西南某隧道襯砌混凝土中的硫酸鹽腐蝕破壞分析及對策

姜　騫， 石　亮， 劉建忠， 穆　松

(1. 江蘇蘇博特新材料股份有限公司， 江蘇 南京　211103；2. 高性能土木工程材料國家重點實驗室， 江蘇 南京　210008)

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西南某隧道襯砌混凝土中的硫酸鹽腐蝕破壞分析及對策

姜騫1,2， 石亮1,2， 劉建忠1,2， 穆松1,2

(1. 江蘇蘇博特新材料股份有限公司， 江蘇 南京211103；2. 高性能土木工程材料國家重點實驗室， 江蘇 南京210008)

為掌握實際服役條件下隧道結構襯砌混凝土的硫酸鹽腐蝕劣化特征與機制，通過對西南某隧道襯砌混凝土樣品的力學、耐久性能測試以及微觀分析，發現該隧道混凝土所遭受的腐蝕破壞由硫酸鹽侵蝕造成，且腐蝕破壞程度嚴重。腐蝕產物類型與混凝土所處位置相關，在襯砌表層和開裂、剝落的混凝土中腐蝕產物主要以鈣礬石和石膏為主，在襯砌與地面交接處的糊狀混凝土中則以碳硫硅鈣石為主。分析結果表明：混凝土自身密實性不足和其使用大量石灰石原料是出現嚴重腐蝕破壞的主要原因。建議從混凝土原材料組成優選、配合比設計、施工養護和表層防護等多方面來提高隧道襯砌混凝土抗硫酸鹽侵蝕破壞能力。

隧道； 襯砌混凝土； 硫酸鹽腐蝕

0　引言

伴隨著西部大開發和“一帶一路”建設國家戰略的推進落實，我國將繼續加大西部十二省份公路、鐵路等基礎設施的建設，而基礎設施建設中隧道所占比重越來越大，如何解決新建隧道結構的耐久性問題，已經成為諸多專家和學者研究的重要課題。我國西部，尤其是西南地區山脈綿延，公路、鐵路隧道眾多，經調研發現，該地區大量隧道混凝土結構常處于含有硫酸鹽的土壤或地下水中[1]，易出現混凝土劣化、開裂等病害，給隧道長期服役和行車安全構成嚴重威脅[2]。三叉嶺隧道[3]、烏鞘嶺隧道[4]、六盤山隧道[5]、十字埡隧道[6]、杭蘭線宜巴段隧道[7]和金雞關隧道[8]等工程均處于典型的硫酸鹽侵蝕環境中，部分工程甚至已經出現了嚴重的硫酸鹽腐蝕破壞[5-8]。

通常，隧道工程的硫酸鹽腐蝕破壞包括物理結晶侵蝕作用和化學侵蝕作用2類，其中化學侵蝕作用又包含鈣礬石型、石膏型和碳硫硅鈣石型腐蝕破壞[1]。按作用機制還可將硫酸鹽侵蝕類型分為膨脹型和腐蝕型，其中膨脹型破壞腐蝕已被廣為人知，在工程中已有足夠的預防措施，通常采用抗硫酸鹽水泥、控制水灰比等措施，并且使混凝土密實成型，就可以有效防止膨脹型腐蝕的發生[9]。然而，事實已證明，碳硫硅鈣石與鈣礬石在結構和XRD(X-ray Diffraction，即X射線衍射)圖譜上非常接近，在實際工程中很容易將碳硫硅鈣石型侵蝕誤認為是鈣礬石型侵蝕而采用常規防治措施，且這些措施并不能有效防止碳硫硅鈣石型腐蝕的發生[10]，甚至可能適得其反[11]。

由此可見，準確分析襯砌混凝土的腐蝕特征與機制，是判斷腐蝕程度并提出病害整治技術方案的前提。在實際工程中，因接觸腐蝕介質的形式存在差異，可能會導致即使是同一隧道工程，襯砌的不同部位發生的硫酸鹽腐蝕種類并不一致。本文選取我國西南地區某遭硫酸鹽侵蝕嚴重的隧道襯砌混凝土工程為研究對象，該隧道全長約7 km，設計為雙向4車道，隧道襯砌采用模板澆筑，設計強度為C25，通車僅一年半(2013年11月全線通車)就出現襯砌混凝土剝落、地面翹曲變形等現象。課題組于2015年12月通過現場實地調研和取樣分析，深入研究隧道襯砌不同部位受硫酸鹽環境腐蝕的規律與形成機制。

1　調研取樣說明

1.1地下水

在隧道襯砌混凝土劣化區域內的2處地下水滲涌位置取水，密封保存并帶回實驗室測試，分析其中的主要化學成分。地下水取樣如圖1所示。

圖1　地下水取樣

1.2混凝土芯樣

在隧道全線出現明顯混凝土劣化區域內每間隔約100 m選取5個不同位置(分別位于隧道118 860、118 960、119 050、119 240、119 330 m處)，并分別在同一位置距離地面30、80、130 cm處鉆芯取樣(如圖2所示)，試樣加工成φ100 mm×100 mm的圓柱體試件。取芯后將試樣密封包裝，運回實驗室，用于測試抗壓強度、氯離子擴散系數和碳化深度。

抗壓強度與氯離子擴散系數參照GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》中的相關規定測試。碳化深度測試則是在鉆芯試塊側面噴1%的酚酞酒精溶液后30 s，沿側面每隔10 mm測出各點變色深度，取平均值為碳化深度。

圖2　鉆芯取樣

1.3微觀試樣

在隧道全線出現明顯混凝土劣化區域內選取不同破壞特征的混凝土試樣(如表1所示)，密封保存并帶回實驗室，分別真空干燥后研磨至通過80 μm篩，分析其中的主要腐蝕產物。

表1　隧道襯砌混凝土典型劣化特征

XRD采用美國賽默飛公司的X射線衍射儀，選擇Cu靶輻射，掃描角度和速率分別為5～70°和2 °/min。紅外測試采用美國賽默飛公司Nicolet Avatar 370型傅里葉紅外光譜儀(FT-IR)。測試前需將混凝土粉末與0.2%～1.0%的溴化鉀混合壓片。

2　取樣結果分析

2.1 水質分析

依據SL 352—2006《水工混凝土試驗規程》的相關規定，對水樣中的氯離子、硫酸根離子含量以及其他成分進行了檢測，并根據GB/T 50476—2008《混凝土結構耐久性設計規范》，對水樣的腐蝕等級進行了劃分。測試分析結果如表2所示。

表2　地下水樣測試結果及腐蝕等級

根據測試分析結果可知，該隧道所處位置地下水中含有較多的硫酸鹽類物質，按GB/T 50476—2008中的分類，屬于中等—嚴重化學腐蝕環境，即使按中等腐蝕設計，混凝土強度等級也應大于C40，而該隧道襯砌混凝土強度等級僅達到C25。

2.2混凝土性能測試分析

2.2.1芯樣強度

鉆芯試塊抗壓強度測試結果如圖3所示。從圖3可以發現，劣化區域內的混凝土試塊抗壓強度幾乎均小于25 MPa，劣化最嚴重的混凝土試塊，強度僅不足15 MPa。此外，混凝土取芯強度出現隨著距離地面高度的降低而逐漸減小的趨勢，表明越接近地下水的位置，混凝土劣化程度越嚴重，這一現象也與隧道內襯砌混凝土表觀破壞程度相吻合。

圖3　混凝土芯樣強度

2.2.2碳化深度

在鉆芯取樣試塊表面噴涂酚酞試劑測試其碳化深度，測試結果如圖4所示。在取芯區域內，絕大部分位置的混凝土均發生了嚴重的碳化，碳化深度幾乎均大于10 mm，碳化最嚴重處高達30 mm以上。襯砌混凝土發生了嚴重的碳化現象，除了與其自身強度等級偏低、密實性較差有關外，還與隧道內部CO2濃度偏高密切相關。

圖4　混凝土碳化深度

2.2.3氯離子擴散系數

圖5是5個鉆芯位置最接近地面處試塊(即劣化最嚴重處)的氯離子擴散系數結果。試驗結果表明，選取的所有試塊的抗氯離子滲透性能均較差，部分試塊在試驗中甚至因密實性較差而出現氯離子直接穿透的現象。

圖5　混凝土試塊氯離子擴散系數

2.2.4微觀分析

為了進一步分析混凝土劣化的規律和腐蝕機制，對現場搜集的5種典型劣化特征處的混凝土試樣(見表1)進行XRD和FT-IR測試，分析腐蝕產物的組成。

XRD圖譜結果如圖6所示。該隧道襯砌混凝土破壞主要屬于硫酸鹽腐蝕，表面混凝土開裂、剝落等試樣中的腐蝕產物主要以鈣礬石和石膏為主，其中剝落的白色粉末以石膏為主；然而，在接近地下水位置的混凝土出現糊狀破壞，糊狀產物中除了含有石膏以外，還有大量的碳硫硅鈣石，表明該隧道襯砌混凝土同時發生了鈣礬石、石膏型膨脹破壞和碳硫硅鈣石型腐蝕破壞。

(a) 掃描角度為5～70°

(b) 掃描角度為5～20°

XRD圖譜中碳硫硅鈣石往往與鈣礬石出峰位置重疊度較高，可能會出現誤判。結合生成碳硫硅鈣石產物將導致C-S-H凝膠中的硅氧四面體向硅氧八面體轉變[12]這一現象，為進一步確定糊狀腐蝕產物的種類，取XRD測試剩余的試樣進行FT-IR分析[13]。混凝土試樣傅里葉紅外圖譜如圖7所示。從圖7可以發現，紅外圖譜中5#試樣(即糊狀試樣)在500、671、750 cm-1位置處均出現了明顯的六配位[Si(OH)6]2-，因此，可以斷定該隧道襯砌混凝土在接近地下水位置附近發生了碳硫硅鈣石型硫酸鹽破壞。

圖7　混凝土試樣傅里葉紅外圖譜

此外，從現場取樣的混凝土中取出少量骨料，洗凈后放入稀鹽酸中，出現起泡現象，結合XRD分析結果，不管是否發生碳化，混凝土中均含有大量的碳酸鈣晶體。發生碳硫硅鈣石型破壞的必要條件之一即是存在可供反應的碳酸鹽[14]，而該隧道地處我國西南地區，骨料資源匱乏，絕大多數混凝土的粗骨料為石灰石質碎石，細骨料為石灰石質機制砂，同時為提高混凝土的力學性能，常加入石粉[15-16]來改善混凝土顆粒級配。因此，混凝土制備過程中加入的石灰石質骨料和石粉為生成碳硫硅鈣石提供了反應物，是該隧道襯砌混凝土出現嚴重腐蝕破壞的重要原因之一。

3　原因與對策分析

3.1襯砌混凝土腐蝕成因

根據隧道實地調研和現場取樣測試分析可知，該隧道二次襯砌混凝土破壞屬于硫酸鹽化學腐蝕，硫酸鹽與混凝土反應生成鈣礬石、石膏和碳硫硅鈣石等腐蝕產物，造成混凝土出現嚴重劣化。

根據以上測試和分析結果可知，不同結構位置的混凝土發生的不同種類硫酸鹽腐蝕破壞與其所處環境密不可分。鈣礬石和石膏類破壞主要發生在混凝土表層。究其原因，襯砌混凝土局部處于含有硫酸根離子的地下水環境中，水分隨著毛細孔向隧道內遷移，但隧道內因濕度較小，導致混凝土表層干燥而內部濕潤，水分含量的梯度加速了地下水從隧道外部向內部傳輸的過程；當水分接近隧道內部表面時，由于蒸發等作用導致水分損失，其中的硫酸鹽成分逐漸濃縮在混凝土表層的孔隙中，當其濃度達到一定程度時，襯砌混凝土表層即發生硫酸鹽腐蝕。

碳硫硅鈣石類破壞主要發生在襯砌混凝土與地面交接處，在這個位置地下水能夠與混凝土充分接觸，再加之骨料和石粉中含有大量的碳酸鹽，提供了碳硫硅鈣石生成所必需的水分、硫酸鹽、C-S-H凝膠和碳酸鹽。碳硫硅鈣石的生成使C-S-H凝膠失去膠結能力，形成類似“糊狀”物，嚴重影響混凝土結構的服役安全。

3.2襯砌混凝土抗硫酸鹽侵蝕對策

根據以上分析，針對該隧道出現的硫酸鹽腐蝕破壞，可考慮從以下多方面改進，以提升混凝土抗硫酸鹽化學侵蝕能力。

1) 配合比優化。根據水質分析結果，該隧道所處環境屬于中等—嚴重的化學侵蝕環境，混凝土強度等級應至少大于C40，因此，在混凝土配合比設計時應進一步降低水膠比，提高膠材用量，通過提升混凝土自身的密實性來改善和提高其抗化學侵蝕的能力。

2) 膠凝材料組成。針對該隧道出現的嚴重碳硫硅鈣石型腐蝕破壞，可考慮使用礦渣、粉煤灰和偏高嶺土等礦物摻合料取代部分硅酸鹽水泥作為膠凝材料[17]，以延緩碳硫硅鈣石的生成與發展。

3) 原材料優選。針對西南地區混凝土骨料的現狀，應杜絕或減少石灰石質骨料的使用，至少應嚴格杜絕石粉的摻加，從源頭上抑制碳硫硅鈣石的生成。

4) 規范施工。混凝土澆筑施工時，應嚴格杜絕隨意加水現象。

5) 及時養護。混凝土澆筑后養護不當易造成水分散失過快，使混凝土表層形成大量的水孔，水泥得不到充分水化，造成混凝土結構疏松，易遭受硫酸鹽侵蝕破壞。

6) 表層防護。針對襯砌混凝土服役環境特點，宜在混凝土內外層均使用防護材料，既能夠降低含侵蝕介質的地下水向混凝土內部滲透，又能夠減少混凝土內表面因水分蒸發而引起的硫酸鹽富集導致的腐蝕破壞，抑制硫酸鹽侵蝕破壞的發生。

4　結論與討論

通過對西南某隧道襯砌混凝土硫酸鹽腐蝕破壞的現場調研和取樣分析，討論了混凝土腐蝕產物的類型和成因，發現混凝土自身密實性不足和其使用大量石灰石原料是出現嚴重硫酸鹽腐蝕破壞的主要原因，并據此提出：從混凝土原材料組成優選、配合比設計、施工養護和表層防護等多方面來提高隧道襯砌混凝土抗硫酸鹽侵蝕破壞能力。此外，受限于西南地區混凝土原材料(主要是骨料)的現狀，如何針對目前的原材料條件配制出具有優異抗硫酸鹽侵蝕能力的混凝土，尚有待進一步研究。

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A Case Analysis of Tunnel Lining Concrete under Sulfate Attack and It’s Countermeasures

JIANG Qian1, 2, SHI Liang1, 2, LIU Jianzhong1, 2, MU Song1, 2

(1. Jiangsu Sobute New Materials Co., Ltd., Nanjing 211103, Jiangsu, China;2.StateKeyLaboratoryofHighPerformanceCivilEngineeringMaterials,Nanjing210008,Jiangsu,China)

The test of mechanical properties and durability performance and microscopic analysis are made on lining concrete samples of a tunnel in Southwest China, so as to learn the characteristics, mechanism and influencing degree of sulfate attack. The analytical results show that the inadequate compactness and large amount of limestone used for concrete are the main causes for sulfate attack. The authors suggest to make a proper selection of concrete raw materials and rational mixing proportion design and carry out curing and surface protection technologies to improve the anti-sulfate attack capacity of lining concrete of tunnel.

tunnel; lining concrete; sulfate attack

2016-02-17;

2016-03-23

“973”計劃項目(SQ2015CB060428)； 中國博士后科學基金項目 (2013M531296)

姜騫(1988—)，男，江蘇溧陽人，2013年畢業于東南大學，材料工程專業，碩士，助理工程師，主要從事混凝土耐久性提升技術與應用研究工作。E-mail：jiangqian@cnjsjk.cn。

10.3973/j.issn.1672-741X.2016.08.005

U 455

A

1672-741X(2016)08-0918-06