鐵路隧道防腐抗?jié)B支護(hù)混凝土的試驗(yàn)研究

王志廣

（中鐵十九局礦業(yè)公司，浙江 江山 324100）

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)1 5%（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)。

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（如靜、動(dòng)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（OPC）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（HPC）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。

3 水泥混凝土防腐抗?jié)B的基本原理

3.1 水泥混凝土的特性

水泥混凝土既沒有鋼材那樣堅(jiān)強(qiáng)，也沒有鋼材那樣剛韌，為什么它是應(yīng)用最廣泛的工程材料呢？這有很多原因。首先，混凝土具有十分良好的抗水性。不象木材和普通鋼材那樣，混凝土能經(jīng)受水的作用而不產(chǎn)生嚴(yán)重的變質(zhì)，使它成為建造控制、貯蓄和運(yùn)輸水的結(jié)構(gòu)物的理想材料。在水壩、渠道、水管和蓄水池工程中采用混凝土，在全世界幾乎是到處可見?；炷翆?duì)一些具有侵蝕性水的耐受性，使得它的用途推廣到許多有害工業(yè)和自然環(huán)境中去。暴露于潮濕環(huán)境中的結(jié)構(gòu)構(gòu)件：如樁、基礎(chǔ)、地板、梁、柱、屋頂、外墻和路面，經(jīng)常都用混凝土或鋼筋混凝土來制造。鋼筋混凝土在設(shè)計(jì)時(shí)，假定鋼筋和混凝土這兩種材料能共同承受力的作用。予應(yīng)力混凝土是張拉混凝土中的鋼筋或鋼絲束，引入一定大小或-定分布的予應(yīng)力，在一定的程度上抵消了由施加的荷載所產(chǎn)生的拉應(yīng)力?？梢钥隙?，極大數(shù)量的混凝土是用于制造鋼筋混凝土或者預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的。

3.2 復(fù)雜的微觀內(nèi)應(yīng)力（變形）狀態(tài)

如果將一塊混凝土按比例放大，就可看作由粗骨料和硬化的水泥砂漿這兩種性質(zhì)迥異的主要材料構(gòu)成的非線性、三維實(shí)體結(jié)構(gòu)物。在承受荷載之前和之后，都存在十分復(fù)雜的微觀應(yīng)力（應(yīng)變）場。這正是混凝土材性變化大和性能指標(biāo)離散的主要原因。

3.3 變形的多元組成

混凝土承受的應(yīng)力作用或環(huán)境條件的變化都將發(fā)生相應(yīng)的變形，它們主要由三部分組成：

粗細(xì)骨料的彈性變形--占混凝土體積中絕大部分的砂石，本身的強(qiáng)度和彈性模量均高出混凝土的很多，在達(dá)到混凝土的最大應(yīng)力（極限強(qiáng)度）時(shí)其變形一般仍在彈性范圍以內(nèi)，即變形與應(yīng)力值成正比，卸載后變形可全部恢復(fù)，不留殘余應(yīng)變。

水泥凝膠體的粘性流動(dòng)--水泥水化作用形成的凝膠體在數(shù)十年內(nèi)還不是一種形狀絕對(duì)固定的材料（盡管其變形量很?。?。在應(yīng)力作用下，除了即時(shí)發(fā)生的變形外，還將隨時(shí)間的延續(xù)而發(fā)生緩慢、但逐漸收斂的粘性流動(dòng)，使混凝土的變形不斷增長，從而構(gòu)成塑性變形。當(dāng)應(yīng)力卸除后，即時(shí)恢復(fù)的變形有限，隨后恢復(fù)的變形雖在繼續(xù)，但始終仍存在較大的殘余變形?；炷脸惺艿膽?yīng)力越大。則塑性變形和殘余變形增加越多。

微裂縫的形成和擴(kuò)展--拉應(yīng)力作用下，在應(yīng)力的垂直方向形成微裂縫，并迅速擴(kuò)展，使拉應(yīng)變大大增加。壓應(yīng)力作用下，在大致平行于應(yīng)力方向形成縱向裂縫，穿過骨料界面和水泥砂漿，減弱了相鄰部分的聯(lián)系；裂縫端部的局部集中應(yīng)力造成水泥砂漿的損傷。形成薄弱區(qū)，使縱向變形增大許多。在峰值應(yīng)力后，雖然混凝土的應(yīng)力減小，但變形將繼續(xù)增大。全部卸載后，這部分變形基本上不能恢復(fù)。

[1]史常青.確保鐵路隧道不滲不漏的施工技術(shù)研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2005-02-20.