CN102167555A

CN102167555A - 一种用于防治隧道衬砌混凝土盐侵蚀病害的修补材料

Info

Publication number: CN102167555A
Application number: CN2011100072557A
Authority: CN
Inventors: 龙广成; 吴敏; 李小昆; 翁璧石; 谢友均
Original assignee: Central South University
Current assignee: Central South University
Priority date: 2011-01-13
Filing date: 2011-01-13
Publication date: 2011-08-31
Anticipated expiration: 2031-01-13
Also published as: CN102167555B

Abstract

本发明公开了一种用于防治隧道衬砌混凝土盐侵蚀病害的修补材料，由普通硅酸盐水泥、硅铝质矿物组分、膨胀组分、橡胶基聚合物组分、聚丙烯腈纤维和凝结调节组分组成，其质量比为：60∶30∶8∶2～3∶0.3∶2～4。本发明修补材料能够有效对既有隧道衬砌结构盐侵蚀病害进行修补防治，显著提高既有病害隧道结构的耐久性能，延长服役寿命，并具有性价比高、操作简单、适应性好的特点。

Description

一种用于防治隧道衬砌混凝土盐侵蚀病害的修补材料

技术领域

本发明涉及一种防治隧道衬砌混凝土盐侵蚀病害的水泥基修补材料，延长盐侵蚀条件下既有隧道衬砌混凝土结构服役寿命。

背景技术

隧道是一类埋于(岩)土层下的腔型结构物，外部处于围岩(土)以及岩层内的水、离子介质的作用；内部结构临空，受相对封闭的大气环境的作用；同时，在运营状态下，也受到行人、车辆等运行的影响。

隧道这类特殊的结构型式与一般的混凝土构筑物存在明显的不同，主要体现在衬砌混凝土结构内外均受到环境介质的作用，损伤劣化严重。衬砌结构物背面与岩土、环境水直接接触，受所处岩层、土体中侵蚀性物质的影响，如SO₄ ^2-、Cl^-、HCO₃ ^-、CO₃ ^2-、H⁺、Mg²⁺、NH₄ ⁺等介质在压力梯度、浓度梯度的作用下的渗透、扩散作用，使得土层中水、侵蚀性离子介质迁移至混凝土内并发生物理、化学作用；衬砌结构内表面临空，暴露于一个相对封闭的大气环境中，在运营过程中，受频繁风压的影响，导致内部相对湿度变化，在毛细虹吸、蒸发作用下，进一步加速了围岩中水、离子在混凝土内的迁移过程，而且由于隧道衬砌喷射混凝土强度等级较低、密实性较差等，使得隧道极易发生渗漏，出现“无隧不漏”的怪现象。渗漏的结果，使得混凝土内部水化产物不断流失，最终导致混凝土破坏，但这个过程较为缓慢；若是岩层中水溶液还含有硫酸盐类侵蚀性离子，则进入衬砌混凝土内的硫酸根离子不仅与混凝土发生化学腐蚀作用，还在隧道衬砌内表面(临空面)出现硫酸盐结晶作用，导致衬砌混凝土快速破坏。

我国存在广泛的盐害环境，特别是在西北、西南地区广泛存在硫酸盐类环境，这些地区修建的公路、铁路隧道绝大部分遭受严重的硫酸盐侵蚀破坏，有些隧道需长年维护才能保持运营，如我国修建较早的成昆铁路沿线隧道等，大多数隧道衬砌存在严重的硫酸盐腐蚀，整个衬砌混凝土表层覆盖一层厚厚的盐结晶体，混凝土发生严重劣化。

针对隧道衬砌混凝土在硫酸盐侵蚀下侵蚀破坏严重的现象，许多专业人士进行了不懈的努力，发展了一些修补技术，如采用抗硫酸盐水泥、聚合物、专用防腐剂等对隧道衬砌混凝土硫酸盐侵蚀病害进行修补。然而，由于诸多原因，目前大部分修补技术及修补材料的综合技术经济效果欠佳，隧道结构陷入频繁修补怪圈。

盐侵蚀环境下，隧道衬砌混凝土结构处于多重侵蚀下的极端苛刻的服役环境中，实现既有隧道衬砌混凝土硫酸盐侵蚀病害的彻底根除是一件非常困难的事情，必须彻底掌握此条件隧道衬砌混凝土破坏的原因才能针对相应的病害提供有效的防治修补修补材料。根据现场调研和室内试验分析，适用于隧道衬砌混凝土硫酸盐侵蚀病害修补的材料，应至少具有如下技术特性：

(1)修补材料处于侵蚀性盐类、水的包围，修补材料应对水、离子介质很低的吸附、渗透特性；

(2)由于蒸发作用以及累积作用，混凝土表层常常处于高浓度盐溶液的侵蚀作用，因此修补材料应能抵抗高浓度盐的化学侵蚀作用(如硫酸盐的侵蚀)；

(3)隧道衬砌表层(临空面)、排水侧沟等位置极易产生盐结晶膨胀破坏作用，修补材料应具有优异的抗盐结晶破坏作用性能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种减少盐侵蚀条件下既有隧道衬砌混凝土的破坏及其维修工作，有效延长盐侵蚀条件下既有隧道衬砌混凝土结构的服役寿命的用于防治隧道衬砌混凝土盐侵蚀病害的修补材料。

为了解决既有隧道衬砌混凝土在盐侵蚀作用下腐蚀劣化严重的问题，本发明针对隧道结构特点以及自然环境中典型侵蚀性盐类对水泥基材料的侵蚀机理，运用水泥混凝土科学、物理化学等知识，提出以修补材料自身抵抗侵蚀性盐类化学腐蚀性能改善、盐类结晶压力的有效释放以及材料韧性的提高等抗盐侵蚀病害的技术原理。本发明提供的用于防治隧道衬砌混凝土盐侵蚀病害的修补材料，组成包括普通硅酸盐水泥、硅铝质矿物组分、膨胀组分、橡胶基聚合物组分、聚丙烯腈纤维和凝结调节组分，其质量比为：60∶30∶8∶(2～3)∶0.3∶(2～4)。

所述的普通硅酸盐水泥为PO.42.5及以上等级水泥，且所掺混合材为非石灰石粉，C₃A含量小于7％；

所述的硅铝质矿物组分为I级粉煤灰、S95级矿渣和硅灰按质量比5∶3∶2混合而成的3组份混合物；

所述的膨胀组分为硫铝酸钙型膨胀剂；

所述的橡胶基聚合物组分以再生橡胶粉颗粒、乙烯基共聚物乳胶粉为主要成分，为粉末状固体，粒度在20～40目之间。

所述的凝结调节组分具有促凝功能，所述的凝结调节组分由熟石膏、草酸按质量比1∶1组成。可根据具体施工条件添加，若现场采用支模浇注振捣密实施工，凝结调节组分按下限添加，若实际按喷射施工，凝结调节组分按上限添加。

本发明可配制成浆体或混凝土进行工程施工应用，配制成浆体的应用方法是将所述的水泥基修补材料与水按质量比1∶0.32混合搅拌均匀进行喷射施工；配制成混凝土的应用方法是将所述水泥基修补材料与中砂、5～10mm碎石、水按质量比1∶2∶2∶0.4混合搅拌均匀，喷射或者支模浇筑于既有衬砌结构物表面，其搅拌、浇筑、养护等施工与普通混凝土相同。喷射或支模浇注施工前，需对既有衬砌结构基底层用高压水抢清除腐蚀破损层，清洁、润湿基面。

本发明是基于发明人对盐侵蚀环境下隧道衬砌混凝土破坏模式的深刻认识，以及对衬砌混凝破坏机理深入分析和掌握，通过优化混凝土组成获得抗盐侵蚀的物相，并通过引入特性组分释放膨胀破坏应力和提高体系韧性技术，从而获得最优修补材料的组成与结构，最终形成了本发明。因而本发明的依据充分，科学性强。

本发明的优点及积极效果是：

1.本修补材料对侵蚀性盐类介质的毛细吸附、渗透作用小，具有优异的抗典型侵蚀性盐类(硫酸盐)的化学侵蚀性、物理结晶侵蚀破坏性能，特别是抗高浓度硫酸盐的化学侵蚀性能强，显著提高隧道衬砌混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能。

2.本修补材料适用性强，操作简单，应用方便。

3.该修补材料价廉易得，经济效应好。

综上所述，本发明为一种防治隧道衬砌结构盐侵蚀病害的修补材料，该修补材料能够显著提高隧道衬砌结构抗盐侵蚀性能，有效延长既有结构的服役寿命，并具有性价比高、操作简单、应用方便的特点。

附图说明

图1为试验试样的对比例和实施例混凝土的抗氯离子渗透性能(按ASTM C 1202方法)对比结果；

图2为试验试样的对比例和实施例混凝土在5％Na₂SO₄溶液下的毛细吸附性能(20℃环境下)对比结果；

图3为试验试样的对比例和实施例混凝土抗硫酸盐物理结晶侵蚀性能(按GB/T50082-2009的干湿循环方法)的质量损失率的对比结果；

图4为试验试样的对比例和实施例混凝土抗硫酸盐物理结晶侵蚀性能(按GB/T50082-2009的干湿循环方法)的抗折强度损失率的对比结果；

图5为试验试验的对比例和实施例混凝土抗高浓度硫酸盐化学侵蚀性能的质量损失率的对比结果(采用10％Na₂SO₄溶液全浸泡，20±2℃环境条件)；

图6试验试验的对比例和实施例混凝土抗高浓度硫酸盐化学侵蚀性能的抗折强度损失率的对比结果(采用10％Na₂SO₄溶液全浸泡，20±2℃环境条件)。

具体实施方式

以下实施例旨在说明本发明而不是对本发明的进一步的限定。

实施例

表1抗硫酸盐侵蚀性能试验用不同试样的配合比示例

表1中：1)实施例A修补材料为普通硅酸盐水泥、硅铝质矿物组分、膨胀组分、橡胶基聚合物组分、聚丙烯腈纤维、凝结调节组分质量比为：60∶30∶8∶1∶0.3∶4；

2)实施例B修补材料为普通硅酸盐水泥、硅铝质矿物组分、膨胀组分、橡胶基聚合物组分、聚丙烯腈纤维、凝结调节组分质量比为：60∶30∶8∶2∶0.3∶4；

3)实施例C修补材料为普通硅酸盐水泥、硅铝质矿物组分、膨胀组分、橡胶基聚合物组分、聚丙烯腈纤维、凝结调节组分质量比为：60∶30∶8∶3∶0.3∶4；

4)实施例D修补材料为普通硅酸盐水泥、硅铝质矿物组分、膨胀组分、橡胶基聚合物组分、聚丙烯腈纤维、凝结调节组分质量比为：60∶30∶8∶4∶0.3∶4；

5)实施例E修补材料为普通硅酸盐水泥、硅铝质矿物组分、膨胀组分、橡胶基聚合物组分、聚丙烯腈纤维、凝结调节组分质量比为：60∶30∶8∶3∶0.3∶2；

6)实施例F修补材料为普通硅酸盐水泥、硅铝质矿物组分、膨胀组分、橡胶基聚合物组分、聚丙烯腈纤维、凝结调节组分质量比为：60∶30∶8∶3∶0.3∶4；

普通硅酸盐水泥为PO.42.5及以上等级水泥，且所掺混合材为非石灰石粉，C3A含量小于7％；

硅铝质矿物组分为I级粉煤灰、S95级矿渣和硅灰按质量比5∶3∶2混合而成的3组份混合物；

膨胀组分为硫铝酸钙型膨胀剂；

橡胶基聚合物组分以再生橡胶粉颗粒、乙烯基共聚物乳胶粉为主要成分，为粉末状固体，粒度在20～40目之间。

凝结调节组分具有促凝功能，所述的凝结调节组分由熟石膏、草酸按质量比1∶1组成，可根据具体施工条件添加，若现场采用支模浇注振捣密实施工，凝结调节组分按下限添加，若实际按喷射施工，凝结调节组分按上限添加。

结合如表1所示的典型试验配比，比较研究了不同原材料组成试样的氯离子渗透性能(如图1)、在5％Na₂SO₄条件下的毛细吸附性能(如图2)、干湿循环条件下的抗硫酸盐结晶侵蚀性能(图3、图)以及高浓度硫酸盐全浸泡条件下的抗化学侵蚀性能(图5、图6)，从各图所示结果可知，本发明修补材料具有优异的抗盐侵蚀性能。在此基础上获得本发明既有隧道衬砌混凝土硫酸盐侵蚀病害的专用水泥基修补材料的最佳组成。因此，本发明具有充足的试验研究基础和依据，有效性和可行性好。

按照所述购置相应原材料并做好其他准备工作，以本发明所述配合比准确称量相应的所需原材料，为了比较本发明的积极效果，本实施过程中采用常用的传统的技术措施进行了两组对比例试验(如表1所示)。

然后，将称量好的砂、石、胶凝材料、外加剂等先后倒入强制式搅拌机内，启动搅拌机将混合料搅拌15秒，再加入水，继续搅拌约60～90秒，将搅拌均匀的拌合物出机，立即成型，成型好的试件置于标准环境条件下1d拆模，将混凝土试件继续置于室内标准环境下养护至28d，按ASTM C1202方法，测试试样的抗氯离子渗透性能；采用5％NaSO₄溶液，按照水吸附试验方法测试相应试件的毛细吸附性能；按GB/T50082-2009方法采用干湿循环试验测试试件的抗盐结晶性能；采用10％NaSO₄溶液全浸泡试验方法测试试件的抗硫酸盐化学侵蚀性能，试验环境温度均为(20±2)℃。

性能测试结果为：与普通水泥混凝土相比，修补材料抗氯离子渗透性能显著提高，在盐溶液条件下的毛细吸附性能非常低，在干湿循环条件下和高浓度硫酸盐全浸泡条件下，本发明材料试样的质量损失率、强度损失率均较小，抗硫酸盐化学侵蚀和物理结晶侵蚀性能明显好。本发明试样抗侵蚀性能的改善主要得益于其内部微观结构与物相的优化以及掺加的特性组分显著提高抗硫酸盐侵蚀作用性能的结果。

Claims

1.一种用于防治隧道衬砌混凝土盐侵蚀病害的修补材料，其特征是：由普通硅酸盐水泥、硅铝质矿物组分、膨胀组分、橡胶基聚合物组分、聚丙烯腈纤维和凝结调节组分组成，其质量比为：60∶30∶8∶2～3∶0.3∶2～4。

2.根据权利要求1所述的用于防治隧道衬砌混凝土盐侵蚀病害的修补材料，其特征是：所述的普通硅酸盐水泥为PO.42.5及以上等级水泥，且所掺混合材为非石灰石粉，C₃A含量小于7％。

3.根据权利要求1所述的用于防治隧道衬砌混凝土盐侵蚀病害的修补材料，其特征是：所述的硅铝质矿物组分为I级粉煤灰、S95级矿渣和硅灰按质量比5∶3∶2混合而成的3组份混合物。

4.根据权利要求1所述的用于防治隧道衬砌混凝土盐侵蚀病害的修补材料，其特征是：所述的膨胀组分为硫铝酸钙型膨胀剂。

5.根据权利要求1所述的用于防治隧道衬砌混凝土盐侵蚀病害的修补材料，其特征是：所述的橡胶基聚合物以再生橡胶粉颗粒、乙烯基共聚物乳胶粉为主要成分，为粉末状固体，粒度在20～40目之间。

6.根据权利要求1所述的用于防治隧道衬砌混凝土盐侵蚀病害的修补材料，其特征是：所述的凝结调节组分具有促凝功能，所述的凝结调节组分由熟石膏、草酸按质量比1∶1组成，可根据具体施工条件添加，若现场采用支模浇注振捣密实施工，凝结调节组分按下限添加，若实际按喷射施工，凝结调节组分按上限添加。