西南某隧道衬砌混凝土中的硫酸盐腐蚀破坏分析及对策

姜　骞， 石　亮， 刘建忠， 穆　松

(1. 江苏苏博特新材料股份有限公司， 江苏 南京　211103；2. 高性能土木工程材料国家重点实验室， 江苏 南京　210008)



西南某隧道衬砌混凝土中的硫酸盐腐蚀破坏分析及对策

姜骞1,2， 石亮1,2， 刘建忠1,2， 穆松1,2

(1. 江苏苏博特新材料股份有限公司， 江苏 南京211103；2. 高性能土木工程材料国家重点实验室， 江苏 南京210008)

为掌握实际服役条件下隧道结构衬砌混凝土的硫酸盐腐蚀劣化特征与机制，通过对西南某隧道衬砌混凝土样品的力学、耐久性能测试以及微观分析，发现该隧道混凝土所遭受的腐蚀破坏由硫酸盐侵蚀造成，且腐蚀破坏程度严重。腐蚀产物类型与混凝土所处位置相关，在衬砌表层和开裂、剥落的混凝土中腐蚀产物主要以钙矾石和石膏为主，在衬砌与地面交接处的糊状混凝土中则以碳硫硅钙石为主。分析结果表明：混凝土自身密实性不足和其使用大量石灰石原料是出现严重腐蚀破坏的主要原因。建议从混凝土原材料组成优选、配合比设计、施工养护和表层防护等多方面来提高隧道衬砌混凝土抗硫酸盐侵蚀破坏能力。

隧道； 衬砌混凝土； 硫酸盐腐蚀

0　引言

伴随着西部大开发和“一带一路”建设国家战略的推进落实，我国将继续加大西部十二省份公路、铁路等基础设施的建设，而基础设施建设中隧道所占比重越来越大，如何解决新建隧道结构的耐久性问题，已经成为诸多专家和学者研究的重要课题。我国西部，尤其是西南地区山脉绵延，公路、铁路隧道众多，经调研发现，该地区大量隧道混凝土结构常处于含有硫酸盐的土壤或地下水中[1]，易出现混凝土劣化、开裂等病害，给隧道长期服役和行车安全构成严重威胁[2]。三叉岭隧道[3]、乌鞘岭隧道[4]、六盘山隧道[5]、十字垭隧道[6]、杭兰线宜巴段隧道[7]和金鸡关隧道[8]等工程均处于典型的硫酸盐侵蚀环境中，部分工程甚至已经出现了严重的硫酸盐腐蚀破坏[5-8]。

通常，隧道工程的硫酸盐腐蚀破坏包括物理结晶侵蚀作用和化学侵蚀作用2类，其中化学侵蚀作用又包含钙矾石型、石膏型和碳硫硅钙石型腐蚀破坏[1]。按作用机制还可将硫酸盐侵蚀类型分为膨胀型和腐蚀型，其中膨胀型破坏腐蚀已被广为人知，在工程中已有足够的预防措施，通常采用抗硫酸盐水泥、控制水灰比等措施，并且使混凝土密实成型，就可以有效防止膨胀型腐蚀的发生[9]。然而，事实已证明，碳硫硅钙石与钙矾石在结构和XRD(X-ray Diffraction，即X射线衍射)图谱上非常接近，在实际工程中很容易将碳硫硅钙石型侵蚀误认为是钙矾石型侵蚀而采用常规防治措施，且这些措施并不能有效防止碳硫硅钙石型腐蚀的发生[10]，甚至可能适得其反[11]。

由此可见，准确分析衬砌混凝土的腐蚀特征与机制，是判断腐蚀程度并提出病害整治技术方案的前提。在实际工程中，因接触腐蚀介质的形式存在差异，可能会导致即使是同一隧道工程，衬砌的不同部位发生的硫酸盐腐蚀种类并不一致。本文选取我国西南地区某遭硫酸盐侵蚀严重的隧道衬砌混凝土工程为研究对象，该隧道全长约7 km，设计为双向4车道，隧道衬砌采用模板浇筑，设计强度为C25，通车仅一年半(2013年11月全线通车)就出现衬砌混凝土剥落、地面翘曲变形等现象。课题组于2015年12月通过现场实地调研和取样分析，深入研究隧道衬砌不同部位受硫酸盐环境腐蚀的规律与形成机制。

1　调研取样说明

1.1地下水

在隧道衬砌混凝土劣化区域内的2处地下水渗涌位置取水，密封保存并带回实验室测试，分析其中的主要化学成分。地下水取样如图1所示。

图1　地下水取样

1.2混凝土芯样

在隧道全线出现明显混凝土劣化区域内每间隔约100 m选取5个不同位置(分别位于隧道118 860、118 960、119 050、119 240、119 330 m处)，并分别在同一位置距离地面30、80、130 cm处钻芯取样(如图2所示)，试样加工成φ100 mm×100 mm的圆柱体试件。取芯后将试样密封包装，运回实验室，用于测试抗压强度、氯离子扩散系数和碳化深度。

抗压强度与氯离子扩散系数参照GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中的相关规定测试。碳化深度测试则是在钻芯试块侧面喷1%的酚酞酒精溶液后30 s，沿侧面每隔10 mm测出各点变色深度，取平均值为碳化深度。

图2　钻芯取样

1.3微观试样

在隧道全线出现明显混凝土劣化区域内选取不同破坏特征的混凝土试样(如表1所示)，密封保存并带回实验室，分别真空干燥后研磨至通过80 μm筛，分析其中的主要腐蚀产物。

表1　隧道衬砌混凝土典型劣化特征

XRD采用美国赛默飞公司的X射线衍射仪，选择Cu靶辐射，扫描角度和速率分别为5～70°和2 °/min。红外测试采用美国赛默飞公司Nicolet Avatar 370型傅里叶红外光谱仪(FT-IR)。测试前需将混凝土粉末与0.2%～1.0%的溴化钾混合压片。

2　取样结果分析

2.1 水质分析

依据SL 352—2006《水工混凝土试验规程》的相关规定，对水样中的氯离子、硫酸根离子含量以及其他成分进行了检测，并根据GB/T 50476—2008《混凝土结构耐久性设计规范》，对水样的腐蚀等级进行了划分。测试分析结果如表2所示。

表2　地下水样测试结果及腐蚀等级

根据测试分析结果可知，该隧道所处位置地下水中含有较多的硫酸盐类物质，按GB/T 50476—2008中的分类，属于中等—严重化学腐蚀环境，即使按中等腐蚀设计，混凝土强度等级也应大于C40，而该隧道衬砌混凝土强度等级仅达到C25。

2.2混凝土性能测试分析

2.2.1芯样强度

钻芯试块抗压强度测试结果如图3所示。从图3可以发现，劣化区域内的混凝土试块抗压强度几乎均小于25 MPa，劣化最严重的混凝土试块，强度仅不足15 MPa。此外，混凝土取芯强度出现随着距离地面高度的降低而逐渐减小的趋势，表明越接近地下水的位置，混凝土劣化程度越严重，这一现象也与隧道内衬砌混凝土表观破坏程度相吻合。

图3　混凝土芯样强度

2.2.2碳化深度

在钻芯取样试块表面喷涂酚酞试剂测试其碳化深度，测试结果如图4所示。在取芯区域内，绝大部分位置的混凝土均发生了严重的碳化，碳化深度几乎均大于10 mm，碳化最严重处高达30 mm以上。衬砌混凝土发生了严重的碳化现象，除了与其自身强度等级偏低、密实性较差有关外，还与隧道内部CO2浓度偏高密切相关。

图4　混凝土碳化深度

2.2.3氯离子扩散系数

图5是5个钻芯位置最接近地面处试块(即劣化最严重处)的氯离子扩散系数结果。试验结果表明，选取的所有试块的抗氯离子渗透性能均较差，部分试块在试验中甚至因密实性较差而出现氯离子直接穿透的现象。

图5　混凝土试块氯离子扩散系数

2.2.4微观分析

为了进一步分析混凝土劣化的规律和腐蚀机制，对现场搜集的5种典型劣化特征处的混凝土试样(见表1)进行XRD和FT-IR测试，分析腐蚀产物的组成。

XRD图谱结果如图6所示。该隧道衬砌混凝土破坏主要属于硫酸盐腐蚀，表面混凝土开裂、剥落等试样中的腐蚀产物主要以钙矾石和石膏为主，其中剥落的白色粉末以石膏为主；然而，在接近地下水位置的混凝土出现糊状破坏，糊状产物中除了含有石膏以外，还有大量的碳硫硅钙石，表明该隧道衬砌混凝土同时发生了钙矾石、石膏型膨胀破坏和碳硫硅钙石型腐蚀破坏。

(a) 扫描角度为5～70°

(b) 扫描角度为5～20°

XRD图谱中碳硫硅钙石往往与钙矾石出峰位置重叠度较高，可能会出现误判。结合生成碳硫硅钙石产物将导致C-S-H凝胶中的硅氧四面体向硅氧八面体转变[12]这一现象，为进一步确定糊状腐蚀产物的种类，取XRD测试剩余的试样进行FT-IR分析[13]。混凝土试样傅里叶红外图谱如图7所示。从图7可以发现，红外图谱中5#试样(即糊状试样)在500、671、750 cm-1位置处均出现了明显的六配位[Si(OH)6]2-，因此，可以断定该隧道衬砌混凝土在接近地下水位置附近发生了碳硫硅钙石型硫酸盐破坏。

图7　混凝土试样傅里叶红外图谱

此外，从现场取样的混凝土中取出少量骨料，洗净后放入稀盐酸中，出现起泡现象，结合XRD分析结果，不管是否发生碳化，混凝土中均含有大量的碳酸钙晶体。发生碳硫硅钙石型破坏的必要条件之一即是存在可供反应的碳酸盐[14]，而该隧道地处我国西南地区，骨料资源匮乏，绝大多数混凝土的粗骨料为石灰石质碎石，细骨料为石灰石质机制砂，同时为提高混凝土的力学性能，常加入石粉[15-16]来改善混凝土颗粒级配。因此，混凝土制备过程中加入的石灰石质骨料和石粉为生成碳硫硅钙石提供了反应物，是该隧道衬砌混凝土出现严重腐蚀破坏的重要原因之一。

3　原因与对策分析

3.1衬砌混凝土腐蚀成因

根据隧道实地调研和现场取样测试分析可知，该隧道二次衬砌混凝土破坏属于硫酸盐化学腐蚀，硫酸盐与混凝土反应生成钙矾石、石膏和碳硫硅钙石等腐蚀产物，造成混凝土出现严重劣化。

根据以上测试和分析结果可知，不同结构位置的混凝土发生的不同种类硫酸盐腐蚀破坏与其所处环境密不可分。钙矾石和石膏类破坏主要发生在混凝土表层。究其原因，衬砌混凝土局部处于含有硫酸根离子的地下水环境中，水分随着毛细孔向隧道内迁移，但隧道内因湿度较小，导致混凝土表层干燥而内部湿润，水分含量的梯度加速了地下水从隧道外部向内部传输的过程；当水分接近隧道内部表面时，由于蒸发等作用导致水分损失，其中的硫酸盐成分逐渐浓缩在混凝土表层的孔隙中，当其浓度达到一定程度时，衬砌混凝土表层即发生硫酸盐腐蚀。

碳硫硅钙石类破坏主要发生在衬砌混凝土与地面交接处，在这个位置地下水能够与混凝土充分接触，再加之骨料和石粉中含有大量的碳酸盐，提供了碳硫硅钙石生成所必需的水分、硫酸盐、C-S-H凝胶和碳酸盐。碳硫硅钙石的生成使C-S-H凝胶失去胶结能力，形成类似“糊状”物，严重影响混凝土结构的服役安全。

3.2衬砌混凝土抗硫酸盐侵蚀对策

根据以上分析，针对该隧道出现的硫酸盐腐蚀破坏，可考虑从以下多方面改进，以提升混凝土抗硫酸盐化学侵蚀能力。

1) 配合比优化。根据水质分析结果，该隧道所处环境属于中等—严重的化学侵蚀环境，混凝土强度等级应至少大于C40，因此，在混凝土配合比设计时应进一步降低水胶比，提高胶材用量，通过提升混凝土自身的密实性来改善和提高其抗化学侵蚀的能力。

2) 胶凝材料组成。针对该隧道出现的严重碳硫硅钙石型腐蚀破坏，可考虑使用矿渣、粉煤灰和偏高岭土等矿物掺合料取代部分硅酸盐水泥作为胶凝材料[17]，以延缓碳硫硅钙石的生成与发展。

3) 原材料优选。针对西南地区混凝土骨料的现状，应杜绝或减少石灰石质骨料的使用，至少应严格杜绝石粉的掺加，从源头上抑制碳硫硅钙石的生成。

4) 规范施工。混凝土浇筑施工时，应严格杜绝随意加水现象。

5) 及时养护。混凝土浇筑后养护不当易造成水分散失过快，使混凝土表层形成大量的水孔，水泥得不到充分水化，造成混凝土结构疏松，易遭受硫酸盐侵蚀破坏。

6) 表层防护。针对衬砌混凝土服役环境特点，宜在混凝土内外层均使用防护材料，既能够降低含侵蚀介质的地下水向混凝土内部渗透，又能够减少混凝土内表面因水分蒸发而引起的硫酸盐富集导致的腐蚀破坏，抑制硫酸盐侵蚀破坏的发生。

4　结论与讨论

通过对西南某隧道衬砌混凝土硫酸盐腐蚀破坏的现场调研和取样分析，讨论了混凝土腐蚀产物的类型和成因，发现混凝土自身密实性不足和其使用大量石灰石原料是出现严重硫酸盐腐蚀破坏的主要原因，并据此提出：从混凝土原材料组成优选、配合比设计、施工养护和表层防护等多方面来提高隧道衬砌混凝土抗硫酸盐侵蚀破坏能力。此外，受限于西南地区混凝土原材料(主要是骨料)的现状，如何针对目前的原材料条件配制出具有优异抗硫酸盐侵蚀能力的混凝土，尚有待进一步研究。

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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”计划项目(SQ2015CB060428)； 中国博士后科学基金项目 (2013M531296)

姜骞(1988—)，男，江苏溧阳人，2013年毕业于东南大学，材料工程专业，硕士，助理工程师，主要从事混凝土耐久性提升技术与应用研究工作。E-mail：jiangqian@cnjsjk.cn。

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

U 455

A

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