公路隧道襯砌結構碳化耐久性研究＊

王蕾，范新陽，王劭琨

（1.陜西工業職業技術學院，陜西 咸陽 712000；2.中鐵一局集團第五工程有限公司，陜西 寶雞 721006）

隨著中國交通強國戰略的持續推進，高速公路建設不斷向西部多山地區延伸，公路隧道呈現出蓬勃發展的趨勢。雖然公路隧道的數量和里程逐年增加，但也有越來越多的隧道開始帶病運營，其中鋼筋銹蝕是造成隧道襯砌劣化的最主要原因，而影響鋼筋銹蝕的顯著因素為碳化作用。碳化對公路隧道襯砌結構的耐久性有著非常嚴重的影響，為提高襯砌結構的抗碳化性能，建立有效的碳化預防措施，對碳化成因的發掘和碳化深度的預測是不可或缺的，這2 個問題同時也是碳化研究中的重點與難點。

本文首先對混凝土的碳化機理進行了介紹，在此基礎上重點討論了影響混凝土碳化的主要因素，同時針對公路隧道特殊的運營環境，對現有的碳化深度預測模型進行了分析比對，以便選取更為適合公路隧道實際情況的碳化深度預測模型。

1 碳化機理

混凝土碳化又稱為混凝土的中性化，是混凝土受到化學腐蝕后pH 值降低、化學成分改變的過程。混凝土是以水泥為主要膠凝材料，摻以砂、石、水、外加劑等組分，在攪拌、成型和養護過程中，由于蒸發、收縮等原因會在內部形成許多互相連通的毛細管和孔隙結構，混凝土所處環境中的二氧化碳氣體通過這些孔隙結構滲透進入混凝土并在其內部擴散。而孔隙水中含有大量水泥水化過程中所產生的氫氧化鈣和水化硅酸鈣，其pH 值約為12～13，上述物質與二氧化碳會發生系列復雜的化學反應，以致混凝土的pH 值不斷降低，最終降至8.5～9.0，主要化學反應式如下：

Ca（OH）2+H2CO3→CaCO3+2H2O

3CaO·2SiO2·3H2O+3H2CO3→3CaCO3+2SiO2+6H2O

對于素混凝土來說，碳酸鈣和二氧化硅的生成填充了原有的孔隙，減小了混凝土結構的孔隙比，提高了其密實度、抗壓強度和彈性模量。對于鋼筋混凝土結構而言，水泥水化后會形成一個高堿環境，在此環境下，鋼筋表面會形成一層鈍化膜，保護鋼筋不被銹蝕，然而當混凝土pH 值下降時，鈍化膜將被破壞，無法保護鋼筋，最終影響到鋼筋混凝土結構的耐久性和安全性。根據相關研究[1-2]，當混凝土pH 值≥9.88 時，鋼筋表面開始生成鈍化膜；當pH 值≥11.5 時，鈍化膜完整生成，因此，為保證鋼筋不被銹蝕，混凝土pH 值必須不低于11.5。

2 碳化影響因素

相關理論分析和試驗研究表明[3-5]，混凝土碳化主要受3 方面的影響：材料因素、環境因素和施工因素。

2.1 材料因素

2.1.1 水泥品種

不同品種的水泥，其化學成分和堿性物質含量也有所不同，且水泥硬化后結構的孔隙率也差異明顯，這些均會影響到混凝土的碳化速率和程度。不同品種水泥的碳化速率從小到大依次為：早強硅酸鹽水泥小于普通硅酸鹽水泥小于摻混合材的水泥，其中，摻混合材水泥的碳化速率隨混合材摻量的增大而增大。

2.1.2 水泥用量

水泥用量的多少決定堿性物質含量的多少，同時增加水泥用量還可以改善混凝土結構的和易性，增強。其密實度，所以對于同一種水泥而言，混凝土的碳化速率將隨水泥用量的增大而減小

2.1.3 水灰比

水灰比對混凝土的孔隙率影響極大，在混凝土凝結的過程中，水分蒸發后其所占有的空間將形成毛細管或孔隙結構，當水灰比增大時，用水量會隨之增大，此時混凝土結構中的孔隙率也將進一步增大，碳化速率自然而然會隨之增大。方璟等[6]發現水灰比小于0.65時，碳化深度與水灰比呈線性相關；水灰比大于0.65后，碳化深度將快速增大。蔣利學[7]指出高水灰比時碳化深度與水灰比呈指數函數關系。

2.1.4 摻合料

目前常用的摻合料為粉煤灰，一方面，粉煤灰中含有一定的活性物質，和水泥中的堿性物質相遇后會發生化學反應；另一方面，粉煤灰的使用降低了水泥的用量，進一步減少了混凝土中的堿性儲備。因此粉煤灰等量取代水泥越多，其碳化速率越快。

2.1.5 骨料

骨料的粒徑大小對混凝土的凝結有很大影響，由于輕骨料氣泡多、透氣性好，所以碳化速率高于普通混凝土，而采用粗骨料會影響與水泥漿的結合，采用細骨料增大了接合面面積，均增大了碳化速率，所以應選擇合適粒徑的骨料。

2.1.6 外加劑

減水劑和引氣劑是常用的外加劑。減水劑可以減少用水量，提高混凝土的密實度，引氣劑能使混凝土中的毛細管形成互不連通的孔隙，抑制二氧化碳氣體的擴散，選擇優質的外加劑可以降低碳化速率。

2.1.7 混凝土保護層

保護層是指從混凝土表面到鋼筋外邊緣的混凝土結構，增加保護層厚度和提高保護層密實度都可提高混凝土的抗碳化性能。

2.2 環境因素

2.2.1 二氧化碳濃度

二氧化碳直接參與混凝土碳化的全過程，其對碳化的影響是不言而喻的。二氧化碳在混凝土中的擴散是由濃度梯度所控制的，濃度梯度越大，擴散通量就越大，碳化速率也就越快。相關研究表明[8]，混凝土的碳化深度與二氧化碳濃度的平方根呈正相關。

2.2.2 溫度

溫度會影響到氣體的擴散系數，溫度升高，擴散系數增大，碳化速率也會隨之升高；溫度還會影響到二氧化碳和氫氧化鈣在水中的溶解，其溶解度與溫度成正比。清華大學[9]提出的溫度對碳化的影響公式如下：

2.2.3 相對濕度

環境介質的相對濕度直接影響混凝土的孔隙水含量。當相對濕度較小時，碳化反應因缺少水分速率降低；當相對濕度過大時，孔隙中的水會在一定程度上減緩二氧化碳的擴散蔓延，從而降低混凝土的碳化速率。清華大學研究發現[9]，碳化速率與相對濕度為拋物線關系，環境濕度處于40%～60%時碳化速率較高，王建強[10]指出當相對濕度為53%時，碳化深度最大。

2.3 施工因素

施工和養護的各個環節都會影響混凝土的密實程度，施工質量不好或養護不當時，會導致混凝土內部的孔隙率增大，甚至出現裂縫、蜂窩、空洞等，加速了碳化反應。

3 公路隧道襯砌結構碳化深度預測模型比選

近年來，國內外學者提出了眾多碳化深度預測模型[11-13]，這些模型對混凝土的碳化研究具有重要的參考和借鑒意義，但多數模型是基于建筑物或公路、橋梁推導而來，對公路隧道特殊的運營環境而言，是否適用尚待進一步驗證，如何在眾多繁雜的預測模型中選擇適合公路隧道特點的模型，對公路隧道襯砌結構的碳化耐久性設計影響巨大[14]。根據肖佳等[15]的研究成果，應優先考慮基于碳化試驗所建立的經驗模型。因此，本文選取代表性的預測模型，通過實例計算對不同模型進行比選。

萬小梅模型[18]公式為：

以某隧道碳化深度實測數據為基礎[20]，分別采用上述4 種預測模型進行計算，結果如表1 所示，將計算值與實測數據進行比較，如圖1 所示。

圖1 碳化深度計算值與實測值對比圖

表1 不同模型碳化深度計算值結果

由圖表可知，4 種模型的預測效果都比較好，相對而言，萬小梅模型和武海榮模型的誤差更小一些，考慮武海榮模型的離散性更小，推薦武海榮模型作為公路隧道襯砌結構的碳化深度預測模型。

4 結語

針對公路隧道襯砌結構的碳化耐久性開展研究具有很重要的現實意義，通過對材料、環境、施工等影響因素的深入分析推動了襯砌結構抗碳化性能的進一步提升。在對不同碳化深度預測模型進行對比后，發現在進行公路隧道襯砌結構的碳化深度預測時，武海榮模型的整體誤差和離散性更小一些。下一步將重點關注運營隧道襯砌結構碳化的環境影響因素，以期為公路隧道襯砌結構的碳化耐久性設計提供借鑒與參考。