硫酸侵蚀下隧道矿渣混凝土的运输性能、反应行为及损伤特性：实验与数值研究

《Powder Technology》：Transport, reaction, and damage behavior for tunnel slag concrete under sulfate attack: Experimental and numerical investigations

隧道渣混凝土硫酸侵蚀下耐久性机制研究通过实验与数值模拟方法，系统分析了外部硫酸浓度、隧道渣岩性（花岗岩、石灰岩、片麻岩）及石粉含量对离子传输、膨胀产物生成及结构损伤的影响。实验表明相同石粉含量下硫酸侵蚀破坏程度顺序为片麻岩>石灰岩>花岗岩；石粉含量增加显著加剧侵蚀，膨胀应变增幅达33%-210%。数值模型验证良好后，揭示了岩性差异导致微观结构演变不同，硫酸浓度升高加速损伤进程。研究成果为硫酸富集环境中TSC的结构应用提供了理论支撑。

　　

苗彦春|张彦静|杨璐|冯涛涛|林俊林|蒋金阳|卢泽宇

中国东南大学材料科学与工程学院，重大基础设施工程材料国家重点实验室，江苏省建筑材料重点实验室，南京 211189

摘要

隧道矿渣产品（粗骨料、细骨料和石粉）的物理和化学性质与天然材料有显著差异，这导致人们对含有矿渣产品的混凝土（隧道矿渣混凝土，TSC）在硫酸盐侵蚀下的传输、反应和破坏行为存在不确定性。本研究采用了实验和数值模拟方法来解决上述问题。首先，测量了不同暴露时间下花岗岩基、石灰岩基和片麻岩基TSC在不同深度的离子浓度。随后开发了一个用于描述TSC在硫酸盐侵蚀下的传输-反应-破坏模型，并通过前述实验和现有文献验证了该模型的有效性。利用经过验证的数值模型，系统分析了外部硫酸盐浓度、矿渣产品的岩性和石粉含量对混凝土在硫酸盐侵蚀下的传输、反应和破坏行为的影响。结果表明，在石粉含量固定的情况下，硫酸盐引起的劣化程度依次为：片麻岩基TSC > 石灰岩基TSC > 花岗岩基TSC。增加石粉含量会显著降低TSC的硫酸盐耐久性，导致膨胀应变增加约33%至210%。在10% Na₂SO₄条件下（与5% Na₂SO₄相比），720天后相同深度处的硫酸盐离子浓度增加了约115%，钙矾石含量增加了约20%，膨胀应变翻了一倍多。本研究旨在阐明TSC在硫酸盐作用下的劣化机制，为其在富含硫酸盐环境中的应用提供理论基础。

引言

将隧道掘进过程中产生的矿渣作为混凝土混合物的原材料使用——具体作为粗骨料、细骨料和石粉——可以有效缓解天然砂石的短缺问题，减少水泥用量和长距离运输成本，并间接有助于保护掘进区域的生态环境[1]、[2]。然而，矿渣产品的物理和化学性质与天然材料有显著差异，这导致人们对TSC的力学性能、长期性能和耐久性存在不确定性[2]、[3]、[4]、[5]、[6]、[7]。这些差异可能会影响用TSC建造的混凝土结构的安全服役。

许多研究评估了TSC的性能。结果表明，当石粉含量为零时，TSC的工作性和抗氯离子腐蚀性略低于传统混凝土。然而，其力学性能和收缩变形与普通混凝土相当[3]、[5]。加入石粉后，虽然力学性能略有改善，但氯离子扩散系数和收缩变形都会增加[3]、[5]。此外，还研究了不同岩性和不同石粉含量的矿渣产品对TSC的冻融耐久性的影响。研究发现，花岗岩和石灰岩隧道矿渣混凝土的冻融耐久性优于片麻岩矿渣混凝土。此外，增加石粉含量会显著加速TSC的冻融破坏，导致其剩余力学性能进一步恶化[2]。在富含硫酸盐的环境中，例如中国内蒙古的盐湖——那里的硫酸盐离子浓度通常超过35 g/L[8]，在喀尔汗盐湖的某些区域甚至高达55 g/L[9]——直接浸没在这些盐水中的TSC结构会面临严重的耐久性挑战。尽管如此，TSC在这种条件下的劣化机制仍不甚明了，矿渣产品的岩性对混凝土抗硫酸盐侵蚀能力的影响也尚未完全阐明。

已经进行了大量的实验和数值研究，以探讨普通混凝土在硫酸盐侵蚀下的破坏行为[10]、[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]。结果表明，硫酸盐离子会渗透到混凝土中，并与氢氧化钙、三钙铝酸盐和一硫酸钙铝酸盐等水化产物发生化学反应，形成膨胀性晶体产物，如钙矾石和石膏，其中钙矾石优先形成[15]、[16]。随着这些化学产物逐渐填充孔隙，水泥基材料的力学性能在硫酸盐侵蚀初期会有所提高[10]、[17]、[18]。然而，随着腐蚀的进展，孔隙周围会产生局部应力集中。当这些应力超过基体的抗拉强度时，混凝土就会发生破坏[15]、[19]、[20]。与传统的实验方法相比，数值模拟能够准确模拟硫酸盐侵蚀过程中离子在混凝土内的传输和反应过程以及破坏的发展[21]、[22]。因此，数值模拟为研究TSC在硫酸盐侵蚀下的传输、反应和破坏行为提供了宝贵的技术支持。

本研究采用实验和数值模拟方法相结合的方法，研究了TSC在硫酸盐侵蚀下的传输、反应和破坏行为。首先制备了不同石粉含量的花岗岩基、石灰岩基和片麻岩基TSC，并测量了暴露180天和360天后不同深度的离子浓度。随后开发了一个用于描述TSC在硫酸盐侵蚀下的传输-反应-破坏模型，并通过前述实验和现有文献验证了该模型的有效性。利用经过验证的数值模型，系统分析了外部硫酸盐浓度、矿渣产品的岩性和石粉含量对TSC在硫酸盐侵蚀下的传输、反应和破坏行为的影响。本研究旨在阐明TSC在硫酸盐作用下的劣化机制，为其在富含硫酸盐环境中的应用提供理论基础。

部分内容摘录

原材料

本研究使用的胶凝材料是普通波特兰水泥（P·II 42.5），符合GB 175–2007标准[23]。其主要性能见表A.1。粗骨料（CA）、细骨料（FA）和石粉均来自粉碎的隧道矿渣。无论岩性如何，粗骨料的粒径范围为5至31.5毫米。细骨料——花岗岩、石灰岩和片麻岩——被归类为中等砂，细度模数为2.7、2.8

实验结果与讨论

图1显示了TSC试样在5% Na₂SO₄溶液中浸泡180天和360天后，硫酸盐离子浓度随深度的变化情况。无论暴露时间如何，硫酸盐离子浓度都随着距离暴露表面的深度增加而呈指数下降。在相似的渗透深度下，片麻岩基TSC的硫酸盐浓度最高，其次是石灰岩基和花岗岩基试样。以180天的暴露数据为例

硫酸盐侵蚀下TSC的传输-反应-破坏模型

相关研究表明，当细骨料中的石粉含量超过约10%时，混凝土的力学性能和抗冻性会显著恶化[2]、[3]。在本节中，开发了一个针对外部硫酸盐侵蚀的TSC的耦合传输-反应-破坏模型。该模型能够系统定量评估高石粉含量（10%、14%和18%）的不利影响

数值模型的验证

根据第3节中的实验数据，评估了传输-反应-破坏模型在评估硫酸盐侵蚀后TSC中硫酸盐离子浓度方面的有效性。如图4所示，C1花岗岩、石灰岩和片麻岩隧道矿渣混凝土在180天和360天后的模拟离子浓度与实验数据吻合良好。模拟值与实验值之间的差异范围为5.3%至12.5%

结论

开发了一个用于描述TSC在硫酸盐侵蚀下的耦合传输-反应-破坏模型，并通过实验数据进行了验证。然后利用数值模拟系统研究了矿渣产品（花岗岩、石灰岩和片麻岩）的岩性和石粉含量对硫酸盐离子传输、钙矾石形成以及TSC在硫酸盐侵蚀下破坏演变的影响。主要发现如下：

(1)

预测的硫酸盐离子浓度

CRediT作者贡献声明

苗彦春：撰写——初稿、可视化、软件、资金获取、数据管理。张彦静：软件、数据管理。杨璐：方法论、研究。冯涛涛：可视化、方法论、资金获取。林俊林：可视化、方法论。蒋金阳：监督、资源管理、资金获取。卢泽宇：撰写——审稿与编辑、监督、方法论、资金获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢国家自然科学基金（项目编号：U24B20112、U24B20178224、U24A20165）和东南大学博士生创新能力提升计划（项目编号：CXJH_SEU 25153）的财政支持。