隧道衬砌混凝土溶蚀破坏与防治措施

庞佳玮，周莹，李勇泉，穆松，伍洲，刘凯

（1.广东华陆高速公路有限公司，广东 广州 510623；2.高性能土木工程材料国家重点实验室，江苏 南京 210008；3.江苏苏博特新材料股份有限公司，江苏 南京 211103；4.广东省路桥建设发展有限公司，广东 中山 528463）

1 隧道衬砌混凝土溶蚀破坏机理分析

隧道衬砌混凝土在渗漏水的作用下易发生溶蚀破坏。隧道衬砌渗漏水有软水和酸性水，软水即水中化学成分较少，其对隧道衬砌的破坏主要来自于水的溶蚀作用；当水中溶有CO2、SO2等酸性气体时，会形成不同酸度的水，对衬砌混凝土的溶蚀作用更加复杂。当环境水中含有多种微生物成分时，微生物新陈代谢产物也会对衬砌混凝土产生破坏。

1.1 软水溶蚀

环境水中的Ca2+浓度较低，混凝土内部孔溶液中Ca2+浓度相对较高，外界环境与混凝土孔溶液之间Ca2+浓度有很大差异。在浓度梯度的作用下，混凝土孔隙中的Ca2+传输到环境水中，导致孔溶液中的Ca2+溶出。软水溶蚀的本质是扩散，扩散持续，Ca2+会不断流失，进而导致C-S-H凝胶溶解、混凝土碱度降低，使材料性能下降、结构耐久性变差[1]。软水溶蚀的主要作用对象是水泥水化产物Ca（OH）2和C-S-H凝胶，它们先后溶出导致混凝土孔隙率增大、强度下降，从而进一步使其耐久性下降，结构使用寿命缩短。

1.2 化学溶蚀

化学溶蚀的种类通常有硫酸盐、碳酸盐、镁盐和氯盐。环境水中的SO42-与水泥水化产物中的Ca(OH)2发生反应生成石膏，石膏又与水化铝酸钙反应生成钙矾石，随着反应的进行，水化铝酸钙逐渐消耗完全，SO42-继续与Ca(OH)2反应生成石膏，其反应式如式（1）所示。

从上面的反应式可以看出，化学溶蚀的主要作用对象是水泥水化产物Ca（OH）2，破坏的本质是化学反应，腐蚀产物石膏和钙矾石会吸水导致体积膨胀，进一步促进混凝土结构破坏，从而导致结构耐久性能下降。

1.3 生物溶蚀

生物溶蚀通常指水中存在的微生物如硝化细菌、氧化硫杆菌、氧化铁杆菌、去硫弧菌、排硫杆菌等对混凝土结构的侵蚀破坏作用。硝化细菌通过对胺的硝化作用生成硝酸，使混凝土遭受酸腐蚀；嗜酸性氧化硫细菌代谢生成的生物硫酸使混凝土遭受腐蚀；即使在厌氧条件下，厌氧微生物代谢生成的草酸、乙酸等有机酸也会导致混凝土内部C-SH分解，并丧失胶结能力，进一步导致混凝土结构耐久性能下降。

混凝土结构溶蚀主要分为渗透溶蚀和接触溶蚀两种。渗透溶蚀主要是溶蚀过程中受到的水压力较大或不可忽略，并且随着水压力增大，混凝土的渗透性增强，溶蚀液随之增多，渗透主要发生在二衬混凝土结构上，渗透溶蚀中Ca2+的传输方式主要是迁移，在外力作用下发生水化产物水解，破坏结构稳定性。接触溶蚀是指不受水压力或所受水压力可以忽略不计，溶蚀程度和接触面积有关，混凝土与水体的接触面积越大，溶蚀速度越快、程度越深。接触溶蚀主要发生在初衬混凝土结构上，接触溶蚀中Ca2+的传输方式主要是扩散，Ca2+在内外浓度差的作用下发生溶解传输，导致结构破坏。

2 隧道衬砌混凝土溶蚀热力学分析

根据各物质的焓变和熵变计算反应的吉布斯自由能，判断反应能否自发进行[2]。结果发现，常温（25℃）下，水泥基材料中各组分发生水解反应为自发反应，因此有必要通过提升水泥基材料的抗溶蚀性能来延长结构使用寿命。

2.1 Ca（OH）2溶解

Ca（OH）2溶解反应的热力学计算见表1。由表1可知，标准状态下的反应焓变小于0，为放热反应；反应的熵变小于0，为熵减反应；T<667.44 K（即394.29℃）时，ΔrGm小于0，此时反应为自发反应，其反应式如式（2）所示：

表1 Ca(OH)2溶解热力学数据

2.2 C-S-H溶解

C-S-H溶解反应的热力学计算见表2。由表2可知，标准状态下的反应焓变小于0，为放热反应；反应的熵变小于0，为熵减反应；在T<664.87 K（即391.72℃）时，ΔrGm小于0，此时反应为自发反应，其反应式如式（3）所示。

表2 C-S-H溶解热力学数据

2.3 钙矾石溶解

钙矾石溶解反应的热力学计算见表3。由表3可知，标准状态下的反应焓变小于0，为放热反应；反应的熵变大于0，为熵增反应；ΔrGm恒小于0，此反应为自发反应，其反应式如式（4）所示。

表3 钙矾石溶解的力学数据

3 隧道衬砌混凝土溶蚀破坏防治措施

从混凝土配合比优化和化学外加剂两方面考虑，各提升方案中作用原理、优势和劣势以及现有提升程度见表4。从表4可知，这几种方法对提升混凝土抗溶蚀性能均有一定效果，但效果不明显。在实际工程中，推荐混凝土配合比优化和化学外加剂协同作用来提升混凝土的抗溶蚀性能。

表4 隧道衬砌混凝土抗溶蚀措施

4 结论

（1）隧道衬砌混凝土溶蚀破坏机理分为软水溶蚀、化学腐蚀和生物侵蚀三种。

（2）混凝土溶蚀分为渗透溶蚀和接触溶蚀两种，其中渗透溶蚀中Ca2+的传输方式主要是迁移，接触溶蚀中Ca2+的传输方式主要是扩散。

（3）常温条件下，三种水解反应均为自发反应，对混凝土耐久性能产生极大影响，提升混凝土抗溶蚀性能是延长隧道混凝土寿命的必要条件。

（4）可从混凝土配合比优化和化学外加剂两方面来提升隧道衬砌混凝土的抗溶蚀性能。