公路隧道环境因子对混凝土衬砌耐久性影响综述.pdf
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1、公路隧道环境 因子对混凝土衬砌耐久性影响综述 翁其能等 9 3 公路隧道环境 因子对混凝土衬砌耐久性影响综述 翁其 能 , 张丽琚 , 秦伟 ( 1 重庆交通大学岩土工程研究所, 重庆 4 0 0 0 7 4 ; 2 重庆交通大学土木与建筑学院, 重庆 4 0 0 0 7 4 ) 摘要 公路隧道混凝土衬砌结构中衬砌混凝土的耐久性对隧道的健康运营具有重要的影响。隧道所处的环 境较为恶劣 , 包括 一般 大气环境和地下水的侵蚀性环境 。隧道环境 中的 C O2 、 S Oz 等 酸性 气体会使 混凝 土发生碳 化 或类碳化反应, 造成衬砌混凝土开裂, 大气中的相对湿度、 相对温度都会加速碳化过程。
2、地下水的侵蚀性环境主要 包 括地下水 中 C l 一、 S ( ) 4 卜 , 它们对混凝土 的侵蚀主要体现在 钢筋锈蚀 和混凝土的胀裂 。这些反应严重 时甚至导致 隧道 无法正常运营。就公路隧道环境的特殊性, 科学地对其进行划分并阐述和分析公路隧道环境对衬砌混凝土耐久性的 影响及发生机理 , 并提 出提 高公路 隧道衬砌混凝土耐久性 的措施 。 关键 词 公路隧道特殊环境衬砌混凝土侵蚀原理 中图分类号 : T U5 2 8 文献标识码 : A D OI : 1 O 1 1 8 9 6 j i s s r 1 0 0 5 0 2 3 ) ( 2 0 1 4 1 5 0 1 8 Ef f e c
3、 t 0 f Hi g hwa y Tu n ne l Env i r o n m e nt Fa c t o r s o n Du r a b i l i t y o f Li ni ng Co nc r e t e WE NG Qi n e n g ,Z HANG L ij u n 。 , QI N We i。 ( 1 I n s t i t u t e o f Ge o t e c h n i c a l En g i n e e r i n g , Ch o n g q i n g J i a o t o n g Un i v e r s i t y , Ch o n g q i n
4、g 4 0 0 0 7 4; 2 S c h o o l o f C o n s t r u c t i o n En g i n e e r i n g, Ch o n g q i n g J i a o t o n g Un i v e r s i t y , C h o n g q i n g 4 0 0 0 7 4 ) Ab s t r a c t Th e t u n n e l l i n i n g s t r u c t u r e ma i n l y c o n s i s t s o f r e i n f o r c e d c o n c r e t e ,t h e
5、 d u r a b i l i t y o f l i n i n g c o n c r e t e h a s a n i mp o r t a n t i n f l u e n c e o n t h e h e a l t h y o p e r a t i o n o f t h e t u n n e 1 Tu n n e l e n v i r o n me n t i s r e l a t i v e l y b a d,i n c l u d i n g t h e g e n e r a l a t mo s p h e r i c e n v i r o n me
6、n t a n d t h e c o r r o s i v e e n v i r o n me n t i n t h e g r o u n d wa t e r Ac i d i c g a s s u c h a s C02 ,S O2 i n t h e t u n n e l e n v i r o n me n t c a u s e s c o n c r e t e c a r b o n i z a t i o n o r p s e u d o - c a r b o n i z a t i o n ,l e a d i n g t h e c r a c k o f
7、 1 i n i n g c o n c r e t e Th e r e l a t i v e h u mi d i t y a n d t h e r e l a t i v e t e mp e r a t u r e o f t h e a t mo s p h e r e wi l l i n f l u e n c e t h e c a r b o n iz a t i o n s p e e d Th e c o r r o s i v e e n v i r o n me n t i n t h e g r o u n d wa t e r ma i n l y c o n
8、 t a i n s C1 一,8 04 卜 ,t h e e r o s i o n i n c o n c r e t e ma i n l y r e f l e c t s i n t h e b u r s t o f c o r r o s i o n o f s t e e l b a r s a n d c o n c r e t e s p a l l i n g Th e s e p h y s i c a l a n d c h e mi c a l r e a c t i o n s s e r i o u s l y i n f l u e n c e t h e d
9、 u r a b i l i t y o f t h e t u n n e l l i n i n g,a n d e v e n c r i p p l e t he t u n n e 1 Ai mi n g a t t h e p a r t i c u l a r i t y o f hi g h wa y t u n n e l e n v i r o n me n t ,t h e e n v i r o n me n t i s s c i e n t i f i c a l l y c l a s s i f i e d Th e i n f l u e n c e o f
10、h i g h wa y t u n n e l e n v i r o n me n t s u c h a s a c i d g a s e s a n d g r o u n d wa t e r o n d u r a b i l i t y o f l i n i n g c o n c r e t e a s we l l a s i t s me c h a n i s m,a r e a n a l y z e d M e a n wh i l e ,t h e c o r r e s p o n d i n g s o l u t i o n me a s u r e s
11、a r e p r o p o s e d Ke y wo r d s h i g h wa y t u n n e l ,s p e c i a l e n v i r o n me n t ,l i n i n g c o n c r e t e ,p r i n c i p l e o f e r o s i o n 随着我国经济的发展, 近 2 O多年来, 中国公路建设也蓬 勃发展。截止 2 0 0 7年底 , 我国公路隧 道总长度 有 2 5 5 5 2 k m, 至 2 0 0 9 年总长度就 已经达到 3 9 4 2 k m。隧道 中的主要 结构材料是钢筋混凝土结构 , 钢筋锈蚀
12、造成的膨胀是影响混 凝土耐久性的主要原因。而气体 C O 对混凝土的碳化 , 其它 酸性气体对混凝土的中性化 , 还有侵蚀性离子如氯离子、 硫 酸根离子等对混凝土的侵蚀可以加速钢筋锈蚀 , 降低混凝土 承载力 。 近几年, 我国环境污染很严重, 温室效应 、 酸雨 l j 已经是 全球需要关 注的 问题。导 致温 室效应 的最 主要 的 因素 是 CO 。的排 放。据 统 计 全球 二 氧化 碳 平 均浓 度 2 0 0 6年 为 3 8 1 2 1 0 一, 2 0 0 8年为 3 9 4 1 0 , 预计到 2 0 9 0年二氧化碳 浓度可达到 1 0 0 0 1 0 E 。目前的能源消耗
13、主要来源于以 煤、 石油、 天然气为主的化石燃料 , 这些燃料燃烧的主要污染 气体就是 C O 、 硫氧化物和氮氧化物。汽车燃烧化石燃料尾 气的排放是我国大气污染的原因之一。 表 1 _ 4 给出了对我 国最长公路隧道秦岭隧道有害气体进 行检测 的数据, 能够 明显看 出隧道 内部环境 中 C O 、 S O 、 N 0 等酸性气体很多。 我国的很 多地层 都含有 大量的侵蚀性 离子, 如北方 地 区、 邻海地区地层含氯离子较多 , 西南地 区含硫酸根离子较 多。在表 2 5 中通过 比较能够看 出西南地区山体水质 中含有 大量的侵蚀性离子。随着酸雨和降雪范围的扩大, 为了交通 安全需要撒盐化
14、雪 , 这使得全 国范围内土质侵蚀离子含量相 应增加 , 对建在山体中的公路隧道混凝土 的侵蚀性有很大的 影 响 。 翁其能: 1 9 7 6年生, 副教授, 主要从事隧道工程建养技术、 隧道全寿命理论与评价方面的研究和教学工作 E - ma i l : q n we n g 1 6 3 COm 9 4 材料导报 A: 综述篇 2 0 1 4年 8月( 上) 第 2 8卷第 8期 公路隧道衬砌混凝土结构不 同于其他建筑物 的混凝土 结构 , 它有一定的特殊性 。隧道衬砌混凝土需要接触 的环境 非常特殊 : 它既要受混凝 内部大气环境 的影 响, 还要受隧道 外部地层所含侵蚀性 离子 的侵蚀 。
15、公路隧道还有一定 的封 闭性, 其内部没有很大的温差 , 致使汽车排放 的 C O 气体和 热量堆积 , 温度和湿度会 比外界一般的大气环境高, 这样会 加速衬砌混凝土的碳 化和侵蚀性离子的侵蚀速度。隧道衬 砌结构作为隧道永久支护结构 , 对隧道的安全起到至关重要 的作用。随着环境污染的加剧 , 公路隧道衬砌结构的耐久性 更值得引起我们的关注。 1 大气 环境对衬砌耐久性影 响因素 公路 隧道 内部空间大气环境 主要是 C O 浓度、 环境湿 度、 环境温度以及其他酸性气体对混凝土的中性化影 响, 前 三个 因素主要体现在能够影响混凝土碳化速度, 也是影 响衬 砌混凝土耐久性 的主要因素 。混
16、凝土 内水泥经过水化后 的 最主要的产物是 C a ( OH) 。 , 这样促使混凝土本身呈碱性 。混 凝土的碳化l_ 6 就 是指混 凝土 内呈碱性 的物质 与空气 中的 C O 。 和水发生反应 , 从而使混凝土逐渐显中性。 1 1 C O 2 浓度影响 根据 F i c k 第一定律 , C O 。 的浓度越大, 混凝土 内与大气 环境中的 C O 浓度梯度越大 , C 0 气体更容易渗透到混凝土 内部进而加快碳化反应速度 。目前研究认为碳 化深度 和二 氧化碳浓度的平方根近似成正比, 国外早证实过这点 7 , 国 内学者刘 亚芹l l 、 谢东 升_ 1 l _ 也 在实验 中证 实
17、了这个 理论 。 牛荻涛 1 。 给出了二氧化碳浓度对混凝土碳化速度影响的曲 线 ( 如图 1所示) 以及其影响系数的公式 : l 1 0 0 越8 0 6 0 毽4 0 2 O 0 0 2 4 6 8 1 0 时间 月 图 1 二氧化碳浓度对混凝土碳化速度影响 曲线 F i g 1 De p e n d e n c e o f c o n c r e t e c a r b o n a t i o n r a t e o n c a r bo n d i o x i d e c 0 n c e n t r a -L - u - I D 2 从图 1能够明显看到混凝土碳化速度 随着 CO 浓度
18、的 增加而加快。 我 国 2 0 0 7年 的 混 凝 土 结 构 耐 久性 评 定 标 准 m CE C S 2 2 0中也给出二氧化碳浓度的影响系数公式 : K( l 一 ( O 0 3 ( 2 ) 式 中: 为 C O 浓度( ) 。 1 2 相对湿度影响 混凝土的碳化反应需要游离水分子 , 因此环境中的相对 湿度在一定程度上能够影响碳化速度。J o n g He r ma n C a h y a d i 1 4 7 在研究相对湿度与混凝土碳化速度之间关系时发现 , 在环境温度一定的情况下 , 湿度较小时, 混凝土 内部含水率 也相对较低 , 这样虽然可 以加速 C O。 在混凝土缝隙中
19、扩散 , 但是碳化反应过程中需要的水分供给不足 , 碳化速度相应较 低 ; 当湿度太 大时, 混凝 土 内部含水率也 相应增大 , 影 响了 公路 隧道环境因子对混凝土衬砌 耐久性影响综述 翁其能等 9 5 C O : 气体在混凝土内部扩散 , 碳化反应所需 C O 供 给不足 , 亦降低碳化反应速率 。不 同学者对于混凝土碳化速度 比较 快时相对应的环境湿度有不同的见解 , 我 国规范 规定要加 快混凝土碳化速度, 环境湿度要达到 7 0 。文献 1 6 指 出混 凝土碳化速度最快时环境相对湿度为 5 O 7 O 。张誉 ” 指出相对 湿度在 5 O 5 5 时, 碳化深度达到最大 。徐道
20、富 1 B j 在研究气候条件下混凝土碳化速度实验 中得到 , 在环境 相对湿度为 4 5 9 5 时, 混凝土碳化速度随着湿度的增加 而降低 。 清华大学 】 9 建立混凝土碳化数据库时, 给出对 比不 同环 境相对湿度对混凝土碳化的影响公式 : 一 二垦 旦 KR H ( 1 一 RH2 ) 式 中: R H 、 RH 为两种环境 的相对湿度 。 1 3 环境温度影响 环境温度对混凝土耐久性 的影响和环境相对湿度一样, 主要通过影响 C O 。 在混凝土 内部 的扩散速率来改变混凝土 碳化的速率。环境 温度越高 , C O 分子无规则运动加剧, 其 扩散速度也加快。此外 , 混凝 土碳化是
21、一个吸热反应 , 温度 越高提供碳化反应 的热量越大, 可直接加速混凝 土的碳化反 应_ 2 。徐道富_ l 通过实验和 回归分析也得 出环境温度和混 凝土碳化速率近似成正比, 环境温度为 1 0 6 0, 其正 比关 系最为明显。 日本鱼奔健人 2 得出单一环境温度对混凝土碳化反应 影响系数公式 : KT e 。 ( 4 ) 清华大学 1 建立混凝土碳化数据库时也给 出了不同环 境温度对混凝土碳化反应的影响公式 : Ca O m A1 2 03 + 2 n H+一 Ca 。 + m A1 2 O3 + n H2 O ( 5 ) 式 中: T 、 丁 2 为两种环境温度 。 1 4 其它酸性气
22、体影响 环境中酸性气体除了有 C O , 还有 S 、 N 等气体, 这 些气体对混凝土耐久性 的影响主要是在水分子参 与下形成 酸然后同水泥水化产物反应 , 使混凝 土中性化 。其反应与碳 化作用相似 , 称为类碳化作用 。此外, 酸能够水解水泥的 凝胶体产物水化硅酸钙和水化铝酸钙, 从 而降低混凝土的强 度 。其主要反应如下 : Ca ( OH ) 2 + 2 H 。 一 Ca 。 。 + 2 H2 O ( 6 ) Ca ( )m S i O2 + 2 n H2 O+ 2 nH 一 n Ca + mS i O2 + n H2 O ( 7 ) Kr , 一 ( 8 ) K 丁2 2 地下水侵
23、蚀环境对衬砌 耐久性 影响 2 1 地下水氯离子的影响 氯离子对衬砌混凝土的侵蚀主要加剧钢筋的锈蚀 , 它对 素混凝土氯离子的侵蚀作用很弱。但是文献 2 3 对不 同盐 类对混凝土侵蚀作用的研究表 明, 不掺加矿物掺合料的素混 凝土, 在干湿交替的作用下出现了很明显 的损伤。酸性物质 可以溶 解 混凝 土 中的 C a ( OH) 。 、 Mg ( OH) 。 , 释放 C a 、 Mg , C 1与 Ca 、 Mg 结合形成膨胀性物质氯化钙和氯化 镁等 , 降低混凝土的强度 , 使其抗侵蚀能力降低。 氯离子加速混凝土 中钢筋锈蚀 主要 因为钢筋在一般潮 湿环境下 , 结合周 围的氧气和水分能
24、够形成原 电池 , 发生电 化学腐蚀 , 其反应过程如下: 阳极 F e F e 抖+2 e 一 ( 9 ) 阴极02 +2 H2 O+4 e 一 4 OH ( 1 0 ) 阳极表面二次化学过程为 : Fe + 2 OH Fe ( OH) , ( 1 1 ) 4 Fe ( OH) 2 + O2 + 2 H2 ( ) 一 4 Fe ( OH) ( 1 2 ) 由于以上化学反应钢 筋表面不断失去 电子发 生腐 蚀 , C 1并不产生锈蚀产物, 只是在钢筋锈蚀 的过程中起到一个 催化作用, 消耗更多的 F e 抖: Fe 十 2 C1 一+ 4 H2 O- - Fe C1 24 H2 O ( 1 3
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- 公路 隧道 环境 因子 混凝土 衬砌 耐久性 影响 综述
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