仲新華，李享濤，渠亞男，裘智輝，謝永江

（1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081；2.高速鐵路軌道技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；3.北京鐵科特種工程技術(shù)有限公司，北京 100081）

混凝土學(xué)是一門(mén)新生的學(xué)科。人們對(duì)于混凝土的認(rèn)識(shí)遠(yuǎn)不及對(duì)于金屬那樣深透完備，混凝土在很多腐蝕環(huán)境中的劣化問(wèn)題還處于探尋摸索階段。由于硫酸鹽侵蝕破壞過(guò)程漫長(zhǎng)，難以完全現(xiàn)場(chǎng)模擬進(jìn)行全過(guò)程觀(guān)測(cè)，因此相當(dāng)一段時(shí)間內(nèi)硫酸鹽侵蝕機(jī)理的研究主要依賴(lài)室內(nèi)加速試驗(yàn)［1-2］。室內(nèi)加速試驗(yàn)雖然能在短時(shí)間內(nèi)揭示其破壞特征，但與工程實(shí)際之間存在很大差異，且僅依據(jù)破壞特征相似進(jìn)行硫酸鹽侵蝕過(guò)程和機(jī)理研究亦不嚴(yán)謹(jǐn)［3］。隨著檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，通過(guò)晶體衍射圖譜比對(duì)獲得了水泥石的部分含硫酸鹽組分的晶體成分，結(jié)合水泥的水化產(chǎn)物對(duì)硫酸鹽的侵蝕過(guò)程和機(jī)理進(jìn)行了推斷［4-5］。

雖然關(guān)于硫酸鹽侵蝕混凝土的機(jī)理尚存在爭(zhēng)議，但為便于應(yīng)用，工程界習(xí)慣按硫酸鹽侵蝕破壞機(jī)理提出具體預(yù)防措施，如采用抗硫酸鹽侵蝕水泥或摻用較多的活性礦物摻和料［6-7］，在實(shí)際應(yīng)用中取得了積極效果。然而，也有研究和工程實(shí)例表明采用抗硫酸鹽侵蝕水泥不能有效降低混凝土結(jié)構(gòu)水分蒸發(fā)部位的劣化進(jìn)程，摻加活性礦物摻和料后反而加劇了蒸發(fā)區(qū)混凝土的破壞程度［8-9］。

我國(guó)硫酸鹽土壤分布廣泛，尤其是近年來(lái)鐵路網(wǎng)建設(shè)向西部推進(jìn)，大量鐵路橋墩、涵洞和隧道等主體結(jié)構(gòu)面臨硫酸鹽侵蝕風(fēng)險(xiǎn)。因此，提高混凝土的抗硫酸鹽侵蝕能力是鐵路主體結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。本文介紹了鐵路混凝土抗硫酸鹽侵蝕的部分試驗(yàn)成果及主要技術(shù)對(duì)策，為目前鐵路建設(shè)，特別是西部鐵路建設(shè)中硫酸鹽破壞環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)提供參考。

1 混凝土的硫酸鹽侵蝕破壞機(jī)理

學(xué)術(shù)界普遍認(rèn)為，硫酸鹽侵蝕混凝土涉及一系列復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)，造成混凝土損傷，但目前尚無(wú)法明確劃分物理或化學(xué)損傷的界限。近年來(lái)科技人員在硫酸鹽對(duì)混凝土的損傷機(jī)理方面進(jìn)行了較多的探索，如通過(guò)分析硫酸鈉結(jié)晶熱力學(xué)、等效應(yīng)力、鹽脹特性以及建立本構(gòu)關(guān)系等［10-13］途徑進(jìn)行研究，取得了有益進(jìn)展。目前仍將硫酸鹽侵蝕破壞機(jī)理分為物理結(jié)晶和化學(xué)腐蝕［14-15］2種。

1.1 物理結(jié)晶

混凝土內(nèi)部存在大量孔隙，主要由混凝土拌和水蒸發(fā)和水泥石收縮產(chǎn)生，大部分以毛細(xì)孔或界面微裂縫的形式存在。當(dāng)環(huán)境中的鹽溶液進(jìn)入孔隙后，通過(guò)水分蒸發(fā)或溫度降低使鹽結(jié)晶相變。隨著環(huán)境干燥和潮濕狀態(tài)的交替進(jìn)行，孔隙中的鹽結(jié)晶體不斷生長(zhǎng)。當(dāng)鹽結(jié)晶體增大到對(duì)孔隙產(chǎn)生阻隔效應(yīng)時(shí)，鹽結(jié)晶體周邊及受阻隔的毛細(xì)孔內(nèi)壁水泥石處于復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)。其結(jié)果是發(fā)生微裂縫的擴(kuò)展和水泥石的破壞。

1.2 化學(xué)腐蝕

由于水泥中礦物的種類(lèi)、數(shù)量及其水化進(jìn)程存在隨機(jī)性，在水泥水化后形成的多礦物集合體中或多或少存在一定數(shù)量的介穩(wěn)狀態(tài)化合物。當(dāng)水泥石與環(huán)境中的硫酸鹽接觸時(shí)，水泥石中的水化鋁酸鈣和單硫型硫鋁酸鈣等介穩(wěn)狀態(tài)化合物進(jìn)一步反應(yīng)生成穩(wěn)定的高硫型水化硫鋁酸鈣（簡(jiǎn)稱(chēng)“鈣礬石”），鈣礬石晶體體積膨脹產(chǎn)生的結(jié)晶壓力導(dǎo)致水泥石破壞，這被稱(chēng)為鈣礬石型腐蝕。當(dāng)硫酸鹽中的硫酸鈉濃度持續(xù)增加時(shí)，原本硫酸鈉和氫氧化鈣反應(yīng)生成硫酸鈣和氫氧化鈉的平衡被打破，氫氧化鈉和硬化水泥中的水化鋁酸鹽反應(yīng)生成可溶的鋁酸鈉，降低了鈣礬石生成的可能，從而使得生成的硫酸鈣因濃度升高以二水石膏的形態(tài)結(jié)晶析出，產(chǎn)生膨脹破壞，這被稱(chēng)為石膏型腐蝕。當(dāng)環(huán)境中同時(shí)存在碳酸鹽和硫酸鹽時(shí)，侵蝕性二氧化碳溶蝕反應(yīng)和硫酸鹽腐蝕同時(shí)發(fā)生，常伴生有無(wú)膠結(jié)力的碳硫硅鈣石產(chǎn)物，使得水泥石失去強(qiáng)度，這被稱(chēng)為碳硫硅鈣石型腐蝕。

2 混凝土抗硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)

工程實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，硫酸鹽腐蝕地區(qū)的結(jié)構(gòu)物多在地表附近干濕交替處發(fā)生混凝土崩壞現(xiàn)象。究其原因：①因?yàn)樗嗨a(chǎn)物的組成和結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其隨水泥水化的時(shí)間和混凝土所處環(huán)境條件（水、齡期、溫度、pH值等）的變化而變化，水泥石在干縮和濕脹的反復(fù)中更易產(chǎn)生微細(xì)裂紋；②溫度和濕度頻繁交替變化的環(huán)境有利于毛細(xì)吸附作用，引起混凝土水分蒸發(fā)以及表層混凝土裂紋內(nèi)硫酸鹽結(jié)晶。

對(duì)既有結(jié)構(gòu)物的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，即便硫酸鹽濃度較高，其對(duì)完全處于水下或土壤中的混凝土結(jié)構(gòu)的損傷也是非常有限的。

2.1 干濕交替試驗(yàn)

先采用3%硫酸鈉溶液浸泡12 h 再在100 ℃的環(huán)境中干燥12 h，這樣交替循環(huán)的方法對(duì)160 mm（長(zhǎng)）×40 mm（寬）×40 mm（高）的4種砂漿試件進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)觀(guān)察試件外觀(guān)和測(cè)試干燥試件質(zhì)量的方法判斷試件的損傷程度。

4 種砂漿試件分別為MC50 水泥砂漿試件、MC30防腐砂漿試件、MC50 防腐砂漿試件、環(huán)氧瀝青厚涂砂漿試件（MC30防腐砂漿表面厚涂環(huán)氧瀝青）。

4 種砂漿試件的主要原材料為：42.5 級(jí)普通硅酸鹽水泥，細(xì)度模數(shù)為2.6 的中粗河砂，灰砂比為1∶3。通過(guò)用水量調(diào)整強(qiáng)度。其中：防腐砂漿中摻入自主研發(fā)的防腐劑，摻量為20%；環(huán)氧瀝青是在90#瀝青中摻入10%的環(huán)氧樹(shù)脂。

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：①環(huán)氧瀝青厚涂砂漿試件除表面略有起砂外，試件外觀(guān)和質(zhì)量幾乎沒(méi)有變化。②MC50 水泥砂漿試件和MC30，MC50 防腐砂漿試件均出現(xiàn)程度不一的表面裂縫。MC50 水泥砂漿試件出現(xiàn)明顯的表面剝落，質(zhì)量損失明顯；MC30 防腐砂漿試件出現(xiàn)明顯的表面鼓脹，MC50 防腐砂漿試件表面鼓脹相對(duì)較輕，MC30，MC50防腐砂漿試件均有一定程度的增重。

設(shè)試驗(yàn)前試件的干燥質(zhì)量為w，試件試驗(yàn)過(guò)程中干燥質(zhì)量為w′，則失重率為（w-w′）/w×100%。試件失重率隨循環(huán)次數(shù)的變化曲線(xiàn)見(jiàn)圖1。可以看出：提高強(qiáng)度和摻入防腐劑均有助于提高砂漿抗硫酸鹽侵蝕能力，采用環(huán)氧瀝青對(duì)水泥砂漿進(jìn)行厚涂防腐后其具有良好的抵抗嚴(yán)重腐蝕的能力。

圖1 試件失重率隨循環(huán)次數(shù)的變化曲線(xiàn)

2.2 浸泡試驗(yàn)

采用浸泡法對(duì)60 mm（長(zhǎng)）×10 mm（寬）×10 mm（高）的砂漿試件進(jìn)行試驗(yàn)。試件脫模后預(yù)先經(jīng)過(guò)7 d的50 ℃水浴養(yǎng)護(hù)，然后分別浸沒(méi)于3%的硫酸鈉溶液和飲用水中，在28，56，90 d齡期進(jìn)行抗折強(qiáng)度測(cè)試。

4 種砂漿試件中礦物摻和料采用質(zhì)量法等量替代水泥，根據(jù)礦物摻和料的活性指數(shù)通過(guò)調(diào)整用水量使得4種砂漿試件處于相同的強(qiáng)度水平。

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：①浸泡28 d 齡期時(shí)4 種試件外觀(guān)和抗折強(qiáng)度幾乎都沒(méi)有變化；②浸泡56 d 齡期時(shí)4 種試件外觀(guān)沒(méi)有明顯變化，但純普通水泥砂漿試件的強(qiáng)度降低比較明顯；③浸泡90 d 齡期時(shí)純普通水泥砂漿試件表面剝蝕較明顯，其他3種試件外觀(guān)沒(méi)有明顯變化，純普通水泥砂漿試件和摻20%粉煤灰砂漿試件強(qiáng)度降幅大。

試件強(qiáng)度比為硫酸鈉溶液中浸泡試件的抗折強(qiáng)度和飲用水中浸泡試件的抗折強(qiáng)度之比。試件強(qiáng)度比隨浸泡時(shí)間變化曲線(xiàn)見(jiàn)圖2?？梢钥闯觯簱饺敕勖夯液偷V渣粉均有助于提高砂漿抗硫酸鹽侵蝕能力，摻20%礦渣粉和摻30%粉煤灰效果接近，說(shuō)明礦渣粉具有更好的摻入效應(yīng)。

圖2 試件強(qiáng)度比隨浸泡時(shí)間變化曲線(xiàn)

3 鐵路主體結(jié)構(gòu)混凝土抗硫酸鹽侵蝕主要技術(shù)對(duì)策

抗硫酸鹽侵蝕能力是混凝土耐久性的重要指標(biāo)。鐵路行業(yè)對(duì)硫酸鹽侵蝕的重視由來(lái)已久，早在青藏鐵路一期工程就已經(jīng)開(kāi)展過(guò)系統(tǒng)研究。20 世紀(jì)90年代開(kāi)始，隨著國(guó)內(nèi)外對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的重視和持續(xù)研究，鐵路行業(yè)才逐步完善了混凝土抗硫酸鹽侵蝕的主要技術(shù)措施。

近15年來(lái)，隨著鐵路建設(shè)大發(fā)展，鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范歷經(jīng)2 次修訂，每次修訂都是對(duì)混凝土的抗硫酸鹽侵蝕環(huán)境分類(lèi)、技術(shù)措施和驗(yàn)證方法的提高和完善，鐵路主體結(jié)構(gòu)混凝土抗硫酸鹽侵蝕技術(shù)對(duì)策體現(xiàn)在以下5個(gè)方面：

1）規(guī)范并細(xì)分了硫酸鹽侵蝕的環(huán)境類(lèi)別和作用等級(jí)

依據(jù)環(huán)境介質(zhì)中硫酸根離子的濃度，鐵建設(shè)〔2005〕157 號(hào)《鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》將以硫酸鹽為主的化學(xué)腐蝕環(huán)境分為H1，H2，H3 和H4 四級(jí)；現(xiàn)行的TB 10005—2010《鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》）增加了物理結(jié)晶環(huán)境，并進(jìn)一步細(xì)分為Y1，Y2，Y3和Y4四級(jí)。

2）對(duì)混凝土強(qiáng)度等級(jí)提出了最低要求

強(qiáng)度高的混凝土通常具有更高的密實(shí)度和耐久性。為了從源頭控制混凝土的抗硫酸鹽侵蝕能力，TB 10005—2010 將處于硫酸鹽環(huán)境的橋梁、隧道、軌道、路基等主體結(jié)構(gòu)混凝土最低強(qiáng)度等級(jí)規(guī)定為C35。

3）限制了部分混凝土配合比關(guān)鍵參數(shù)

為了更好地指導(dǎo)工程應(yīng)用中混凝土配合比的設(shè)計(jì)，TB 10005—2010 又將混凝土的最小膠凝材料用量、水膠比、礦物摻和料摻量等關(guān)鍵參數(shù)作了進(jìn)一步的規(guī)定。如規(guī)定水膠比小于0.40時(shí)，鹽類(lèi)結(jié)晶環(huán)境混凝土的粉煤灰摻量不宜超過(guò)40%，防止粉煤灰摻量過(guò)高帶來(lái)負(fù)面效應(yīng)。

4）規(guī)范了硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)具體方法和判定依據(jù)

為了評(píng)價(jià)混凝土的抗硫酸鹽侵蝕能力，GB/T 749—2008《水泥抗硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)方法》非等效替代ASTM C452—2006Standard Test Method for Potential Expan?sion of Portland?cement Mortars Exposed to Sulfate提出了水泥膠砂抗硫酸鹽潛在膨脹性能試驗(yàn)方法（P 法），同時(shí)替代GB/T 2420—1981《水泥抗硫酸鹽侵蝕快速試驗(yàn)方法》提出了水泥膠砂抗硫酸鹽浸泡侵蝕性能試驗(yàn)方法（K 法）。GB/T 50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》提出了混凝土在干濕循環(huán)條件下的抗硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)方法。

TB 10005—2010 規(guī)定處于硫酸鹽化學(xué)腐蝕環(huán)境的混凝土應(yīng)采用GB/T 749—2008 中的K 法進(jìn)行抗侵蝕試驗(yàn)，且56 d 齡期抗侵蝕系數(shù)不小于0.8；規(guī)定處于硫酸鹽物理結(jié)晶環(huán)境的混凝土應(yīng)采用GB/T 50082—2009 進(jìn)行試驗(yàn)，且混凝土抗硫酸鹽物理結(jié)晶破壞性能應(yīng)符合表1的要求。

表1 混凝土抗硫酸鹽物理結(jié)晶破壞性能

5）對(duì)嚴(yán)重腐蝕環(huán)境提出了附加防腐要求

考慮到我國(guó)幅員遼闊，地質(zhì)條件復(fù)雜，鹽堿土壤分布廣泛，TB 10005—2010 特別規(guī)定將 H4 和 Y4 環(huán)境定義為嚴(yán)重腐蝕環(huán)境。對(duì)于嚴(yán)重腐蝕環(huán)境推薦采取附加防腐措施，如對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)采用瀝青等耐腐材料進(jìn)行環(huán)境隔離。

4 結(jié)語(yǔ)

由于缺少劣化機(jī)制的有效支撐，硫酸鹽環(huán)境混凝土的防腐技術(shù)主要依賴(lài)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果和工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。根據(jù)室內(nèi)模擬試驗(yàn)結(jié)果，硫酸鹽環(huán)境混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性風(fēng)險(xiǎn)主要集中于結(jié)構(gòu)的干濕交替部位，提高混凝土的抗侵蝕性能并進(jìn)行附加防腐是較為可靠的技術(shù)措施。