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家重點實驗室，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.廣東省路橋建設發展有限公司，廣東 中山 528463）

1 隧道襯砌混凝土溶蝕破壞機理分析

隧道襯砌混凝土在滲漏水的作用下易發生溶蝕破壞。隧道襯砌滲漏水有軟水和酸性水，軟水即水中化學成分較少，其對隧道襯砌的破壞主要來自于水的溶蝕作用；當水中溶有CO2、SO2等酸性氣體時，會形成不同酸度的水，對襯砌混凝土的溶蝕作用更加復雜。當環境水中含有多種微生物成分時，微生物新陳代謝產物也會對襯砌混凝土產生破壞。

1.1 軟水溶蝕

環境水中的Ca2+濃度較低，混凝土內部孔溶液中Ca2+濃度相對較高，外界環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+傳輸到環境水中，導致孔溶液中的Ca2+溶出。軟水溶蝕的本質是擴散，擴散持續，Ca2+會不斷流失，進而導致C-S-H凝膠溶解、混凝土堿度降低，使材料性能下降、結構耐久性變差[1]。軟水溶蝕的主要作用對象是水泥水化產物Ca（OH）2和C-S-H凝膠，它們先后溶出導致混凝土孔隙率增大、強度下降，從而進一步使其耐久性下降，結構使用壽命縮短。

1.2 化學溶蝕

化學溶蝕的種類通常有硫酸鹽、碳酸鹽、鎂鹽和氯鹽。環境水中的SO42-與水泥水化產物中的Ca(OH)2發生反應生成石膏，石膏又與水化鋁酸鈣反應生成鈣礬石，隨著反應的進行，水化鋁酸鈣逐漸消耗完全，SO42-繼續與Ca(OH)2反應生成石膏，其反應式如式（1）所示。

從上面的反應式可以看出，化學溶蝕的主要作用對象是水泥水化產物Ca（OH）2，破壞的本質是化學反應，腐蝕產物石膏和鈣礬石會吸水導致體積膨脹，進一步促進混凝土結構破壞，從而導致結構耐久性能下降。

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菌、氧化硫桿菌、氧化鐵桿菌、去硫弧菌、排硫桿菌等對混凝土結構的侵蝕破壞作用。硝化細菌通過對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、乙酸等有機酸也會導致混凝土內部C-SH分解，并喪失膠結能力，進一步導致混凝土結構耐久性能下降。

混凝土結構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，溶蝕液隨之增多，滲透主要發生在二襯混凝土結構上，滲透溶蝕中Ca2+的傳輸方式主要是遷移，在外力作用下發生水化產物水解，破壞結構穩定性。接觸溶蝕是指不受水壓力或所受水壓力可以忽略不計，溶蝕程度和接觸面積有關，混凝土與水體的接觸面積越大，溶蝕速度越快、程度越深。接觸溶蝕主要發生在初襯混凝土結構上，接觸溶蝕中Ca2+的傳輸方式主要是擴散，Ca2+在內外濃度差的作用下發生溶解傳輸，導致結構破壞。

2 隧道襯砌混凝土溶蝕熱力學分析

根據各物質的焓變和熵變計算反應的吉布斯自由能，判斷反應能否自發進行[2]。結果發現，常溫（25℃）下，水泥基材料中各組分發生水解反應為自發反應，因此有必要通過提升水泥基材料的抗溶蝕性能來延長結構使用壽命。

2.1 Ca（OH）2溶解

Ca（OH）2溶解反應的熱力學計算見表1。由表1可知，標準狀態下的反應焓變小于0，為放熱反應；反應的熵變小于0，為熵減反應；T<667.44 K（即394.29℃）時，ΔrGm小于0，此時反應為自發反應，其反應式如式（2）所示：

表1 Ca(OH)2溶解熱力學數據

2.2 C-S-H溶解

C-S-H溶解反應的熱力學計算見表2。由表2可知，標準狀態下的反應焓變小于0，為放熱反應；反應的熵變小于0，為熵減反應；在T<664.87 K（即391.72℃）時，ΔrGm小于0，此時反應為自發反應，其反應式如式（3）所示。

表2 C-S-H溶解熱力學數據

2.3 鈣礬石溶解

鈣礬石溶解反應的熱力學計算見表3。由表3可知，標準狀態下的反應焓變小于0，為放熱反應；反應的熵變大于0，為熵增反應；ΔrGm恒小于0，此反應為自發反應，其反應式如式（4）所示。

表3 鈣礬石溶解的力學數據

3 隧道襯砌混凝土溶蝕破壞防治措施

從混凝土配合比優化和化學外加劑兩方面考慮，各提升方案中作用原理、優勢和劣勢以及現有提升程度見表4。從表4可知，這幾種方法對提升混凝土抗溶蝕性能均有一定效果，但效果不明顯。在實際工程中，推薦混凝土配合比優化和化學外加劑協同作用來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 結論

（1）隧道襯砌混凝土溶蝕破壞機理分為軟水溶蝕、化學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散。

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

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