铁路隧道防腐抗渗支护混凝土的试验研究

王志广

（中铁十九局矿业公司，浙江 江山 324100）

1 水泥混凝土防腐抗渗技术研究的进展

1.1 水泥混凝土抗硫酸盐侵蚀技术的基本情况及其进展

大多数土壤中都含有一些硫酸盐，若其硫酸盐浓度低，则对混凝土不会产生显著的影响；若硫酸盐浓度高，则可对其建筑物或构筑物的地下部分，如桥梁、隧道、涵洞和房屋的基础产生显著的破坏作用。这种破坏可能以膨胀形式出现而导致结构位移。例如，前东德Magdeburg城泉水的SO-24含量达2040mg/L，在4年内由于混凝土膨胀使Elbe河桥桩升高8cm，造成严重开裂，导致拆除并重建这些桥桩。硫酸盐膨胀也可使混凝土中的水泥水化产物丧失胶凝性，呈酥松状或糊状。例如，加拿大西部大草原土壤含碱的硫酸盐浓度高达1 5%（地下水经常含有硫酸盐4000gm/L～9000mg/L），由于硫酸盐侵蚀，混凝土呈多孔和酥松，最终成为无粘结力的物质。我国隧道工程中也常遇到硫酸盐浓度高的地质环境。例如青藏铁路要经过硫酸盐浓度相当高的盐湖地区，云贵高原的山地。虽然我国已有抗硫酸盐水泥的标准，但对如何配制和浇筑抗硫酸盐混凝土仍缺乏足够的施工技术和经验。

2 混凝土结构裂缝产生的原因

结构裂缝产生的原因很复杂，根据国内外的调查资料，引起裂缝有两大类原因，一种由外荷载（如静、动荷载）的直接应力和结构次应力引起的裂缝，其机率约20%；一种是结构因温度、膨胀、收缩、徐变和不均匀沉降等因素由变形变化引起的裂缝，其机率约80%。

2.1 材料缺陷在变形裂缝中收缩裂缝占有80%的比例，从砼的性质来说大概有：

2.1.1 干燥收缩研究表明，水泥加水后变成水泥硬化体，其绝对体积减小。每100克水泥水化后的化学减缩值为7～9ml，如砼水泥用量为350kg/m3，则形成孔缝体积约25～30升/m3之巨。这是砼抗拉强度低和极限拉伸变形小的根本原因。研究表明，每100克水泥浆体可蒸发水约6ml，如砼水泥用量为350kg/m3，当砼在干燥条件下，则蒸发水量达21升/m3。毛细孔缝中水逸出产生毛细压力，使砼产生“毛细收缩”。由此引起水泥砂浆的干缩值为0.1～0.2%；砼的干缩值为0.04～0.06%。而砼的极限拉伸值只有 0.01～0.02%，故易引起干缩裂缝。

2.1.2 温差收缩水泥水化是个放热过程，其水化热为165～250焦尔/克，随砼水泥用量提高，其绝热温升可达50～80℃。研究表明，当砼内外温差10℃时，产生的冷缩值εc=△T／α=10/1×10-5=0.01%，如温差为 20～30℃时，其冷缩值为0.02～0.03%，当其大于砼的极限拉伸值时，则引起结构开裂。

2.1.3 塑性收缩砼初凝之前出现泌水和水份急剧蒸发，引起失水收缩，此时骨料与水泥之间也产生不均匀的沉缩变形，它发生在砼终凝之前的塑性阶段，故称为塑性收缩。其收缩量可达1%左右。在砼表面上，特别在抹压不及时和养护不良的部位出现龟裂，宽度达1～2mm，属表面裂缝。水灰比过大，水泥用量大，外加剂保水性差，粗骨料少，振捣不良，环境温度高，表面失水大等都能导致砼塑性收缩而发生表面开裂现象。

2.1.4 自生收缩密封的砼内部相对湿度随水泥水化的进展而降低，称为自干燥。自干燥造成毛细孔中的水分不饱和而产生负压，因而引起砼的自生收缩。高水灰比的普通砼（OPC）由于毛细孔隙中贮存大量水分，自干燥引起的收缩压力较小，所以自生收缩值较低而不被注意。但是，低水灰比的高性能砼（HPC）则不同，早期强度较高的发展率会使自由水消耗较快，以至使孔体系中的相对湿度低于80%。而HPC结构致密，外界水很难渗入补充，在这种条件下开始产生自干收缩。研究表明，龄期2个月水胶比为0.4的HPC，自干收缩率为0.01%，水胶比为0.3的HPC，自干收缩率为0.02%。HPC的总收缩中干缩和自收缩几乎相等，水胶比越小自收缩所占比例越大。由此可知，HPC的收缩性与OPC完全不同，OPC以干缩为主，而HPC以自干收缩为主。问题的要害是：HPC自收缩过程开始于水化速率处于高潮阶段的头几天，湿度梯度首先引发表面裂缝，随后引发内部微裂缝，若砼变形受到约束，则进一步产生收缩裂缝。这是高标号砼容易开裂的主要原因之一。

3 水泥混凝土防腐抗渗的基本原理

3.1 水泥混凝土的特性

水泥混凝土既没有钢材那样坚强，也没有钢材那样刚韧，为什么它是应用最广泛的工程材料呢？这有很多原因。首先，混凝土具有十分良好的抗水性。不象木材和普通钢材那样，混凝土能经受水的作用而不产生严重的变质，使它成为建造控制、贮蓄和运输水的结构物的理想材料。在水坝、渠道、水管和蓄水池工程中采用混凝土，在全世界几乎是到处可见。混凝土对一些具有侵蚀性水的耐受性，使得它的用途推广到许多有害工业和自然环境中去。暴露于潮湿环境中的结构构件：如桩、基础、地板、梁、柱、屋顶、外墙和路面，经常都用混凝土或钢筋混凝土来制造。钢筋混凝土在设计时，假定钢筋和混凝土这两种材料能共同承受力的作用。予应力混凝土是张拉混凝土中的钢筋或钢丝束，引入一定大小或-定分布的予应力，在一定的程度上抵消了由施加的荷载所产生的拉应力。可以肯定，极大数量的混凝土是用于制造钢筋混凝土或者预应力混凝土构件的。

3.2 复杂的微观内应力（变形）状态

如果将一块混凝土按比例放大，就可看作由粗骨料和硬化的水泥砂浆这两种性质迥异的主要材料构成的非线性、三维实体结构物。在承受荷载之前和之后，都存在十分复杂的微观应力（应变）场。这正是混凝土材性变化大和性能指标离散的主要原因。

3.3 变形的多元组成

混凝土承受的应力作用或环境条件的变化都将发生相应的变形，它们主要由三部分组成：

粗细骨料的弹性变形--占混凝土体积中绝大部分的砂石，本身的强度和弹性模量均高出混凝土的很多，在达到混凝土的最大应力（极限强度）时其变形一般仍在弹性范围以内，即变形与应力值成正比，卸载后变形可全部恢复，不留残余应变。

水泥凝胶体的粘性流动--水泥水化作用形成的凝胶体在数十年内还不是一种形状绝对固定的材料（尽管其变形量很小）。在应力作用下，除了即时发生的变形外，还将随时间的延续而发生缓慢、但逐渐收敛的粘性流动，使混凝土的变形不断增长，从而构成塑性变形。当应力卸除后，即时恢复的变形有限，随后恢复的变形虽在继续，但始终仍存在较大的残余变形。混凝土承受的应力越大。则塑性变形和残余变形增加越多。

微裂缝的形成和扩展--拉应力作用下，在应力的垂直方向形成微裂缝，并迅速扩展，使拉应变大大增加。压应力作用下，在大致平行于应力方向形成纵向裂缝，穿过骨料界面和水泥砂浆，减弱了相邻部分的联系；裂缝端部的局部集中应力造成水泥砂浆的损伤。形成薄弱区，使纵向变形增大许多。在峰值应力后，虽然混凝土的应力减小，但变形将继续增大。全部卸载后，这部分变形基本上不能恢复。

[1]史常青.确保铁路隧道不渗不漏的施工技术研究[J].铁道标准设计，2005-02-20.