A review of the experience of thaumasite sulfate attack by the
UK Highways Agency
Neil Loudon
Highways Agency, SSR CE SDM Division, Heron House, 49-53 Goldington Road, Bedford MK40 3LL, UK
Abstract
The paper summarises and reviews the UK Highways Agency experience of thaumasite sulfate attack.
Thaumasite sulfate attack was found in February 1998 in a number of bridge foundations and buried columns on the M5Motorway in Gloucestershire. The paper will highlight the investigation of these structures, and assess the implications of the resultsof the extensive testing undertaken at these sites, for other structures.
Subsequent to the discovery of thaumasite in Gloucestershire the Highways Agency participated in the Thaumasite Expert
Group set up by the Minister for Construction. The report produced by the group influenced the development of the Agencies own
guidance. Investigations were undertaken nationally using risk based criteria, to determine whether the occurrence of thaumasite
was a local phenomenon, or of more widespread concern. Concurrently guidance was also issued for managing and minimising therisks of thaumasite in new construction, and this culminated in the development of a new specification for buried concrete. There arealso implications for ground investigations, and these will be discussed.
The paper will also highlight the case study of the A1 Mally Gill Bridge in County Durham, where a markedly different set of
circumstances gave rise to thaumasite sulfate attack in a foundation.
The Highways Agency has been involved with the development of improved guidance, as a result of the Expert Group Report, to
ensure that that there is a consistency of approach across the construction industry. The paper will acknowledge that there are still
many unknowns, particularly the mechanism governing the occurrence of thaumasite and the speed of thaumasite production.
A particular aspect of concern to the Highways Agency is the ongoing management of structures that are known to be or may be
affected by thaumasite.
What are the methods for investigation and testing and are there suitable methods for remote detection?
Do we need to introduce new inspection regimes?
What are the requirements for the repair of thaumasite affected structures?
Mention will be made of some of the research in this area, particularly the trial of repaired concrete at Moreton Valence.
The paper will summarise the lessons learnt so far from the thaumasite experience, the implications for the future management of
structures in potentially higher risk areas, and identify research needs.
Crown Copyright _ 2003 Published by Elsevier Ltd. All rights reserved.
Keywords: Thaumasite; Structures; Highways Agency
1. Background
In early 1998, in the course of other maintenance and
bridge strengthening works, unusual concrete deterioration
was found to have occurred in the foundations
and buried columns on a couple of bridges on the M5
Motorway in Gloucestershire. Subsequent investigations
proved that the observed defects were the result of
thaumasite sulfate attack, and the Highways Agency
were faced with a number of immediate questions.
How serious was the attack?
Were there structural implications?
How many bridges were affected?
Was it a local problem, or national?
What were the costs?
How do we undertake repairs or other remedial action?
Were there any faults in the original design and construction?
Were there implications for new construction?
What were the implications beyond the Highways
Agency interests?
Do we need to carry out any research?
0958-9465/$ - see front matter Crown Copyright _ 2003 Published by Elsevier Ltd. All rights reserved.
doi:10.1016/S0958-9465(03)00146-X
Cement amp; Concrete Composites 25 (2003) 1051–1058
www.elsevier.com/locate/cemconcomp
This paper covers the responses to some of these
questions, and summarises the current situation, and
identifies other issues for the future.
2. Tredington-Ashchurch Bridge
Thaumasite sulfate attack was first observed in early
1998 on a Highways Agency structure in the substructure
of the Tredington-Ashchurch Bridge, an overbridge
carrying a local road over the M5 Motorway situated
between Junctions 9 and 10 in Gloucestershire. At about
the same time similar, but less severe defects, were also
found in Grove Lane Bridge foundations, also on the
M5, but further south, between Junctions 12 and 13.
Tredington-Ashchurch is a four span overbridge with
a reinforced concrete deck. Supporting columns are
sited in the central reserve and verges, and extend through
placed fill for about 5 m to reinforced concrete spread
footings. The bridge was built about 30 years ago, to the
applicable contemporary Ministry of Transport standards
and specifications. Regular structural inspections
and testing of the concrete elements above ground have
not indicated any observable signs of distress to the
bridge in the intervening period.
Planned strengthening work to the columns of the
bridge necessitated excavation of some of the backfill
surrounding the concrete supports, and in the course of
this work site staff observed some unusual deterioration
in the exposed concrete. This indicated that some of the
concrete surfaces had turned to a _mushyrsquo; consistency,
and of _wartyrsquo; appearance with evidence of expansion of
the residual material. This was unexpected to the say the
least, and potentially extremely serious. Diagnosis was
first made by our Maintenance Agents, Gloucestershire
County Council/Halcrow
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回顾英国公路管理处理硫酸盐硅灰石膏侵害的经验
Neil Loudon
摘要：这篇文章主要是回顾英国公路管理处对处理硅灰石膏的硫酸盐侵害的经验 。硅灰石膏的硫酸盐侵害的发生是在1998年的二月英国格洛斯特郡的5M号高速公路桥梁的许多桥墩。这篇文章着重介绍关于对这些建筑的调查和评估在当地对其他建筑采取广泛测试的结果之间的关系。后来为了进一步发现硅灰石膏的硫酸盐侵害在格洛斯特郡的危害，高速公路管理处参加了由建设部长建立的专家组。调查报告是由在发展处有影响力的一组人发出的。调查在全国范围应用其危害的基本标准，来决定硅灰石膏的硫酸盐侵害是局部现象还是普遍现象。与此同时，领导也指示在新的建筑中要尽量降低硅灰石膏的硫酸盐侵害的危害以及在混凝土浇筑过程中要采取新的规范，也包含了地面的调查。着将被进一步论述。
这篇文章也会重点介绍发生在英国达拉谟郡Mally Gill桥的个案研究，在那里由于环境的显著不同，引起的硅灰石膏的硫酸盐侵害。
高速公路管理处也在潜心研究专家组的报告结果并提出改良的方案。
1.背景
1998年初，在英国格洛斯特郡的M5号高速公路的维护和加固过程中发现桥墩埋入地面的部分发生异常的混凝土的分解。在后来的调查证明是硅灰石膏的硫酸盐侵害作用的结果。高速公路管理处立不得不面对这些紧急问题：
腐蚀有多严重？
对建筑有什么影响？
有多少桥梁被腐蚀？
这是局部问题还是广泛的问题？
损失有多大？
我们将采取怎么样的修补或者将采用其他的补救措施？
硅灰石膏的硫酸盐侵害除了损害了高速公路管理处的利益以外他还有什么牵连？
我们需要做些调查吗？
2.Tredington-Ashchurch桥
硅灰石膏的硫酸盐侵害第一次被观测到是1998年初在高速公路的M5XX桥的第9和第10路面的连接处。但是在M5好公路Tredington-Ashchurch公路桥更南边的桥基础第12到13的连接处发现并不严重的损坏。
Tredington-Ashchurch是钢筋混凝土结构的四孔公路桥。支撑的圆柱被放置在公路桥下面的中心和边缘，以及放置到桥面伸长的地点。Tredington-Ashchurch桥是在30年前修建的。是适合英国运输部要求和规范的。定期的建筑检测和测试混凝土预制件，在当时并没有可能发生危险的迹象。
挖掘那些混凝土支撑物旁边的回填物是计划加固桥的圆柱支撑物工作的必要条件。在工作期间观察到在桥墩的暴露本分发生不寻常的变化。这些建筑的表面变的象“糨糊”状。但却坚固的象“疣”。这是没有预想到的，可能更严重的是首先诊断出来的是我们格洛斯特郡公路保养处，后来经过最初的混凝土样品分析建筑调查部证实硅灰石膏的硫酸盐侵害。
进一步挖掘回填物埋在圆柱以及基础的顶部表面都暴露在外（使其承担暂时的应力）；大量的调查计划启动了包括广泛的混凝土，泥土，地下水取样，测试，通过实验和对土壤相关情况的分析得到实际的支持。这个项目的目的是找出混凝土变化的根本原因，和查看参数能支持将来测试和调查的一直。
其他的文章将Tredington-Ashchurch桥例为个案而分析的更加详细，因此能够说硅灰石膏的硫酸盐侵害的发生是结合很多因素造成的（在下面例出）
他们硅灰石膏的硫酸盐侵害发生的重要原因，特别是与对严重的硅灰石膏的硫酸盐侵害来说。
(a)在混凝土里使用石灰集合物。
(b)使用硫酸盐和硫化物等材料来回填地基的周围和回填圆柱（含铁的泥土被挖掘出来建设地基，当它暴露在大气中经过氧化后被溶解在电解液中）
(c)地下水的流动
(d)建筑受力的分布
(f)高速公路的排水系统有漏洞
(g)相对较冷的环境。
这些因素都在插图1 中
当这种腐蚀第一次被发现之后，为了安全的考虑实行了一个关闭当地公路的决定。直到这种广泛的非人为因素问题得到解决以后。后来这种缺陷通过对钢筋混凝土中心探测发现只是表面的现象。对建筑物的评估显示公路能够安全的重新开放，但是调查将继续。
基于可利用的时间和采取加固工作的需要来抵抗车辆冲击的需要，决定应该移去圆柱。这个决定是经过深思熟虑和仔细评估得出的。但是这个决定也被缺乏怎样修复XX的信息所影响。也有关于是否混凝土腐蚀已经停止或者仍在进行的不确定因素。实际上，最重要的怎样完全的移去桥下的圆柱：当圆柱被切碎并且完全移走之后，一个暂时的支撑系统和被采用来支撑桥面。新的地基将覆盖在原来已经存在的基础上面。
通过持续的调查工作和对建筑物的调查，以及有用的地质信息，很明显得到基于当时土壤情况的30年前的设计是符合当时的水平标准和规范的。尽管如此，在当时没有考虑到硫化物的问题，可能低估了硫酸盐的影响，也没有对照1999年揭露的关于硅灰石膏的作用。很明显这是很重要的。但是对30年前的设计来说是没有错误的。
而在Tredington-Ashchurch桥腐蚀正在发生，在高速公路更南面的Grove Lane桥正在采取的维护工作显示出相似的硅灰石膏对地下混凝土的腐蚀。虽然表现出来并不严重和广泛。这个结果经过初步调查之后得出来。常规的修复工作在清除混凝土污染物之后启动。
3 DETR 专家组
当混凝土腐蚀第一次在高速公路的桥发现的时候，非常严重的AXX被迅速的表现出来，他还和新的建筑还和现存的建筑物以及土木工程上的建筑设计有潜在的联系。高速公路管理处是主要负责运输的政府部门，建筑研究是其的一个分支，它已经调查硅灰石膏和混凝土存在怎样的联系已经十年了，虽然调查结果还没有公布，但是他的文摘也能供参考。
经由伯明翰大学的Les Clarke教授任主席的国际专家组分析总结作出了有权威性的决定，但是关于硅灰石膏的调查报告推迟到6个月以后，这是强制性的条款，这个条款决定提供对抓住尽早减轻对公众事业的影响机会来修复公路的指导。专家组的意见源于对一各种工业的广泛分析。经过仔细的讨论和深思熟虑之后，报告被定名为“对来自硅灰石膏硫酸盐侵蚀的危害的诊断补救和对新修建筑的知道”，在1999年2月出版发行。在如此短的时间内出版这么一篇内容详实的报告是一项艰巨的任务。各个方面的合作都取得了建设性的目的，虽然出现了一些不同的观点特别是在对硅会石膏的结构的细节。可以知道很多有代表性的建筑业和商业部门联系很紧密。
报告处理了很多比如硅灰石膏的硫酸盐侵害方面的危害的消息检查和实验的要求以及建筑的评估和补救的措施。尽管如此，做为一个权威的指导和为新工程的推荐，它为用户和资产所有者管理其建筑。
报告本身就具有限于在调查和研究方面的“指导性”但它的“推荐”以及文件的信息还是值得信赖和利用的。报告也承认并非所有的答案知道，特别在机械和现今的硅灰石膏还在展开激烈的争论。在这方面的实质还在进一步的调查。因此，一些警告还是出现在推荐的细节里。所有这篇文章报道承认对硅灰石膏的认识还是有限的，尽管实验室的研究表明硅灰石膏的性能能比较容易的改造。
一个主要的方面，特别对比新的建筑物，我们需要保持它的技术含量和商业利益相平衡，为了做到这些，报告者不得不到权威的技术中心访问。在当时出版的时候报告也承认由于信息在不断的更新难免也有过时失误的地方。
报告面对的主要问题还是辨别控制硫酸盐的主要与次要的因素和分清硅灰石膏的结构。
(a)lsquo;TSArsquo;对于硅灰石膏的硫酸盐侵害对混凝土基质的严重损坏
(b)lsquo;TFrsquo;对硅灰石膏在混凝土空白处的提前占据空间。但是没有关于着方面的观察记录
报告也包括了在辨别和测试混凝土和现存的建筑必要条件和方法的实践信息，来确定硅灰石膏是否存在。对于客户和设计者来说一个特别重要的问题就是建筑物所采用的沙土是否是精确设计的一个重要过程。这个观点也被带到公路修建工程和重要的土木工程。它虽是很小的工作，但是却存在潜在的市场。
在报告的第九章提供可为减少硅灰石膏的硫酸盐侵害提出的规范要求。基于在BRE文章的内容，那就是根据土壤中所含的硫酸盐来分类。和根据一系列连续的限制。这种方法可以派生出来采用“包裹”法测量法来对应各种情况。这样它也更加的允许对设计者公开。特别是对混凝土业。所有这些权利被认为是平等的。其中还有个要求就是保持所有的指导意见和建议都简单，让使用者更觉得方便。
报告的建议主要是由混凝土配制基于不同建筑物的性能的原料具体要求组成的，是根据不同建筑物的使用寿命的要求。有个合理的假设就是土壤和水的比例等级被正确的评估出来，在报告的第六章已经给出，从而对混凝土的要求就要适合存在的和将来预期的地面条件。混凝土的正确选择就要根据正确的土壤硫酸盐等级，以及相应的硫化物。要根据合适的条件来在建筑物周围适当的增加一些排水设备，避免引起积水和重新回填等工作。
混凝土的原料要求具体的各种水泥性能的内容，和水灰比，但是应用依靠大量的或合适或者不合适的碳酸盐来的定义新的等级。这个体系被根据建筑物的性能划分为高，中，低性能，它表示的是从高到低建筑物的使用寿命的范围。或者说是建筑物的地基是结实的，还是不结实的。经过验证硅灰石膏的硫酸盐侵害是一个相关的长期的过程，也许对设计寿命短的建筑来说并不重要。对长使用寿命的建筑的地基有很多的限制性条件，相反对建筑设计寿命短的建筑并没有严格的限制。
从前有很多地方缺乏权威的针对当地原料的调查研究的数据。那些地方也表示要谨慎的采纳“微小-分层”保护手段。因此一些针对当地的另外的保护手段被采用。他们的防范措施包括采用表面保护加强和加强排水的要求。这也是低碳环境的要求。
所有专家组报告提供了大量的重要信息。很多的建筑存在于潜在的危险中并非被夸大的。所以，建筑的损害并不是一般的严重。在发生严重的硅灰石膏的硫酸盐侵害的地面下。将有通常的警示标志。这也并没有认为国有资产有什么严重的问题。如果按报道所做，将减少硅灰石膏的硫酸盐侵害的危害，但是也要指出我们仍需进一步调查，因为不是所有的问题都能得到圆满的解决。报告也承认有必要对各种文件进行更新。
4.高速公路管理处对新建设的知道
在对比硅会石膏的工作中，高速公路专家组记录下为新建设的意见并出版发行《过度时期的意见书》。它拟订了对高速公路建设采用的要求，来最低限度减轻硅灰石膏的硫酸盐侵害对新建筑的损害，特别是它假设了所有高速公路可能会遇到的情况而做出更高的性能要求。就象它要求能使用120年一样。建议书也提供了了关于建筑物周围排水和应用来保护地面混凝土的各种方法的一些细节性直到。
5.高速公路管理处对现存建筑的策略
当然，对一新建设做出了要求之后，高速公路管理出也需要对付现阶段现存的受硅会石膏影响的建筑。不管它是在格洛斯特郡还是在范围更广的地方。这个决定是由从事国际投资的公司做出来的。专家组已经确定了大量的可能会同时存在的或者影响侵蚀程度是否严重的主要和次要的因素。
主要因素：
(a)硫酸盐和硫化物在地面出现
(b)出现流动的地下水
(c)出现粗糙的碳酸盐，或者大量混凝土凝聚
(d)低温次要因素
(a)所使用水泥的种类的质量
(b)混凝土配制的质量和状态
(c)地面的化学变化和来自建设用水的质量
(d)埋入地面的混凝土的种类，深度和几何形状
为了开始的调查工作，说明书被印刷出版发行到全英国的维护处。这被分为两个部分，首先是基于初步的危害探索，紧跟着就是必要的调查工作。初步探索的目的就是为了确定共同存在着的主要因素，特别是碳酸盐是否被用来回填混凝土地基，或者说对建筑物的回填物是否临近硫酸盐或者硫化物。评估工作也关系到建筑的重要意义。就象计划维护工作一样。对建筑物来讲解决危害的主要为：地震和不知原因的开裂。初步的探索要求对建筑记录和土壤分析做出严格的检查。在一些例子中没有足够的可利用的信息和有限的材料实验的要求。
作为评估工作的一部分，有限考虑的是建筑物基础的危害。如果有，那么对土壤或回填物取样分析，和抽取混凝土带到实验室做检测。对建筑物信息的采集结果的正确与否是很重要的。如果所有的因素都存在，那么肯定和否定的结果都很重要，如果在含有碳酸盐和硫化物成分的土壤里没有硅灰石膏的存在，就象硅灰石膏被发现一样的重要。重要的调查被反馈到BRE来帮助他们做进一步研究。
调查的结果是令人期望的，它证实了专家组的发现，特别是感知到了最大程度的危险。除了格洛斯特郡以外还在达拉谟郡的有出现了并确定了同样严重的情况。报告在后面提到。因此调查是无法用价值来衡量的，因为它也证实在低危害地方没有发现硅会石膏的存在。一些关于形容地域危害的词语被要求谨慎的运用。为了避免过分的强调在材料出现的碳酸盐。这样的材料被从采石场运输到它们被使用的地方，如果它们自己不能在建筑的地基自己生成的话。
尽管专家组对混凝土和相关措施的意见已经很详细了。但是它们并没有因为出版发行和对高速公路管理处有重要的影响就被高速公路管理处所采用。而后，在BRE的帮助下。对混凝土的规范也被和现存的对建筑的水泥要求结合起来。并在2001年6月出版发行。
6. 达拉谟郡的A1号Mally Gill桥
想比较格洛斯特郡的情况，在其他地方的硅灰石膏象预想的那样出现了。唯一确定的结果是在达拉谟郡的Mally Gill桥得到的。首先，初步的评估指出这座桥以及在这一地区的其他桥梁被程度很晓得硅灰石膏的硫酸盐侵害，因为在那里地面上出现了不知来源的硫酸盐。因此计划研究混凝土的侵蚀工作在指导
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