摘要：文章提出利用阻垢劑預防或減少隧道排水系統(tǒng)結(jié)晶病害這一思路。首先，通過文獻調(diào)研了目前阻垢劑的研究進展，總結(jié)了常見的阻垢劑種類，并對未來阻垢劑的發(fā)展方向進行了深度剖析；隨后，將目前普遍認為的阻垢劑阻垢機理歸納為：螯合作用、晶格畸變作用、分散作用、再生?自解脫膜假說、閾值作用；最后，介紹了隧道排水系統(tǒng)結(jié)晶堵塞病害的形成過程及特點，分析了阻垢劑在隧道排水系統(tǒng)中的應用難點，為下一步阻垢劑的應用提供基礎。

關鍵詞：隧道工程；排水系統(tǒng)；結(jié)晶堵塞；阻垢劑

中圖分類號：U457.6""""""""""""""""""""""""""""""" 文獻標識碼：A"""""""""""""""""""""""""""""""""" 文章編號：1673?6478（2023）03-0195-05

Research Progress of Scale Inhibitor and Its Application Prospect in Tunnel Engineering

WANG Qinglong， CHA Zengyun， HE Yunbin， LUO Chang， WU Dongyang

（Yunnan Laman Expressway Co.， Ltd.， Xishuangbanna Yunnan 666300， China）

Abstract： This paper puts forward the idea of using scale inhibitors to prevent or reduce the crystallization disease of tunnel drainage system. Firstly， the current research progress of scale inhibitors was investigated through literature research， the common types of scale inhibitors were summarized， and the future development direction of scale inhibitors was deeply analyzed. Subsequently， the scale inhibition mechanism of scale inhibitors generally considered at present is summarized as follows： chelation， lattice distortion， dispersion， regeneration?self?release membrane hypothesis， threshold effect. Finally， the process and characteristics of crystallization blockage in tunnel drainage system are briefly introduced， and the application difficulties of scale inhibitors in tunnel drainage system are analyzed， which provides a basis for the application of scale inhibitors in the next step.

Key words： tunnel engineering; drainage system; crystallization blockage; scale inhibitor

0 引言

目前，我國公路隧道的建設如火如荼。隨著隧道建設難度的不斷增大、服役時間的不斷累積，大量的隧道不可避免地面臨著各式各樣的病害問題[1?2]。在公路隧道蓬勃發(fā)展的同時，隧道排水系統(tǒng)結(jié)晶堵塞病害也逐漸進入人們的視野，引起了業(yè)界和學者們的廣泛關注[3?5]。隧道排水系統(tǒng)結(jié)晶堵塞病害形成原因多、危害性大，不僅會影響隧道整體排水能力，還會威脅襯砌結(jié)構安全。

由于隧道排水系統(tǒng)結(jié)晶堵塞病害的隱蔽性，當前對其研究還較少。田崇明等[6]以南臘隧道為調(diào)研對象，深刻地闡述了隧道排水系統(tǒng)結(jié)晶堵塞機理及主要影響因素，并在此基礎上提出了有效的工程防治建議。葉飛等[7]通過室內(nèi)大型模型試驗再現(xiàn)了隧道排水管結(jié)晶堵塞現(xiàn)象，并研究了地下水質(zhì)和速凝劑摻量對結(jié)晶病害的影響程度。然而，受隧道環(huán)境的復雜性和排水系統(tǒng)的隱蔽性影響，目前還難以提出有效的防治措施。治理方面，詹樹高等[8]針對巖溶隧道排水管結(jié)晶堵塞病害，提出利用超聲波聯(lián)合有機酸技術治理結(jié)晶堵塞這一治理方法，并在室內(nèi)階段取得了初步成效；蔣雅君等[9]采用氣水脈沖結(jié)合化學清洗技術對環(huán)向排水盲管進行疏通，結(jié)果表明其具有良好的溶解清除效果。預防方面，葉飛等[10]提出可以通過優(yōu)化隧道噴射混凝土配合比減少鈣溶蝕程度，從而從源頭上預防結(jié)晶病害；陳昱池等[11]基于磁處理法開展了室內(nèi)防結(jié)晶實驗，并成功將其應用于實際隧道之中，結(jié)果表明磁場強度、間距及流量對防結(jié)晶效果影響較大。

在水處理、石油等領域，為了防止結(jié)垢，通常會在管道中投放阻垢劑[12?13]。部分學者提出可將此方法沿襲至隧道排水系統(tǒng)結(jié)晶病害。故本文基于大量調(diào)研，主要介紹了目前常見的阻垢劑種類、阻垢劑未來發(fā)展方向、阻垢劑阻垢機理，結(jié)合隧道排水系統(tǒng)結(jié)晶病害特點及隧道工程特性，提出阻垢劑應用的難點，以期為下一步阻垢劑的應用提供一定的參考。

1 阻垢劑研究進展

1.1 阻垢劑簡介

阻垢劑是一類可以阻止或干擾難溶性無機鹽結(jié)垢過程的化學藥劑，使用方法簡單，阻垢效果好，可直接添加至阻垢對象，目前被廣泛應用于水處理、石油運輸?shù)阮I域[14?15]。

目前，阻垢劑已發(fā)展多年，各種類型的阻垢劑層出不窮，主要分為以下幾類[16?19]：

（１）天然聚合物阻垢劑

最早，人們發(fā)現(xiàn)一些天然的高分子物質(zhì)如纖維素、木質(zhì)素、單寧、腐殖酸鈉、淀粉等可以抑制難溶性鈣鹽、鎂鹽的產(chǎn)生，因此這類天然聚合物被首先應用于阻垢領域。盡管它們來源廣泛，可從自然界中大量獲取，但其性能不夠穩(wěn)定，且需大量投放，費用較高，目前已很少使用。

（２）含磷聚合物阻垢劑

含磷聚合物阻垢劑可分為兩大類：①有機多元磷酸及其鹽類，如羥基乙叉二磷酸（HEDP）、乙二胺四甲叉磷酸（EDTMP）、多氨基多醚基甲叉磷酸等，其螯合能力較強，應用范圍廣泛，但容易形成磷酸垢，加重結(jié)垢程度；②無機聚磷酸鹽類，如焦磷酸鈉、三聚磷酸鈉、六偏磷酸鈉等，其可與多種結(jié)垢陽離子結(jié)合，但易水解。此外，含磷類阻垢劑有可能會造成水體富營養(yǎng)化，為藻類繁殖提供有利條件。

（３）共聚物阻垢劑

共聚物阻垢劑是以含有不同官能團的單體為原材料，通過不同的聚合條件，從而生成的具有阻垢效果的二元或多元共聚物。常見的共聚物阻垢劑主要有丙烯酸類共聚物、磺酸類共聚物、馬來酸酐類共聚物等，其活性高、毒性小、成本低，但一般生物可降解性較差。

（４）綠色型阻垢劑

隨著環(huán)境污染的愈加嚴重，人們的環(huán)保意識也在不斷增強，近些年來綠色型阻垢劑逐漸進入大眾視野之內(nèi)。目前綠色型阻垢劑主要有三大類：聚環(huán)氧琥珀酸、聚天冬氨酸和谷氨酸。這類阻垢劑無磷、無氮，具有良好的生物降解性，對環(huán)境危害較小。

1.2 阻垢劑的未來發(fā)展方向

隨著阻垢劑應用領域的不斷擴展、應用條件的愈加復雜、市場需求的不斷更新，阻垢劑的發(fā)展也面臨著越來越多的挑戰(zhàn)，目前學者們的研究主要集中于以下幾個方面：

（１）綠色型阻垢劑

越來越多的環(huán)境問題和排放限制已經(jīng)引導著阻垢劑向綠色環(huán)保、無毒性、可降解性方向發(fā)展。國內(nèi)外眾多學者對此展開了大量的研究，取得了一系列成果，相信未來將研制出更加綠色、效率更高、成本更低的阻垢劑。

（２）復配型阻垢劑

由于每種阻垢劑對于各類垢體的抑制程度不同，且其發(fā)揮作用機理也不盡相同，故學者們將合適的阻垢劑進行一定比例的復配，即可得到阻垢效果更佳、應用范圍更廣的復配型阻垢劑。盡管已經(jīng)開展了大量的此類研究，但對各阻垢劑間的復配比例、協(xié)同阻垢機理等還未有深刻認識。

（３）阻垢劑的改性

許多學者通過引入新的官能團，對已有的阻垢劑進行改性，以增強其阻垢效果，已形成了一系列的阻垢劑衍生物。但如何優(yōu)化改性方法、確保改性效果等還有待進一步的深入研究。

（４）阻垢劑阻垢機理的探究

關于阻垢劑的阻垢機理，還停留在過去傳統(tǒng)的相關理論階段，但隨著科技的不斷發(fā)展，人們可以通過量化模擬計算和精細微觀測試等手段，從分子層面對各類阻垢劑的阻垢機理進行更加深入的探究，以更好地為阻垢劑的研發(fā)及應用提供理論基礎。

2 阻垢劑阻垢機理

阻垢劑的阻垢機理一般由其化學特性所決定。目前人們普遍認可的阻垢機理包含螯合作用、晶格畸變作用、分散作用、再生?自解脫膜假說和閾值作用[20?22]，如圖1所示。

2.1 螯合作用

阻垢劑中有效官能團，如羥基、羧基等可通過螯合作用與溶液中的結(jié)垢陽離子（Ca2+、Mg2+等）部分結(jié)合，構成配位鍵，形成易溶于水且穩(wěn)定的螯合物，從而阻止結(jié)垢陰陽離子的相互結(jié)合，減少垢體的生成，如圖2所示。此外，部分阻垢劑還可與碳酸鈣晶體中的Ca2+發(fā)生反應，從而改變晶體的排列順序，抑制垢體的生成。然而，由于這種作用以化學計量消耗，故其抑制水垢形成的成本較高。

2.2 晶格畸變作用

晶格畸變作用一般指通過干擾礦物或礦石的晶體生長過程以防止垢體的產(chǎn)生。晶體的生長過程一般分為晶體成核、晶體生長、團聚或聚集。大量研究表明，阻垢劑可以干預成核過程的發(fā)展，阻礙晶核的生成。此外，晶體生長過程中，陰陽離子將會按照一定的方向進行生長，當溶液中含有阻垢劑時，阻垢劑將會黏附至晶格點陣或晶體界面上，導致晶格不規(guī)整或變形，使晶體形態(tài)發(fā)生畸變，阻止晶體的進一步生長變大。由于晶格的畸變，晶體內(nèi)部往往還會出現(xiàn)夾層或空洞，這將有利于垢體的剝離。

2.3 分散作用

部分阻垢劑溶于水后會電離出陰離子，其會吸附于溶液中的微晶體，導致微晶體表面存在帶負電的雙電層，故各微晶體將由于同種電荷相斥作用，相互碰撞聚集概率會大大降低，最終懸浮于溶液中。此外，阻垢劑懸浮鏈上會吸附大量的微晶體，這些微晶體彼此間也會產(chǎn)生靜電斥力，避免形成更大的晶體。

2.4 再生?自解脫膜假說

有的學者認為聚丙烯酸類等阻垢劑可與晶體微粒在物體表面共同形成一層膜，當這層膜超過一定厚度后，便會破裂，部分垢體將會被水流帶走。膜不斷生成、破裂的過程，將會極大地限制垢層的生長。

2.5 閾值作用

閾值效應也稱“低劑量作用”，由于阻垢劑所含有的有效陰離子與結(jié)垢陽離子并不是嚴格按照化學計量比進行的，以阻止同樣結(jié)晶量為例，所需阻垢劑的量遠低于所需螯合劑的量。具體來說，一般少量的阻垢劑便可阻止大量垢體的生成。這將極大地便于操作、控制成本。

3 阻垢劑在隧道排水系統(tǒng)中的應用展望

近些年來，由于隧道排水系統(tǒng)結(jié)晶堵塞病害的日益嚴重，眾多學者提出可以將阻垢劑應用于隧道排水系統(tǒng)之中，以預防結(jié)晶堵塞病害或減輕結(jié)晶堵塞程度。盡管阻垢劑被廣泛應用于各種領域，但目前還未在隧道排水系統(tǒng)中正式應用。因此，本節(jié)從以下幾點對阻垢劑在隧道排水系統(tǒng)中的適用性進行分析。

3.1 排水系統(tǒng)結(jié)晶堵塞病害簡介

隧道排水系統(tǒng)結(jié)晶堵塞病害是指混凝土內(nèi)部易溶固相化合物（如氫氧化鈣、水化硅酸鈣等）在地下水的作用下逐漸溶解析出，并隨地下水的流動從混凝土內(nèi)部流出，發(fā)生一系列物理化學反應，最終形成結(jié)晶物，具體表現(xiàn)為排水系統(tǒng)中出現(xiàn)的大量白色結(jié)晶堵塞物。隨著結(jié)晶淤積物的不斷積聚，排水系統(tǒng)的功能將逐漸喪失并最終癱瘓，進而導致隧道襯砌背后水壓力增大，引發(fā)襯砌脹裂等次生病害。近些年來，國內(nèi)外大量的隧道都出現(xiàn)了這一病害，已引起了學者們的廣泛關注。

隧道排水系統(tǒng)通常由環(huán)向排水管、縱向排水管、橫向排水管、排水側(cè)溝、中央排水溝等組成，且大都位于隱蔽位置。環(huán)向、縱向排水管處于隧道二襯外側(cè)，橫向排水管、中央排水溝位于路面下方，排水側(cè)溝則位于路面兩側(cè)，如圖4（a）所示。

通過前期大量調(diào)研及分析，學者們發(fā)現(xiàn)結(jié)晶堵塞物的主要成分是CaCO3，可將隧道排水系統(tǒng)結(jié)晶堵塞分為3個過程。

過程1：隧道周圍地下水對初支噴射混凝土的侵蝕過程，如圖4（b）、（c）所示。隧道周圍地下水對初支噴射混凝土的侵蝕作用主要分為溶出性侵蝕和溶解性侵蝕。溶出性侵蝕指隧道周圍地下水將噴射混凝土中鈣化物逐漸溶解并轉(zhuǎn)移至周圍水中；溶解性侵蝕則為隧道周圍地下水中的侵蝕性離子直接與噴射混凝土中鈣化物發(fā)生化學反應，不斷促進混凝土的正向溶解，導致地下水中富含大量鈣離子，最終進入排水系統(tǒng)中。兩種侵蝕作用相輔相成、互相促進，極大地加速了混凝土中鈣化物的流失，為排水系統(tǒng)結(jié)晶堵塞提供必要條件。

過程2：排水系統(tǒng)中溶液的析晶過程，如圖4（d）、（e）所示。由于排水系統(tǒng)溶液中含有大量的鈣離子與碳酸根或碳酸氫根離子，這將導致碳酸鈣的離子積遠遠大于其溶度積，故大量的碳酸鈣晶體將會析出。

過程3：結(jié)晶堵塞物的碰撞聚集，如圖4（d）、（e）所示。排水系統(tǒng)溶液中析出的大量碳酸鈣晶體相互碰撞聚集，逐漸形成大塊結(jié)晶體堵塞排水系統(tǒng)。

目前，針對這一病害的形成過程及機理已有了一定的認識，現(xiàn)有技術的治理措施主要通過集中清理排水管堵塞體等物理手段，該措施耗時長且治標不治本，還未從根本上解決該問題。

3.2 阻垢劑應用的難點

（１）阻垢劑種類和劑量的選取。投放阻垢劑時，應根據(jù)排水系統(tǒng)溶液硬度、成垢陰陽離子濃度、pH值等溶液特性和排水系統(tǒng)所處溫度、CO2分壓等環(huán)境因素綜合考慮，選取合適的阻垢劑種類和劑量，從而發(fā)揮其最大阻垢效果。

（２）專制投放裝置的研制。由于隧道排水系統(tǒng)的隱蔽性和特有的工程特點，需要針對不同排水設施專門研制各種各樣的阻垢劑投放裝置，從而形成一整套投放系統(tǒng)。運營隧道的環(huán)向排水管較難對其進行投放阻垢劑操作，其余排水設施皆有一定富余空間（如檢查井）以投放阻垢劑。這在理論上是可行的。

（３）可控投放時機的研究。排水系統(tǒng)中溶液特性也是影響結(jié)垢的重要因素，一般由隧道周圍地下水、隧道噴射混凝土共同決定。此外，隧道排水系統(tǒng)溶液特性將會隨四季更替、雨雪變化等出現(xiàn)較大波動。因此，不同季節(jié)、不同天氣、不同區(qū)段排水系統(tǒng)中流量、流速、成垢陰陽離子、pH值等均存在較大差異。這時則需要一動態(tài)控制系統(tǒng)調(diào)整阻垢劑投放時機以發(fā)揮阻垢劑最大能效，確保整體阻垢效果。

（４）維護成本的控制。由于隧道排水系統(tǒng)的不循環(huán)性，且面臨長期的流動水環(huán)境，阻垢劑需要源源不斷地投放，這將消耗大量的阻垢劑，后期維護成本將較高。

（５）周圍生態(tài)環(huán)境的保護。需特別注意，在確保有效的基礎上，必須選擇綠色環(huán)保型阻垢劑，盡量避免對當?shù)厮w環(huán)境的污染。

4 結(jié)語

本文從預防隧道排水系統(tǒng)結(jié)晶病害角度出發(fā)，歸納總結(jié)了阻垢劑的研究進展及其阻垢機理，結(jié)合結(jié)晶病害特點分析了阻垢劑應用過程中存在的難點，具體結(jié)論如下：

（１）阻垢劑阻垢機理可簡單歸納為：螯合作用、晶格畸變作用、分散作用、再生?自解脫膜假說及閾值作用。

（２）隧道應用阻垢劑時，在確保有效的基礎上，必須選擇綠色環(huán)保型阻垢劑，以減少對環(huán)境的污染。

（３）阻垢劑在隧道中的應用還存在諸多難點，如阻垢劑種類和劑量的選擇、投放裝置的研制、投放時機的研究、維護成本、環(huán)境保護等都需要眾多學者們的進一步深入探究。

（４）由于隧道排水系統(tǒng)的隱蔽性，開發(fā)適合隧道的緩釋型阻垢劑或?qū)⒊蔀槲磥淼难芯繜狳c。

參考文獻：

1. 《中國公路學報》編輯部. 中國交通隧道工程學術研究綜述2022[J]. 中國公路學報， 2022， 35（4）： 1?40.
2. 劉德軍， 仲飛， 黃宏偉， 等.運營隧道襯砌病害診治的現(xiàn)狀與發(fā)展[J]. 中國公路學報， 2021， 34（11）： 178?199.
3. Rinder T， Dietzel M， Leis A. Calcium carbonate scaling under alkaline conditions–case studies and hydrochemical modelling[J]. Applied Geochemistry， 2013， 35： 132?141.
4. Chen Y， Cui Y， Barrett A G， et al. Investigation of calcite precipitation in the drainage system of railway tunnels[J]. Tunnelling and Underground Space Technology， 2019， 84： 45?55.
5. 葉飛， 田崇明， 趙猛， 等. 云南某在建隧道排水管結(jié)晶堵塞病害初步探析[J]. 土木工程學報， 2020， 53（S1）： 336?341.
6. 田崇明， 葉飛， 宋桂鋒， 等. 隧道排水系統(tǒng)結(jié)晶堵塞機理及防治措施初探[J]. 現(xiàn)代隧道技術， 2020， 57（5）： 66?76+83.
7. 葉飛， 田崇明， 何彪， 等. 在建隧道排水系統(tǒng)結(jié)晶堵塞試驗[J]. 中國公路學報， 2021， 34（3）： 159?170.
8. 詹樹高， 鐘祖良， 陳宇波， 等. 巖溶隧道排水管結(jié)晶堵塞機理及疏通試驗研究[J]. 地下空間與工程學報， 2021， 17（S2）： 717?721.
9. 蔣雅君， 杜坤， 魏晨茜， 等. 鐵路隧道排水盲管結(jié)晶沉積疏通清洗技術[J]. 隧道與軌道交通， 2020（4）： 9?13.
10. 葉飛， 王堅， 田崇明， 等. 預防隧道排水系統(tǒng)結(jié)晶病害的噴射混凝土配合比優(yōu)化試驗研究[J]. 中南大學學報 （自然科學版） ， 2021， 52（5）： 1634?1643.
11. 陳昱池， 陳相閣， 張學富， 等. 基于磁處理法的隧道永磁體排水管防結(jié)晶試驗[J]. 隧道建設 （中英文）， 2022， 42（12）： 2105.
12. 王洋洋， 劉慶旺， 范振忠， 等. 超支化聚合物的合成及其應用于油田阻垢的研究進展[J]. 石油學報 （石油加工）， 2023， 39（2）： 465?476.
13. 汪文， 崔建國， 張峰， 等. 礦井水用于電廠循環(huán)冷卻的阻垢劑優(yōu)選研究[J]. 現(xiàn)代化工， 2022， 42（S2）： 205?207+212.
14. BinMerdhah A B. Inhibition of calcium sulfate and strontium sulfate scale in waterflood[J]. SPE Production amp; Operations， 2010， 25（4）： 545?552.
15. Jordan M M， Williams H， Linares?Samaniego S， et al. New insights on the impact of high temperature conditions （176℃） on carbonate and sulphate scale dissolver performance[C]//SPE International Oilfield Scale Conference and Exhibition. OnePetro， 2014.
16. 柳鑫華， 張懷芳， 劉越， 等. 阻垢劑阻垢性能及阻垢機理的研究進展[J]. 材料保護， 2021， 54（8）： 150?157.
17. 王文波， 陳國力， 王雅珍. 聚合物類阻垢劑的最新研究進展[J]. 應用化工， 2018， 47（5）： 1007?1010.
18. 陳依漪. 生物可降解的聚醚水處理劑的合成及性能研究[D]. 南京： 東南大學， 2019.
19. 劉展， 閆美芳， 李娜， 等. 環(huán)保型阻垢劑對碳酸鈣結(jié)晶過程的影響[J]. 應用化工， 2023， 52（2）： 476?479+484.
20. 竇孟然， 高嵩. 無磷有機阻垢劑的性能和作用機理[J]. 石油煉制與化工， 2020， 51（5）： 105?109.
21. 王玉江， 方洪波， 姚明修. 碳酸鈣阻垢劑研究進展及阻垢作用機理[J]. 應用化工， 2021， 50（12）： 3430?3435.
22. 趙彥， 章立新， 高明， 等. 循環(huán)冷卻水系統(tǒng)除碳酸鈣污垢的研究進展[J]. 精細化工， 2020， 37（12）： 2447?2456.
23. Kumar S， Naiya T K， Kumar T. Developments in oilfield scale handling towards green technology?A review[J]. Journal of Petroleum Science and Engineering， 2018， 169： 428?444.
24. Ye F， He B， Tian C， et al. Influence of sodium aluminate on calcium leaching of shotcrete in tunnels[J]. Tunnelling and Underground Space Technology， 2021， 117： 104156.
25. Romer M， Holzer L， Pfiffner M. Swiss tunnel structures： concrete damage by formation of thaumasite[J]. Cement and Concrete Composites， 2003， 25（8）： 1111?1117.