隧道襯砌混凝土溶蝕破壞與防治措施

龐佳瑋，周瑩，李勇泉，穆松，伍洲，劉凱

（1.廣東華陸高速公路有限公司，廣東 廣州 510623；2.高性能土木工程材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210008；3.江蘇蘇博特新材料股份有限公司，江蘇 南京 211103；4.廣東省路橋建設(shè)發(fā)展有限公司，廣東 中山 528463）

1 隧道襯砌混凝土溶蝕破壞機(jī)理分析

隧道襯砌混凝土在滲漏水的作用下易發(fā)生溶蝕破壞。隧道襯砌滲漏水有軟水和酸性水，軟水即水中化學(xué)成分較少，其對(duì)隧道襯砌的破壞主要來(lái)自于水的溶蝕作用；當(dāng)水中溶有CO2、SO2等酸性氣體時(shí)，會(huì)形成不同酸度的水，對(duì)襯砌混凝土的溶蝕作用更加復(fù)雜。當(dāng)環(huán)境水中含有多種微生物成分時(shí)，微生物新陳代謝產(chǎn)物也會(huì)對(duì)襯砌混凝土產(chǎn)生破壞。

1.1 軟水溶蝕

環(huán)境水中的Ca2+濃度較低，混凝土內(nèi)部孔溶液中Ca2+濃度相對(duì)較高，外界環(huán)境與混凝土孔溶液之間Ca2+濃度有很大差異。在濃度梯度的作用下，混凝土孔隙中的Ca2+傳輸?shù)江h(huán)境水中，導(dǎo)致孔溶液中的Ca2+溶出。軟水溶蝕的本質(zhì)是擴(kuò)散，擴(kuò)散持續(xù)，Ca2+會(huì)不斷流失，進(jìn)而導(dǎo)致C-S-H凝膠溶解、混凝土堿度降低，使材料性能下降、結(jié)構(gòu)耐久性變差[1]。軟水溶蝕的主要作用對(duì)象是水泥水化產(chǎn)物Ca（OH）2和C-S-H凝膠，它們先后溶出導(dǎo)致混凝土孔隙率增大、強(qiáng)度下降，從而進(jìn)一步使其耐久性下降，結(jié)構(gòu)使用壽命縮短。

1.2 化學(xué)溶蝕

化學(xué)溶蝕的種類通常有硫酸鹽、碳酸鹽、鎂鹽和氯鹽。環(huán)境水中的SO42-與水泥水化產(chǎn)物中的Ca(OH)2發(fā)生反應(yīng)生成石膏，石膏又與水化鋁酸鈣反應(yīng)生成鈣礬石，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，水化鋁酸鈣逐漸消耗完全，SO42-繼續(xù)與Ca(OH)2反應(yīng)生成石膏，其反應(yīng)式如式（1）所示。

從上面的反應(yīng)式可以看出，化學(xué)溶蝕的主要作用對(duì)象是水泥水化產(chǎn)物Ca（OH）2，破壞的本質(zhì)是化學(xué)反應(yīng)，腐蝕產(chǎn)物石膏和鈣礬石會(huì)吸水導(dǎo)致體積膨脹，進(jìn)一步促進(jìn)混凝土結(jié)構(gòu)破壞，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)耐久性能下降。

1.3 生物溶蝕

生物溶蝕通常指水中存在的微生物如硝化細(xì)菌、氧化硫桿菌、氧化鐵桿菌、去硫弧菌、排硫桿菌等對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的侵蝕破壞作用。硝化細(xì)菌通過(guò)對(duì)胺的硝化作用生成硝酸，使混凝土遭受酸腐蝕；嗜酸性氧化硫細(xì)菌代謝生成的生物硫酸使混凝土遭受腐蝕；即使在厭氧條件下，厭氧微生物代謝生成的草酸、乙酸等有機(jī)酸也會(huì)導(dǎo)致混凝土內(nèi)部C-SH分解，并喪失膠結(jié)能力，進(jìn)一步導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)耐久性能下降。

混凝土結(jié)構(gòu)溶蝕主要分為滲透溶蝕和接觸溶蝕兩種。滲透溶蝕主要是溶蝕過(guò)程中受到的水壓力較大或不可忽略，并且隨著水壓力增大，混凝土的滲透性增強(qiáng)，溶蝕液隨之增多，滲透主要發(fā)生在二襯混凝土結(jié)構(gòu)上，滲透溶蝕中Ca2+的傳輸方式主要是遷移，在外力作用下發(fā)生水化產(chǎn)物水解，破壞結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。接觸溶蝕是指不受水壓力或所受水壓力可以忽略不計(jì)，溶蝕程度和接觸面積有關(guān)，混凝土與水體的接觸面積越大，溶蝕速度越快、程度越深。接觸溶蝕主要發(fā)生在初襯混凝土結(jié)構(gòu)上，接觸溶蝕中Ca2+的傳輸方式主要是擴(kuò)散，Ca2+在內(nèi)外濃度差的作用下發(fā)生溶解傳輸，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。

2 隧道襯砌混凝土溶蝕熱力學(xué)分析

根據(jù)各物質(zhì)的焓變和熵變計(jì)算反應(yīng)的吉布斯自由能，判斷反應(yīng)能否自發(fā)進(jìn)行[2]。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，常溫（25℃）下，水泥基材料中各組分發(fā)生水解反應(yīng)為自發(fā)反應(yīng)，因此有必要通過(guò)提升水泥基材料的抗溶蝕性能來(lái)延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)使用壽命。

2.1 Ca（OH）2溶解

Ca（OH）2溶解反應(yīng)的熱力學(xué)計(jì)算見(jiàn)表1。由表1可知，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的反應(yīng)焓變小于0，為放熱反應(yīng)；反應(yīng)的熵變小于0，為熵減反應(yīng)；T<667.44 K（即394.29℃）時(shí)，ΔrGm小于0，此時(shí)反應(yīng)為自發(fā)反應(yīng)，其反應(yīng)式如式（2）所示：

表1 Ca(OH)2溶解熱力學(xué)數(shù)據(jù)

2.2 C-S-H溶解

C-S-H溶解反應(yīng)的熱力學(xué)計(jì)算見(jiàn)表2。由表2可知，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的反應(yīng)焓變小于0，為放熱反應(yīng)；反應(yīng)的熵變小于0，為熵減反應(yīng)；在T<664.87 K（即391.72℃）時(shí)，ΔrGm小于0，此時(shí)反應(yīng)為自發(fā)反應(yīng)，其反應(yīng)式如式（3）所示。

表2 C-S-H溶解熱力學(xué)數(shù)據(jù)

2.3 鈣礬石溶解

鈣礬石溶解反應(yīng)的熱力學(xué)計(jì)算見(jiàn)表3。由表3可知，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的反應(yīng)焓變小于0，為放熱反應(yīng)；反應(yīng)的熵變大于0，為熵增反應(yīng)；ΔrGm恒小于0，此反應(yīng)為自發(fā)反應(yīng)，其反應(yīng)式如式（4）所示。

表3 鈣礬石溶解的力學(xué)數(shù)據(jù)

3 隧道襯砌混凝土溶蝕破壞防治措施

從混凝土配合比優(yōu)化和化學(xué)外加劑兩方面考慮，各提升方案中作用原理、優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)以及現(xiàn)有提升程度見(jiàn)表4。從表4可知，這幾種方法對(duì)提升混凝土抗溶蝕性能均有一定效果，但效果不明顯。在實(shí)際工程中，推薦混凝土配合比優(yōu)化和化學(xué)外加劑協(xié)同作用來(lái)提升混凝土的抗溶蝕性能。

表4 隧道襯砌混凝土抗溶蝕措施

4 結(jié)論

（1）隧道襯砌混凝土溶蝕破壞機(jī)理分為軟水溶蝕、化學(xué)腐蝕和生物侵蝕三種。

（2）混凝土溶蝕分為滲透溶蝕和接觸溶蝕兩種，其中滲透溶蝕中Ca2+的傳輸方式主要是遷移，接觸溶蝕中Ca2+的傳輸方式主要是擴(kuò)散。

（3）常溫條件下，三種水解反應(yīng)均為自發(fā)反應(yīng)，對(duì)混凝土耐久性能產(chǎn)生極大影響，提升混凝土抗溶蝕性能是延長(zhǎng)隧道混凝土壽命的必要條件。

（4）可從混凝土配合比優(yōu)化和化學(xué)外加劑兩方面來(lái)提升隧道襯砌混凝土的抗溶蝕性能。