盐类腐蚀对结构的影响与富水隧道复合结构体系防排水技术

地下水及盐沼水等矿物水中，常含有大量的硫酸盐类，如硫酸镁（MgSO4）、硫酸钠（Na2SO4）、硫酸钙（CaSO4）等，对混凝土均有严重破坏作用。硫酸盐侵蚀混凝土是复杂的物理化学作用过程，主要是硫酸盐通过与混凝土的化学成分发生化学反应，生成具有膨胀性质的化学产物，随着化学产物不断积累，导致孔隙内部膨胀应力不断增加，使得混凝土发生起皮、开裂、剥落等现象，从而进一步推动了硫酸盐对混凝土腐蚀的进程。根据硫酸盐的来源不同可将硫酸盐侵蚀分为来自混凝土内部的硫酸盐侵蚀（ISA）和来自自然环境的硫酸盐侵蚀（ESA）。

1.混凝土内部的硫酸盐侵蚀

来自混凝土内部的硫酸盐侵蚀（ISA）是指混凝土粗骨料中铁的硫化物与水、氧气的作用产生具有膨胀作用化合物的现象，或由于高温导致水泥浆释放的硫酸盐腐蚀，也称作延迟钙矾石作用（DEF）。

2.自然环境的硫酸盐侵蚀

来自自然环境的硫酸盐侵蚀（ESA）是指自然环境中含有的硫酸盐溶液使混凝土发生物理化学反应，产生具有膨胀性腐蚀产物所导致的腐蚀。根据其侵蚀机理不同，可划分为硫酸盐结晶腐蚀、钙矾石晶体的侵蚀破坏、石膏晶体的侵蚀破坏和碳硫硅钙结晶破坏。外部硫酸盐侵蚀混凝土的主线均是混凝土在硫酸盐侵蚀溶液中长期浸泡，从而导致溶液中的硫酸根离子不断向内部传输，使得混凝土内的成分与硫酸根离子发生反应，导致混凝土内部腐蚀结晶，随着结晶的不断增加，混凝土内部产生膨胀、裂纹和损伤。混凝土受硫酸盐侵蚀的特征是表面发白，损害通常在棱角处开始，接着裂缝开展并剥落，使混凝土成为一种易碎甚至松散的状态。

绝大多数硫酸盐对混凝土都有显著的侵蚀作用（除硫酸钡外），这主要是由于硫酸钠、硫酸钾等多种硫酸盐都能与水泥石中的Ca（OH）2 作用生成硫酸钙，硫酸钙再与水泥石中的固态水化铝酸钙反应生成三硫型水化硫铝酸钙（3CaO· Al2O3·3CaSO4·3H2O，简式Aft，又称钙矾石）。以Na2SO4 为例，其反应方程式为

钙矾石是溶解度极小的盐类矿物，在化学结构上结合了大量的结晶水（实际上结晶水为30～32 个），使固相体积显著增大（约为原水化铝酸钙的2.5 倍），加之它在矿物形态上是针状晶体，固又被称为“水泥杆菌”，在原水化铝酸钙的固相表面成刺猬状析出，放射状向四方生长，互相挤压而产生极大的内应力，致使混凝土结构物受到破坏。钙矾石膨胀破坏的特点是混凝土试件表面出现少数较粗大的裂缝。(https://www.xing528.com)

当侵蚀溶液中SO24-浓度相当高（大于1 000 mg/L）时，水泥石的毛细孔立即为饱和石灰溶液所填充，则不仅有钙矾石生成，而且在水泥石内部还会有二水石膏（CaSO4·2H2O）结晶析出，生成石膏。反应方程式为

硫酸盐的侵蚀不仅取决于水中SO24- 的浓度，而且与水中Cl-的含量有关。Cl-能提高硫铝酸钙的溶解度，阻止其晶体的生成与长大，从而减轻破坏作用。究其原因是由于Cl-的渗透速度大于SO24- ，在SO24- 、Cl-共存时，对于表面的混凝土，水泥石中的水化铝酸钙先与SO24-反应生成钙矾石，当SO24- 耗尽后才与Cl-反应。而对于内部的混凝土，由于Cl-的渗透速度大于SO24- ，因此Cl-先行渗入并与OH-置换，反应方程式为

当Cl-浓度相当高时，Cl-还可与水化铝酸钙反应生成三氯铝酸钙（3CaO·Al2O3·3CaCl2·3H2O），反应方程式为

由于水化铝酸钙的减少，使钙矾石结晶数量减少，从而减轻硫酸盐侵蚀破坏程度。

当侵蚀溶液中SO24-浓度小于1 000 mg/L 时，只有钙矾石晶体形成；当SO24- 浓度大于1 000 mg/L 并逐渐增大时，钙矾石和石膏两种晶体并存。SO24- 浓度在很大范围内，石膏结晶侵蚀只起从属作用；只有在SO24- 浓度非常高时，石膏结晶侵蚀才起主导作用。混凝土若处于水分蒸发或干湿交替状态，即使SO24- 浓度不高，石膏结晶侵蚀也往往起着主导作用。因为水分蒸发使侵蚀溶液浓缩，从而导致石膏结晶的形成，引起混凝土的破坏。在流动的硫酸盐溶液里，反应可一直进行下去，直至Ca（OH）2 被完全反应，从而导致混凝土孔隙率增大，强度降低。如果NaOH 被积聚，反应可达平衡，则只有部分Ca（OH）2 沉淀成石膏。