硫酸鹽環(huán)境下水穩(wěn)基層的病害分析及防治措施

許 剛

(新疆市政建筑設(shè)計研究院有限公司，新疆 烏魯木齊 830063)

硫酸鹽環(huán)境下水穩(wěn)基層的病害分析及防治措施

許 剛

(新疆市政建筑設(shè)計研究院有限公司，新疆 烏魯木齊 830063)

介紹了水泥穩(wěn)定砂礫基層的作用機理，分析了硫酸鹽環(huán)境對水泥穩(wěn)定砂礫基層結(jié)構(gòu)及強度的影響，并針對該環(huán)境下水穩(wěn)基層常見的病害類型，提出了一些防治建議，從而確保道路的正常運營。

道路基層，水泥穩(wěn)定砂礫，硫酸鹽環(huán)境，擋水墻

0 引言

1892年，Michalis(米哈埃利斯)在侵蝕的混凝土中發(fā)現(xiàn)了一種針粒狀晶體，并稱之為“水泥桿菌”，實質(zhì)上是水化三硫鋁酸鈣，它使硬化的混凝土開裂，這是最早的硫酸鹽侵蝕研究。1902年蘇聯(lián)發(fā)現(xiàn)了環(huán)境水侵蝕事例，此后各國相繼發(fā)現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)受環(huán)境水侵蝕的事例。除此以外，我國在硫酸鹽侵蝕方面也做了相應(yīng)研究，于二十世紀五六十年代初期，主要研究了抗硫酸鹽侵蝕的試驗方法和破壞機理，認為硫酸鹽侵蝕是所有化學腐蝕中對混凝土或水泥制品影響最大的腐蝕。隨著GB/T 50476—2008混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計規(guī)范的正式頒布，標志著我國在硫酸鹽侵蝕研究和應(yīng)用方面有了較大的發(fā)展，該規(guī)范對面臨硫酸鹽困擾的混凝土工程有很好的現(xiàn)實指導(dǎo)意義。

在道路建設(shè)過程中，水泥穩(wěn)定砂礫被廣泛用來作為新建道路基層，而由于項目區(qū)域性差異較大，是否能夠采取合理的處理措施將直接影響到工程整體質(zhì)量，故本文針對硫酸鹽侵蝕環(huán)境下，水泥穩(wěn)定砂礫基層常見病害提出相應(yīng)處置措施。

1 水泥穩(wěn)定砂礫基層作用機理分析

在城市道路工程建設(shè)過程中，水泥穩(wěn)定砂礫作為半剛性基層，極大地提高了道路結(jié)構(gòu)強度，延長了道路使用壽命；而對于地域遼闊的新疆來說，水泥穩(wěn)定砂礫的原材料來源廣泛且價廉，故水泥穩(wěn)定砂礫更是被廣泛用于道路工程建設(shè)中。

水+水泥+級配砂礫→水泥穩(wěn)定砂礫，而組成水泥的主要成分有：3CaO·SiO2約占40%，2CaO·SiO2約占35%，3CaO·Al2O3約占6%，4CaO·Al2O3·Fe2O3約占10%，CaSO4約占4%。

水泥與水反應(yīng)之后，主要產(chǎn)生堿性的硅酸鈣、鋁酸鈣和消石灰，硅酸鈣是主要的膠結(jié)成分，而消石灰則沉淀成透明的固體，然而水泥穩(wěn)定土的膠結(jié)作用主要靠硅酸鈣和鋁酸鈣與礦物顆粒表面的結(jié)合，進而提高土體的整體強度。

2 硫酸鹽環(huán)境改變水泥穩(wěn)定砂礫基層的結(jié)構(gòu)及強度

Na2SO4·10H2O+Ca(OH)2→CaSO4·2H2O+2NaOH+8H2O

3(CaSO4·2H2O)+3CaO·Al2O3·6H2O+19H2O→3CaO·Al2O3·3CaSO4·31H2O(鈣礬石)

由于水化鋁酸鈣下硫酸鈣作用生成水化硫酸鋁酸鈣的反應(yīng)是在固相中進行的，其中結(jié)合著大量結(jié)晶水，其體積約為原來水化鋁酸鈣的2.5倍，亦即硫酸鹽與結(jié)硬水泥中的鋁酸三鈣結(jié)合而產(chǎn)生硫酸鋁酸鈣(鈣礬石)，這一新生成物能膨脹，使原來的體積增大，產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力從而破壞水泥穩(wěn)定土的膠結(jié)作用，影響其整體穩(wěn)定性及強度。

3 硫酸鹽環(huán)境下水泥穩(wěn)定砂礫基層的病害防治措施

通過以上分析，以水泥穩(wěn)定砂礫作為基層的道路，在硫酸鹽環(huán)境下若不采用相應(yīng)處置措施，必將嚴重影響道路的使用壽命；一般來說，水泥熟料中的鋁酸三鈣含量、水泥用量和混凝土密實度是影響混凝土抗硫酸鹽腐蝕的三大主要因素，以下依此提出幾點防治措施：

1)采用抗硫酸鹽水泥或控制水泥中的鋁酸三鈣(C3A)含量：抗硫酸鹽水泥主要成分為硅酸鈣，含有較少的鋁酸三鈣(C3A)，試驗表明，無論是外部硫酸鹽侵蝕還是內(nèi)部硫酸鹽侵蝕，均隨著水泥中C3A含量增加而膨脹增大。相對普通硅酸鹽水泥而言，抗硫酸鹽水泥價格有較大提升，必將大大增加道路工程成本，故該處置方式的采用還應(yīng)結(jié)合道路工程項目的具體情況，通過綜合比較后確定。

2)道路采用柔性基層：利用柔性基層代替半剛性基層，亦即級配碎石和級配礫石替代水泥穩(wěn)定砂礫來作為道路基層。由各種大小不同粒級集料組成的混合料，當其級配符合技術(shù)規(guī)范的規(guī)定時，稱其為級配型集料，級配型集料包括級配碎石、級配碎礫石和級配礫石。其中，粗、細碎石集料和石屑各占一定比例的混合料，當其顆粒組成符合密實級配要求時，稱為級配碎石；粗、中、小礫石集料和砂各占一定比例的混合料，當其顆粒組成符合規(guī)定的密實級配要求且塑性指標和承載比均符合規(guī)定要求時，稱為級配礫石。此方式雖然一定程度上解決了水泥穩(wěn)定砂礫的病害，但是采用柔性基層的道路使用壽命也將大大縮短，尤其對于城市主、次干路及快速路。

3)道路采用防、止水措施：在硫酸鹽環(huán)境下，水是水泥穩(wěn)定砂礫基層產(chǎn)生病害的必備條件，若很好的控制水泥穩(wěn)定砂礫基層中含水量，亦能一定程度上避免其病害的出現(xiàn)。一是在車行道兩側(cè)設(shè)置擋水墻(如圖1所示)，深度與路槽深度一致，避免車行道之外流動水直接進入道路結(jié)構(gòu)層，進而影響道路結(jié)構(gòu)層；二是在車行道兩側(cè)設(shè)置防水土工膜(如圖2所示)，深度為深入路槽以下20 cm，其作用原理與擋水墻一致，且具有工程成本低的優(yōu)點，但其耐久性較差且防水功能易遭到破壞。

4 工程實例

4.1 工程概況

阿拉爾市塔里木大道改擴建工程，該道路為城市主干路，總長度為6 531.90 m，本次建設(shè)總寬度為58.0 m，其中6.0 m人行道+4.5 m非機動車道+5.75 m綠化帶+10.75 m機動車道+4 m中央分隔帶+ 10.75 m機動車道+5.75 m綠化帶+4.5 m非機動車道+6.0 m人行道，總寬度58 m。

項目區(qū)域場地土對混凝土具有中腐蝕，對混凝土中的鋼筋具有中腐蝕；場地地下水埋深在2.5 m～3.4 m，地下水類型為潛水，水位變化幅度為0.5 m，地下水對混凝土具有弱腐蝕，對混凝土中的鋼筋具有中腐蝕。

現(xiàn)狀塔里木大道始建于2002年，由于路面結(jié)構(gòu)層中采用了水泥穩(wěn)定砂礫作為基層且車行道兩側(cè)均有漫灌方式的綠化帶，故現(xiàn)狀路面鹽脹鼓包現(xiàn)象特別突出，嚴重影響行車安全及舒適性。2012年，經(jīng)由多部門通過經(jīng)濟論證及方案比選，確定將該道路車行道全線進行新建，徹底解決鹽脹鼓包問題。

4.2 處置措施

根據(jù)項目區(qū)域具體的工程地質(zhì)情況，并針對該道路出現(xiàn)的病害及癥結(jié)所在，通過嚴密經(jīng)濟論證，最終確定將道路全線現(xiàn)狀水泥穩(wěn)定砂礫基層全部挖除，然后采用級配礫石和級配碎石(柔性基層)替代現(xiàn)狀水泥穩(wěn)定砂礫(半剛性基層)，同時在車行道兩側(cè)設(shè)置擋水墻(如圖1所示)，且在擋水墻混凝土內(nèi)添加DTA抗硫酸鹽防腐劑。該項目于2013年年底建成通車，至今運行效果良好，再未出現(xiàn)鹽脹鼓包現(xiàn)象。

5 結(jié)語

水泥穩(wěn)定砂礫作為道路基層有其不可替代的優(yōu)越性，但同時也受到了工程環(huán)境的限制和影響，故針對硫酸鹽環(huán)境下的道路工程，得出以下幾點建議：

1)根據(jù)道路工程的實際情況，通過經(jīng)濟論證，采用抗硫酸鹽水泥替代普通硅酸鹽水泥，以此拌制水泥穩(wěn)定砂礫作為道路基層，增強道路整體穩(wěn)定性，延長道路使用壽命。

2)采用級配型集料(柔性基層)代替水泥穩(wěn)定砂礫(半剛性基層)作為道路基層，同時采用相應(yīng)防、止水措施，節(jié)省工程投資，確保道路的正常使用壽命。

[1] 聶紅偉.淺談水泥穩(wěn)定砂礫路面基層強度的試驗[J].民營科技,2011(2):250.

[2] 臧治年.抗硫酸鹽水泥的性能特征和生產(chǎn)技術(shù)要求[J].水泥工程,2015,28(6):25-26.

[3] 寇鳳岐.水泥穩(wěn)定碎石基層病害的研究及防治[J].交通標準化,2010(9)：45-46.

[4] GB/T 50476—2008，混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計規(guī)范[S].

[5] 鹿中山,楊樹萍,張穎如.水泥穩(wěn)定砂礫基層產(chǎn)生裂縫的原因與防治措施[J].合肥工業(yè)大學學報(自然科學版),2001,24(5):963-966.

[6] 王曉崗.水泥穩(wěn)定砂礫力學性能探討[J].北方交通,2010(3)：27-28.

On disease analysis of moisture base under sulfate environment and its prevention measures

Xu Gang

(XinjiangMunicipalArchitecturalDesignInstituteCo.,Ltd,Urumqi830063,China)

The paper introduces the mechanism for the cement stabilized sand gravel subgrade, analyzes the influence of the sulfate environment’s influence on the cement stabilized sand gravel subgrade and its intensity, and points out some prevention suggestions according to the common disease types of the stabilized sand gravel subgrade under the environment, so as to ensure the common operation of roads.

road basement, cement stabilized sand gravel, sulfate environment, retention wall

1009-6825(2017)01-0162-03

2016-10-26

許 剛(1983- )，男，碩士，工程師

U416.213

A