鐵路隧道防腐抗?jié)B支護(hù)混凝土的試驗(yàn)研究

1、水泥混凝土防腐抗?jié)B技術(shù)研究的進(jìn)展

1．1 水泥混凝土抗硫酸鹽侵蝕技術(shù)的基本情況及其進(jìn)展

大多數(shù)土壤中都含有一些硫酸鹽，若其硫酸鹽濃度低，則對(duì)混凝土不會(huì)產(chǎn)生顯著的影響；若硫酸鹽濃度高，則可對(duì)其建筑物或構(gòu)筑物的地下部分，如橋梁、隧道、涵洞和房屋的基礎(chǔ)產(chǎn)生顯著的破壞作用。這種破壞可能以膨脹形式出現(xiàn)而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)位移。例如，前東德Magdeburg城泉水的SO-24含量達(dá)2040mg/L，在4年內(nèi)由于混凝土膨脹使ELbe河橋樁升高8cm，造成嚴(yán)重開裂，導(dǎo)致拆除并重建這些橋樁。硫酸鹽膨脹也可使混凝土中的水泥水化產(chǎn)物喪失膠凝性，呈酥松狀或糊狀。例如，加拿大西部大草原土壤含堿的硫酸鹽濃度高達(dá)15%(地下水經(jīng)常含有硫酸鹽4000gm/L～9000mg/L)，由于硫酸鹽侵蝕，混凝土呈多孔和酥松，最終成為無粘結(jié)力的物質(zhì)。我國(guó)隧道工程中也常遇到硫酸鹽濃度高的地質(zhì)環(huán)境。例如青藏鐵路要經(jīng)過硫酸鹽濃度相當(dāng)高的鹽湖地區(qū)，云貴高原的山地。雖然我國(guó)已有抗硫酸鹽水泥的標(biāo)準(zhǔn)，但對(duì)如何配制和澆筑抗硫酸鹽混凝土仍缺乏足夠的施工技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)。

中國(guó)水科院西北科研所曾對(duì)不同品種水泥的抗硫酸鹽性能進(jìn)行了對(duì)比性試驗(yàn)。試驗(yàn)采用了被認(rèn)為具有較高抗硫酸鹽性的4種水泥：抗硫酸鹽硅酸鹽水泥，抗硫酸鹽礦渣水泥，中熱硅酸鹽水泥，低熱微膨脹水泥?？垢g性試驗(yàn)采用GB749-65及GB2420-80，并采用抗蝕系數(shù)K進(jìn)行抗硫酸鹽性能的評(píng)價(jià)。

甘肅省八盤峽水電站與中國(guó)水科院合作，于96年對(duì)該水電站大壩左平洞內(nèi)的支護(hù)混凝土硫酸鹽腐蝕問題進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。洞內(nèi)地下水的SO-24 含量6000~15000mg/L，Mg+2含量900~2100mg/L，屬高濃度的硫酸鹽與鎂鹽綜合腐蝕環(huán)境。經(jīng)材料對(duì)比性試驗(yàn)及平洞內(nèi)的現(xiàn)場(chǎng)澆筑混凝土驗(yàn)證，與抗硫酸鹽水泥相比，采用低熱礦渣水泥配制的混凝土具有優(yōu)良的抗硫酸鹽性能。

南京水科院于99年對(duì)新疆“635”水利樞紐發(fā)電引水豎井內(nèi)支護(hù)混凝土的硫酸鹽腐蝕問題進(jìn)行了試驗(yàn)研究與現(xiàn)場(chǎng)換填混凝土施工。豎井內(nèi)地下水的SO-24 含量8645~12487mg/L，Mg+2含量2675mg/L，pH3~4，屬高濃度硫酸鎂腐蝕環(huán)境。換填混凝土采用抗硫酸鹽硅酸鹽水泥和礦渣粉配料，豎井壁的支護(hù)混凝土按分段換填法施工。防滲砂漿采用丙烯酸乳液與砂組成的聚合物砂漿——用于漏水孔縫的堵漏。該防腐堵漏工程完成2年后回訪，防腐堵漏效果顯著而無任何新的滲漏和腐蝕問題。

1．2水泥混凝土抗裂、抗?jié)B技術(shù)的基本情況及進(jìn)展。

建筑結(jié)構(gòu)裂縫控制是個(gè)系統(tǒng)工程，近十年多來，我國(guó)工民建向長(zhǎng)大化、復(fù)雜化發(fā)展，商品混凝土普及應(yīng)用，混凝土強(qiáng)度等級(jí)從C30向C50發(fā)展，這些因素導(dǎo)致鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)開裂的機(jī)率增多。摻膨脹劑的補(bǔ)償收縮混凝土在防止和大大減輕混凝土開裂作出了積極貢獻(xiàn)。經(jīng)十多年來的開發(fā)應(yīng)用，我國(guó)混凝土膨脹劑得到較廣泛的應(yīng)用，累計(jì)總量約200萬噸，以膨脹劑平均摻量40kg/m3計(jì)，折合補(bǔ)償收縮混凝土近5000萬M3。其中UEA膨脹劑約占總量的80％左右。在各種抗裂防滲工程應(yīng)用中總的效果是良好的。

膨脹劑主要功能是補(bǔ)償混凝土硬化過程中的干縮和冷縮。為減免收縮開裂，它可以應(yīng)用于各種抗裂防滲混凝土，尤其適用于與防水有關(guān)的地下、水工、海工、地鐵、隧道和水電等鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)工程。?選用膨脹劑時(shí)，首先檢驗(yàn)它是否達(dá)到《混凝土膨脹劑》建材行業(yè)JC476-2001標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)膨脹劑有三種類型：硫鋁酸鈣類氧化鈣-硫鋁酸鈣類和氧化鈣類。由于鈣礬石的化學(xué)穩(wěn)定性和耐水性優(yōu)良，國(guó)內(nèi)外絕大多數(shù)生產(chǎn)硫鋁酸鈣類膨脹劑。CaO水化生成Ca(OH)2可以產(chǎn)生膨脹，但Ca(OH)2在壓力水下易溶解，所以GBJ119規(guī)范中規(guī)定，含CaO膨脹劑不得使用在地下，海工等防水工程中，目前只有北京市有兩家生產(chǎn)CEA。用戶應(yīng)根據(jù)不同性質(zhì)的工程，選用恰當(dāng)類型的膨脹劑。

2、混凝土結(jié)構(gòu)裂縫產(chǎn)生的原因

結(jié)構(gòu)裂縫產(chǎn)生的原因很復(fù)雜，根據(jù)國(guó)內(nèi)外的調(diào)查資料，引起裂縫有兩大類原因，一種由外荷載的直接應(yīng)力和結(jié)構(gòu)次應(yīng)力引起的裂縫，其機(jī)率約20%；一種是結(jié)構(gòu)因溫度、膨脹、收縮、徐變和不均勻沉降等因素由變形變化引起的裂縫，其機(jī)率約80%。

2.1材料缺陷

在變形裂縫中收縮裂縫占有80%的比例，從砼的性質(zhì)來說大概有：

2.1.1 干燥收縮

研究表明，水泥加水后變成水泥硬化體，其絕對(duì)體積減小。每100克水泥水化后的化學(xué)減縮值為7～9ml，如砼水泥用量為350kg/m3，則形成孔縫體積約25～30升/m3之巨。這是砼抗拉強(qiáng)度低和極限拉伸變形小的根本原因。研究表明，每100克水泥漿體可蒸發(fā)水約6ml，如砼水泥用量為350kg/m3，當(dāng)砼在干燥條件下，則蒸發(fā)水量達(dá)21升/m3。毛細(xì)孔縫中水逸出產(chǎn)生毛細(xì)壓力，使砼產(chǎn)生“毛細(xì)收縮”。由此引起水泥砂漿的干縮值為0.1～0.2%；砼的干縮值為0.04～0.06%。而砼的極限拉伸值只有0.01～0.02%，故易引起干縮裂縫。

2.1.2 溫差收縮

水泥水化是個(gè)放熱過程，其水化熱為165～250焦?fàn)?克，隨砼水泥用量提高，其絕熱溫升可達(dá)50～80℃。研究表明，當(dāng)砼內(nèi)外溫差10℃時(shí)，產(chǎn)生的冷縮值εc=△T／α=10/1×10-5=0.01%，如溫差為20～30℃時(shí)，其冷縮值為0.02～0.03%，當(dāng)其大于砼的極限拉伸值時(shí)，則引起結(jié)構(gòu)開裂。

2.1.3塑性收縮

砼初凝之前出現(xiàn)泌水和水份急劇蒸發(fā)，引起失水收縮，此時(shí)骨料與水泥之間也產(chǎn)生不均勻的沉縮變形，它發(fā)生在砼終凝之前的塑性階段，故稱為塑性收縮。其收縮量可達(dá)1%左右。在砼表面上，特別在抹壓不及時(shí)和養(yǎng)護(hù)不良的部位出現(xiàn)龜裂，寬度達(dá)1～2mm，屬表面裂縫。水灰比過大，水泥用量大，外加劑保水性差，粗骨料少，振搗不良，環(huán)境溫度高，表面失水大等都能導(dǎo)致砼塑性收縮而發(fā)生表面開裂現(xiàn)象。

2.1.4自生收縮

密封的砼內(nèi)部相對(duì)濕度隨水泥水化的進(jìn)展而降低，稱為自干燥。自干燥造成毛細(xì)孔中的水分不飽和而產(chǎn)生負(fù)壓，因而引起砼的自生收縮。高水灰比的普通砼由于毛細(xì)孔隙中貯存大量水分，自干燥引起的收縮壓力較小，所以自生收縮值較低而不被注意。但是，低水灰比的高性能砼則不同，早期強(qiáng)度較高的發(fā)展率會(huì)使自由水消耗較快，以至使孔體系中的相對(duì)濕度低于80%。而HPC結(jié)構(gòu)致密，外界水很難滲入補(bǔ)充，在這種條件下開始產(chǎn)生自干收縮。研究表明，齡期2個(gè)月水膠比為0.4的HPC，自干收縮率為0.01%，水膠比為0.3的HPC，自干收縮率為0.02%。HPC的總收縮中干縮和自收縮幾乎相等，水膠比越小自收縮所占比例越大。由此可知，HPC的收縮性與OPC完全不同，OPC以干縮為主，而HPC以自干收縮為主。問題的要害是：HPC自收縮過程開始于水化速率處于高潮階段的頭幾天，濕度梯度首先引發(fā)表面裂縫，隨后引發(fā)內(nèi)部微裂縫，若砼變形受到約束，則進(jìn)一步產(chǎn)生收縮裂縫。這是高標(biāo)號(hào)砼容易開裂的主要原因之一。

2.1.5減水劑的影響

人們發(fā)現(xiàn)，自八十年代中期推廣商品砼以來，結(jié)構(gòu)裂縫普遍增多，這是為什么呢？除了與砼的水泥用量和砂率提高有關(guān)外，人們忽視了減水劑引起的負(fù)面影響。例如過去干硬性及預(yù)制砼的收縮變形約為4～6×10-4，而現(xiàn)在泵送砼收縮變形約為6～8×10－4，使得砼裂縫控制的技術(shù)難度大大增加。研究表明，在砼配合比相同情況下，摻入減水劑的坍落度可增加100～150mm，但是它與基準(zhǔn)砼的收縮值相比，卻增加120～130%。所以，在《砼減水劑》規(guī)范GB138076-97中規(guī)定摻減水劑的砼與基準(zhǔn)砼的收縮比≤135%。研究表明，摻入不同類型的減水劑砼的收縮比是不相同的，一般是：木鈣減水劑>萘磺酸鹽減水劑>三聚氰胺減水劑>氨基磺酸減水劑>聚丙烯酸減水劑。這說明商品砼澆筑的結(jié)構(gòu)開裂機(jī)率大與減水劑帶來負(fù)面影響有關(guān)。其機(jī)理尚不清楚。

2.1.6 砼后期膨脹出現(xiàn)裂縫，主要是：

水泥中游離CaO過高，Ca(OH)2體積膨脹所致；

水泥中MgO過高，Mg(OH)2體積膨脹所致；

水泥和外加劑堿含量過高，與集料中活性硅等發(fā)生堿-集料反應(yīng)所致；

有害離子Cl-、、Mg++等侵入砼內(nèi)部，導(dǎo)致鋼筋銹蝕或形成二次鈣礬石膨脹破壞所致。

2.1.7 徐變

結(jié)構(gòu)物在任意內(nèi)應(yīng)力作用下，除瞬間彈性變形外，其變形值隨時(shí)間的延長(zhǎng)而增加的現(xiàn)象稱為徐變變形。砼拉徐變時(shí)對(duì)抗裂有利，一般可以提高鋼筋砼極限拉伸值50%左右。而砼壓徐變很小，一般把收縮變形與徐變變形的計(jì)算一并加以考慮。