开裂、沉降、起拱等病害，影响隧道结构稳定性和正常使用功能。本文结合隧道工程实际，在综合分析硫酸盐混凝土硫酸盐侵蚀病害的基础上，将套拱加固技术与原有混凝土结构承载相结合，形成以基础面处置、盖设防水板、混凝土二次衬砌、渗漏部位处置等工序于一体的隧道混凝土硫酸盐病害加固防治措施体系，明确实施要点，以提升隧道混凝土结构安全使用等级。参考文献1 徐林生,陈扬勇,王远,等.公路隧路面工程病害实用处置技术 研究 J.中外公路,2016,36(6):66-68.2 田正,刘宝华.公路隧道叠合式套拱加固技术研究 J.公路,2021,(2):339-344.3 秦洲,田正,刘燕鹏六盘山隧道维修加固方案研究 J.筑路机 械与施工机械化,2017,34(5):82-88.4 马楠,王琳,李迎乐.干湿交替机制下 PVA 纤维增强混凝土抗 硫酸盐侵蚀性能试验研究 J.中国测试,2021,47(7):142-147.5 李军,敬远兵.公路隧道路面工程病害实用处置技术研究 J.建筑技术开发,2020,47(19):2.6 姜骞,石亮,刘建忠,等西南某隧道衬砌混凝土中的硫酸盐腐 蚀破坏分析及对策 J.隧道建设,2016,36(8):918-922.7 张萌.硫酸盐腐蚀对混凝土微观结构特征的影响研究 J.硅酸 盐通报,2020,39(4):1160-1165.8 渠亚男,李享涛,仲新华,等.隧道喷射混凝土硫酸盐侵蚀破坏 分析及对策 J.铁道建筑,2019(1):55-58.图4 衬砌裂缝注浆封堵