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(fā)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(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(huán)境水中含有多種微生物成分時，微生物新陳代謝產(chǎn)物也會對襯砌混凝土產(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，導致孔溶液中的Ca2+溶出。軟水溶蝕的本質(zhì)是擴散，擴散持續(xù)，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(chǎn)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(huán)境水中的SO42-與水泥水化產(chǎn)物中的Ca(OH)2發(fā)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(xù)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(chǎn)物Ca（OH）2，破壞的本質(zhì)是化學反應，腐蝕產(chǎn)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(nèi)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(fā)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(fā)生水化產(chǎn)物水解，破壞結構穩(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，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(fā)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(nèi)外濃度差的作用下發(fā)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(jù)各物質(zhì)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(fā)進行[2]。結果發(fā)現(xiàn)，常溫（25℃）下，水泥基材料中各組分發(fā)生水解反應為自發(fā)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(tài)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(fā)反應，其反應式如式（2）所示：

表1 Ca(OH)2溶解熱力學數(shù)據(jù)

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(tài)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(fā)反應，其反應式如式（3）所示。

表2 C-S-H溶解熱力學數(shù)據(jù)

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(tài)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(fā)反應，其反應式如式（4）所示。

表3 鈣礬石溶解的力學數(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)化和化學外加劑兩方面考慮，各提升方案中作用原理、優(yōu)勢和劣勢以及現(xiàn)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(yōu)化和化學外加劑協(xié)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(fā)反應，對混凝土耐久性能產(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)化和化學外加劑兩方面來提升隧道襯砌混凝土的抗溶蝕性能。