隧道中混凝土硫酸鹽侵蝕機理及對策分析

凌敏

摘要：文章對隧道工程中混凝土硫酸鹽侵蝕機理及相應(yīng)的防治對策進行分析，將隧道中硫酸鹽侵蝕類型分為結(jié)晶型侵蝕及分解型侵蝕，并結(jié)合隧道內(nèi)混凝土結(jié)構(gòu)，得出隧道噴射混凝土主要為碳硫硅鈣石型分解型侵蝕，C-S-H凝膠分解造成結(jié)構(gòu)破壞;針對隧道襯砌，對于初支，主要為結(jié)晶型侵蝕，可從材料+配合比+施工三方面進行控制，對于二襯，主要為分解型侵蝕，可通過配置防腐抗?jié)B混凝土從源頭及傳輸兩方面遏制碳硫硅鈣石的形成，從而確保結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。研究可為隧道工程的施工及運營提供借鑒。

關(guān)鍵詞：隧道工程;混凝土硫酸鹽;結(jié)晶型侵蝕;分解型侵蝕

0 引言

在我國西南地區(qū)，由于盆地山系眾多，考慮一些綜合地理因素，在穿越山嶺修建高速公路或干線鐵路時，隧道成為施工首選，但由于我國西南地區(qū)的特殊性及水文地質(zhì)條件原因，地下水資源豐富，且水中富含大量硫酸鹽及其他有機離子[1]，會與鐵路隧道內(nèi)部的混凝土發(fā)生反應(yīng)并會破壞隧道混凝土主體結(jié)構(gòu)從而嚴重影響鐵路隧道整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，給隧道施工及后期隧道運營管理帶來很大的麻煩。對于一般公路隧道而言，主要采用初支+二襯方式進行支護，初支即用噴混或噴錨對隧道圍巖主體進行錨固加強，確保順利施工;二襯即涵洞斷面是在施工工程結(jié)束后，沿線在隧道口及洞身周圍用多層鋼筋混凝土等基礎(chǔ)材料連接修建的一層永久性支護主體結(jié)構(gòu)。初支與二襯的運動強度、剛度對建筑隧道的運動穩(wěn)定安全性有著至關(guān)重要的作用。因此，弄清地下隧道建設(shè)工程中鋼筋混凝土層對硫酸鹽層的防侵蝕和防破壞機理，對隧道災(zāi)害預(yù)防具有重要意義。

1 侵蝕機理

混凝土受到外部或內(nèi)部的化學(xué)作用，構(gòu)成水泥石的各種水化物經(jīng)過反應(yīng)發(fā)生分解，失去作為膠體粘結(jié)劑的性能而發(fā)生崩落、潰散等，混凝土的這種自然劣化崩落現(xiàn)象又被稱為侵蝕。硫酸鹽侵蝕過程是一個復(fù)雜的物理化學(xué)侵蝕過程。其實質(zhì)上就是地下水中的流體SO2-4水通過流體表面微小的裂縫直接進入固體混凝土中，與存在混凝土結(jié)構(gòu)中的其他水化物分子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后產(chǎn)生了鈣礬石或者石膏，這些反應(yīng)產(chǎn)物如果結(jié)合了大量的其他水化物分子，并且從結(jié)晶體中析出，受到周圍其他介質(zhì)的壓力約束或者作用，內(nèi)部的微裂縫就可能會進一步增大擴展，結(jié)構(gòu)就可能會同時發(fā)生較大開裂或者破壞，最終嚴重影響地下隧道的正常使用。通過長期閱讀大量相關(guān)文獻以及研究數(shù)據(jù)分析，可以把位于隧道內(nèi)部的硫酸鹽隧道侵蝕主要分為以下兩類：結(jié)晶型隧道侵蝕及酸性C-S-H酸鹽分解型隧道侵蝕。結(jié)晶型態(tài)的侵蝕又分為物理結(jié)晶及化學(xué)結(jié)晶侵蝕。

1.1 結(jié)晶型侵蝕

（1）結(jié)晶型物理侵蝕。物理結(jié)晶型侵蝕主要指在水泥石中強堿酸性金屬鹽和硫酸鹽雜質(zhì)溶液遇水濃度過高時結(jié)晶析出，體積過大膨脹，破壞水泥內(nèi)部結(jié)構(gòu)。以Na2SO4為例，反應(yīng)式為：Na2SO4+10H2O=Na2SO4 ·10H2O，反應(yīng)后的產(chǎn)物為水中帶有物理結(jié)晶物和水的硫酸鹽類，產(chǎn)生極大的結(jié)晶壓力，造成表層破碎和結(jié)晶裂縫。當鋼筋結(jié)構(gòu)一半直接置于水溶鹽液，另一半直接置于干燥高溫空氣中時，鹽溶液在毛細抽吸作用下迅速上升至液相水平線以上迅速蒸發(fā)，致使鹽溶液迅速濃縮，更易直接引起鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)破壞。

（2）具有化學(xué)活性結(jié)晶型侵蝕。以Na2SO4為例，反應(yīng)式為：

Na2SO4·H2O+Ca（OH）2=CaSO4·2H2O+2NaOH+8H2O

3（CaSO4·2H2O）+4CaO·Al2O3·12H2O+14H2O=3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O+Ca（OH）2

從化學(xué)反應(yīng)式上可以看出，鈣化鋁礬石晶體結(jié)合了32個針狀結(jié)晶體和水，體積變?yōu)樵瓉淼?.5倍。又由于它們是呈圓形針狀生長的晶體，在固體多相晶體表面上呈放射狀向晶體四方延伸生長，受到周圍固體介質(zhì)的應(yīng)力約束時會產(chǎn)生晶體膨脹時的內(nèi)應(yīng)力，生成為方形針狀或者薄片狀甚至全部呈彈性膠凝狀，這類液相晶體對水吸附力強，產(chǎn)生很大的膨脹吸水力和腫脹耦合作用，形成極大的吸水膨脹和內(nèi)應(yīng)力。因此，合理正確控制液相晶體堿度含量是控制碳酸鈣和鋁礬石晶體結(jié)晶不受侵蝕的重要有效途徑之一。這類建筑破壞的主要特點之一是鋼筋混凝土基體表面可能有少數(shù)較粗大的圓形裂縫。當結(jié)晶溶液的硫酸根離子的濃度均值>1 000 mg/L時，還可能會發(fā)現(xiàn)有大量石膏狀的結(jié)晶溶液析出。反應(yīng)離子式為：

Ca（OH）2+Na2SO4→Ca2++SO2-4+Na++OH-

Ca2++SO2-4+2H2O→CaSO4+2H2O

從上述鈣化鋁礬石與水結(jié)晶的化學(xué)反應(yīng)式中可以明顯看出，當試件SO2-4石膏濃度達到<1 000 mg/L時，僅有氯化鈣和鎂礬石同時結(jié)晶才能析出;當試件SO2-4石膏濃度逐漸提高時，鈣礬石與其他石膏石開始同時結(jié)晶析出，只是對于石膏濃度侵蝕起到了從屬主導(dǎo)作用;當試件SO2-4石膏濃度達到足夠大時，石膏濃度侵蝕劑就起到了主導(dǎo)作用[2-4]。干濕交替混合作用狀態(tài)下，石膏液對水的連續(xù)侵蝕也同樣對其起到了重要主導(dǎo)作用，因為侵蝕石膏液與水中大分子的連續(xù)蒸發(fā)間接混合作用大大增加了侵蝕石膏水的SO2-4濃度，使得石膏表層中的石膏大量的水分析出[2]。

1.2 C-S-H分解型侵蝕

（1）Mg2+侵蝕。在所有的強侵蝕性介質(zhì)溶液中，MgSO4溶液侵蝕是對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)侵蝕最嚴重的一類，因為它會被含Mg2+和含SO2-4的雙重物質(zhì)侵蝕。其化學(xué)反應(yīng)式為：

MgSO4+Ca（OH）2+2H2O→CaSO4·2H2O+M g（OH）2

C-S-H+MgSO4+5H2O→Mg（OH）2+CaSO4·2H2O+2H2SiO4

4CaO·Al2O3·13H2O+3MgSO4+2Ca（OH）2→3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O+3Mg（OH）2

反應(yīng)之后生成的石膏鈣礬石與其他石膏石會產(chǎn)生粘結(jié)膨脹時的內(nèi)應(yīng)力，同時通過反應(yīng)將C和CH離子分解生成為C和MH，降低了石膏水泥石的粘結(jié)堿度，造成水泥混凝土粘結(jié)強度巨大損失，將它的混凝土強度變成完全幾乎沒有任何粘結(jié)膨脹性能的白色糊狀物。

（2）碳硫硅鈣石型侵蝕。這種產(chǎn)物由兩種途徑轉(zhuǎn)化而來。一是混凝土中的水泥水化產(chǎn)物中有C-S-H凝膠和Ca（OH）2，生產(chǎn)水泥時需摻入一定量的石膏，在硫酸鹽環(huán)境下，水泥石中的Ca2+還可能和環(huán)境中的SO2-4反應(yīng)生成CaSO4，在水泥石中摻入一定量的石灰石“填料”，在一定條件下發(fā)生如下反應(yīng)：

Ca3Si2O7·3H2O+2CaSO4·2H2O+2CaCO3+24H2O→Ca6 [Si2 （OH）6]·24H2O·[（SO4）2·（CO3）2]+Ca（OH）2

生成的Ca（OH）2又可與空氣中的CO2和水發(fā)生碳化生成CaCO3，CaCO3與H2O再與前一層次的反應(yīng)，如此循環(huán)，不斷消耗C-S-H凝膠和Ca（OH）2，生成碳硫硅鈣石，破壞混凝土結(jié)構(gòu)。 第二種為硅鈣礬石生成碳硫硅鈣石，化學(xué)式為：

Ca[（AlxFe1-x（OH）6]2（SO4）·26H2O+Ca3Si2O7·3H2O+2CaCO3+4H2O→Ca6[Si（OH）6]·24H2O·[（SO4）2·（CO3）2]+CaSO4·2H2O+2xAl（OH）3+2（1-x）Fe（OH）3+4Ca（OH）2

不管是由C-S-H轉(zhuǎn)換而成，還是硅鈣石轉(zhuǎn)化而成，共同結(jié)果都是造成C-S-H的分解致使強度損失[5]。

2 對策分析

在了解了常見的各種硫酸鹽侵蝕機理后，可以看出在隧道工程中，硫酸鹽侵蝕破壞對于隧道的安全穩(wěn)定有著很大的影響。因此，對于如何防治此類侵蝕，相關(guān)的研究至關(guān)重要。對于隧道中的混凝土，從施工順序來講可分為“初支+二襯”，由于施工工法、時間、材料選取等方面的差異，侵蝕類型可能會有差異，對應(yīng)采取的措施也應(yīng)有所差異。

2.1 初支

對于混凝土隧道初期開挖，普遍建議采用傳統(tǒng)的噴混或噴錨方法進行支護。對于大型噴射硅鈣石混凝土，根據(jù)大量相關(guān)文獻的閱讀及數(shù)據(jù)分析結(jié)果研究，噴射硅鈣石型混凝土腐蝕后的產(chǎn)物中可能含有大量的碳硫硅鈣石，同時可能存在石膏和碳硫鈣礬石，判定主要為碳硫硅鈣石型的侵蝕。此類硅鈣石型侵蝕主要是使噴射C-S-H凝土的橡膠結(jié)構(gòu)失去了膠凝的能力，最終直接影響噴射混凝土結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定。因此針對近期出現(xiàn)的硅鈣石型侵蝕破壞，考慮從以下幾個主要的方面改進，提高噴射硅鈣石型混凝土的抗碳硫硅鈣石型侵蝕。

（1）嚴選摻合材料。在硅酸鹽水泥摻合料方面，選用Ca含量低的普通硅酸鹽水泥，并可以考慮在材料中加入適量的粉煤灰等有機礦物質(zhì)作為摻合料取代部分硅酸鹽水泥。在石質(zhì)骨料嚴選方面，盡量減少在骨料中使用含有石灰石質(zhì)的骨料，并嚴格禁止在骨料中摻雜添加過量的石灰石粉，從源頭上有效地抑制了碳硫硅鈣石的形成。在速凝劑方面，可考慮采用無堿速凝劑，避免噴射無堿混凝土后期對強度的損失。

（2）優(yōu)化配合比。配合比的結(jié)構(gòu)設(shè)計原則要從傾向于高強度結(jié)構(gòu)設(shè)計的原則轉(zhuǎn)而傾向于耐久性結(jié)構(gòu)設(shè)計的原則。在能夠保證混凝土結(jié)構(gòu)強度的同時，還要保證具有一定的混凝土耐久性、適用性。在滿足耐久性混凝土配合比可連續(xù)噴射的前提下，可以考慮采用較低強度水平的凝膠比，改善和提高混凝土抗侵蝕的能力。

（3）控制混凝土施工的質(zhì)量。精確地控制混凝土施工的質(zhì)量主要從如何提高噴射混凝土表層結(jié)構(gòu)的噴射密實性角度出發(fā)。在混凝土噴射時，噴射的角度盡量保持控制在90°，可以有效減少動能的損失，提高噴射混凝土的密實性。同時，精確地控制噴射速凝劑的使用量，杜絕漏噴、少噴。同時要在噴射速凝劑成型后及時對混凝土進行有效的養(yǎng)護，避免水分在空氣中散失過快，從而致使噴射混凝土的表層結(jié)構(gòu)出現(xiàn)疏松、開裂[6-8]。

2.2 二襯

對于二襯，混凝土的侵蝕成因和破壞的類型因其位置不同而不同。在混凝土襯砌表層和內(nèi)部發(fā)生侵蝕和開裂的硅鈣石型混凝土中主要以碳酸鈣礬石和石膏型混凝土為主。而在襯砌與地面交接處的混凝土表層呈“糊狀”，可知為一種碳氫化硫硅鈣石型混凝土結(jié)晶侵蝕破壞。究其侵蝕成因，在襯砌的表面，局部處會殘留有大量含SO2-4的混凝土地下水，通過混凝土的裂縫進入混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部，由于結(jié)構(gòu)隧道內(nèi)部的濕度較小，致使局部混凝土襯砌表層干燥而內(nèi)部濕潤，水分濃度梯度加速了混凝土地下水從結(jié)構(gòu)隧道外向內(nèi)部的流動遷移。由于硫酸鹽蒸發(fā)的作用使得水分損失，硫酸鹽得以充分濃縮在混凝土襯砌表層的孔隙中，當硫酸鹽濃度達到一定程度時，襯砌混凝土的表層即開始發(fā)生硫酸鹽的腐蝕。而在混凝土襯砌底部與混凝土地面的交接處，在這個特殊的位置，地下水與隧道內(nèi)的襯砌骨料和混凝土充分發(fā)生了接觸，加上混凝土骨料與碳硫硅石粉中分別含有大量的橡膠和碳酸鹽，與混凝土發(fā)生反應(yīng)失去膠結(jié)能力。針對二次水襯混凝土，可通過采用以下的方式措施來有效提高襯砌混凝土表層抵抗雨水侵蝕的能力。

（1）對襯砌表層混凝土，接觸侵蝕環(huán)境及結(jié)構(gòu)自身存在缺陷是混凝土發(fā)生侵蝕的兩個前提條件。前者可以通過在混凝土與地下水接觸處鋪防滲材料，后者可通過提高混凝土強度進而提高混凝土密實性，減少SO2-4的滲入及流通，保護混凝土內(nèi)部水化物的穩(wěn)定不發(fā)生反應(yīng)，并輔助以優(yōu)選材料、摻礦物摻合料、加強養(yǎng)護等其他措施。

（2）對襯砌與地面交接處混凝土，此處含有生成碳硫硅鈣石的所有原料，因此，對于此處可采用配置防腐抗?jié)B混凝土，加涂裝抗?jié)B材料，抑制碳硫硅鈣石的產(chǎn)生，阻止其向混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部擴散。配置防腐抗?jié)B混凝土?xí)r，可摻用丙烯酸乳液及緊縮骨料粒徑分布的措施來提高混凝土的抗干縮性，進而提高混凝土的抗侵蝕性[9-12]。

3 結(jié)語

（1）隧道工程中常見硫酸鹽侵蝕有結(jié)晶型侵蝕及分解型侵蝕。前者主要是由于物理溶析或化學(xué)反應(yīng)析出硫酸鹽結(jié)晶，在結(jié)構(gòu)內(nèi)部受到約束，產(chǎn)生膨脹內(nèi)應(yīng)力而破壞;后者主要是因為水泥石中的C-S-H凝膠被置換分解失去膠凝作用而破壞。

（2）對于不同的侵蝕程度和結(jié)果，應(yīng)“對癥下藥”。對于隧道襯砌噴射混凝土的主要腐蝕產(chǎn)物，由于含較多的鈣礬石和石膏，可以從其選材、配合比、施工用料質(zhì)量等來整體有效提高其抗硫酸鹽的侵蝕性;對于二襯砌的表層混凝土因特殊環(huán)境條件等原因而產(chǎn)生的結(jié)晶型抗硫酸鹽侵蝕，按照與混凝土侵蝕環(huán)境的隔離及有效提升自身混凝土強度兩個基本原則的應(yīng)用來有效提高其抗硫酸鹽侵蝕性。對于襯砌與混凝土地面的交接處，可以考慮采用配置防腐抗?jié)B材料的混凝土，從其源頭及材料傳輸兩個環(huán)節(jié)方面，整體有效提高混凝土結(jié)構(gòu)的抗硫酸鹽侵蝕性。

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