硫酸鹽侵蝕環(huán)境下隧道結(jié)構(gòu)病害等級(jí)劃分方法研究

硫酸鹽侵蝕環(huán)境下隧道結(jié)構(gòu)病害等級(jí)劃分方法研究

1硫酸鹽等侵蝕性病害隨著我國(guó)西部開發(fā)的不斷推進(jìn)，鐵路、公路、水電等交通和能源基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)處于快速發(fā)展階段。我國(guó)幅員遼闊,地理?xiàng)l件相當(dāng)復(fù)雜,山地、丘陵較多,尤其是西部地區(qū),山脈綿延,崇山峻嶺,不可避免地要修建許多公路、鐵路隧道。我國(guó)西南地區(qū)分布著大量的含硫酸鹽等侵蝕性物質(zhì)的巖層,這種侵蝕環(huán)境對(duì)隧道混凝土(或鋼筋混凝土)襯砌結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生很大的破壞作用,隧道襯砌結(jié)構(gòu)會(huì)變得酥松、成層剝落、強(qiáng)度下降,整體承載能力降低,對(duì)運(yùn)營(yíng)安全造成重大隱患。修建于上世紀(jì)60、70年代的成昆鐵路,沿線大部分的隧道都出現(xiàn)了這種硫酸鹽等侵蝕性病害,部分隧道病害已經(jīng)非常嚴(yán)重(如碧雞關(guān)隧道等),需要每年進(jìn)行維修加固才能保證正常運(yùn)營(yíng),這不僅耗費(fèi)了大量的人力物力,對(duì)線路的正常運(yùn)營(yíng)也造成了一定的干擾。因此,如何客觀準(zhǔn)確評(píng)價(jià)隧道的病害狀態(tài),提出科學(xué)、合理、經(jīng)濟(jì)的加固維修方案是科技工作者亟需解決的問(wèn)題。本文根據(jù)鐵道部下達(dá)的《鐵路隧道混凝土結(jié)構(gòu)鹽侵蝕防治技術(shù)》文件,重點(diǎn)針對(duì)我國(guó)西南地區(qū)硫酸鹽對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的侵蝕進(jìn)行研究,提出硫酸鹽侵蝕病害等級(jí)劃分及整治原則。2硫酸鈉對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)混凝土的腐蝕機(jī)理通過(guò)對(duì)硫酸鹽腐蝕環(huán)境下隧道結(jié)構(gòu)混凝土的表觀特征、內(nèi)部成分構(gòu)成、微觀結(jié)構(gòu)變化的具體研究,揭示了相應(yīng)的腐蝕機(jī)理,認(rèn)為硫酸鹽對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)混凝土的腐蝕主要可分為物理腐蝕和化學(xué)腐蝕兩大類。2.1混凝土的背水面部分物理侵蝕過(guò)程基本情況為:(1)蒸發(fā)作用使得鹽類離子介質(zhì)向暴露于空氣中的背水面部分遷移。(2)水分蒸發(fā),鹽類(硫酸鹽)在混凝土孔隙內(nèi)的濃度逐漸提高,達(dá)到過(guò)飽和時(shí),硫酸鹽在混凝土背水面部分的表面和內(nèi)部孔隙中結(jié)晶,產(chǎn)生結(jié)晶壓力。(3)結(jié)晶壓力導(dǎo)致試件膨脹開裂、剝落、甚至潰散。2.2硫酸類化學(xué)侵蝕作用隧道混凝土結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期浸泡在含硫酸鹽侵蝕介質(zhì)的溶液中,這些部位主要發(fā)生化學(xué)侵蝕作用。由于實(shí)際環(huán)境中鹽溶液介質(zhì)的濃度有限,侵蝕性化學(xué)反應(yīng)過(guò)程相對(duì)較長(zhǎng),因而產(chǎn)生的硫酸鹽類化學(xué)侵蝕作用相對(duì)而言較漫長(zhǎng),此侵蝕作用導(dǎo)致的混凝土劣化也相對(duì)較弱;但當(dāng)硫酸鹽不斷在混凝土內(nèi)部累積,可形成高濃度的硫酸鹽化學(xué)腐蝕,該腐蝕過(guò)程則會(huì)明顯加速。混凝土的硫酸鹽化學(xué)侵蝕作用機(jī)理主要是含有SO42-離子的環(huán)境水侵入水泥基材料內(nèi)部,與其孔溶液中的離子或孔壁的水泥水化物發(fā)生化學(xué)反應(yīng),形成可溶性物質(zhì)或膨脹性物質(zhì)或無(wú)膠凝性物質(zhì),而使水泥基材料組成和結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,導(dǎo)致材料內(nèi)部產(chǎn)生體積膨脹或表面溶蝕,引起結(jié)構(gòu)物表面開裂、剝落、溶蝕和性能劣化。其主要有以下幾種類型:(1)石膏-硫酸鹽侵蝕侵入水泥基材料內(nèi)的SO42-離子與孔溶液中的Ca2+離子反應(yīng)形成二水石膏,引起體積膨脹。(2)單硫型硫鋁酸鈣法SO42-離子與鋁酸鹽相之間發(fā)生反應(yīng),當(dāng)鋁酸鹽相較多時(shí),形成單硫型硫鋁酸鈣。單硫型硫鋁酸鈣水化物不穩(wěn)定,發(fā)生溶解,進(jìn)一步與硫酸根離子發(fā)生化學(xué)反應(yīng),在孔中形成膨脹性鈣釩石。(3)c-s-h分解硫酸鹽侵蝕孔溶液中Ca2+離子濃度的進(jìn)一步降低,水化硅酸鈣C-S-H會(huì)發(fā)生脫鈣反應(yīng),形成石膏和無(wú)定型硅酸,破壞C-S-H的膠凝結(jié)構(gòu)。(4)水泥基材料在CO32-或HCO3-離子存在下,侵入水泥基材料內(nèi)的SO42-離子會(huì)導(dǎo)致水化硅酸鈣C-S-H轉(zhuǎn)變成無(wú)膠結(jié)能力的松軟白色物質(zhì)——碳硫硅鈣石。(5)水化硅酸鎂的形成機(jī)理在Mg2+離子存在下,除形成石膏和鈣礬石外,還會(huì)形成Mg(OH)2,進(jìn)一步降低孔溶液的pH值,并將導(dǎo)致水化硅酸鈣C-S-H轉(zhuǎn)變?yōu)槟z凝性差的水化硅酸鎂M-S-H,其破壞作用更大。硫酸鹽化學(xué)侵蝕是一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)過(guò)程,影響因素很多,既有材料自身物理力學(xué)性能方面的原因,又與環(huán)境水中各種離子的濃度有關(guān)。目前的研究表明,影響硫酸鹽侵蝕破壞的環(huán)境因素概括起來(lái)有:環(huán)境水中的離子種類(SO42-、Mg2+、Na+、Cl-、H+)、離子濃度、pH值、壓力、流速,以及氣候環(huán)境條件(溫度與干濕交替、水分蒸發(fā)、雨水沖刷)等。(1)木本糖液與gc2+離子存在關(guān)系硫酸根離子SO42-濃度不但影響侵蝕破壞速度,而且影響侵蝕破壞機(jī)理。(1)在Na+離子存在下,SO42-離子濃度與侵蝕破壞作用機(jī)理有如下關(guān)系:·SO42-濃度<1000mg/L時(shí),主要是鈣礬石型膨脹破壞?！O42-濃度為1000~8000mg/L時(shí),鈣礬石和石膏型膨脹破壞均可發(fā)生?！O42-濃度>8000mg/L時(shí),主要是石膏型膨脹破壞,溶液濃度很高時(shí),石膏的形成量越多,就可能發(fā)生C-S-H凝膠分解、脫鈣的破壞。(2)在Mg2+離子存在下,SO42-離子濃度與侵蝕破壞作用機(jī)理有如下關(guān)系:·SO42-<4000mg/L時(shí),主要是鈣礬石型膨脹破壞。·SO42-濃度為4000~7500mg/L時(shí),鈣礬石和石膏型膨脹破壞均可發(fā)生?！O42-濃度>7500mg/L時(shí),主要發(fā)生C-S-H分解,M-S-H形成,損失膠凝性。對(duì)于中等離子濃度時(shí),石膏和鈣礬石型膨脹破壞中哪一個(gè)為主,取決于水的pH值,pH值<11.5時(shí),將主要發(fā)生石膏型膨脹破壞,因?yàn)樵诖藀H值下,鈣礬石不穩(wěn)定,會(huì)分解并產(chǎn)生石膏。所以,環(huán)境水中SO42-離子濃度越高,侵蝕破壞程度越大,因?yàn)槠浠瘜W(xué)侵蝕作用不但引起膨脹,而且導(dǎo)致水泥石損失膠凝性,強(qiáng)度顯著降低。(2)提高了鈣仿真結(jié)果在硫酸鹽侵蝕環(huán)境中,如果環(huán)境水中存在其它陰離子,則會(huì)影響到硫酸根離子的破壞程度。例如:單獨(dú)SO42-離子主要形成膨脹性產(chǎn)物——鈣礬石和石膏,引起開裂和剝落;當(dāng)Cl-離子與SO42-離子共存時(shí),可以減輕硫酸鹽侵蝕,使得膨脹率、膨脹速率和強(qiáng)度降低率也減小。其原因是Cl-離子的存在,增加了鋁酸鈣水化物的溶解度,降低了混凝土內(nèi)孔溶液中氫氧化鈣的濃度,使得鈣礬石以膨脹形式析出。同時(shí),Cl-離子還可與鋁酸鈣水化物反應(yīng)生成Friedel’s鹽,減少了鈣礬石形成量,因而有效地減輕了鈣礬石硫酸鹽侵蝕與劣化程度。當(dāng)碳酸根離子CO32-或HCO3-共存時(shí),由于CO32-離子與HCO3-離子能參與碳硫硅鈣石形成反應(yīng),因此,當(dāng)這兩種離子與SO42-離子共存時(shí),容易引起碳硫硅鈣石型硫酸鹽侵蝕,而由于它們與氫氧化鈣反應(yīng)生成碳酸鈣,對(duì)石膏型硫酸鹽侵蝕有所減輕。(3)ph值和nh4+對(duì)水泥強(qiáng)板抗壓強(qiáng)度的影響環(huán)境水中常見的陽(yáng)離子可以分為三類:(1)第1類是Na+、K+等堿金屬離子,它們的鹽大多是可溶性的,對(duì)水泥基材料不構(gòu)成明顯的化學(xué)侵蝕。(2)第2類是Mg2+、Fe2+等金屬離子,它們?nèi)菀仔纬扇芙舛刃〉臍溲趸?因而降低水泥石孔溶液的pH值,Mg2+離子還可導(dǎo)致膠凝性較差的水化硅酸鎂M-S-H的形成,因而損失膠凝性。(3)第3類是NH4+和H+離子,它們顯著降低水泥石孔溶液的pH值,引起水泥水化物分解、溶蝕。鎂離子Mg2+能在混凝土內(nèi)的強(qiáng)堿性條件下,形成難溶的Mg(OH)2,而其它離子沒有這種效應(yīng)。在混凝土表面形成的Mg(OH)2可堵塞毛細(xì)通道,因而在同樣SO42-濃度的條件下,在硫酸鎂溶液中砂漿試件的膨脹率小于硫酸鈉溶液中的試件,浸泡于硫酸鎂溶液中試件的侵蝕深度要遠(yuǎn)小于浸泡于硫酸鈉溶液中試件的侵蝕深度。但是,正是由于Mg(OH)2的形成,引起pH的降低,引發(fā)了C-S-H脫鈣型硫酸鹽侵蝕,形成石膏和M-S-H。因此,有文獻(xiàn)表明,混凝土試件抗壓強(qiáng)度的降低,在硫酸鎂環(huán)境中要遠(yuǎn)大于在硫酸鈉環(huán)境中。(NH4+)2SO4和H2SO4型硫酸鹽是侵蝕性最大的硫酸鹽,不但所含的SO42-離子有侵蝕作用,導(dǎo)致很大的膨脹,而且陽(yáng)離子能導(dǎo)致水泥石的溶解,發(fā)生C-S-H脫鈣型硫酸鹽侵蝕。當(dāng)SO42-離子濃度相同時(shí),不但能使浸泡在(NH4+)2SO4溶液的砂漿試件的膨脹率大于浸泡在Na2SO4溶液中試件的膨脹率,而且前者從浸泡開始就一直膨脹,而后者在浸泡開始時(shí)膨脹很小,到一定程度后,突然加速膨脹,此后便以恒定速度膨脹。(NH4)2SO4溶液中引起膨脹的產(chǎn)物是石膏和鈣礬石,但其表面主要是針狀石膏晶體,它是由于C-S-H凝膠脫鈣并與硫酸根離子反應(yīng)形成的。2.3隧道襯砌結(jié)構(gòu)混凝土的侵蝕介質(zhì)針對(duì)西南地區(qū)硫酸鹽腐蝕隧道的病害情況,進(jìn)行了廣泛的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和文獻(xiàn)資料收集。根據(jù)對(duì)調(diào)研結(jié)果的分析,將侵蝕介質(zhì)對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)混凝土的侵蝕類型分為:鹽侵蝕作用弱、以臨空面風(fēng)化、碳化作用為主的侵蝕,以硫酸鹽為主的鹽類化學(xué)侵蝕和鹽結(jié)晶物理侵蝕,以及含鹽水溶液滲漏、濾析作用等4類。一般情況下這些腐蝕作用通常是交織在一起,幾種侵蝕類型同時(shí)在一起發(fā)生作用。為了分析方便,把上述侵蝕作用分別進(jìn)行分類,如表1所示。3隧道病害等級(jí)劃分隧道病害狀態(tài)是十分抽象的概念,難以具體操作。因此,為了能對(duì)隧道病害狀態(tài)進(jìn)行定量評(píng)價(jià),需要將隧道病害狀態(tài)劃分為若干可度量的等級(jí),并對(duì)各等級(jí)加以說(shuō)明,以反映隧道結(jié)構(gòu)在服役周期內(nèi)所處的各個(gè)階段的服役狀態(tài),并為隧道結(jié)構(gòu)所需的相關(guān)養(yǎng)護(hù)對(duì)策信息提供科學(xué)的依據(jù)。而隧道病害等級(jí)劃分的多少,亦是一個(gè)實(shí)踐性很強(qiáng)的問(wèn)題,它涉及到相應(yīng)規(guī)范、已有方法、實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)等多方面因素。若劃分的病害等級(jí)數(shù)目過(guò)少將失于簡(jiǎn)略,則很可能在評(píng)價(jià)結(jié)果中“淹沒”某些重要信息。如果病害等級(jí)數(shù)目劃分過(guò)多、過(guò)細(xì),則又會(huì)使相鄰等級(jí)間的指標(biāo)相似太近,各等級(jí)區(qū)間界限不易確定,給操作者帶來(lái)難度。因此,目前對(duì)于隧道病害等級(jí)如何合理劃分問(wèn)題的研究較少,各國(guó)提出的方法亦存在很大的區(qū)別,如德國(guó)、日本、美國(guó)分別提出了三級(jí)、四級(jí)、五級(jí)、十級(jí)劃分法[3~7]。而我國(guó)《公路隧道養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》中,將土建結(jié)構(gòu)專項(xiàng)檢查的結(jié)果分為四類判定;在1997年頒布的我國(guó)鐵路行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《鐵路橋隧建筑物劣化評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)———隧道》中,規(guī)定采用劣化度的方法判定鐵路隧道結(jié)構(gòu)物的功能狀態(tài),并將鐵路隧道劣化等級(jí)分為五級(jí)。從眾多的隧道病害等級(jí)的劃分方法中比較分析可知,三級(jí)劃分法比較簡(jiǎn)單,但主要用于日常、定期和特別檢查結(jié)果的判定。在五級(jí)劃分法中,我國(guó)鐵路隧道劣化度等級(jí)劃分方法實(shí)際上是在日本鐵路隧道四級(jí)劃分法的基礎(chǔ)上,將A級(jí)細(xì)分為兩級(jí),實(shí)際上也是一種四級(jí)劃分法。日本建設(shè)省的隧道劣化度判定標(biāo)準(zhǔn)實(shí)際上是一個(gè)基于襯砌混凝土剝落、剝離的判定標(biāo)準(zhǔn),如果用于對(duì)隧道病害狀態(tài)的評(píng)價(jià)會(huì)有很大的局限性,不能判定其它缺陷檢測(cè)結(jié)果。十級(jí)劃分法則劃分過(guò)細(xì),確定各等級(jí)區(qū)間界限的難度較大,而且在公路隧道病害狀態(tài)診斷時(shí),有些狀態(tài)是不需要的。同時(shí),在日本鐵路隧道總體檢查階段、日本公路隧道檢查階段和我國(guó)公路隧道的專項(xiàng)檢查階段中,結(jié)果的判定均分為四級(jí),說(shuō)明四級(jí)劃分法已有了一定的使用基礎(chǔ)。綜合以上分析,針對(duì)硫酸鹽侵蝕環(huán)境下的侵蝕類型,以及隧道結(jié)構(gòu)病害的具體特征,亦將病害等級(jí)的劃分采用四級(jí)劃分法,建立的硫酸鹽侵蝕環(huán)境下隧道病害等級(jí)劃分原則如表2所示。4隧道襯砌混凝土病害的主要原因及其歸表2給出了等級(jí)劃分的基本原則和大致判據(jù),但實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中難以具體判定。為此,筆者進(jìn)行了廣泛的文獻(xiàn)調(diào)研、室內(nèi)模型試驗(yàn)、數(shù)值分析,歸納總結(jié)了不同等級(jí)隧道襯砌病害的表觀特征、力學(xué)機(jī)理,詳細(xì)描述于表3。從表3中可知,本文把隧道結(jié)構(gòu)混凝土鹽侵蝕病害分為輕微、中等、嚴(yán)重以及非常嚴(yán)重(影響結(jié)構(gòu)安全性)等4類病害等級(jí)。該病害等級(jí)的分類主要是基于侵蝕作用類型、病害的發(fā)展速度,以及對(duì)隧道結(jié)構(gòu)安全性的危害等幾方面的因素綜合考慮,并結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和計(jì)算分析基礎(chǔ)而進(jìn)行劃分的。在病害等級(jí)劃分時(shí),為了便于理解,考慮了病害程度的分級(jí),以及引起該類病害的主要原因,因而實(shí)際表示時(shí)采用兩個(gè)符號(hào):第一個(gè)符號(hào)表示病害程度等級(jí),第二個(gè)符號(hào)表示引起病害的主要原因。同時(shí)還采用中文對(duì)其病害程度進(jìn)行了歸類說(shuō)明。D-Ⅳ型病害等級(jí)屬輕度病害,主要是由于長(zhǎng)時(shí)間的風(fēng)化、碳化作用導(dǎo)致的,無(wú)明顯滲漏作用。由于實(shí)際大氣中SO3、CO2等侵蝕性氣體濃度較低,風(fēng)蝕、碳化作用對(duì)隧道襯砌混凝土侵蝕作用的速率較為緩慢,且產(chǎn)生的作用主要是在混凝土表層,與其他鹽侵蝕作用相比,該類作用明顯較弱且侵蝕速率緩慢,因而將此類病害劃分為輕度病害。C-Ⅱ/Ⅲ型病害等級(jí)該類病害主要是由于隧道經(jīng)過(guò)局部含硫酸鹽地下(表)水豐富地段,由于隧道襯砌混凝土本身的滲透性,以及排水設(shè)施中的水流經(jīng)隧道內(nèi)的排水溝槽,硫酸鹽進(jìn)入混凝土中后發(fā)生物理、化學(xué)作用產(chǎn)生的化學(xué)腐蝕,以及較輕程度的物理結(jié)晶腐蝕。該類病害常見于排水溝槽部位及上部邊墻、避人/車洞內(nèi),由于是隧道局部病害,且病害面積也不大,滲漏點(diǎn)數(shù)量也較少,當(dāng)前狀態(tài)下混凝土腐蝕深度較小(小于20mm),病害程度較輕。因此,將其歸類為中等輕度腐蝕。B-Ⅱ/Ⅲ型病害等級(jí)屬嚴(yán)重病害,該類病害主要是由于隧道經(jīng)過(guò)含鹽地(表)下水豐富地段,由于隧道防排水設(shè)施質(zhì)量問(wèn)題,以及混凝土本身的滲透性,導(dǎo)致了局部襯砌混凝土出現(xiàn)較為明顯滲漏,隧道拱頂、邊墻存在較大面積的滲漏、涌水點(diǎn)較多,排水設(shè)施出現(xiàn)較為明顯的破損。此時(shí)硫酸鹽對(duì)混凝土產(chǎn)生的化學(xué)腐蝕和物理結(jié)晶腐蝕較為嚴(yán)重,也存在明顯鹽溶液濾析作用,局部混凝土已發(fā)生剝落、破壞,混凝土嚴(yán)重變質(zhì),膠結(jié)能力弱,混凝土腐蝕剝落與劣化嚴(yán)重,腐蝕深度達(dá)20~50mm;由于該類隧道襯砌混凝土或排水溝槽部位混凝土腐蝕深度較大,襯砌內(nèi)部加強(qiáng)筋材發(fā)生銹蝕,腐蝕速率顯著加快,進(jìn)一步腐蝕將影響結(jié)構(gòu)的安全性,因此將此類病害程度歸納為嚴(yán)重腐蝕。A-Ⅰ類病害該類病害是硫酸鹽侵蝕環(huán)境下隧道襯砌結(jié)構(gòu)最為嚴(yán)重的一類病害,包含有硫酸鹽對(duì)混凝土的化學(xué)侵蝕、物理結(jié)晶侵蝕,以及嚴(yán)重的水濾析溶蝕作用,導(dǎo)致了大面積混凝土腐蝕變質(zhì)、疏松多孔、粘結(jié)力下降、鹽結(jié)晶破壞,表層混凝土剝落嚴(yán)重,局部腐蝕面積在2m