硫酸盐环境下铁路隧道结构衬砌混凝土病害调查及分析.pdf

第 7卷第 3期 2 0 1 0年 6月 铁道科学与工程学报 J OURNAL OF R AI L AY S CI E NCE AND E NGI NEERI NG V OI 7 N0 3 J u n e 2 0 1 0 硫酸盐环境下铁路 隧道结构 衬砌 混凝土病 害调查及分析 翁璧石 ， 李小坤 ， 龙广成 ， 谢友均 ( 1 昆明铁路局 ， 云南 昆明 6 5 0 0 0 0 ； 2 中南大学 土木建筑学院， 湖南 长沙 4 1 0 0 7 5 ) 摘要： 为掌握实际服役条件下铁路隧道结构衬砌混凝土的硫酸盐腐蚀劣化规律， 基于对硫酸盐环境下服役近4 o a的 1 0 多座既有铁路隧道衬砌混凝土病害情况的实地调研和取样分析， 并结合室内宏观、 微观测试， 剖析了硫酸盐侵蚀作用环境 下既有铁路隧道衬砌混凝土的劣化模式， 获得隧道衬砌混凝土病害的关键影响因素， 探讨 了相应的劣化机理。研究成果可 为铁路 隧道 的维修提供 重要技术 支持 。 关键 词 ： 铁路隧道 ； 衬砌混凝土 ； 硫 酸盐 ； 劣化 中图分类 号： T U 5 2 8 文献标 志码 ： A 文章编号 ： 1 6 7 2 7 0 2 9 ( 2 0 1 0 ) 0 30 0 9 1 0 4 I n v e s t i g a t i o n o n d e t e r i o r a t i o n o f l i n i n g c o n c r e t e o f r a i l wa y t u n n e l s u ff e r i n g s u l f a t e a mb i e n t WE N G B i - s h i ， L I X i a o k u n ， L O N G G u a n g c h e n g ， X I E Y o u - j u n ( 1 R a i l w a y B u r e a u o f K u n m i n g ，K u n m i n g 6 5 0 0 0 0， C h i n a ； 2 S c h o o l o f C i v i l a n d A r c h i t e c t u r a l E n g i n e e r i n g ，C e n t r a l S o u t h U n i v e r s i t y ，C h a n g s h a 4 1 0 0 7 5， C h i n a ) Ab s t r a c t ： Th e i n v e s t i g a t i o n s i ns i t o n l i n i n g c o n c r e t e o f s e v e r a l r a i l wa y t u n n e l s s e r v e d i n s u l f a t e a mbi e n t f o r a bo u t f o r t y y e a r s we r e c a r rie d o u t ，a i mi n g a t u n d e r s t a n d i n g t he d e t e rio r a t i o n b e h a v i o r o f l i ni n g c o n c r e t e wi t h r e g a r d t o s p e c i f i e d e n v i r o n me n t Th e d e t e rio r a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s o f l i n i n g c o n c r e t e o f r a i l wa y t u n n e l we r e o b t a i n e d a nd t h e c o r r e s p o n d i n g me c h a n i s m wa s a n a l y z e d a n d p r o p o s e dTh i s a c h i e v e me n t s wi l l pr o v i d e s o me t e c h n i c a l s u p p o r t s f o r c o n s t r u c t i o n o f r a i l wa y t u nn e 1 Ke y wo r ds： r a i l wa y t u n n e l ；l i n i n g c o n c r e t e；s u l f a t e s alt ；d e t e rio r a t i o n 大量的研究和工程实践表明 ： 环境中的可溶性 硫酸盐是造成混凝土( 结构 ) 腐蚀劣化最为重要 的 因素之一 ， 硫酸根离子不仅能与混凝土的水化产物 发生化学腐蚀作用 ， 而且迁移至混凝土内的硫酸盐 还很可能发生结晶膨胀破坏作用 ， 严重影响混凝土 的耐久性 J 。硫酸盐对混凝 土的侵蚀破坏作用 受诸多因素的影响。普遍认为 ， 服役于硫酸盐环境 中的铁路隧道结构的耐久性问题异常复杂 ， 其 中涉 及的侵蚀作用规律及其耐久性建造技 术还亟需进 一 步研究和完善 。硫酸盐环境多分布在我 国 西南地区， 在这些地区的水土环境 中均不同程度地 含有以硫酸根 离子为主的侵蚀性盐类介质。该地 区工程施工条件复杂 ， 隧道工程结构 占有比例大， 施工难度高 ， 且工程施工后常常造成局部环境出现 异常。所修建 的铁路不仅要能够经受既有盐侵蚀 性环境条件的考验， 而且要遭受在工程施工过程中 局部地质条件破坏后 引起 的环境 出现异常条件的 侵蚀作用。因此 ， 如何解决西南地区新建铁路隧道 收稿 日期 ： 2 0 1 0 0 4一l 8 基金项 目： 铁道部科技计划重点项 目( 2 0 0 8 G 0 2 5一C ) 作者简介 ： 翁璧石 ( 1 9 6 5一) ， 男 ， 云南昆明人 ， 高级工程师 ， 从事铁路施工技术项 目管理 的研究 铁 道 科 学 与 工 程 学 报 2 0 1 0年 6 月 结构混凝土抗环境介质的侵蚀作用 ， 保证盐侵蚀环 境下隧道衬砌混凝土结构的耐久性 ， 确保隧道结构 的服役寿命 ， 是有关各方共 同面临的重大技术难 题。为此 ， 本文作者基于对长期处于硫酸盐环境下 的西南地区既有铁路隧道衬砌混凝土结构腐蚀劣 化的实地调研和钻芯取样 ， 解析硫酸盐环境下铁路 隧道衬砌结构腐蚀劣化模式及其规律 ， 以便为确保 我国西南地区新建铁路隧道工程结构耐久性提供 技术支持 。 1 隧道结 构衬 砌混凝 土典 型病 害 模式 实践表明， 铁路隧道在运营中常出现的病害包 括 ， 渗漏水 ( 水害 ) 、 衬砌裂损 、 隧道冻害 、 衬砌 腐 蚀 、 震害和洞内空气污染 、 火灾等病害或威胁 ， 这些 病害与隧道结构所处的环境条件有关。处 于盐侵 蚀环境下的隧道结构工程 ， 除了列车运营长期振动 荷载的作用以外 ， 隧道周边围岩中所含盐类化合物 的成分和比例、 环境温度和湿度的变化 、 隧道防水 层的施工效果以及空气 中的盐 、 水与气体的含量等 环境负荷均严重影响其耐久性。通过深入现场对 处于硫酸盐环境下的十多座铁路隧道的实地考察 ， 发现隧道衬砌混凝土均发生 了不 同程度 的腐蚀劣 化， 其典型的病害型式主要包括 以下 3类。 1 1 隧道衬砌混凝土表面盐结晶严重 所调查的隧道衬砌表面均出现了严重的盐结 晶现象 ， 有些在整个隧道全断面范围均可见盐结 晶 ， 从衬砌的边墙底部到拱顶均发生了盐结晶型侵 蚀破坏现象。现场调查典型结 晶现象如图 1 所示。 ( a ) 成昆铁路云南段壁鸡关隧道； ( b ) 成昆铁路云南段法拉隧道 图 1 既有隧道衬砌表面盐结晶现象 Fi g 1 S a l t c r y s t a l l i z a t i o n o n s u r f a c e o f t un n e l l i ni n g c o n c r e t e 1 2 衬砌混凝土表面脱落 从所调查的现场可发现 ， 不少衬砌混凝土表面 出现较大块的脱落、 掉块现象 ； 同时， 混凝土表层脱 落部位存在盐结晶现象， 如图 2所示。 一 一 图2 衬砌混凝土表面脱落掉块现象 F i g 2 C o n c r e t e s c a l l i n g o ff f r o m s u rfa c e o f t u n n e l l i n i n g 1 3 衬砌混凝土表层严重腐蚀变质 对于存在大量盐结晶体和饱和硫酸盐溶液的 部位 ， 如排水沟附近、 排水管破裂处或是存在明显 水溶液渗透部位， 衬砌混凝土 出现严重腐蚀变质 ， 腐蚀产物呈膨胀 、 溃散状的无胶结力的多孔物质 ， 其腐蚀深度最 深达 6 0 mm， 如 图 3所示。可 以看 到 ： 西南地区水土中所含硫酸盐盐类化合物对铁路 隧道衬砌混凝土结构具有很强的侵蚀破坏作用 ， 引 起衬砌混凝土结构出现酥松 、 软化、 剥落等劣化现 象， 从而影响隧道衬砌结构的整体承载力。从破坏 的表现形式来看 ， 这种侵蚀破坏模式与其他非盐类 环境存在不同。为进一步对这些侵蚀破坏现象进 行分析， 以下结合对现场取 回的芯样试件进行进一 步研 究 一 图 3 衬砌 混凝 土表层腐蚀现 象 Fi g 3 Ch e mi c a l c o r r o s i o n o f c o n c r e t e o n t u nn e l l i n i n g s u rfa c e 2 隧道衬砌混凝土腐蚀机理 针对隧道衬砌外观腐蚀破坏情况 ， 选择有代表 性的破坏断面钻取混凝土芯样 ， 以分析隧道衬砌混 凝土腐蚀破坏机理。 2 1 混凝土劣化特征 根据现场调研结果 ， 并结合外观情况在室内对 从现场取回的混凝土进行分类 ， 如 图 46所示。 可见 ： 所取芯样试件均发生了严重的腐蚀破坏。结 合混凝土科学 、 物理化学等知识可知 ， 其各 自产生 的腐蚀破坏型式及其机理存在差别。图 4所示 的 混凝土出现了灰 白色松软糊状物质 ， 且无胶结作 第 3期 翁璧石， 等： 硫酸盐环境下铁路隧道结构衬砌混凝土病害调查及分析 9 3 用， 原先密实坚硬 的水泥石发生 了腐蚀 变质 ， 水化 产物经与侵蚀性介质作用后生成 了松软无胶结作 用的产物。从图 5可看到： 混凝土芯样试件由表及 里存在大量的晶体状盐类物质 ， 结晶膨胀力使得混 凝土成疏松多孔体。图6所示为长期受水( 盐 ) 溶 液侵滤作用下的混凝土芯样 ， 该芯样试件除表层覆 盖有粉状物质外 ， 内部芯样呈现蜂窝多孔状 ， 大量 水化产物流失 ， 混凝土基本无力学强度。 图 6 盐溶液滤析作用造成的混凝土劣化 Fi g 6 De t e r i o r a t i o n o f c o n c r e t e b y l e a c hi n g r o l e o f s a l t di s s o l u t i o n 2 2混凝 土劣化 机理 分析 从上述各混凝土芯样试件的劣化特征看， 造成 该隧道衬砌混凝土腐蚀破坏的因素并不单一 ， 存在 多种腐蚀作用机制。通过对隧道结构所处的水 、 土 化学分析可知： 该隧道服役环境中所含硫 酸根离子 较多 ， 按照 铁路混凝土结构耐久性设计暂行技术 条件 规定 ， 该环境作用类别为 I I 级化学腐蚀。这 种腐蚀环境对 隧道工程这样 的特殊结构 ( 背面直 接与岩层 、 土、 水及其 中的侵蚀 介质接触 ， 正面临 空 ， 如 图7所示) 具有严重的侵蚀作用。其主要硫 酸盐类 的侵蚀机理如下 。 2 2 1 硫 酸盐 的物理 结 晶侵 蚀作 用 隧道是埋 置于地 ( 岩土 ) 层 中的工程建筑物 ， 岩土层中的水、 侵蚀性介质 由于扩散 、 渗透等作用 会逐渐迁移至具有多孔特性的隧道混凝土结构 中， 由于蒸发作用( 特别是在运营过程 中， 列车通过隧 道时产生风速作用使得蒸发作用加快 ) ， 盐类介质 在隧道临空面表层很容易产生物理结晶作用 ， 硫酸 盐结晶体产生膨胀力导致 了混凝土表层剥落。在 本次所调查的隧道结构 中， 隧道衬砌混凝土的硫酸 盐物理结晶侵蚀作用 占有很大的比例 ， 在图 1图 3中均可见到。 隧道背面与 岩 、土层接 图 7隧道 剖面示意图 Fi g 7 S c h e ma t i c di a g r a m o f t u n ne l p r o f i l e 2 2 2 硫 酸 盐与 碳 酸 盐 共 同作 用 下 的 化 学侵 蚀 作 用 混凝土在硫酸盐与碳酸盐共同作用下， 很可能 产生另一种硫酸盐型化学腐蚀作用 ， 并形成碳硫硅 钙石( t h a u m a s t i e ) 腐蚀 产物 ， 该腐蚀产物呈现灰 白 色糊状 ， 是由硫酸根离子、 碳酸根离子以及水化硅 酸钙凝胶等共同反应形成 的， 其化学反应按式 ( 1 ) 进行 ， 但其 在酸性环境 下又会按式 ( 2) 的方式 分 解 。这种腐蚀作用 已在众多工程 实践 中发现 ， 包括地下基础工程 、 隧道工程等 。 。本文调查 的 隧道 内边墙底部排水沟附近位置中也发现存在这 种腐蚀作用 ， 混凝土变成 了灰 白色糊状物质 ， 如图 4所示。这主要是衬砌边墙底部的排水沟附近 ， 常 年潮湿 ， 温度一般较低 ， 且空气 中的二氧化碳气体 溶于水形成碳酸根离子， 在此环境下 ， 硫酸根离子 、 碳酸根离子与水泥水化凝胶产物极 易产生化学作 用形成碳硫硅钙石而产生侵蚀作用 。 铁 道 科 学 与 工 程 学 报 2 0 1 0年 6月 CS H +s o 一H2 0 6 4 O t 一 0 5 6 0 f l i ： 竺 譬 薯 4 8 o 】 1 l 孟 景 鬈 ： 。 ， as 【l| 4 O O 1 o I I 震 L L i【 五 工上 ： 山 L 凝胶产物分解 ， 从而导致混凝 土变为疏松多孑 L 3 结论 ( I ) 在硫酸盐作用环境下 ， 既有铁路隧道衬砌 混凝土结构的破坏模式主要包括衬砌混凝土表层 产生严重的盐结晶、 表层混凝土剥落以及表层混凝 土腐蚀变质等。 ( 2 ) 硫酸盐的物理结晶膨胀作用、 硫酸盐 和碳 酸盐共同作用下形成碳硫硅钙石化学腐蚀、 高浓度 硫酸盐作用下的石膏型化学腐蚀以及盐溶液的滤 析作用是服役于硫酸盐环境下铁路隧道衬砌混凝 土腐蚀破坏的主要原 因， 其腐蚀作用的本质是 ： 环 境中的硫酸盐侵蚀介质迁移至多孔的混凝土内， 并 在一定温度和湿度条件下发生物理、 化学作用过 程 。 参考文献 ： I Me t h a P K D u r a b i l i t y -C r i t i c a l i s s u e s f o r t h e f u t u r e J C o n c r e t e I n t e r n a t i o n al， 1 9 9 7 ，1 9( 7 ) ： 2 7 3 1 2 F r e d r i k P ， G I a s s e r F D， Ma r c h a n d J ， e t a 1 D u r abi l i t y o f c o n c r e t e_ De g r a d a t i o n p h e n o me n a i n v o l v i n g d e t rime n t a l c h e m i c al r e a c t i o n s J C e m e n t a n d C o n c re t e R e s e a r c h ， 2 0 0 8 ， 3 8 ( 2 ) ： 2 2 62 4 6 3 N e v i l l E A T h e c o n f u s e d w o d d of s u l f a t e a t t a c k o n c o n c r e t e J C e m e n t a n d C o n c ret e R e s e a r c h ，2 0 0 4 ，3 4 ( 8 ) ： 1 2 7 51 2 9 6 4 R i c h a r d s J A I n s p e c t i o n ， m a i n t e n a n c e and r e p air of t u n - n e l s ：i n t e rna t i o n al l e s s o n s a n d p r a c t i c e J T u n n e l l i n g a n d U n d e r g r o u n d S p a c e T e c h n o l o g y ， 1 9 9 8 ， 1 3 ( 4 ) ： 3 9 9 3 7 5 5 R o m e r M， H o l z e r L ， P fi ff n e r MS w i s s t u n n e l s t r u c t u r e s ： c o n c r e t e d a m a g e b y f o r m a ti o n o f t h anma s i t e J C e me n t a nd Co nc r e t e Co mp o s i t e s ，2 0 03，2 5：1 11 11 11 7 6 B a o g u o M a ，X i a o j i a n G a o ， E w an A B y a r s ， e t a1 Tha u m - a s i t e f o rm a t i o n i n a t u nn e l o f Ba p a n x i a Dam i n We s t e r n C h i n a J 1C e m e n t and C o n c r e t e R e s e a r c h ，2 0 0 6 ， 3 6 ( 4 ) ： 7 1 6 7 2 2 7 邓彦成 铁路隧道常见病害原因及防治 J 科技创新 导报 ， 2 0 0 8 ( 2 9 ) ： 6 1 6 2 DE NG Y a n c h e n g Me c h a n i s m o f d e r t e r i o r a t i o n o f r a i l w a y t u n n e l and i t s p r o t e c t i o n J S c i e n c e and T e c h n o l o g y I n - n o v a t i o n ， 2 0 0 8 ( 2 9 ) ： 6 1 6 2 8 H a g e l i a P ， S i b b i c k R G， C r ammo n d N J ， e t a1 T h a u m a - s i t e a n d s e c o n d a r y c a l c i t e i n s o me N o r w e g i an c o n c r e t e s J C e m e n t& C o n c re t e C o m pos i t e s ， 2 0 0 3 ， 2 5 ： 1 1 3 1一 l 】 4 0