隧道噴射混凝土浸出物對工程排水水質的影響規律

中圖分類號：X703.1 文獻標志碼：A 文章編號：2096-6717（2025）04-0226-08

Influence of leaching substances from tunnel shotcrete on water quality

LUO Hesong L¹ ，MENG Fanqiang1，GONG Xun1，LI Chuansong ² ，DAI Jinsong2， WANG Dongmei'，GONG Zhengjun1 （1.Schoolof Environmental Science and Enginering，Southwest Jiaotong University，Chengdu611756，P.R.China; 2. China Railway Eryuan Engineering Group Co.，Ltd.，Chengdu 6loo31，P.R. China）

Abstract：Water-sewage diversion of tunnel construction drainage is an important engineering technique to reduce tunnel construction sewage discharge.However，the leaching substances of unstable tunnel shotcrete can affect the drainage water quality. Therefore，the study of the influence of leaching substances on the water quality during the stabilization process of shotcrete is of great significance for the precise implementation of wastewater separation technology.The static and dynamic experimental methods have been applied to the systematic study ofthe polltion indicators and leaching laws of shotcrete.The static experimental results show that when water comes into contact with newly poured concrete，the large release of alkaline substances can lead to a rapid increase in the pH of the water， becoming an important pollution factor affcting the water quality. The dynamic experimental results show that the curing time of concrete，the ratio of water to concrete （the volume-to-volume ratio of water sample to concrete， L/S ），and the contact area between concrete and water all affect the water quality.When the curing time of the concrete is less than three days，the calcium hydroxide crystal inside theconcrete is not solidified by the C-S-H gel，which is easy to continue to precipitate，leading to the pH of the contact water sample exceeding the standard. With the increase of curing time，the leaching alkaline substances decrease significantly. When the maintenance time reaches 28 days，the pH of the leaching solutiondrops below 9，which can meet the requirements of comprehensive wastewater discharge.When the L/S （2號 ratio is low，the leaching substance has a significant impact on the pHand alkalinity of the water sample.When the L/S ratio exceeds 40：1 ， the leaching substance has no significant impact on the water quality of the water sample.The larger the contact area between the concrete and water samples，the easier itis foralkalis in the concrete to dissolve and precipitate，and the more significant the impact on the pH and alkalinity of the water quality.

Keywords： drainage; separation of clean and dirty water; shotcrete; leaching substances; tunnel construction

隧道施工是道路建設中對周圍地表水影響最大的活動之一[1]，特別是當隧道建設位于環境敏感地區時，隧道開挖、襯砌、灌漿等施工過程中會產生大量廢水，這些廢水直接排放可能會造成嚴重的環境問題。目前，隧道施工廢水主要采用物理沉降等方式處理后排放，但在隧道施工場地受限的情況下，施工廢水會因沉降時間不足導致懸浮物超標排放。針對此問題，有學者提出隧道施工排水“清污分流\"技術[3-5]，即在洞內兩側設置臨時側溝，收集掌子面、初支段及二襯段的線狀水和股狀涌水，作為清水直接排放，掘進過程中產生的排水則利用中心排水溝收集，進人污水站處理后排放。實際工程中，掌子面和初支段的涌水在隧道水壓較小時沿側壁流至側溝，二襯段盲管涌水也會與隧道襯砌材料發生接觸，隧道內噴射的混凝土在與隧道涌水接觸時產生的浸出物質會對水質產生一定影響。

未穩定的混凝土接觸隧道涌水會導致水體pH值迅速升高[6]，Setunge等[7對養護 24h 的混凝土浸出試驗結果表明，水體的pH值在 12h 內升至11.5。王家慶等8使用復合降堿工藝處理生態混凝土，然后進行浸出試驗，發現浸出液的pH值仍達到11以上。此外，水泥生產過程中使用的初級和次級原料中鋅、鉻、銅、鈣、鎂、鉀、鈉等元素在未穩定的混凝土中也可能被水體浸出[9。因此，隧道涌水流經未穩定的噴射混凝土時，浸出物質會影響工程排水水質，對受納水體的水質構成威脅[10]

混凝土的浸出物質含量受多種因素影響。養護時間對混凝土表面滲透性有明顯影響，當混凝土材料養護時間不足時，會導致混凝土中膠凝材料水化不充分， Cl^- 在混凝土表面的擴散顯著增加[11-12]。因表面積會影響固/液交換表面的大小，體積與表面積之比會影響混凝土中元素的浸出速率[13]。水固比（水體體積與混凝土體積比， L/S 也是影響浸出物的一個重要因素，Takahashi等[14通過槽浸試驗發現，浸出液中Cr的累積量隨 L/S 的減小而增加。以上研究側重于分析浸出對混凝土性能的影響，隧道涌水流經噴射混凝土的浸出物對水質的影響規律還未見報道。

筆者選用某隧道施工的真實原料及配比，采用靜態試驗和動態試驗探究隧道噴射混凝土浸出過程中浸出物的成分特征，并探究養護時間、不同 L/S 接觸面積對隧道混凝土浸出液的影響，在此基礎上提出涌水作為清水排放的具體策略。

試驗材料與方法

1.1 原材料和配比

試驗用水泥為四川峨眉佛光牌 P?O42.5 水泥，其質量符合《通用硅酸鹽水泥》（GB175—2023）的相關要求，該水泥的主要化學成分及含量見表1；細骨料為粒徑小于 5mm 的中砂；減水劑為聚羧酸系高性能減水劑緩凝型，減水率為 30% ；速凝劑為J85型速凝劑;粗骨料為四川省某碎石廠生產的 5～10mm 碎石；水為去離子水。

混凝王制作配比如表2所示，水膠比為0.37，所制得混凝土強度為C30，滿足隧道噴射混凝土的性能要求。

1.2 試樣的制備

按照混凝土配比稱取膠凝材料和骨料倒入塑料桶中，攪拌約 3min 后緩慢倒入水與減水劑的混合溶液，攪拌約 8min 后將新拌混凝土倒人混凝土塑料試模內，并將試模中的混凝土搖勻，防止內部出現孔洞， 10min 后人工抹平試件上表面。試件體積約為 50cm³ ，凈重約 80g ，儲存在試驗室中，澆筑2d后拆模，然后放置在溫度 25^°C 、相對濕度 95% 的養護箱內養護。

1.3 試驗方法

1.3.1 混凝土靜態浸出試驗

為研究混凝土浸出過程中浸出物成分特征，設計了混凝土靜態浸出試驗。使用帶螺旋蓋且體積為 3L 的聚四氟乙烯塑料桶作為容器，為保證試件和容器底部有足夠的距離，在容器底部放置高為3cm 的三角塑料棒墊片，試驗裝置如圖1所示。將養護時間為3d的混凝土試件使用純水清洗干凈，然后放置在容器中，加人1L去離子水，試驗過程中，混凝土試件完全浸泡在水中，并用螺旋蓋密封，防止空氣中 CO₂ 溶于水中與析出物質反應。每天取100mL 浸出液進行分析并向容器中補充等量去離子水。

1.3.2混凝土動態浸出試驗

為研究養護時間對混凝土浸出液水質的影響，參考歐洲發布的關于建筑材料浸出標準化試驗的“動態表面浸出測試\"（DSLT）[15]，分別在試件養護后1、3、7、14、28d后（依次編號為CT-1、CT-3、CT-7、CT-14、CT-28）進行動態浸出試驗。試驗過程中浸出液與試件的體積比為20：1，試件表面積與水體積比為 80cm²/L 。為連續監測浸出液水質的變化，每隔1d進行取樣并更新浸出液。

為研究 L/S 比對浸出液水質的影響，分別控制浸出液與試件的體積比為 （編號依次為LS-1、LS-2、LS-3、LS-4）進行動態浸出試驗。試驗所用裝置與混凝土靜態浸出試驗的裝置相同。試驗中所選用試件的養護時間為3d，試件表面積與水體積比為 80cm²/L O

為研究不同接觸面積對混凝土浸出液水質的影響，在保證試件凈重為 80g 的條件下，制作1塊尺寸為 40mm×40mm×30mm （總表面積為 80cm² ）、2塊尺寸為 40mm×20mm×30mm （總表面積為104cm². ）、3塊尺寸為 40mm×40mm×10mm 的試件（總表面積為 144cm² ），控制試件表面積與水體積比分別為 80.104.144cm²/L ，進行動態浸出試驗，依次編號為CA-1CA-2、CA-3，浸泡水量為1L，所選用試件的養護時間為 3d 。

1.4 監測指標與分析方法

1.4.1 監測指標

取樣前將試件取出，用玻璃棒攪拌 1～2min ，以保證水樣均勻且分散。將浸出液裝滿兩個體積為50mL 的聚乙烯小瓶。一份用于重金屬元素分析，使用 10%HNO₃ 酸化至 pH 值小于2，儲存在（ ?± 2）^°C 溫度下，直到進行重金屬元素分析。另一份立即進行 pH 值和堿度（ CaCO₃ 堿度）測定。

1.4.2 檢驗方法

采用Kruskal-Wallis方法對試驗中多個試件總體分布是否相同進行非參數檢驗[16]。首先將多組樣本數據混合并按升序排序，求出各變量的秩，然后按照式（1）計算 K 統計量，獲取統計量的 P 值并進行分析。若 plt;α ，則拒絕原假設（ α 為顯著水平；原假設通常為多個獨立樣本的總體分布無顯著差異）；若 ，則不能拒絕原假設，即為有顯著性差異。

式中： N 為總樣本量； n 為樣本組數； n_i 為第 i 組的樣本量； 為第 i 組的平均秩； 為總平均秩。

2 結果與討論

2.1 材料表征分析

2.1.1 XRD分析

養護3、28d的混凝土試件XRD檢測結果見圖2。養護時間為3d時，試件的主要產物為鈣礬石、Ca（OH）₂ CaCO₃ 及C-S-H凝膠，這些產物主要由C₃A_，C₃S 與 C₂S 等水泥熟料水化生成。曲線上還有數個明顯的 C₃S 特征峰，說明此時的混凝土水化不完全，殘存較多的水泥熟料。隨著水化程度不斷加深，可以看到，在 28d 的XRD曲線上， C₃S 特征峰的個數減少，C-S-H凝膠特征峰的個數明顯增加，Ca（OH）₂ 的衍射峰并未消失，在28d時 Ca（OH）₂ 仍有相當存量。

2.1.2 SEM表征分析

養護3、28d混凝土試件的SEM檢測結果見圖3。養護3d的混凝土試件水化不足，內部結構較為松散，毛細孔道縱橫交錯。由于普通硅酸鹽水泥熟料中 C₃A 的水化速度最快，此時混凝土內部生成大量針簇狀的鈣礬石，而 Ca（OH）₂ 晶體以六面體的形式存在，這使得 Ca（OH）₂ 晶體難以作為針狀的鈣礬石骨架[17]，因此， Ca（OH）₂ 晶體呈疊層狀生長，被暴露在內部的孔隙之間。28d時，混凝土水化反應較為完全，針狀物質減少，C-S-H凝膠量增加，分布在試件毛細孔道內部和孔洞周圍。在基質部分，C-S-H凝膠覆蓋在層片狀 Ca（OH）₂ 晶體表面，與之結合緊密，并且這些絮狀C-S-H凝膠體形成搭接，使混凝土內部微觀結構趨于致密[18]。

2.2 隧道混凝土中浸出物的分析

靜態浸出試驗的 pH 值和堿度變化情況見圖4。在浸出試驗的前3d，試件浸出液的 pH 值逐步提升，最高達到11.55。3d以后浸出液的pH值和堿度有所下降，一方面是因為每次取樣后均會補充等量的去離子水，對浸出液有一定的稀釋作用，另一方面是因為每次取樣均會導致浸出液與空氣中的二氧化碳接觸，浸出液中部分 OH^- 被中和，從而導致pH值降低；同樣地，堿度也有所降低。但試驗期間pH值均保持在11以上，大于《污水綜合排放標準》一級排放標準的限值（ pHlt;9 ）。這與蔣雅君等[19的研究

結果一致。

此外，在靜態浸出試驗期間檢測了 Cu，Pb，Cd 、Zn，Fe，Cr，Mn 七種重金屬元素的濃度，檢測結果見表 3（Zn，Mn 未檢出，故在表中未列出）。7種重金屬元素中，Fe的浸出濃度最高，為 0.070mg/L ，低于《地表水環境質量標準》對集中式生活飲用水地表水源地的限值 （0.3mg/L ），這與Gwenzi等[20]、Wang等[21]的研究結果一致。 Cr，Cu，Cd 和Pb浸出濃度均低于《地表水環境質量標準》Ⅱ類水體的限值Ⅱ，且達到了《污水綜合排放標準》一級排放標準的要求。

浸出試驗結果表明，當水體與新澆筑的隧道噴射混凝土接觸時，混凝土釋放出的 OH^- 會導致pH值升高，使水質不達標。而Fe、Cu、Pb、Cd、Zn、Cr和Mn七種重金屬的濃度均在《污水綜合排放標準》一級排放標準的允許范圍內。因此，動態試驗關注pH值及引起pH值升高的堿性物質變化。

2.3養護時間對水質的影響

養護時間對噴射混凝土浸出液pH值和堿度的影響結果如圖5所示。當養護時間小于3d時，在浸出試驗的第1d，浸出液的pH值超過了11，隨著每日換水，pH值逐步降低，最終pH值依舊大于10。

混凝土中無機成分的浸出機制包括表面溶解和擴散[22-23]。表面溶解指試件中的水化產物和金屬氧化物與水反應，引起無機成分的浸出。擴散是指由于分子運動而導致無機成分的浸出。在養護初期，水泥的水化還不完全，孔隙和通道較多[24]，當試件與水體接觸時，液體快速滲入試件孔隙中，此時試件內部層狀 Ca（OH）₂ 晶體未被固化，大量 Ca（OH）₂ 溶解到孔隙液中，隨后因濃度梯度差不斷擴散，進入溶液中[19]。

浸出液中 Ca²⁺ 的濃度及其與pH值和堿度的相關性分析結果進一步驗證了以上分析。由表4可知，浸出液中 Ca²⁺ 與堿度的均值比為 0.59：1 ，符合溶液中堿度對陽離子的要求，且 Ca²⁺ 和堿度的相關性系數為0.926，屬于強相關。由以上分析可知，浸出液堿度來自 Ca（OH）₂ 的溶出。

當養護時間達到7d時， pH 值最終能穩定保持在9.5左右，且不再隨浸出時間變化。當養護時間達到14d時，浸出液pH值保持在 9.2～9.3 之間，接近《污水綜合排放標準》一級排放標準對 pH 值的要求。當養護時間達到28d時，混凝土水化反應較完全，抗OH-浸出能力強，浸出液的 pH 值降至9以下，達到《地表水環境質量標準》Ⅱ類水體對pH值的要求。養護時間小于7d時，隧道噴射混凝土的耐浸出性能惡化，浸出液中 pH 值和堿度會超標。由于隧道施工過程中掘進段（仰拱至掌子面）混凝土的噴射時間一般在 3～30d ，在后續試驗中，以最不利養護時間3d的混凝土為對象，探討不同 L/S 比和接觸面積對浸出液 pH 值和堿度的影響。

2.4L/S比對浸出液水質的影響

L/S 比對混凝土浸出液 pH 值和堿度的影響結果如圖6所示。隨著 L/S 比的增加， pH 值和堿度均有所下降。當 L/S 比為10：1時，浸出試驗第1天時pH 值和堿度分別達到 11.64.437mg/L ，在第14天時pH值仍有10.47，屬于強堿廢水。以 L/S 比為 10：1 浸出液的 pH 值和堿度為參考，當 L/S 比為20：1時，pH 值在第1、第14d分別降低0.49、0.28，堿度分別下降 302.87，13.43mg/L ；當 L/S 比大于40：1時，pH 值最終可以穩定在9.5左右，堿度可以控制在10mg/L 以下。

采用Kruskal-Wallis檢驗進行比較分析（ αlt; 0.1），結果如表5所示，LS-3和LS-4兩組的堿度 p 值為0.378，不存在顯著差異，而LS-3和LS-2之間、LS-2和LS-1之間均存在顯著差異，表明 L/S 比對隧道混凝土浸出的影響是非線性的，隨著水量增加對水質的影響變小。此外，通過對比不同組別浸出液的堿度，發現在浸出試驗前期差異較大，而到后期各組間的差異較小，這是由于在浸出初期，浸出液與混凝土表面快速建立離子平衡的過程主要受到表面溶解的影響，后期堿性物質主要通過擴散機制進入水體，這與Plecas[25的研究結果一致。

2.5接觸面積對水質的影響

如圖7所示，隨著接觸面積的增大，pH值顯著增大，CA-2的 pH 值在第1天、第14天分別為11.25、10.65，相比CA-1，分別提高了0.1、0.46，堿度分別提高了 53.03.9.66mg/L. 。CA-3的pH值在第1天、第14天分別為11.45、10.79，相比CA-1，分別提高了0.3、0.6，堿度分別提高了87.21、17.09mg/L。

混凝土試件表面的大部分堿性物質多被包裹在已經固化的C-S-H凝膠體中，但仍有部分游離的氧化物和堿性物質，增大接觸面積會使這部分游離的氧化物和堿性物質更容易通過表面沖刷或溶解的方式進入水體。此外，試件與水體的接觸面積越大，意味著提供了更多的孔隙和通道，使水化過程中產生的堿性物質通過擴散進入浸出液中，進而導致pH值升高。Kruskal-Wallis檢驗也表明接觸面積對 pH 值和堿度存在顯著影響（ ?_?ρ 值分別為0.007、0.001）。以上結果說明，增大混凝土與水體接觸面積后，混凝土中的堿性物質更易溶解析出。

3結論

采用靜態和動態試驗分析隧道噴射混凝土浸出物成分特征、影響因素及對水質的影響規律，結論如下：

1）未穩定的混凝土與水接觸時，其中的堿性物質溶出，從而使水體的pH值升高。養護時間 ?，L/S 比、接觸面積對浸出水質均有影響，養護時間大于28d時，耐浸出性能明顯提升， L/S 比高于40：1，對浸出水質的影響變小，接觸面積的增大會增加堿性物質的溶出。

2）混凝土中堿性物質的浸出主要包括表面溶解和擴散兩個過程。表面溶解過程受堿性物質與C-S-H凝膠結合情況和表面積大小的影響，擴散過程主要受混凝土孔隙結構和濃度梯度的影響；浸出初期以表面溶解為主，浸出后期主要受擴散機制的控制。

3）在隧道初支和二襯段，混凝土的噴射時間一般大于28d，此區域的涌水水質基本不受混凝土的影響；隧道掘進段的股狀水，水量大且與噴射混凝土基本無接觸，考慮到隧道施工的現場要求，建議采用具備耐壓性和彎曲性的柔性排水管等方式收集至清水溝排放；隧道掘進段的非股狀水則存在堿性物質超標的風險，應作為污水統一收集處理后排放。

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（編輯胡玲）