鐵路隧道防腐抗滲支護混凝土試驗
發布時間：2010-01-14 共2頁
摘要： 大多數土壤中都含有一些硫酸鹽，若其硫酸鹽濃度低，則對混凝土不會產生顯著的影響；若硫酸鹽濃度高，則可對其建筑物或構筑物的地下部分，如橋梁、隧道、涵洞和房屋的基礎產生顯著的破壞作用。這種破壞可能以膨脹形式出現而導致結構位移。例如，前東德Ｍａｇｄｅｂｕｒｇ城泉水的ＳＯ-24含量達 2040ｍｇ/Ｌ，在4年內由于混凝土膨脹使Ｅｌｂｅ河橋樁升高8ｃｍ，造成嚴重開裂，導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物喪失膠凝性，呈酥松狀或糊狀。
關鍵詞： 隧道防腐 抗滲 支護
1. 水泥混凝土防腐抗滲技術研究的進展
1.1 水泥混凝土抗硫酸鹽侵蝕技術的基本情況及其進展
大多數土壤中都含有一些硫酸鹽，若其硫酸鹽濃度低，則對混凝土不會產生顯著的影響；若硫酸鹽濃度高，則可對其建筑物或構筑物的地下部分，如橋梁、隧道、涵洞和房屋的基礎產生顯著的破壞作用。這種破壞可能以膨脹形式出現而導致結構位移。例如，前東德Ｍａｇｄｅｂｕｒｇ城泉水的ＳＯ-24含量達2040ｍｇ/Ｌ，在4年內由于混凝土膨脹使Ｅｌｂｅ河橋樁升高8ｃｍ，造成嚴重開裂，導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1 5%（地下水經常含有硫酸鹽4000ｇｍ/Ｌ～9000ｍｇ/Ｌ），由于硫酸鹽侵蝕，混凝土呈多孔和酥松，最終成為無粘結力的物質。我國隧道工程中也常遇到硫酸鹽濃度高的地質環境。例如青藏鐵路要經過硫酸鹽濃度相當高的鹽湖地區，云貴高原的山地。雖然我國已有抗硫酸鹽水泥的標準，但對如何配制和澆筑抗硫酸鹽混凝土仍缺乏足夠的施工技術和經驗。
中國水科院西北科研所曾對不同品種水泥（及粉煤灰摻量）的抗硫酸鹽性能進行了對比性試驗（《西北水電》1994， NO1， p49）。試驗采用了被認為具有較高抗硫酸鹽性的4種水泥：抗硫酸鹽硅酸鹽水泥，抗硫酸鹽礦渣水泥，中熱硅酸鹽水泥，低熱微膨脹水泥。抗腐蝕性試驗采用GB749-65（慢蝕法）及GB2420-80（快蝕法），并采用抗蝕系數K進行抗硫酸鹽性能的評價。
甘肅省八盤峽水電站與中國水科院合作，于96年對該水電站大壩左平洞內的支護混凝土硫酸鹽腐蝕問題進行了現場試驗（《混凝土與水泥制品》1997， NO2， p10）。洞內地下水的SO-24 含量6000~15000mg/L，Mg+2含量900~2100mg/L，屬高濃度的硫酸鹽與鎂鹽綜合腐蝕環境。經材料對比性試驗及平洞內的現場澆筑混凝土驗證，與抗硫酸鹽水泥相比，采用低熱礦渣水泥配制的混凝土具有優良的抗硫酸鹽性能。
南京水科院于99年對新疆“635”水利樞紐發電引水豎井內支護混凝土的硫酸鹽腐蝕問題進行了試驗研究與現場換填混凝土施工（《水利水運工程學報》2002.3， NO1， p31）。豎井內地下水的SO-24 含量8645~12487mg/L，Mg+2含量2675mg/L，pH3~4，屬高濃度硫酸鎂腐蝕環境。換填混凝土采用抗硫酸鹽硅酸鹽水泥和礦渣粉配料，豎井壁的支護混凝土按分段換填法施工。防滲砂漿采用丙烯酸乳液與砂組成的聚合物砂漿——用于漏水孔縫的堵漏。該防腐堵漏工程完成2年后回訪，防腐堵漏效果顯著而無任何新的滲漏和腐蝕問題。
1.2 水泥混凝土抗裂、抗滲技術的基本情況及進展。
建筑結構裂縫控制是個系統工程，近十年多來，我國工民建向長大化、復雜化發展，商品混凝土普及應用，混凝土強度等級從C30 向C50發展，這些因素導致鋼筋混凝土結構開裂的機率增多。摻膨脹劑的補償收縮混凝土在防止和大大減輕混凝土開裂作出了積極貢獻。 經十多年來的開發應用，我國混凝土膨脹劑得到較廣泛的應用，累計總量約200萬噸，以膨脹劑平均摻量40kg/m3計，折合補償收縮混凝土近5000萬M3.其中UEA膨脹劑約占總量的80％左右。在各種抗裂防滲工程應用中總的效果是良好的。
膨脹劑主要功能是補償混凝土硬化過程中的干縮和冷縮。為減免收縮開裂，它可以應用于各種抗裂防滲混凝土，尤其適用于與防水有關的地下、水工、海工、地鐵、隧道和水電等鋼筋混凝土結構工程。 選用膨脹劑時，首先檢驗它是否達到《混凝土膨脹劑》建材行業JC476-2001標準。 我國膨脹劑有三種類型：硫鋁酸鈣類（如UEA、AEA、 PNC、FS、PPT等）氧化鈣-硫鋁酸鈣類（如CEA）和氧化鈣類。由于鈣礬石（C3A.3CaSO4.32H2O）的化學穩定性和耐水性優良，國內外絕大多數生產硫鋁酸鈣類膨脹劑。CaO水化生成Ca（OH）2可以產生膨脹，但Ca（OH）2在壓力水下易溶解，所以GBJ119規范中規定，含CaO膨脹劑不得使用在地下，海工等防水工程中，目前只有北京市有兩家生產CEA.用戶應根據不同性質的工程，選用恰當類型的膨脹劑。
2. 混凝土結構裂縫產生的原因
結構裂縫產生的原因很復雜，根據國內外的調查資料，引起裂縫有兩大類原因，一種由外荷載（如靜、動荷載）的直接應力和結構次應力引起的裂縫，其機率約20％；一種是結構因溫度、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，其機率約80%。
2.1 材料缺陷你好在變形裂縫中收縮裂縫占有80％的比例，從砼的性質來說大概有：
2.1.1 干燥收縮你好研究表明，水泥加水后變成水泥硬化體，其絕對體積減小。每100 克水泥水化后的化學減縮值為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克水泥漿體可蒸發水約6ml，如砼水泥用量為350kg/m3，當砼在干燥條件下，則蒸發水量達21升/m3.毛細孔縫中水逸出產生毛細壓力，使砼產生“毛細收縮”。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 溫差收縮你好水泥水化是個放熱過程，其水化熱為165～250焦爾/克，隨砼水泥用量提高，其絕熱溫升可達50～80℃。研究表明，當砼內外溫差10℃時，產生的冷縮值εc=△T／α=10/1×10-5= 0.01%，如溫差為20～30℃時，其冷縮值為0.02～0.03％，當其大于砼的極限拉伸值時，則引起結構開裂。
2.1.3 塑性收縮你好砼初凝之前出現泌水和水份急劇蒸發，引起失水收縮，此時骨料與水泥之間也產生不均勻的沉縮變形，它發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1％左右。在砼表面上，特別在抹壓不及時和養護不良的部位出現龜裂，寬度達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，環境溫度高，表面失水大等都能導致砼塑性收縮而發生表面開裂現象。
2.1.4 自生收縮你好密封的砼內部相對濕度隨水泥水化的進展而降低，稱為自干燥。自干燥造成毛細孔中的水分不飽和而產生負壓，因而引起砼的自生收縮。高水灰比的普通砼（OPC）由于毛細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，早期強度較高的發展率會使自由水消耗較快，以至使孔體系中的相對濕度低于80％。而HPC結構致密，外界水很難滲入補充，在這種條件下開始產生自干收縮。研究表明，齡期2個月水膠比為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，濕度梯度首先引發表面裂縫，隨后引發內部微裂縫，若砼變形受到約束，則進一步產生收縮裂縫。這是高標號砼容易開裂的主要原因之一。
2.1.5 減水劑的影響你好人們發現，自八十年代中期推廣商品（泵送）砼以來，結構裂縫普遍增多，這是為什么呢？除了與砼的水泥用量和砂率提高有關外，人們忽視了減水劑引起的負面影響。例如過去干硬性及預制砼的收縮變形約為4～6 ×10-4，而現在泵送砼收縮變形約為6～8×10－4，使得砼裂縫控制的技術難度大大增加。研究表明，在砼配合比相同情況下，摻入減水劑的坍落度可增加 100～150mm，但是它與基準砼的收縮值相比，卻增加120～130％。所以，在《砼減水劑》規范GB138076-97中規定摻減水劑的砼與基準砼的收縮比≤135％。研究表明，摻入不同類型的減水劑砼的收縮比是不相同的，一般是：木鈣減水劑>萘磺酸鹽減水劑>三聚氰胺減水劑>氨基磺酸減水劑>聚丙烯酸減水劑。這說明商品砼澆筑的結構開裂機率大與減水劑帶來負面影響有關。其機理尚不清楚。
2.1.6 砼后期膨脹出現裂縫，主要是：
（1）水泥中游離CaO過高，Ca（OH）2體積膨脹所致；
（2）水泥中MgO過高，Mg（OH）2體積膨脹所致；
（3）水泥和外加劑堿含量過高，與集料中活性硅等發生堿-集料反應所致；
（4）有害離子Cl-、 、Mg++等侵入砼內部，導致鋼筋銹蝕或形成二次鈣礬石膨脹破壞所致。
2.1.7 徐變你好結構物在任意內應力作用下，除瞬間彈性變形外，其變形值隨時間的延長而增加的現象稱為徐變變形。砼拉徐變時對抗裂有利，一般可以提高鋼筋砼極限拉伸值50％左右。而砼壓徐變很小，一般把收縮變形與徐變變形的計算一并加以考慮。
2.2 設計問題你好鋼筋砼結構是由砼和鋼筋共同承擔極限狀態的承載力，結構設計師根據地基情況，靜、動荷載、環境因素、結構耐久性等控制荷載裂縫。這里不作討論。從國內外有關規范可知，對結構變形作用引起的裂縫問題，客觀上存在兩類學派：你好第一類，設計規范規定很靈活，沒有驗算裂縫的明確規定，設計方法留給設計人員自由處理。基本上采取“裂了就堵、堵不住就排”的實際處理手法。
你好第二類，設計規范有明確規定，對于荷載裂縫有計算公式并有嚴格的允許寬度限制。對于變形裂縫沒有計算規定，只按規范留伸縮縫，即留縫就不裂的設計原則。
你好大量工程實踐證明，留縫與否，并不是決定結構變形開裂與否的唯一條件，留縫不一定不裂，不留縫不一定裂，是否開裂與許多因素有關。我們認為，控制裂縫應該防患于未然，首先盡量預防有害裂縫，重點在防。我國結構工程向長大化、復雜化發展，砼設計強度等級向C40～C60發展，設計師多注重結構安全，而對變形裂縫控制考慮不周，這也是結構裂縫發生增多的原因之一。
2.3 施工管理問題你好砼配合比設計是否科學合理，水泥與外加劑是否相適應，砂石級配及其含泥量是否符合規范要求，砼坍落度控制是否合理，這些都影響到砼的質量及其收縮變形。砼澆筑震搗不均勻密實，施工縫和細部處理馬虎，會帶來結構開裂的后患；過震則使浮漿過厚，抹壓又不及時，則砼表面出現塑性裂縫，十分難看。邊墻拆摸板過早（1～3d），砼水化熱正處于高峰，內外溫差最大；砼易“感冒”開裂。
你好砼養護十分重要，但許多施工單位忽視這一環節，尤其是墻體和柱梁的保溫保濕養護不到位，容易產生收縮裂縫。某些露天構筑物盡管當地濕度很大，但由于吹風影響，加速了砼水分蒸發速度，亦即增加干縮速度，容易引起早期表面裂縫。這也許是夏季比秋冬季，南方比北方出現結構裂縫較多的原因。從已建工程調查中發現，底板養護較好，出現裂縫概率較低，而底板上外墻裂縫概率很高約占80％，這與保溫保濕養護不足有很大關系。
你好除上述技術因素外，施工管理不嚴，趕進度，偷工減料，工人素質差，施工馬虎等也是造成結構裂縫的人為因素。
2.4 對維護缺乏認識你好我們發現不少結構是在澆筑完3～6 月，甚至在1～2年內出現裂縫。除荷載問題外，主要是環境溫度和風速引起的收縮變形所致。有些地下室不及時復土；上部結構不及時做好封閉；出入口長期敞開，屋面防水層破壞不及時修補等。這些與施工和業主對結構維護缺乏認識有關。鋼筋砼結構與其他物件一樣都存在“熱脹冷縮”的特征，尤其超長結構更為明顯，所以，應重視已澆結構的保溫保濕維護工作。
