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528400;2.东湖学院，湖北武汉430212; 3.中交第二公路勘察设计研究院有限公司，湖北武汉430052)

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1，王静2，吴银亮3

(1.中交路桥华南工程有限责任公司，广东中山528400;2.东湖学院，湖北武汉430212; 3.中交第二公路勘察设计研究院有限公司，湖北武汉430052)

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。

扫描电子显微镜 硫酸盐侵蚀 配合比设计 隧道

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［1］，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［2］。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(SEM)成像方法［3］，分析硫酸盐对隧道混凝土的侵蚀机理［4］，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［5］，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S1和S2，室内进行能谱分析，结果见表1。这些值与石膏岩中CaO的理论含量32.6%，SO3的理论含量46.5%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含量，将样品S2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%

表2 石膏岩样S2化学成分全分析结果%

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Ca(OH)2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(AFm)反应生成膨胀性物质三硫型水化硫铝酸钙(AFt)，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(AFm)继续反应，形成膨胀性物质三硫型水化硫铝酸钙(AFt)，骨料—浆体界面的膨胀应力达到一定程度时将会开裂，从而降低混凝土强度，这也是一种硫酸盐侵蚀(内部侵蚀)方式。

不论是何种侵蚀方式，发生的最基本的化学反应及机理是一致的，故在此以内部侵蚀为重点进行水泥净浆试验［6］。水泥净浆试验是采用铝酸盐水泥(铝酸三钙含量高，加快反应速度)制作净浆试块，并在试块成形前将石膏岩块埋入试块内部，观察试块碎裂状况，并在试块碎裂后提取石膏表面物质进行微观测试，从而对石膏岩区混凝土侵蚀机理进行分析。

2.2 石膏岩对混凝土的侵蚀机理分析

通过水泥净浆试验发现，当石膏岩与水泥接触一段时间后，试块的表面便出现开裂现象(见图1)，将水泥内包裹的石膏岩取出后，发现岩石表面附着了较多的膏状物(见图2)。

图1 试块崩裂状况

图2 试块内部石膏岩表面附着物

将石膏岩表面的膏状物刮下后在扫描电镜(SEM)下进行微观分析(见图3)，可以看到明显的钙矾石针状结晶，说明铝酸盐水泥浆体与石膏接触的表面生成了大量的钙矾石，钙矾石吸水膨胀而产生巨大的内应力致使试块崩裂。

为了进一步探讨石膏岩作为混凝土集料对混凝土的侵蚀破坏作用，将试块中混凝土与骨料接触面进行扫描电镜测试。图4很好地反映了石膏岩作为集料时试块内部大量生成钙矾石的状况。由于钙矾石呈针状结晶向四周伸展，自身也会膨胀变大，直接对骨料接触面造成破坏，而骨料接触面又是混凝土结构中最脆弱的部位，膨胀率与强度的减少有直接关系，若膨胀发生在骨料接触面这种关键部位则会对试块的整体强度产生更大的影响。

图3 石膏岩表面附着物SEM图片(×2 000倍)

图4 试块与石膏岩集料接触面SEM图片(×2 000倍)

3 隧道二次衬砌高性能防腐蚀混凝土配合比设计及验证

3.1 隧道二次衬砌混凝土结构耐久性设计要求

依据相关规范［7-10］对隧道二次衬砌混凝土耐久度方面的建议及规定，对高性能防腐混凝土配合比进行设计时，水灰比不大于0.42，选用高抗硫酸盐水泥，掺加Ⅰ级粉煤灰或S95级矿渣粉，掺量20%～40%，混凝土强度等级提高至C35，抗渗等级S12、氯离子扩散系数(28 d龄期时采用非稳态氯离子快速迁移试验方法(RCM法)测试)宜≤5×10－12m2/s，胶凝材料抗硫酸盐侵蚀系数宜≥12，钢筋保护层厚度提高至40 mm。

3.2 高性能防腐蚀混凝土配合比设计

根据上述建议及规定，采用42.5普通硅酸盐水泥或高抗硫酸盐水泥、S95级矿渣粉和Ⅰ级粉煤灰作为胶凝材料，矿渣粉和粉煤灰掺量为20%～40%，并在30%矿渣粉掺量下加入聚丙烯纤维［11］和聚酯纤维［12］，具体配合比设计如表3所示。表中，OPC表示试验所用水泥为42.5普通硅酸盐水泥，除OPC外其它配比均釆用42.5高抗硫酸盐水泥。F20～F40表示粉煤灰掺量为20%～40%，K20～K40表示矿渣粉掺量为20%～40%，JZ表示在30%矿渣粉掺量下掺加聚酯纤维，JBX表示在30%矿渣粉掺量下掺加聚丙烯纤维。

表3 石膏围岩中高性能防腐蚀混凝土配合比设计

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28 d的强度以及28 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，掺入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。

［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，1985(5):7-10.

［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，2013.

［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)，2008，29(1):104-106.

［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，2010(4):104-106.

［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，2014(4):134-137.

［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，1992，19(8):472-474.

［7］中华人民共和国住房和城乡建设部.GB/T 50476—2008混凝土结构耐久性设计规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，2009.

［8］中华人民共和国建设部.GB 50021—2001岩土工程勘察规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，2002.

［9］中华人民共和国交通部.JTG/T B07-01—2006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，2006.

［10］中华人民共和国住房与城乡建设部.JGJ 55—2011普通混凝土配合比设计规程［S］.北京:中国建筑工业出版社，2011.

［11］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，2005.

［12］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，2015，14(1):38-42.

(责任审编葛全红)

TU451

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.06.19

1003-1995(2015)06-0072-03

2014-12-10;

2015-04-19

唐清宽(1964—)，男，陕西蒲城人，高级工程师。