既有隧道襯砌受硫酸鹽侵蝕的超聲波檢測

楊 溢

（中交瑞通路橋養(yǎng)護科技有限公司,陜西 西安 710000）

0 引言

我國西南地區(qū)地下水資源較為豐富，水中富含硫酸鹽離子，隧道襯砌混凝土受硫酸鹽腐蝕后會影響隧道混凝土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，同時地下水位的變動又使襯砌混凝土受到干濕交替的加速破壞，十分不利于隧道安全運營。混凝土結(jié)構(gòu)從損傷劣化開始到失效失穩(wěn)的過程較為緩慢，無形中增加了隧道工程災害的隱蔽性和破壞性。在混凝土材料損傷及破壞過程中，超聲波波速表現(xiàn)出明顯變化，同時還會釋放大量彈性波。通過分析材料波速及聲發(fā)射信號，能判斷出材料結(jié)構(gòu)內(nèi)部形態(tài)的變化情況，分析破壞機制。將超聲波技術(shù)應用于檢測既有隧道襯砌混凝土結(jié)構(gòu)受硫酸鹽侵蝕的過程，對于及時發(fā)現(xiàn)隧道襯砌病害，確保隧道安全穩(wěn)定運行具有積極意義。

1 檢測方案

1.1 試樣制作

檢測用混凝土試樣取自我國西南地區(qū)某在役高速公路隧道襯砌結(jié)構(gòu)，同時按照相同配合比進行了新試樣制備，具體配合比見表1。其中1#試樣和2#試樣分別取自該隧道初期支護和二襯結(jié)構(gòu)，3#試樣為新制備試樣。試樣制備時使用P.O42.5普通硅酸鹽水泥，水泥性能詳見表2，水泥細度通過80 μm方孔篩篩分試驗確定；粒徑5～20 mm的細骨料為連續(xù)級配；同時使用聚羧酸型減水劑，并以S95級磨細礦渣和Ⅱ級粉煤灰為摻合料。

表1 待檢試樣設計配合比

表2 水泥性能

1.2 檢測方法

將試樣加工成100 mm×100 mm×100 mm的標準規(guī)格，成型后的試樣自然養(yǎng)護24 h并拆模，移至相對濕度95%、溫度（20±2）℃的室內(nèi)養(yǎng)護28 d。在試樣上自下向上按照20 cm間隔依次設置H1、H2、H3、H4截面。

試驗開始后，配制質(zhì)量分數(shù)10%以及梯度濃度為10%的硫酸鹽腐蝕溶液，按照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》（GB/T50082—2009）展開干濕循環(huán)試驗[1]，模擬隧道襯砌混凝土受硫酸鹽侵蝕的過程。試驗開始后將試樣在常溫下持續(xù)浸泡16 h，取出后在60 ℃烘箱內(nèi)烘干5 h，再放置于室溫下冷卻1 h，在試樣侵蝕20 d、40 d、60 d、80 d后取出，并通過WEP-600型液壓屏顯萬能試驗機展開單軸壓縮試驗，檢測加載期間聲發(fā)射特征和聲波傳播速度的變化情況。

聲波傳感器布置在試樣側(cè)面，進行加載過程中聲波波速變化情況的測量。試樣內(nèi)超聲波傳播時間差通過發(fā)射和接收傳感器測量，時間差與試樣長度之比即為聲波傳播速度[2]。試樣破裂的聲發(fā)射信號則由固定在試樣側(cè)面的聲發(fā)射傳感器接收。混凝土試樣腐蝕后微觀結(jié)構(gòu)通過能譜儀和掃描電鏡觀測，結(jié)合X射線衍射結(jié)果，進行試樣腐蝕產(chǎn)物物質(zhì)組成分析。

1.3 試驗儀器及測試時間

NELD-LSC全自動硫酸鹽干濕循環(huán)試驗機是主要的硫酸鹽侵蝕試驗設備，同時配備NM-4A超聲檢測分析儀、PCI-2聲發(fā)射檢測系統(tǒng)，諧振頻率60 kHz的通道傳感器，前置40 db放大器增益。

取自隧道襯砌結(jié)構(gòu)的試樣1和試樣2在取樣時已經(jīng)存在一定程度的腐蝕，在室內(nèi)試驗開始后的32 d出現(xiàn)嚴重的表觀損壞，無法繼續(xù)試驗，故測試時間僅為32 d，而新制備的試樣測試時間為65 d。

2 隧道襯砌混凝土受硫酸鹽侵蝕機理

2.1 硫酸鹽侵蝕機理

隧道混凝土襯砌結(jié)構(gòu)遭受到內(nèi)外部化學作用后各類水化物會隨之分解，作為膠體黏結(jié)劑的性能也會隨之喪失，襯砌混凝土裂化崩落[3]。其中，硫酸鹽對隧道混凝土襯砌結(jié)構(gòu)的侵蝕過程，其實就是地下水中的SO42-流體水從表面裂縫進入混凝土結(jié)構(gòu)，并與混凝土中的水化物分子產(chǎn)生化學反應，生成石膏或鈣礬石。以上過程中結(jié)合水化物分子的反應物如果從結(jié)晶體內(nèi)析出，并受到周圍介質(zhì)的約束，混凝土裂縫便會持續(xù)擴大，引發(fā)結(jié)構(gòu)破壞。隧道混凝土襯砌結(jié)構(gòu)受硫酸鹽侵蝕的類型主要包括C-S-H酸鹽分解型和結(jié)晶型兩類。

2.1.1 C-S-H酸鹽分解型侵蝕

此類侵蝕作用根據(jù)作用原因不同分為Mg2+侵蝕和碳硫硅鈣石侵蝕兩種：①Mg2+侵蝕為MgSO4介質(zhì)溶液所引發(fā)的侵蝕，包括Mg2+和含SO42-雙重侵蝕過程，介質(zhì)溶液與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生反應后生成石膏或鈣礬石，并與其他石膏石黏結(jié)膨脹后產(chǎn)生內(nèi)應力，將CH和C離子分解后生成MH和C，使石膏石黏結(jié)堿度降低，混凝土結(jié)構(gòu)也因強度及黏結(jié)膨脹性能的損失而成為糊狀物；②碳硫硅鈣石的來源主要有兩種：一是混凝土中的Ca2+在硫酸鹽環(huán)境下與環(huán)境中的SO42-反應后生成CaSO4，相當于向水泥中摻入石灰石，生成Ca(OH)2后與二氧化碳和水結(jié)合，進一步生成CaCO3并與前一層次發(fā)生循環(huán)反應，造成混凝土結(jié)構(gòu)的不斷破壞。二是由硅鈣礬石生成。在以上兩種作用下，加速C-S-H酸鹽分解以及混凝土強度損失。

2.1.2 結(jié)晶型侵蝕

這種侵蝕按照作用原理分為物理結(jié)晶和化學結(jié)晶兩類。①物理結(jié)晶侵蝕，即隧道襯砌混凝土遇水后強堿酸性金屬鹽和硫酸鹽雜質(zhì)因濃度過高而析出，同時產(chǎn)生較大的結(jié)晶壓力，進而破壞混凝土結(jié)構(gòu)；②化學結(jié)晶侵蝕：鈣化鋁礬石晶體遇水后體積將增大至原來的2.5倍，這種體積膨脹過程受到周圍介質(zhì)應力約束后產(chǎn)生內(nèi)應力并呈彈性膠凝狀，并析出石膏狀結(jié)晶溶液。若混凝土中SO2-4石膏濃度不超出1 000 mg/L，當鎂礬石和氯化鈣同時結(jié)晶后才能析出；若SO42-石膏濃度在1 000～2 000 mg/L范圍內(nèi)，當鈣礬石與其他石膏石同時結(jié)晶后析出，但只對侵蝕起從屬作用；若SO42-石膏濃度在2 000 mg/L以上，這種化學結(jié)晶侵蝕便開始起主導作用。

2.2 混凝土劣化微觀機理

既有隧道襯砌混凝土受硫酸鹽腐蝕初期，試樣棱角酥松，出現(xiàn)輕微劣化圖[1（a）]，此后隨著腐蝕程度的加速，輕微裂縫從試樣棱邊延伸至內(nèi)部[圖1（b）]，裂縫增多拓寬，棱角劣化程度加重，并出現(xiàn)軟化脫落[1（c）]，最后出現(xiàn)貫通裂縫[1（d）]。

圖1 試樣受硫酸鹽侵蝕的外觀形態(tài)演化

根據(jù)硫酸鹽侵蝕前后試樣的微觀結(jié)構(gòu)，在未經(jīng)受硫酸鹽腐蝕時襯砌混凝土中水化產(chǎn)物C-S-H凝膠含量較高，且結(jié)構(gòu)較完整密實。持續(xù)侵蝕32 d后1#和2#試樣徹底劣化，3#試樣內(nèi)出現(xiàn)明顯的貫通性裂縫，且裂縫空隙被鈣礬石和石膏等晶體填充。

在干濕循環(huán)作用下，試樣在干燥狀態(tài)時內(nèi)部鹽溶液中的水分蒸發(fā)迅速，達到飽和后析出鹽分，吸水后生成Na2SO4.10H2O，體積隨即膨脹4～5倍，說明干濕循環(huán)作用對既有隧道襯砌混凝土腐蝕損傷起加速作用[4]。根據(jù)對腐蝕產(chǎn)物生長聚集過程的分析，隨著試驗過程的推進，裂縫中薄片狀石膏和針棒狀鈣礬石從邊緣持續(xù)向內(nèi)部生長、聚集，最終交織成網(wǎng)狀，并向空隙內(nèi)壁持續(xù)施加膨脹應力，引發(fā)混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)開裂。

3 試驗結(jié)果及侵蝕規(guī)律

3.1 聲波速度變化規(guī)律

試樣混凝土受到硫酸鹽溶液侵蝕后所生成的膨脹物對結(jié)構(gòu)內(nèi)部既有裂隙產(chǎn)生填充作用，促使結(jié)構(gòu)緊密性提升。而隨著這種侵蝕過程的繼續(xù)進行，膨脹物持續(xù)增多，一旦膨脹應力超出混凝土結(jié)構(gòu)承載力，既有裂隙便會向結(jié)構(gòu)薄弱處延伸，出現(xiàn)更多裂隙，引發(fā)混凝土結(jié)構(gòu)劣化失效。

根據(jù)不同試樣內(nèi)聲波速度變化測試結(jié)果（圖2和圖3），從隧道襯砌結(jié)構(gòu)現(xiàn)場所取試樣的初始聲波波速比新制備試樣小。因混凝土襯砌受硫酸鹽侵蝕分為缺陷填充期和缺陷發(fā)展期，故密實結(jié)構(gòu)中超聲波傳播速度比稀疏結(jié)構(gòu)中快。1#、2#試樣為現(xiàn)場取樣，內(nèi)部裂隙發(fā)育，3#試樣為新制備試樣，內(nèi)部密實，故1#、2#試樣中聲波初始傳播速度（3 603.2 m/s、3 675.4 m/s）比3#試樣傳播速度（4 423.8 m/s）慢。經(jīng)過30 d的加速侵蝕后，差距更大。

圖2 2#試樣聲波速度變化

圖3 3#試樣聲波速度變化

結(jié)合隧道襯砌裂隙分布和硫酸鹽侵蝕作用的關系，既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)已經(jīng)受到硫酸鹽侵蝕，且侵蝕程度持續(xù)加深。由于硫酸鹽沿隧道襯砌向隧道臨空面滲透，故1#、2#試樣H4截面的聲波速度均小于H3截面，說明既有隧道襯砌受硫酸鹽侵蝕具有一定方向性，即主要從侵蝕源向未侵蝕部位滲透。

根據(jù)以上分析，既有隧道襯砌受硫酸鹽侵蝕分為裂隙充填期和裂隙發(fā)展期，與之相對應，混凝土結(jié)構(gòu)中聲波波速也分成增強區(qū)和減弱區(qū)。1#試樣侵蝕程度最為嚴重，其H3和H4截面、軸向及總平均聲速均表現(xiàn)為下降趨勢，以上部位降幅分別為6.23%、5.12%、4.65%和4.44%。由此可知，1#試樣在檢測期間處于裂隙發(fā)展后期，混凝土裂隙發(fā)育，結(jié)構(gòu)松散，聲波波速降幅較大。1#試樣端頭侵蝕反應明顯比其余部位強，并表現(xiàn)為縱向和側(cè)向雙向侵蝕。雖然在第10 d表現(xiàn)出小幅度增長，但此后仍降低至2 708 m/s及以下。2#試樣各測點聲波傳播速度整體上升，檢測期間處于裂隙充填前期。3#試樣在65 d硫酸鹽侵蝕超聲波檢測期間，聲波傳播速度均較快，且呈升高趨勢，主要原因在于現(xiàn)澆混凝土襯砌結(jié)構(gòu)養(yǎng)護后起初并未受到硫酸鹽腐蝕，強度持續(xù)遞增，室內(nèi)試驗中經(jīng)過硫酸鹽侵蝕后進入裂隙充填期，強度大幅提升，直至試驗進行至65 d時仍處于裂隙充填期。

3.2 應力-應變測試結(jié)果

根據(jù)不同試驗階段混凝土應力-應變曲線，峰值應力σc和峰值應變εc之比為峰值割線變形模量Ep，應力與應變之比為彈性模量Ee。在試樣遭受硫酸鹽腐蝕后，峰值應力σc、峰值割線變形模量Ep和彈性模量Ee均隨腐蝕時間的延長而表現(xiàn)出先增后減的變化趨勢。試驗開始后的第20 d，峰值應力σc、峰值割線變形模量Ep和彈性模量Ee比試驗開始前分別增大8.81%、15.2%和16.4%；試驗開始后的第32 d，三個參數(shù)值依次遞減至試驗開始前的81.6%、64.4%和73.8%。

單軸加載試驗期間，試樣內(nèi)部裂縫持續(xù)增大，結(jié)構(gòu)內(nèi)部所包含的能量以彈性波形式釋放，具體信號通過聲發(fā)射傳感器監(jiān)測并記錄。根據(jù)不同試驗階段試樣加載時聲發(fā)射事件變化趨勢圖，受到硫酸鹽腐蝕的試樣在加載初期表現(xiàn)出線彈性變形，聲發(fā)射事件數(shù)量較少。此后隨著加載應力的持續(xù)增大，試樣內(nèi)部既有裂紋持續(xù)擴展，新的裂紋不斷形成，聲發(fā)射數(shù)量也持續(xù)增大，直至裂紋貫通后聲發(fā)射事件數(shù)量達到頂峰。

試驗開始前的試樣和試驗進行20 d的試樣，加載時多個聲發(fā)射事件活躍區(qū)間隔出現(xiàn)，試驗進行20 d及32 d的試樣，加載時聲發(fā)射事件活躍區(qū)分布集中，原因在于外力作用引起試樣腐蝕破裂時，內(nèi)部能量得到釋放，聲發(fā)射事件數(shù)增大。試驗開始前的試樣內(nèi)部密實，在能量得到釋放后聲發(fā)射事件數(shù)量驟降；隨著應力持續(xù)增大，能量再次釋放，聲發(fā)射事件增多；能量多次釋放后最終造成試樣整體破壞。

4 結(jié)論

綜上所述，既有隧道襯砌混凝土受硫酸鹽侵蝕后，劣化過程分成裂隙填充和裂隙發(fā)展兩個階段，既有隧道襯砌混凝土在硫酸鹽環(huán)境下鹽蝕作用更為明顯，也更容易劣化。隧道襯砌混凝土結(jié)構(gòu)受硫酸鹽長期腐蝕作用下，結(jié)構(gòu)內(nèi)部形成薄弱區(qū)域，聲發(fā)射事件活躍區(qū)更為集中。在充分了解既有隧道襯砌混凝土受硫酸鹽侵蝕機理的基礎上，從原材料、配合比、施工質(zhì)量、隔離襯砌混凝土和腐蝕環(huán)境等方面整體提升隧道襯砌結(jié)構(gòu)抗硫酸鹽腐蝕性。