特大型岩溶漏斗隧道施工岩石渗透水对既有混凝土结构耐久性影响及应对策略研究

特大型岩溶漏斗隧道施工岩石渗透水对既有混凝土结构耐久性影响及应对策略研究

魏明专1  吴昊2李奎邑2朱睿2

1.中交一公局第七工程有限公司  河南郑州 450000

2. 重庆交通大学  重庆   400074

摘要：岩溶水主要分布于喀斯特地貌地区，由于其特殊的形成过程和环境，岩溶水中常常含有大量的硫酸盐。这些硫酸盐对混凝土结构具有强烈的侵蚀作用，是导致混凝土劣化最广泛和最普遍的形式之一，其影响因素复杂，危害性大，严重影响混凝土结构耐久性。国内外学者对混凝土的硫酸盐侵蚀进行了广泛的研究。本文综合了这些研究成果，总结了研究进程和影响因素，为未来的研究提供参考。

关键词：硫酸盐侵蚀；岩石渗透水；混凝土结构；耐久性；应对策略

1 引  言

随着现代建筑工程的不断发展，混凝土作为主要的建筑材料，其耐久性和安全性日益受到人们的关注。作为一种复杂的多孔结构体，混凝土容易受到环境中的侵蚀介质的影响，导致其性能发生变化，缩短建筑的使用寿命，并造成巨大的经济损失。在岩溶隧道中，硫酸盐在岩石渗透水的作用下对混凝土结构造成了严重侵蚀。因此，深入探究硫酸盐对混凝土结构的侵蚀机理以及制定相应的应对策略具有非常重要的实际意义和理论价值。

2 国内外研究现状

Michalis于1892年首次发现，被侵蚀的混凝土中存在一种称为“水泥杆菌”的针状晶体，这种晶体正是导致硬化混凝土开裂的水化三硫铝酸钙。自20世纪50年代起，我国便开始对混凝土的硫酸盐侵蚀问题展开研究。一些研究者对不同性能的混凝土在硫酸盐侵蚀下的表现进行了探讨。潘海勃进行了硫酸盐侵蚀下防腐型高延性混凝土的力学性能试验；杨春景等则对不同掺量的玄武岩纤维轻骨料混凝土在不同龄期的硫酸盐侵蚀下的表现进行了研究，分析了其在硫酸盐侵蚀环境下的力学性能和劣化程度；董文津通过室内模拟试验，研究了干湿条件下透水型生态混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能。

3 混凝土硫酸盐侵蚀的影响因素

(1)环境因素

在混凝土的实际服役环境中，其面临的环境条件多种多样，包括沙漠、海边、盐渍地区和矿洞等。这些环境中的硫酸盐浓度、阴阳离子的类型和含量、温度变化以及干湿循环的情况，都会对混凝土受到硫酸盐侵蚀的程度产生显著影响。

(2)材料因素

混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能受多种因素影响，其中原材料、掺合料、外加剂和配合比的不同，会显著改变混凝土内部的孔隙率、离子成分和含量。这些因素不仅影响混凝土的耐久性，还与其在实际应用中的性能密切相关。

(3)荷载作用

在实际情况中，混凝土结构主要用于承载，常常面临荷载和环境的双重作用。张柬[1]等研究者利用Fortran语言进行编程，对硫酸根离子在混凝土试件中的扩散过程进行了数值分析。研究显示，随着硫酸盐浓度的增加，混凝土的动弹性模量和抗压强度显著降低。这表明硫酸盐侵蚀对混凝土的性能具有显著的负面影响。

4 消除硫酸盐侵蚀负面影响的应对策略

在硫酸盐侵蚀的物理和化学相互作用过程中，取决于许多参数，包括硫酸根离子的浓度、环境温度、水泥和矿物添加剂的用量、水灰比、混凝土的扩散率或渗透率，以及是否存在补充的火山灰外加剂.一些可以消除硫酸盐侵蚀负面影响的有效方法如下：

(1)矿物添加：将磨碎的高炉矿渣掺入水泥中有利于增强储存在硫酸盐溶液中的混凝土结构的膨胀减少，因为炉渣会在一定程度上消耗氢氧化钙并导致石膏和钙矾石的减少.据报道，超过30%的低反应性磨碎高炉矿渣的掺入导致砂浆对硫酸钠和硫酸镁侵蚀的效率显着提高，在硅粉方面，大量纳米结构胶体二氧化硅的存在可以增强对硫酸盐侵蚀的抵抗力，延缓衰变演化。

(2)埋地涂层：在防离处理中，内涂层常用的材料包括环氧树脂粉末涂层和聚乙烯粉末涂层等。而外涂层防腐的主要目的是将土壤与腐蚀环境隔离，通常采用具有耐菌破坏力的保护层，以应对水介质和土壤环境。随着埋深的增加，混凝土受到硫酸盐侵蚀而形成的丘马石劣化量会相应减少。

(3)玻璃粉：砂浆与磨砂玻璃粉混合，显著提高了抗硫酸盐侵蚀能力，从而增强了混凝土的耐久性能。在砂浆试件的抗硫酸钠试验中，当用适当的10%玻璃粉代替水泥时，混凝土的重量损失达到最小，有效地减少了侵蚀量。

(4)浸泡位置：Nehdi等[2]研究了部分浸泡在5%硫酸钠溶液中的混凝土在循环温度和相对湿度下的双重硫酸盐侵蚀性能，并得出结论，芯体作用是部分暴露混凝土中溶液的主要传递机制：浸泡在硫酸盐溶液中的下部可能遭受化学硫酸盐侵蚀， 而上部对固有的孔隙结构敏感，易受硫酸盐的物理侵蚀。

(5)轻质骨料和粘度调节剂：Bentz等[3]探索了两种提高砂浆抗硫酸盐侵蚀能力的新方法。一方面，对细质轻质骨料进行预润湿，以增强界面过渡区的微观结构，另一方面，轻质骨料中的孤立孔隙可能有助于适应膨胀降解产物的形成

(6)氧化镁：普通混凝土中加入氧化镁后，氧化镁会与水反应生成氢氧化镁晶体。这些晶体在混凝土中相互挤压，填充孔隙，导致混凝土体积膨胀。由于氢氧化镁晶体与水泥浆体中的其他组分基本不发生反应，因此可以降低混凝土的孔隙率，改善孔结构，提高密实性，从而保障混凝土的体积稳定性

[4]。

(7)高效减水剂：高效减水剂以甲基烯丙基聚氧乙烯醚、丙烯酸、巯基乙醇等为主要原料,经接枝聚合制备减水型聚羧酸母液,再与缓释型母液、PC改良剂、葡萄糖酸钠、柠檬酸、引气剂、消泡剂等混合、复配制得。制得的抗裂防渗多功能高效减水剂可有效改善混凝土抗渗防裂性能,提高抗压强度,减少坍落度损失。在混凝土混合物中加入适量的高效减水剂可以提高减水量，从而减少硫酸盐对混凝土的侵蚀，产生更坚固的基体。

(8)碳酸钡：生产抗硫酸盐水泥的一种新方法是在熟料中加入碳酸钡。主要机制是利用钡以高度不溶性重晶石的形式固定硫酸盐的能力碳酸钡可以与CaSO4反应，减少具有膨胀性的钙矾石的生成，使整个水泥石结构体系更加紧密，进而提高混凝土的抗硫酸盐腐蚀性[5]。

4 结  语

综上所述，喀斯特地貌地区中的硫酸盐侵蚀是是导致混凝土劣化最广泛和最普遍的形式之一，混凝土在硫酸盐侵蚀环境下的耐久性研究是一条长期而艰难的道路，许多学者对其开展了大量研究，从影响因素，应对措施方面进行了考虑，对混凝土耐久性的实验进行了很好的指导，但是尽管如此，还是存在很多空白处的研究和研究不够深入的情况，很多猜想需要进一步的进行验证，因此，有必要开发一种统一承载能力和耐久性使用寿命设计理论的方法，以实现更准确地对硫酸盐侵蚀的混凝土耐久性研究。

参考文献

[1]张柬，浦海，张连英.硫酸盐在混凝土中扩散过程研究[J]. 徐州工程学院学报（自然科学版），2012，27（2）：57-62.

[2]M.L. Nehdi, A.R. Suleiman, A.M. Soliman, Investigation of concrete exposed to dual sulfate attack, Cem. Concr. Res. 64 (2014) 42–53. [56] Z.Q. Liu, D.H. Deng, G.D. Schutter, Does concrete suffer sulfate salt weathering, Constr. Build. Mater. 66 (2014) 692–701.                      

[3]D.P. Bentz, J.M. Davis, M.A. Peltz, K.A. Snyder, Influence of internal curing and viscosity modifiers on resistance to sulfate attack, Mater. Struct. 47 (2014) 581–589.                                    

[4]刘国强,张贞强,王建林等.外掺氧化镁混凝土在硫酸盐、镁盐耦合作用下的抗侵蚀性能研究                [J].中国建材科技, 2020, 29(03):54-56.                                     

[5]兰皓翔,侯云芬,黄天勇等.碳酸钡对混凝土性能影响研究[J].北京建筑大学学报,2023,39(01):        78-82.