一种隧道衬砌混凝土抗硫酸盐侵蚀测试方法与流程

本发明涉及隧道施工测试技术领域，特别是一种隧道衬砌混凝土抗硫酸盐侵蚀测试方法。

背景技术：

腐蚀是破坏混凝土的主要因素之一，因此近年来，隧道衬砌混凝土抗腐蚀研究属于混凝土耐久性的一个重要内容。而在各种复杂的腐蚀环境中，硫酸盐腐蚀又是复杂性和危害性最大的一种，海水、地下水、土壤、腐烂的有机物、工业废水、道路除冰盐等都含有硫酸根离子，腐蚀作用可导致混凝土产生膨胀、开裂、剥落等现象，使混凝土丧失黏性，强度损失。对水工混凝土而言，隧道衬砌混凝土长期处于易渗透的工作环境，使腐蚀危害加剧。隧道衬砌混凝土腐蚀过程复杂，且大多是在腐蚀介质作用下缓慢进行的，因此，抗腐蚀性研究受到试验条件、时间等的限制，难以对混凝土的抗腐蚀性做出准确的评价。

从作用机理来看，隧道衬砌混凝土被硫酸盐腐蚀主要是由于硫酸根离子对水泥石的腐蚀作用，基于隧道衬砌混凝土抗硫酸盐腐蚀性能的试验方法及评价标准至今还没有统一标准，隧道衬砌混凝土的抗腐蚀试验沿用水泥抗硫酸盐试验的方法，国外的方法包括：(1)美国的astm(美国材料与试验协会)方法：试件浸泡在5％硫酸盐溶液至一定龄期，评价标准为膨胀率，同时考虑了硫酸钠和硫酸镁两种侵蚀溶液的影响，但是试验结果离散性较大，龄期长。(2)德国氧扩散法：试件成型2d后脱模，放入20摄氏度的氢氧化钙饱和溶液中，在14d后移入4.4％的硫酸钠溶液中养护，采用氧扩散法测定浸养后试件的渗气性并计算有效扩散系数；评价标准为有效扩散系数，从试件尺寸、质量、弹性模量等多方面来评价腐蚀作用，然而方法比较复杂，龄期长。(3)前苏联等国的浸泡法：水泥试件同时浸泡在侵蚀环境中和淡水中至一定龄期，评价标准为同龄期强度比值，方法简单，但是同样存在龄期较长的缺点。

我国的方法包括：(1)gb749-1965：试件加压成型，湿气种养护1d，淡水中养护14d后，部分试件仍在淡水中养护，部分放入硫酸盐溶液中，养护至6个月，评价标准为腐蚀系数，有明确的评定标准，腐蚀系数小于0.80时，则认为该种水泥在该环境下抗腐蚀性能较差，但是没有指明侵蚀溶液的浓度，没有考虑在高、低浓度时，侵蚀机理的不同，且试验周期长。(2)gb/t2420-1981：试件压力成型，1d养护箱养护，7d50摄氏度水中养护，然后常温侵蚀28d，评价标准为抗蚀系数，试验周期仅为36d比较短，然而没有明确的评定标准，试件尺寸很小，结果离散性大，实用性较差。(3)gb/t749-2001：方法和评价标准类似于astm试验法。以上试验方法均采用小尺寸水泥胶砂试件，试件体积小，成型时的微小变化也可能对试验的结果产生显著影响，从而使试验结果的离散性较大，将这些方法用于隧道衬砌混凝土的性能研究不能真实反映隧道衬砌混凝土的抗腐蚀性能。

我国先后3次制定的国家标准gb749-1965、gb/t2420-1981、gb/t749-2001中，隧道衬砌混凝土抗硫酸盐腐蚀试验方法及评价指标都存在着不足之处，将这些方法用在混凝土上来评价混凝土的抗腐蚀性，不能完全反映混凝土的抗硫酸盐腐蚀能力。国内一些科研单位采用的混凝土抗腐蚀性能的试验方法都不同程度的派生于此，也具有局限性。目前采用较为广泛的方法主要是全浸泡法和干湿循环法。采用抗压强度比，这个指标能更准确地评价抗腐蚀性。无论是各国沿用的标准还是目前主要采用的长期浸泡法和干湿循环法，各种硫酸盐侵蚀的测试方法中都存在很多问题，很难真实可靠的反映实际的情况，其中比较突出的问题是：试验周期较长，不能满足工程实际的需要，对混凝土是否被腐蚀破坏缺乏科学的界定、可靠的评价指标等。还需要研发一个既能真实反应实际情况，又能缩短试验周期的科学试验方法。

技术实现要素：

为克服现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种隧道衬砌混凝土抗硫酸盐侵蚀测试方法，包括如下步骤：

(1)进行试验材料及配合比：采用隧道衬砌混凝土为普通硅酸盐混凝土，选择粉煤灰，选择细集料选细度模数为3.4的河砂，粗集料为粒径5-10mm连续级配瓜米石，选择冷压剪切波浪形钢纤维，等效长径比为24.6，速凝剂采用无碱速凝剂，减水剂采用聚羧酸系高性能减水剂；

(2)试件制作：制作喷射混凝土试件，所述试件材料选自隧道施工现场，采用潮喷大板法进行制作，大板尺寸为1000mm*500mm*120mm，大板成型3小时后拆模，放入隧道中同环境养护7d后，使用岩石切割机将喷射混凝土大板切割成标准试件并将其置于标准养护室养护至28d，最后将试件置于室外自然养护至90d；

(3)进行隧道衬砌混凝土抗硫酸盐半浸泡测试，将混凝土试件放入10％硫酸钠侵蚀介质中进行浸泡试验，浸泡龄期为30天、90天和180天，在每个侵蚀龄期时，分别测定侵蚀龄期前后的重量和抗压强度的变化，抗压变化的强度测定采用与水中养护至同龄期试件相对强度的方法，即对比试件在水中养护28天后，在受侵蚀试件放入侵蚀介质的同时，继续保持在水中养护，养护至与侵蚀试件相同龄期，分别测定其不同龄期强度，侵蚀截至放在盒中，下半部侵蚀介质中，计算抗腐蚀系数＝在溶液中抗压强度/在清水中抗压强度；

(4)进行隧道衬砌混凝土抗硫酸盐侵蚀测试，所述测试采用干湿交替方式进行，首先将试件置于10％硫酸钠溶液中浸泡16h，而后放入鼓风干燥箱中在60摄氏度下烘干8小时。试验共进行6个周期，分别为干湿交替15，30，60，90，120，150次，每个周期结束后测试试件的相对动弹性模量、试件质量损失率及试件损伤层厚度，然后，从试件中随机取样并剔除骨料，采用冷场发射扫描电镜(fesem-eds)、x射线衍射(xrd)、综合热分析(tg-dsc)等方法对侵蚀后喷射混凝土腐蚀产物矿物组成及微观形貌进行分析。

优选地，所述试件相对动弹性模量测试采用超声波对测声时法进行测定，并按照式(1)进行计算：

erd＝t²en/t²e0(1)

式中，erd为干湿交替n次后试件相对动弹性模量；t²en为干湿交替n次试件超声波对测声时，t²e0为试件初始超声波对测声时。

优选地，所述试件质量损失率按照式(2)进行计算

wn＝(mn-me)/m0*100％(2)

式中，wn为干湿交替n次后试件质量损失率；mn为干湿交替n次后试件质量；m0为试件初始质量。

优选地，所述试件损伤层厚度测试采用超声波平测法进行，试件损伤层厚度按照式(3)进行计算：

h＝v1v2ti/2(v²2-v²1)^1/2

式中，h为干湿交替n次后试件损伤层厚度；v1为损伤混凝土中超声波传播速度；v2为未损伤混凝土中超声波传播波速；ti为未损伤混凝土的声时-测距图中在测距为0时的y轴截距。

优选地，测试试验所使用的试验设备为：试件超声声时采用北京koncerynm-4b型非金属超声检测仪测定，精度0.2微秒，试件质量采用余兆金诺td10000型电子天平称量，精度0.1g；试件抗压强度测定采用建仪tya-2000型电液式压力试验机，精度0.1kn，量程2000kn，劈裂抗拉强度测定采用天辰yes-600型数显式液压压力试验机，精度0.01kn，量程600kn。

优选的，还包括步骤(5)进行物相组成分析，以确定喷射混凝图硫酸盐损伤的部分机理。

优选的，还包括步骤(6)采用钻孔法对硫酸盐侵蚀后喷射混凝土试件分层取粉、研磨并进行综合热分析以确定腐蚀产物热分析图谱。

优选的，还包括步骤(7)将硫酸盐侵蚀后普通喷射混凝土扫描电镜照片及eds能谱提取进行微观形貌分析。

本发明的有益效果：

(1)从宏观层面评估隧道衬砌混凝土抗硫酸盐侵蚀情况和性能；

(2)从微观结构分析隧道衬砌混凝土硫酸盐侵蚀后内部存在的初始微裂缝及孔洞可显著缓解侵蚀产物堆积带来的膨胀应力，从而确定隧道衬砌混凝土腐蚀破坏方式；

(3)通过测试获得隧道衬砌混凝土抗硫酸盐侵蚀的抗压强度阈值以及劈裂抗拉强度阈值，为隧道单层永久衬砌设计及施工过程的材料选择提供依据；

(4)为不同水胶比、粉煤灰掺量及钢纤维掺量喷射混凝土硫酸盐侵蚀试验性能研究方法提供基础，同时采用化学法分析试件内部硫酸根离子含量分布以及喷射混凝土抗硫酸盐侵蚀的情况。

根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。

附图说明

后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。本发明的目标及特征考虑到如下结合附图的描述将更加明显，附图中：

附图1为根据本发明实施例的试件相对动弹性模量试验曲线图；

附图2为根据本发明实施例的试件质量损失率试验曲线图；

附图3为根据本发明实施例的硫酸盐侵蚀后试件力学系能曲线图；

附图4为根据本发明实施例的试件损伤层厚度变化曲线图。

附图5为根据本发明实施例的不同干湿交替次数试件xrd图谱；

附图6为根据本发明实施例的试件距表层不同深度处xrd图谱(n＝150)；

附图7为根据本发明实施例的钢纤维喷射混凝土侵蚀产物xrd图谱；

附图8为根据本发明实施例的不同干湿交替次数侵蚀产物热分析结果(h＝2mm)；

附图9为根据本发明实施例的距表层不同深度处侵蚀产物热分析结果(n＝150)；

附图10为根据本发明实施例的n＝150时不同深度处侵蚀产物热分析(钢纤维喷射混凝土)腐蚀产物相对质量百分比示意图；

附图11为根据本发明实施例的硫酸盐侵蚀后喷射混凝土sem照片及eds能谱图。

具体实施方式

本实施例的一种隧道衬砌混凝土抗硫酸盐侵蚀测试方法，包括如下步骤：

(1)进行试验材料及配合比：采用隧道衬砌混凝土为普通硅酸盐混凝土，选择粉煤灰，选择细集料选细度模数为3.4的河砂，粗集料为粒径5-10mm连续级配瓜米石，选择冷压剪切波浪形钢纤维，等效长径比为24.6，速凝剂采用无碱速凝剂，减水剂采用聚羧酸系高性能减水剂。原材料化学组分参见表1。试验喷射混凝土水胶比为0.43，砂率50％，其配合比见表2，试件抗压强度及劈裂抗拉强度见表3。

表1试验材料化学组成

表2喷射混凝土配合比

注：c43f10为普通混凝土，s43f10为普通喷射混凝土，s43f10sf50为钢纤维喷射混凝土。

表3试件力学性能

(2)试件制作：制作喷射混凝土试件，所述试件材料选自隧道施工现场，采用潮喷大板法进行制作，大板尺寸为1000mm*500mm*120mm，大板成型3小时后拆模，放入隧道中同环境养护7d后，使用岩石切割机将喷射混凝土大板切割成标准试件并将其置于标准养护室养护至28d，最后将试件置于室外自然养护至90d。

(3)进行隧道衬砌混凝土抗硫酸盐半浸泡测试，将混凝土试件放入10％硫酸钠侵蚀介质中进行浸泡试验，浸泡龄期为30天、90天和180天，在每个侵蚀龄期时，分别测定侵蚀龄期前后的重量和抗压强度的变化，抗压变化的强度测定采用与水中养护至同龄期试件相对强度的方法，即对比试件在水中养护28天后，在受侵蚀试件放入侵蚀介质的同时，继续保持在水中养护，养护至与侵蚀试件相同龄期，分别测定其不同龄期强度，侵蚀截至放在盒中，下半部侵蚀介质中，计算抗腐蚀系数＝在溶液中抗压强度/在清水中抗压强度。

(4)进行隧道衬砌混凝土抗硫酸盐侵蚀测试，所述测试采用干湿交替方式进行，首先将试件置于10％硫酸钠溶液中浸泡16h，而后放入鼓风干燥箱中在60摄氏度下烘干8小时。试验共进行6个周期，分别为干湿交替15，30，60，90，120，150次，每个周期结束后测试试件的相对动弹性模量、试件质量损失率及试件损伤层厚度，然后，从试件中随机取样并剔除骨料，采用冷场发射扫描电镜(fesem-eds)、x射线衍射(xrd)、综合热分析(tg-dsc)等方法对侵蚀后喷射混凝土腐蚀产物矿物组成及微观形貌进行分析。

试件相对动弹性模量测试采用超声波对测声时法进行测定，并按照式(1)进行计算：

erd＝t²en/t²e0(1)

式中，erd为干湿交替n次后试件相对动弹性模量；t²en为干湿交替n次试件超声波对测声时，t²e0为试件初始超声波对测声时。

试件质量损失率按照式(2)进行计算

wn＝(mn-me)/m0*100％(2)

式中，wn为干湿交替n次后试件质量损失率；mn为干湿交替n次后试件质量；m0为试件初始质量。

所述试件损伤层厚度测试采用超声波平测法进行，试件损伤层厚度按照式(3)进行计算：

h＝v1v2ti/2(v²2-v²1)^1/2

式中，h为干湿交替n次后试件损伤层厚度；v1为损伤混凝土中超声波传播速度；v2为未损伤混凝土中超声波传播波速；ti为未损伤混凝土的声时-测距图中在测距为0时的y轴截距。

测试试验所使用的试验设备为：试件超声声时采用北京koncerynm-4b型非金属超声检测仪测定，精度0.2微秒，试件质量采用余兆金诺td10000型电子天平称量，精度0.1g；试件抗压强度测定采用建仪tya-2000型电液式压力试验机，精度0.1kn，量程2000kn，劈裂抗拉强度测定采用天辰yes-600型数显式液压压力试验机，精度0.01kn，量程600kn。

试件腐蚀产物xrd图谱采用日本理学d/max2400型x射线衍射仪测定，并采用jade6.5物相分析软件分析其物相组成；综合热分析采用美国ta公司产q600dt型综合热分析仪进行测定，微观结构采用日本日立s4800型冷场发射扫描电镜进行观察。

硫酸盐侵蚀后试件相对动弹性模量及质量损失率参见图1和图2。从图1和图2可以看出：干湿交替15次时，试件相对动弹性模量急剧下降，而后普通混凝土相对动弹性模量持续下降，但喷射混凝土及钢纤维喷射混凝土动弹性模量在经过一个微升阶段后快速下降，与相对动弹性模量变化相反，试件质量先快速增大，经过一个稳定期后则快速下降，但钢纤维喷射混凝土质量始终处于增大状态。

在干湿交替初期，由于试件频繁遭受热胀冷缩作用，使试件内部初始微裂纹扩展，损伤度增大；钙矾石等腐蚀产物在微裂缝中的堆积使试件密实度相对增大，试件相对动弹性模量和质量微升；而后，腐蚀产物大量生成及结晶作用导致内部膨胀应力增大、试件微裂纹大量生成并扩展，试件表面及边角处砂浆及骨料开始大量剥落，喷射混凝土相对动弹性模量和质量快速下降。但是，与普通喷射混凝土不同，钢纤维喷射混凝土质量增加0.55％后始终维持在一个相对稳定的阶段，这是因为钢纤维的加入抑制了试件热胀冷缩效应及其内部侵蚀产物膨胀裂缝的产生及扩展，并减缓试件开裂剥落的产生，试件质量相对稳定。

硫酸盐侵蚀后试件力学性能参见图3，从图3可以看出，试件相对抗压强度及相对劈裂抗拉强度分为上升和下降2个极端，普通混凝土、喷射混凝土及钢纤维喷射混凝土强度分别在干湿交替15，30，60次时达到最高值，这是因为腐蚀产物在试件孔隙中堆积使试件密实度增加造成的，但过量腐蚀产物使试件出现宏观裂缝，致使试件力学性能劣化速度加快。

硫酸盐侵蚀后试件损伤层厚度参见图4，随着干湿循环次数增加，试件损伤层厚度增大，但增大幅度不同，普通混凝土早期损伤层厚度较喷射混凝土小，仅为喷射混凝土的75％，但后期急剧增大，损伤层厚度达到喷射混凝土的105％。喷射混凝土由于在成型过程中带入部分气体而形成独立的微气孔，使喷射混凝土含气量在2.5％-5.3％，这些气孔具有引气效果，使喷射混凝土抗硫酸盐侵蚀性能得到提高，同时，钢纤维的掺入可显著改善喷射混凝土内部孔结构，使其抗硫酸盐侵蚀性能得到进一步提升。

优选的，还包括步骤(5)进行物相组成分析，以确定喷射混凝图硫酸盐损伤的部分机理。附图5为不同干湿交替次数喷射混凝土xrd图谱。从图5可知，未侵蚀试件中存在较为明显的氢氧化钙衍射峰及少量钙矾石衍射峰。在干湿交替作用下，溶液中硫酸根离子通过对流及扩散作用向试件内部迁移，与试件中氢氧化钙及氢氧化铝离子反应生成钙矾石。随着侵蚀时间延长，试件内部硫酸根离子不断积累，当孔隙溶液中钙离子与硫酸根离子浓度积达到石膏形成的浓度积时，2水合硫酸钙结晶析出。由于在钙矾石及石膏晶体形成过程中伴随着体积膨胀，使试件表面出现微裂缝，硫酸钠溶液进入裂缝并析晶。当干湿交替次数n>120时，试件中出现芒硝，即10水合硫酸钠及硫酸钠衍射峰。

干湿交替150次时喷射混凝土试件距表层不同深度h处xrd图谱参见附图6，从图6看出：距离试件表层2mm处其腐蚀产物物相组成主要为钙矾石、石膏、芒硝；随着距试件表层深度增加，试件中钙矾石衍射峰强度先增强后减弱，石膏衍射峰强度持续减弱，当距离大于23mm时，试件中已无腐蚀产物衍射峰，均为喷射混凝土矿物成分。

钢纤维喷射混凝土侵蚀产物xrd图谱参见图7，对于钢纤维喷射混凝土，与同试验条件下普通喷射混凝土相比，其内部尚未生成芒硝，且石膏衍射峰强度明显减小，说明钢纤维可减少试件内部微裂缝数量，从而使内部硫酸根离子浓度降低，侵蚀产物的结晶程度差，尚未形成具有破坏性的晶体。

还包括步骤(6)采用钻孔法对硫酸盐侵蚀后喷射混凝土试件分层取粉、研磨并进行综合热分析以确定腐蚀产物热分析图谱。不同干湿交替次数及距试件表层不同距离喷射混凝土硫酸盐侵蚀产物热分析结果参见附图8和附图9。从图谱中可以发现，升温过程中图谱出现4个较为明显的吸热峰，分别为90摄氏度-110摄氏度、130摄氏度-140摄氏度，280-300摄氏度及430-450摄氏度，根据相关资料可知，这4个温度区间分别对应钙矾石、石膏、水化硅酸二钙及氢氧化钙脱水分解。

参见图8，随着干湿交替次数增加，试样中钙矾石和石膏相对质量(腐蚀产物相对质量均为各腐蚀产物仔高温下失去结合水的质量)增加，水化硅酸二钙及氢氧化钙含量降低；在干湿交替初期，侵蚀产物主要为钙矾石；当干湿交替次数达到60次时，试件中出现石膏，此时喷射混凝土硫酸盐侵蚀转变为钙矾石和石膏复合侵蚀；当干湿交替120次时，氢氧化钙及水化硅酸二钙全部消耗，硅矾石及石膏含量继续增长。

参见图9，随着h增大，试件内部主要矿物成分含量变化分为2个阶段，即变化段及稳定段；当h>12mm时，石膏含量为0，而钙矾石、氢氧化钙及水化硅酸二钙含量保持稳定；干湿交替作用下，试件表面始终处于非饱和状态，在毛细吸附力作用下，试件表层形成硫酸根离子对流层，故当深度小于6mm时，钙矾石含量增大；随着深度增大，硫酸根离子迁移以扩散为主，且速率随着深度的增大而减小，故石膏及钙矾石含量急剧降低，氢氧化钙及水化硅算二钙含量增大。

参见图10，为n＝150时不同深度处侵蚀产物热分析(钢纤维喷射混凝土)结果。从图10可以看出，与普通喷射混凝土相比，钢纤维喷射混凝土中钙矾石及石膏含量低，水化硅酸二钙和氢氧化钙含量高，与图7结论一致。这说明钢纤维可有效抑制和降低试件内部微裂缝发展，使试件内部硫酸根离子浓度大幅降低、侵蚀产物减少、试件抗硫酸盐侵蚀性能提高。

还包括步骤(7)将硫酸盐侵蚀后普通喷射混凝土扫描电镜(sem)照片及eds能谱提取进行微观形貌分析，能谱参见附图11，从附图11可以看出：干湿交替15次时，试件内部仍相对致密，但存在长度大于10微米且宽度为1-2微米的裂缝，这为硫酸根离子侵入提供了通道，又为侵蚀产物的堆积提供空间；干湿交替30次时，喷射混凝土内部大量高度方向性钙矾石穿插于凝胶体中，且在钙矾石之间，出现芒硝晶粒的初结晶晶核，表明在干湿交替初期，喷射混凝土硫酸盐侵蚀主要以钙矾石为主，且具有膨胀性的钙矾石和芒硝生成将试件内部微裂缝及缺陷填充，这能改善试件内部微观结构、提高试件密实度，故喷射混凝土早期质量、动弹性模量及力学性能较好；随着干湿交替继续进行，钙矾石晶体异常长大，成为短柱状并相互挤压形成较大内应力，从而造成试件微裂纹开展并持续扩展；当孔溶液中钙离子和硫酸根浓度积达到石膏浓度积时，石膏晶体形成，从而使试件内部微裂纹直径增大并快速扩展；干湿交替150次时，石膏晶体已相互融合并且具有高度方向性，此时试件损伤严重，结构酥松，遍布裂缝，甚至局部出现贯通裂缝及严重坑蚀现象，试件质量、动弹性模量及力学性能急剧下降。

本实施例的有益效果：

(1)从宏观层面评估隧道衬砌混凝土抗硫酸盐侵蚀情况和性能；

(2)从微观结构分析隧道衬砌混凝土硫酸盐侵蚀后内部存在的初始微裂缝及孔洞可显著缓解侵蚀产物堆积带来的膨胀应力，从而确定隧道衬砌混凝土腐蚀破坏方式；

(3)通过测试获得隧道衬砌混凝土抗硫酸盐侵蚀的抗压强度阈值以及劈裂抗拉强度阈值，为隧道单层永久衬砌设计及施工过程的材料选择提供依据；

(4)为不同水胶比、粉煤灰掺量及钢纤维掺量喷射混凝土硫酸盐侵蚀试验性能研究方法提供基础，同时采用化学法分析试件内部硫酸根离子含量分布以及喷射混凝土抗硫酸盐侵蚀的情况。

虽然本发明已经参考特定的说明性实施例进行了描述，但是不会受到这些实施例的限定而仅仅受到附加权利要求的限定。本领域技术人员应当理解可以在不偏离本发明的保护范围和精神的情况下对本发明的实施例能够进行改动和修改。