侵蝕環境下隧洞混凝土耐久性研究

歐 云

（博樂市水利管理站達勒特水管所，新疆 博樂 833400）

1 前言

隨著我國建設交通強國戰略的提出與實施，交通、水利等基礎設施的建設正在大規模的開展，因此，隧道與隧洞等工程的施工與運營安全成為工程建設的重點，尤其是復雜環境下隧洞的建設與維護[1～3]。隧洞建設包含有大量的混凝土結構，現有的混凝土結構研究表明，混凝土的耐久性極易受到周圍復雜環境的影響，因此，需要研究侵蝕環境下隧洞混凝土耐久性，目前，對于混凝土耐久性的研究，王勝年等[4]研究港珠澳大橋混凝土結構耐久性，根據研究結果確定影響其耐久性的主要因素包括海洋氯離子及碳化等造成的鋼筋銹蝕；楊綠峰等[5]針對海洋工程中混凝土工程結構建設問題，構建了海洋工程混凝土耐久性計算模型與設計方法；劉金龍等[6]根據現有文獻成果，總結了硫酸鹽侵蝕條件與載荷、氯離子碳化等不同條件下，單一環境及多種環境耦合條件下混凝土耐久性研究成果；達波等[7]針對珊瑚混凝土的耐久性開展研究，根據試驗結果提出海洋工程建設需要抗氯離子擴散滲透能力；王家濱等[8]研究隧道噴射混凝土的耐久性，得到噴射混凝土能夠有效提高混凝土耐久性，但是對于抗氯離子侵蝕性能甚至產生弱化作用；余波等[9]建立混凝土碳化定量評價模型，提出將碳化速率系數納入混凝土結構設計耐久性指標。考慮工程結構周圍環境影響，羅大明等[10]研究載荷與周圍環境雙重作用下，混凝土的抗離子侵蝕、抗凍融等特性規律；曹瑞實等[11]研究不同除冰鹽條件下，凍融循環對耐久性的影響，分析混凝土質量損失以及力學參數等的弱化規律；鐘小平等[12]考慮氯鹽侵蝕條件對混凝土耐久性影響，提出了氯鹽侵蝕環境下混凝土結構耐久性設計原則；劉松玉等[13]研究了城市地下環境污染等侵蝕環境對于混凝土結構耐久性影響特征；曹明莉等[14]針對混凝土碳化特征，分析了材料的碳化機理，并且建立了碳化預測模型；崔正龍等[15]研究不同養護環境對于再生混凝土耐久性的影響。

針對侵蝕環境下隧洞混凝土耐久性問題開展研究，主要考慮單侵蝕環境（硫酸鹽及氯鹽侵蝕）與雙侵蝕環境耦合條件，重點研究混凝土離子含量、質量損失以及力學性能的影響，從而得到侵蝕環境下隧洞混凝土耐久性特征。

2 試驗設計

2.1 試驗材料及配合比

混凝土耐久性影響因素主要考慮試驗設計硫酸鹽及氯鹽侵蝕環境，因此，試驗材料主要包括水泥、粉煤灰、砂、一定濃度的硫酸鹽及氯鹽溶液等，試驗中采用PO42.5 水泥，其主要成分包括SiO2、Fe2O3等成分，燒失量為2.30，水泥為普通硅酸鹽混凝土。試驗中粉煤灰為附近電廠生產，主要成分包括SiO2、Fe2O3、Al2O3以及CaO 等。試驗中混凝土配合比主要包括3 種形式，主要參數見表1。

表1 試驗混凝土配合比

2.2 試驗方法

試驗中主要研究硫酸鹽與氯鹽環境侵蝕作用下混凝土的耐久性研究，試驗方案主要包括3 種，具體包括單一侵蝕環境（硫酸鹽侵蝕環境、氯鹽侵蝕環境）以及硫酸鹽- 氯鹽耦合侵蝕環境。

2.2.1 硫酸鹽侵蝕環境

硫酸鹽侵蝕環境中試驗主要考慮不同侵蝕時間條件下混凝土試件力學參數變化，試驗中采用濃度為10%的Na2SO4溶液。主要采用完全浸泡方式，將混凝土試件完全浸泡于10%的Na2SO4溶液，浸泡時間設置為10 d、30 d、50 d、60 d、80 d、100 d、120 d。試驗采用硫酸鋇比濁法測定距離試件表面不同距離的硫酸根離子含量，同時，研究不同硫酸鹽侵蝕條件下質量損失率以及得到抗壓強度、劈裂抗拉強度的變化特征。

2.2.2 氯鹽侵蝕環境

對于氯鹽侵蝕環境的影響，試驗中采用濃度為10%的Na2SO4溶液。主要采用完全浸泡方式，將混凝土試件完全浸泡于10%的Na2SO4溶液，浸泡時間設置為10 d、30 d、50 d、60 d、80 d、100 d、120 d。利用化學滴定法測定距離試件表面不同距離的氯離子含量，同時，研究不同氯鹽侵蝕條件下質量損失率以及得到抗壓強度、劈裂抗拉強度的變化特征。

2.2.3 硫酸鹽- 氯鹽耦合侵蝕環境

對于硫酸鹽- 氯鹽耦合侵蝕環境的影響，硫酸鹽- 氯鹽耦合侵蝕環境影響分析主要采用濃度為5.0%NaCl+10%Na2SO4（體積比1∶1）混合溶液，其余試驗方法與上述過程一致，分析了不同硫酸鹽- 氯鹽耦合侵蝕條件下質量損失率以及得到抗壓強度、劈裂抗拉強度的變化特征。

3 試驗結果分析

3.1 單一環境侵蝕混凝土耐久性

根據硫酸鹽與氯鹽侵蝕環境下混凝土耐久性試驗方法，主要研究硫酸鹽與氯鹽侵蝕環境下離子含量、質量損失以及其力學性能的變化特征。

（1）侵蝕環境下硫酸根與氯離子含量

離子含量測定距離設置為5mm，取樣數量設置為5 個點，分別測定不同水膠比條件下離子的含量，試驗結果見圖1。

圖1 距離試件表面不同距離的離子含量

離子含量隨著距離試件表面的深度增加而逐漸降低，可以采用指數函數關系與直線關系進行描述。同時水膠比越大，同一深度條件下，氯離子含量也逐漸增大。根據圖1 可以得到，離子含量曲線變化規律主要包括3 個階段，快速運移階段、減速運移階段以及恒定變化階段，最后，離子濃度幾乎不發生變化，并且接近于0。

（2）侵蝕環境下質量損失率

侵蝕環境下質量損失采用質量損失率指標進行表征，質量損失率為不同浸泡時間前后，烘干時間的質量差與初始試件質量的比值，侵蝕環境下質量損失率變化規律，見圖2。

圖2 不同侵蝕環境下質量損失

根據圖2 可以得到，隨著浸泡時間的增加，混凝土試件質量先增加后減小，在浸泡時間為30 d 左右時，質量增加率為0.46%、0.35%。經過一段平穩變化后，50 d 后混凝土試件出現質量損失，當浸泡時間為120 d 時，質量損失率為0.56%、0.38%。

（3）不同侵蝕環境下力學性能

不同侵蝕環境對混凝土力學性能影響，主要研究抗壓強度以及劈裂抗拉強度的影響，硫酸鹽侵蝕環境下抗壓強度以及劈裂抗壓強度的變化規律，見圖3。

圖3 不同侵蝕環境下抗壓強度以及劈裂抗壓強度的變化

根據圖3 可以得到，硫酸鹽與氯鹽侵蝕環境下抗壓強度與劈裂抗拉強度的變化規律基本一致，均是先增加后降低，并且兩者強度最大值均出現在浸泡時間為30 d 時，抗壓強度由58.0 MPa 增加至66.0 MPa、63.0 MPa，劈裂抗拉強度由3.80 MPa增加至5.20 MPa。浸泡120 d 后，抗壓強度降低至50.0 MPa、53.0 MPa，劈裂抗拉強度降低至3.20 MPa、3.50 MPa。

3.2 硫酸鹽-氯鹽耦合侵蝕混凝土耐久性

根據硫酸鹽- 氯鹽耦合侵蝕環境下混凝土耐久性試驗方法，主要研究雙侵蝕環境下硫酸根含量、質量損失以及其力學性能的變化特征。

（1）雙侵蝕環境下氯離子含量與硫酸根含量

試驗結果見圖4，由圖4 可知，耦合侵蝕條件下硫酸根的存在會影響氯離子的存在，硫酸根對氯離子的擴散范圍影響較小，但是能夠影響氯離子含量。可能的原因為硫酸根進入混凝土試件之后，與水泥水化產物進行反應，形成的新物質在一定程度上影響氯離子擴散。

圖4 耦合侵蝕條件下的離子含量

（2）雙侵蝕環境下質量損失

根據圖5 可以得到，隨著浸泡時間的增加，混凝土試件質量也呈現先增加后減小的趨勢，對比于單一侵蝕條件下，浸泡時間為30 d 左右時，質量達到最大值為，與單一侵蝕條件基本保持。當浸泡時間為120 d 時，質量損失率達到最大為0.65%，最終的質量損失率高于單一侵蝕條件。

圖5 耦合侵蝕條件下質量損失率

（3）雙侵蝕環境下力學性能

根據圖6 可以得到，耦合侵蝕環境下抗壓強度與劈裂抗拉強度的變化基本一致，均是先增加后降低，并且兩者強度最大值均出現在浸泡時間為30 d 時，抗壓強度由58.0 MPa 增加至70.0 MPa，劈裂抗拉強度由3.80 MPa 增加至5.60 MPa。浸泡120 d 后，抗壓強度降低至46.0 MPa，劈裂抗拉強度降低至2.80 MPa。總體而言，耦合侵蝕環境與單一侵蝕環境對于混凝土強度的影響，主要體現在耦合侵蝕環境對混凝土強度的弱化作用上。

圖6 耦合侵蝕條件下抗壓強度以及劈裂抗壓強度的變化

4 結論

針對不同侵蝕環境下隧洞混凝土耐久性問題開展研究，考慮單侵蝕環境（硫酸鹽及氯鹽侵蝕）與雙侵蝕環境耦合條件，根據試驗結果得到混凝土離子含量、質量損失以及力學性能的影響，從而得到侵蝕環境下隧洞混凝土耐久性特征。

（1）離子含量變化：侵蝕環境下離子含量隨著距離表面深度的增加而逐漸減小，單一侵蝕與耦合侵蝕條件規律基本一致，但是，由于硫酸根與水泥水化產物的結合，導致硫酸根的存在影響具體深度下離子含量。

（2）質量損失特征：侵蝕環境下混凝土試件質量先增加后降低，單一侵蝕與耦合侵蝕影響規律基本一致，但是耦合侵蝕環境對于質量損失的影響更大。

（3）力學性能影響：侵蝕環境對抗壓強度與劈裂抗拉強度的變化基本一致，均是先增加后降低，但是，耦合侵蝕環境對混凝土強度的弱化作用更強。