服役中隧道衬砌混凝土在硫酸盐侵蚀作用下的劣化机制：一种考虑实际腐蚀条件的实验方法

《TUNNELLING AND UNDERGROUND SPACE TECHNOLOGY》：Mechanisms of deterioration in in-service tunnel lining concrete subjected to sulfate attack: an experimental method accounting for actual corrosion conditions

　　

孙伟哲|钟祖良|刘新荣|杨培文

摘要

暴露在富含硫酸盐环境中的隧道衬砌混凝土可能会遭受严重的腐蚀性劣化。然而，传统的混凝土加速腐蚀试验难以再现隧道衬砌实际所处的服役条件。为了阐明隧道衬砌混凝土在真实硫酸盐腐蚀条件下的劣化机制，我们开发了一种压力-化学-温度耦合的实验装置。进行了为期150天的室内湿润-干燥循环硫酸盐腐蚀试验，并采用了声发射（AE）和数字图像相关（DIC）技术。从宏观性能、离子传输的时空特性以及微观结构组成三个角度研究了服役中隧道衬砌混凝土在硫酸盐侵蚀下的劣化过程。结果表明，在外部载荷、毛细压力、扩散和对流的共同作用下，硫酸根离子从与水接触的表面向暴露在空气中的表面迁移。在迁移过程中，混凝土试样内部同时发生化学硫酸盐侵蚀和物理硫酸盐侵蚀。在腐蚀的早期到中期阶段，反应产物填充了孔隙和原有的缺陷，使得微观结构变得更加致密。随着这些产物的不断积累并对孔隙空间施加膨胀压力，微裂纹持续形成，从而加剧材料损伤，最终导致试样失效。与以往的无压力硫酸盐腐蚀试验相比，当前实验室条件下的压力耦合条件加速了硫酸盐引起的劣化过程。这一发现表明，在对富含硫酸盐地层中的隧道进行安全评估和使用寿命预测时，应考虑衬砌的实际应力状态。