摘 要

石膏质岩多为高度浓缩海水环境沉积物的成岩产物，主要成分为石膏，在地层中有着广泛的分布，其对工程造成的危害不断有所报道。本文结合存在于湖北省宜昌至巴东高速公路K156～K160路段的含石膏质岩的不良特殊岩土体，采用现场调查、室内外试验、理论分析等方法综合研究了石膏质岩的地质背景、分布规律、物理水理特性以及硫酸盐分别作为外部和内部侵蚀源对地下支护混凝土结构的长期性能的劣化规律，基于层次分析法建立了简单的石膏质岩对地下支护结构的影响评价模型，并最终依据混凝土结构耐久性设计的相关规范提出了混凝土腐蚀防治措施。本课题所取得的研究成果对于以后土木工程建设中遇到石膏质岩的情况具有重要的指导借鉴意义。

关键词：石膏质岩；地下支护结构；混凝土；劣化机理

Abstract

Gypsum rocks are mostly diagenetic products of sediments in the highly-condensed seawater environment, whose main component is gypsum. They have a wide range of distribution in strata and their damages to construction projects have been reported continuously. In this paper, based on the unfavorable gypsum rocks existing in the K156 ~ K160 section of Yichang-Badong Expressway in Hubei, the geological background, distribution regularities, physical and water-physical properties of gypsum rocks, as well as the long-term performance of underground supporting structure concrete under external and internal sulfate erosion are studied through a combination of field investigation, indoor and outdoor tests and theoretical analysis, etc. A simple impact assessment model (gypsum rocks on underground support structure) is established based on AHP (Analytic Hierarchy Process). In the end, some prevention and control measures of concrete corrosion are suggested according to the relevant durability design specification of concrete structure. The research results obtained in this paper may have important guiding significance for the situation of gypsum rocks existence in civil engineering construction.

Key Words：gypsum rocks; underground support structure; concrete; deterioration mechanism

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究目的及意义 1

1.2 研究现状 1

1.2.1 石膏质岩发育的地质特征研究 1

1.2.2 石膏质岩的特性及危害研究 2

1.2.3 地下支护混凝土的病害防治研究 3

1.3 研究内容及目标 3

第2章 石膏质岩发育的地质特征研究 5

2.1 地质成因概述 5

2.2 研究区石膏质岩发育的地质背景 6

2.2.1 分布规律 6

2.2.2 成岩环境 6

2.2.3 岩矿特征 7

2.2.4 化学成分分析 8

2.3 石膏质岩的室内室外鉴定 9

2.3.1 野外初步定性鉴定 9

2.3.2 室内试验定量鉴定 9

第3章 石膏质岩的膨胀特性研究 11

3.1 石膏质岩的膨胀性试验 11

3.1.1 自由膨胀率 11

3.1.2 膨胀率 12

3.1.3 膨胀力 12

3.1.4 小结 13

3.2 石膏质岩膨胀性对地下支护结构的影响 13

第4章 石膏质岩对地下支护混凝土结构的危害研究 15

4.1 石膏质岩对混凝土的劣化机理 15

4.2 硫酸盐的外部侵蚀加速试验 15

4.2.1 试件制作 16

4.2.2 试验配合比 16

4.2.3 石膏饱和溶液浸泡对混凝土长期强度的影响 17

4.2.4 硫酸钠溶液浸泡对混凝土长期强度的影响 18

4.2.5 小结 22

4.3 硫酸盐的内部侵蚀加速试验 26

4.3.1 试件制作 26

4.3.2 试验配合比 26

4.3.3 细集料中掺杂石膏质岩细粉对砂浆长期性能的影响 27

4.3.4 粗集料中掺杂石膏质岩对混凝土长期性能的影响 30

4.3.5 小结 32

第5章 石膏质岩对地下支护结构影响的评价和防治 33

5.1 石膏质岩对地下支护结构影响评价模型的建立 33

5.1.1 层次分析法 33

5.1.2 评价指标的选取 33

5.1.3 建立判断矩阵 34

5.1.4 检验一致性 35

5.1.5 计算各要素相对权重 36

5.1.6 建立评价决策表 36

5.1.7 数据离散 37

5.2 算例分析 38

5.3 石膏质岩侵蚀地下混凝土结构的防治措施 40

第6章 结论 43

参考文献 45

致谢 47

第1章 绪论

1.1 研究目的及意义

随着我国经济的增长，公路和铁路的建设也在不断发展。作为一种能有效缩短交通行驶距离的方式，隧道在交通运输中发挥着越来越重要的作用。隧道的工程结构由围岩和支护组成。由于地下条件复杂且难以预测，为了保证工程的安全，地下支护结构的病害研究十分重要。

石膏质岩多为高度浓缩海水环境沉积物的成岩产物，主要成分为石膏，在地层中有着广泛的分布。由于其遇水后发生溶解，产生SO4^2-，侵蚀混凝土；硬石膏吸水后变成石膏，产生膨胀应力作用于支护结构，含石膏质岩体对地下支护工程的危害不断有所报道。如成昆铁路南段石膏箐至岳家村约40公里的范围内，有20多个边坡不同程度地经过石膏质岩层，出现边坡支护结构混凝土腐蚀和膨胀破坏；又例如巴东十字垭边坡，仅在完成施工后投入运营两年时间即发生混凝土结构破坏，不得不终止运营并进行重新支护，增加千万的额外治理费用；美国密尔沃基为水污染治理项目所修建的三个深埋隧道，由于所处地白云岩的岩溶特性，建设难度和花费都大大超出预期，并在建成后还一直出现病害^[1]；此类问题还出现在瑞士危地马拉的奇霍伊电力隧道等。所以，为了预防、减少类似工程问题，避免经济损失，增加社会效益，有必要针对石膏质岩体对地下支护结构的危害进行系统的研究，探讨石膏质岩体力学、水理等各方面的工程性质以及其对支护混凝土结构的破坏规律，提出相应的防治措施，确保公路、铁路建设事业中构筑物的建设与安全。

1.2 研究现状

1.2.1 石膏质岩发育的地质特征研究

石膏质岩在干旱或半干旱的气候条件下以及封闭或半封闭的沉积环境中生成，是一种蒸发岩。它的成因涉及海相沉积、湖相沉积、变质作用、热液作用以及岩溶作用。目前的大多数研究都是针对石膏质岩在某一特定区域的形成原因和沉积特性。如王泽中等^[2]对山西临汾奥陶系石膏岩进行了研究，根据成因及形成环境将其分为原地沉淀型、异地沉积型、成岩交代型和脉状充填型四种。熊先孝等^[3]对安徽向山地区铁、硫矿床中存在的大片硬石膏岩进行了岩石学、岩石化学和硫同位素等特征的综合研究，结果显示矿床附近的硬石膏岩属热水成因，硫可能来源于下伏地层及深部。罗建宁等^[4]将羌塘盆地的石膏质岩成因和沉积模式分成泻湖—海湾型、潮坪和萨布哈型三种。陈华国等^[5]研究了平邑盆地古近纪官庄群沉积建造与膏岩富集规律，结合含膏岩系的沉积特点，将官庄群沉积建造、剖面类型划分为3个不同级别的沉积韵律，分别反映出含膏岩系在空间和时间上的变化规律。

可以这样说，蒸发岩的沉积可能发生在所有大陆的不同地质时期内。石膏质岩空间上分布于地球上大部分地方，它的沉积几乎横跨古生代寒武纪到新生代第三纪内的所有地质时代。尤其需要注意，第三系红层形成于干旱、半干旱的炎热气候条件下，因而蒸发岩类常见于红层中，而石膏质岩的分布在其中最为广泛。在中国，有很大一部分盆地相第三系红层中都存在有石膏层，如西宁盆地、塔里木盆地、内蒙的二连盆地、柴达木、准噶尔等西北诸盆地以及四川盆地、皖南休宁盆地。除此之外，甘肃、宁夏、山西等地的红层中也广泛存在石膏层^[6~7]；三峡地区三叠系嘉陵江组及巴东组地层中也分布有石膏角砾岩层及硬石膏岩^[8]。

1.2.2 石膏质岩的特性及危害研究

国内外研究主要针对具体的工程从含有石膏的岩石的物理、膨胀以及腐蚀特性等方面展开。从单一的室内试验到应用微观试验手段进行分析，再到应用交叉学科对微观试验手段进行计算分析，研究方法和手段一直在不断深入。如林仕祥等^[9]研究了王甫洲水利枢纽坝基下的石膏层与汉江水接触后的溶蚀特性以及溶蚀后江水中硫酸根离子的含量变化情况，在此基础上提出了坝基处理的意见。Shahid Azam^[10]研究了阿拉伯湾沿岸硬石膏－石膏之间相互转化产生的地质和工程问题，将固结试验结果与临界体积变化阶段的形态学评估结合，确定了吸水硬石膏的膨胀势和膨胀压力，并得到了硬石膏和石膏的压缩指数和反弹指数。刘艳敏等^[11]采用XRD、环境扫描电镜、离子色谱分析及能谱分析等试验手段对杭兰公路宜巴段白云岩层中不规则发育的硬石膏岩进行定量研究，并结合工程地质情况探明了硬石膏岩及其与白云岩耦合溶蚀作用下对隧道混凝土支护结构的劣化机制，提出提高混凝土性能和降低地下水水位为主的工程治理意见。李科学等^[12]结合成都市南部的工程地质情况，针对该区域基坑开挖出露的含泥质石膏岩采取室内试验分析其水理性、膨胀性、腐蚀性及相关力学性能，并提出对应的防治措施。MA Kun­lin等^[13]调查了中国西南部暴露在含硫酸盐地下水超过40年的铁路隧道衬砌，采取了现场调查、硫酸盐离子含量和腐蚀产物分析、宏观/微观测试相结合的方法，发现在隧道混凝土衬砌和周围环境条件下，硫酸盐渗透到衬砌内部并在迎风面积累，导致迎风面的衬砌严重损坏而向水面的衬砌仍然完好。祝艳波等^[14]对宜巴高速公路部分隧道通过地层中的石膏质岩进行了XRD、自制简易溶蚀装置和离子色谱分析，从宏观和微观角度共同分析其溶蚀规律，发现动态和弱酸性水环境中溶蚀作用更强烈，石膏质岩溶蚀后会降低隧道围岩的稳定性，溶出的酸根离子对混凝土衬砌结构产生中等腐蚀。另外，宋飞等^[15]通过对石膏角砾岩进行蠕变试验，发现其具有非线性及加速蠕变特性，提出两种非牛顿体粘滞元件，建立新的复合流变力学模型，推导了相应的一维和三维蠕变本构方程，并模拟分析了试验结果。彭家惠等^[16]通过测定硬石膏水化率、水化温度、液相离子浓度以及分析硬化体显微结构，探明了硫酸盐对硬石膏水化进程和二水石膏晶体形貌的影响。高红波等^[17]通过测得不同条件盐溶液浸泡作用之后的单轴抗压强度、抗拉强度、抗剪强度，研究了石膏岩夹层在温度与含Cl^-盐溶液长时间耦合下的力学特性。

1.2.3 地下支护混凝土的病害防治研究

地下支护结构抗石膏质岩病害的研究，解决的关键且主要的问题即是如何提高混凝土的耐久性。国内外关于混凝土耐久性的研究有很多方面，主要包括氯盐、硝酸盐、硫酸盐、碱性介质以及混合盐溶液对混凝土结构的腐蚀性研究。石膏质岩对混凝土结构的侵蚀性危害是本课题所面临的主要问题，主要参考目前混凝土硫酸盐侵蚀耐久性方面的研究内容。刘亚辉等^[18]采用质量损失、强度损失以及试件长度变化作为评价指标研究了硫酸盐侵蚀速度跟溶液的温度、浓度之间的关系。李福海等^[19]运用干湿循环试验法研究了立方体混凝土试件在不同试验条件下的抗硫酸盐侵蚀的性能。赵顺波等^[20]将混凝土试件长期浸泡于不同浓度的硫酸钠溶液中，研究了硫酸根离子在混凝土中的浓度分布规律以及硫酸盐腐蚀混凝土的微观机制，提出了混凝土表面硫酸根离子浓度和混凝土中硫酸根离子扩散系数的计算公式。巩鑫^[21]采取不同水泥用量、水灰比、外掺剂含量分别配制混凝土来研究混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能，发现较小的水灰比和较高的粉煤灰掺量可以提高混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能。柯达^[22]通过侵蚀试验和微观测试，探讨了含石膏质岩集料混凝土内部硫酸盐侵蚀的抑制措施，并针对依托工程石膏质岩岩溶水环境腐蚀等级，提出了隧道二次衬砌混凝土结构耐久性设计技术要求和防腐蚀混凝土配合比设计方案。虽然目前各国学者在硫酸盐侵蚀混凝土的研究方面做了大量的工作，然而仍然没有完全掌握其侵蚀机理和测试方法，硫酸盐侵蚀混凝土导致其破坏的现象还一直没有完全消失。

1.3 研究内容及目标

本课题主要针对宜巴高速公路K156～K160段存在的大量石膏质岩体，结合当地的工程地质特点和出现的病害特征，确定病害岩体的主要病害性，分析其病害机理及其对混凝土耐久性的影响，合理设计选择防治方案。主要研究内容及目标包括以下几点：