隧道中混凝土硫酸盐侵蚀机理及对策分析

凌敏

摘要：文章对隧道工程中混凝土硫酸盐侵蚀机理及相应的防治对策进行分析，将隧道中硫酸盐侵蚀类型分为结晶型侵蚀及分解型侵蚀，并结合隧道内混凝土结构，得出隧道喷射混凝土主要为碳硫硅钙石型分解型侵蚀，C-S-H凝胶分解造成结构破坏;针对隧道衬砌，对于初支，主要为结晶型侵蚀，可从材料+配合比+施工三方面进行控制，对于二衬，主要为分解型侵蚀，可通过配置防腐抗渗混凝土从源头及传输两方面遏制碳硫硅钙石的形成，从而确保结构稳定。研究可为隧道工程的施工及运营提供借鉴。

关键词：隧道工程;混凝土硫酸盐;结晶型侵蚀;分解型侵蚀

0 引言

在我国西南地区，由于盆地山系众多，考虑一些综合地理因素，在穿越山岭修建高速公路或干线铁路时，隧道成为施工首选，但由于我国西南地区的特殊性及水文地质条件原因，地下水资源丰富，且水中富含大量硫酸盐及其他有机离子[1]，会与铁路隧道内部的混凝土发生反应并会破坏隧道混凝土主体结构从而严重影响铁路隧道整体结构稳定，给隧道施工及后期隧道运营管理带来很大的麻烦。对于一般公路隧道而言，主要采用初支+二衬方式进行支护，初支即用喷混或喷锚对隧道围岩主体进行锚固加强，确保顺利施工;二衬即涵洞断面是在施工工程结束后，沿线在隧道口及洞身周围用多层钢筋混凝土等基础材料连接修建的一层永久性支护主体结构。初支与二衬的运动强度、刚度对建筑隧道的运动稳定安全性有着至关重要的作用。因此，弄清地下隧道建设工程中钢筋混凝土层对硫酸盐层的防侵蚀和防破坏机理，对隧道灾害预防具有重要意义。

1 侵蚀机理

混凝土受到外部或内部的化学作用，构成水泥石的各种水化物经过反应发生分解，失去作为胶体粘结剂的性能而发生崩落、溃散等，混凝土的这种自然劣化崩落现象又被称为侵蚀。硫酸盐侵蚀过程是一个复杂的物理化学侵蚀过程。其实质上就是地下水中的流体SO2-4水通过流体表面微小的裂缝直接进入固体混凝土中，与存在混凝土结构中的其他水化物分子发生化学反应后产生了钙矾石或者石膏，这些反应产物如果结合了大量的其他水化物分子，并且从结晶体中析出，受到周围其他介质的压力约束或者作用，内部的微裂缝就可能会进一步增大扩展，结构就可能会同时发生较大开裂或者破坏，最终严重影响地下隧道的正常使用。通过长期阅读大量相关文献以及研究数据分析，可以把位于隧道内部的硫酸盐隧道侵蚀主要分为以下两类：结晶型隧道侵蚀及酸性C-S-H酸盐分解型隧道侵蚀。结晶型态的侵蚀又分为物理结晶及化学结晶侵蚀。

1.1 结晶型侵蚀

（1）结晶型物理侵蚀。物理结晶型侵蚀主要指在水泥石中强碱酸性金属盐和硫酸盐杂质溶液遇水浓度过高时结晶析出，体积过大膨胀，破坏水泥内部结构。以Na2SO4为例，反应式为：Na2SO4+10H2O=Na2SO4 ·10H2O，反应后的产物为水中带有物理结晶物和水的硫酸盐类，产生极大的结晶压力，造成表层破碎和结晶裂缝。当钢筋结构一半直接置于水溶盐液，另一半直接置于干燥高温空气中时，盐溶液在毛细抽吸作用下迅速上升至液相水平线以上迅速蒸发，致使盐溶液迅速浓缩，更易直接引起钢筋混凝土结构破坏。

（2）具有化学活性结晶型侵蚀。以Na2SO4为例，反应式为：

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

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

从化学反应式上可以看出，钙化铝矾石晶体结合了32个针状结晶体和水，体积变为原来的2.5倍。又由于它们是呈圆形针状生长的晶体，在固体多相晶体表面上呈放射状向晶体四方延伸生长，受到周围固体介质的应力约束时会产生晶体膨胀时的内应力，生成为方形针状或者薄片状甚至全部呈弹性胶凝状，这类液相晶体对水吸附力强，产生很大的膨胀吸水力和肿胀耦合作用，形成极大的吸水膨胀和内应力。因此，合理正确控制液相晶体碱度含量是控制碳酸钙和铝矾石晶体结晶不受侵蚀的重要有效途径之一。这类建筑破坏的主要特点之一是钢筋混凝土基体表面可能有少数较粗大的圆形裂缝。当结晶溶液的硫酸根离子的浓度均值>1 000 mg/L时，还可能会发现有大量石膏状的结晶溶液析出。反应离子式为：

Ca（OH）2+Na2SO4→Ca2++SO2-4+Na++OH-

Ca2++SO2-4+2H2O→CaSO4+2H2O

从上述钙化铝矾石与水结晶的化学反应式中可以明显看出，当试件SO2-4石膏浓度达到<1 000 mg/L时，仅有氯化钙和镁矾石同时结晶才能析出;当试件SO2-4石膏浓度逐渐提高时，钙矾石与其他石膏石开始同时结晶析出，只是对于石膏浓度侵蚀起到了从属主导作用;当试件SO2-4石膏浓度达到足够大时，石膏浓度侵蚀剂就起到了主导作用[2-4]。干湿交替混合作用状态下，石膏液对水的连续侵蚀也同样对其起到了重要主导作用，因为侵蚀石膏液与水中大分子的连续蒸发间接混合作用大大增加了侵蚀石膏水的SO2-4浓度，使得石膏表层中的石膏大量的水分析出[2]。

1.2 C-S-H分解型侵蚀

（1）Mg2+侵蚀。在所有的强侵蚀性介质溶液中，MgSO4溶液侵蚀是对钢筋混凝土结构侵蚀最严重的一类，因为它会被含Mg2+和含SO2-4的双重物质侵蚀。其化学反应式为：

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

反应之后生成的石膏钙矾石与其他石膏石会产生粘结膨胀时的内应力，同时通过反应将C和CH離子分解生成为C和MH，降低了石膏水泥石的粘结碱度，造成水泥混凝土粘结强度巨大损失，将它的混凝土强度变成完全几乎没有任何粘结膨胀性能的白色糊状物。

（2）碳硫硅钙石型侵蚀。这种产物由两种途径转化而来。一是混凝土中的水泥水化产物中有C-S-H凝胶和Ca（OH）2，生产水泥时需掺入一定量的石膏，在硫酸盐环境下，水泥石中的Ca2+还可能和环境中的SO2-4反应生成CaSO4，在水泥石中掺入一定量的石灰石“填料”，在一定条件下发生如下反应：

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

生成的Ca（OH）2又可与空气中的CO2和水发生碳化生成CaCO3，CaCO3与H2O再与前一层次的反应，如此循环，不断消耗C-S-H凝胶和Ca（OH）2，生成碳硫硅钙石，破坏混凝土结构。 第二种为硅钙矾石生成碳硫硅钙石，化学式为：

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轉换而成，还是硅钙石转化而成，共同结果都是造成C-S-H的分解致使强度损失[5]。

2 对策分析

在了解了常见的各种硫酸盐侵蚀机理后，可以看出在隧道工程中，硫酸盐侵蚀破坏对于隧道的安全稳定有着很大的影响。因此，对于如何防治此类侵蚀，相关的研究至关重要。对于隧道中的混凝土，从施工顺序来讲可分为“初支+二衬”，由于施工工法、时间、材料选取等方面的差异，侵蚀类型可能会有差异，对应采取的措施也应有所差异。

2.1 初支

对于混凝土隧道初期开挖，普遍建议采用传统的喷混或喷锚方法进行支护。对于大型喷射硅钙石混凝土，根据大量相关文献的阅读及数据分析结果研究，喷射硅钙石型混凝土腐蚀后的产物中可能含有大量的碳硫硅钙石，同时可能存在石膏和碳硫钙矾石，判定主要为碳硫硅钙石型的侵蚀。此类硅钙石型侵蚀主要是使喷射C-S-H凝土的橡胶结构失去了胶凝的能力，最终直接影响喷射混凝土结构的安全稳定。因此针对近期出现的硅钙石型侵蚀破坏，考虑从以下几个主要的方面改进，提高喷射硅钙石型混凝土的抗碳硫硅钙石型侵蚀。

（1）严选掺合材料。在硅酸盐水泥掺合料方面，选用Ca含量低的普通硅酸盐水泥，并可以考虑在材料中加入适量的粉煤灰等有机矿物质作为掺合料取代部分硅酸盐水泥。在石质骨料严选方面，尽量减少在骨料中使用含有石灰石质的骨料，并严格禁止在骨料中掺杂添加过量的石灰石粉，从源头上有效地抑制了碳硫硅钙石的形成。在速凝剂方面，可考虑采用无碱速凝剂，避免喷射无碱混凝土后期对强度的损失。

（2）优化配合比。配合比的结构设计原则要从倾向于高强度结构设计的原则转而倾向于耐久性结构设计的原则。在能够保证混凝土结构强度的同时，还要保证具有一定的混凝土耐久性、适用性。在满足耐久性混凝土配合比可连续喷射的前提下，可以考虑采用较低强度水平的凝胶比，改善和提高混凝土抗侵蚀的能力。

（3）控制混凝土施工的质量。精确地控制混凝土施工的质量主要从如何提高喷射混凝土表层结构的喷射密实性角度出发。在混凝土喷射时，喷射的角度尽量保持控制在90°，可以有效减少动能的损失，提高喷射混凝土的密实性。同时，精确地控制喷射速凝剂的使用量，杜绝漏喷、少喷。同时要在喷射速凝剂成型后及时对混凝土进行有效的养护，避免水分在空气中散失过快，从而致使喷射混凝土的表层结构出现疏松、开裂[6-8]。

2.2 二衬

对于二衬，混凝土的侵蚀成因和破坏的类型因其位置不同而不同。在混凝土衬砌表层和内部发生侵蚀和开裂的硅钙石型混凝土中主要以碳酸钙矾石和石膏型混凝土为主。而在衬砌与地面交接处的混凝土表层呈“糊状”，可知为一种碳氢化硫硅钙石型混凝土结晶侵蚀破坏。究其侵蚀成因，在衬砌的表面，局部处会残留有大量含SO2-4的混凝土地下水，通过混凝土的裂缝进入混凝土结构内部，由于结构隧道内部的湿度较小，致使局部混凝土衬砌表层干燥而内部湿润，水分浓度梯度加速了混凝土地下水从结构隧道外向内部的流动迁移。由于硫酸盐蒸发的作用使得水分损失，硫酸盐得以充分浓缩在混凝土衬砌表层的孔隙中，当硫酸盐浓度达到一定程度时，衬砌混凝土的表层即开始发生硫酸盐的腐蚀。而在混凝土衬砌底部与混凝土地面的交接处，在这个特殊的位置，地下水与隧道内的衬砌骨料和混凝土充分发生了接触，加上混凝土骨料与碳硫硅石粉中分别含有大量的橡胶和碳酸盐，与混凝土发生反应失去胶结能力。针对二次水衬混凝土，可通过采用以下的方式措施来有效提高衬砌混凝土表层抵抗雨水侵蚀的能力。

（1）对衬砌表层混凝土，接触侵蚀环境及结构自身存在缺陷是混凝土发生侵蚀的两个前提条件。前者可以通过在混凝土与地下水接触处铺防渗材料，后者可通过提高混凝土强度进而提高混凝土密实性，减少SO2-4的渗入及流通，保护混凝土内部水化物的稳定不发生反应，并辅助以优选材料、掺矿物掺合料、加强养护等其他措施。

（2）对衬砌与地面交接处混凝土，此处含有生成碳硫硅钙石的所有原料，因此，对于此处可采用配置防腐抗渗混凝土，加涂装抗渗材料，抑制碳硫硅钙石的产生，阻止其向混凝土结构内部扩散。配置防腐抗渗混凝土时，可掺用丙烯酸乳液及紧缩骨料粒径分布的措施来提高混凝土的抗干缩性，进而提高混凝土的抗侵蚀性[9-12]。

3 结语

（1）隧道工程中常见硫酸盐侵蚀有结晶型侵蚀及分解型侵蚀。前者主要是由于物理溶析或化学反应析出硫酸盐结晶，在结构内部受到约束，产生膨胀内应力而破坏;后者主要是因为水泥石中的C-S-H凝胶被置换分解失去胶凝作用而破坏。

（2）对于不同的侵蚀程度和结果，应“对症下药”。对于隧道衬砌喷射混凝土的主要腐蚀产物，由于含较多的钙矾石和石膏，可以从其选材、配合比、施工用料质量等来整体有效提高其抗硫酸盐的侵蚀性;对于二衬砌的表层混凝土因特殊环境条件等原因而产生的结晶型抗硫酸盐侵蚀，按照与混凝土侵蚀环境的隔离及有效提升自身混凝土强度两个基本原则的应用来有效提高其抗硫酸盐侵蚀性。对于衬砌与混凝土地面的交接处，可以考虑采用配置防腐抗渗材料的混凝土，从其源头及材料传输两个环节方面，整体有效提高混凝土结构的抗硫酸盐侵蚀性。

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