地下环境混凝土材料的耐久性劣化机理及对策分析
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1.2.1化学侵蚀机理
化学侵蚀主要分为石膏结晶型侵蚀、钙矾石结晶型侵蚀和碳硫硅钙结晶型侵蚀。其中，石膏结晶型侵蚀是指当进入混凝土中的SO24－浓度较高时，会结晶析出二水石膏。石膏结晶型侵蚀消耗了Ca（OH）2因此会降低混凝土强度，石膏结晶也会发生体积膨胀，在混凝土内部产生膨胀拉应力，从而导致混凝土开裂。钙矾石结晶型侵蚀是指当硫酸盐进入混凝土内部时，先会和Ca（OH）2反应产生硫酸钙，硫酸钙接着与水泥的水化产物－水化铝酸钙发生反应生成钙矾石。钙矾石晶体形成时，结合了大量的结晶水，发生体积膨胀，膨胀带来的应力会导致混凝土破坏开裂。
关键词：地下环境；混凝土材料；耐久性劣化机理；对策分析
1、地下环境混凝土劣化的机理分析
1.1开裂渗透
混凝土材料具有低抗拉强度、高弹性模量和低延展率的特点，并且容易产生温度变形和收缩等体积变形，因此易开裂。混凝土在浇筑和硬化后存在着凝结前表面失水而产生的塑性收缩，硬化后胶凝材料水化放热及冷却导致的温度收缩，不饱和空气中失水产生的干燥收缩和混凝土中胶凝材料的继续水化引起的自收缩。此外，地下工程应用的混凝土为了保证其性能和使用寿命，采用高性能混凝土甚至超高性能混凝土，这些材料降低了水胶比，增加了胶凝材料的用量，收缩变形更大。混凝土材料中的裂缝按其产生的原因可分为荷载裂缝和非荷载裂缝两大类。外荷载作用产生的荷载裂缝可通过较成熟的结构设计理论来避免和控制，因此荷载裂缝约占总裂缝的20%，而由不均匀沉降、温度变化、混凝土收缩等引起的非荷载裂缝约占80%。收缩是造成混凝土开裂的最主要原因。
2.3防水防渗处理
目前，根据防水材料与混凝土孔结构的作用，基本可以划分为表面膜层封闭材料、渗透结晶型涂料和渗透型防水材料等3类。表面膜层封闭材料包括环氧树脂、沥青、丙烯酸酯、聚氨酯等，可以封闭混凝土表面孔隙，广泛应用于桥梁、大坝中。渗透结晶型涂料可以通过混凝土表面孔隙进入混凝土内部，与水泥的水化产物反应，形成不溶于水的结晶体，堵住孔隙，但结晶体的形成需要水，因此效果一般。渗透型防水材料以硅烷类材料为主，与混凝土有较强的黏结力，其亲水基与混凝土内羟基反应而结合，疏水基排列在表面，从而阻止水分进入。
2、提升地下混凝土材料耐久性的措施
影响地下混凝土结构耐久性因素众多，提高其耐久性是一个系统工程，设计、选材、施工、养护和维护缺一不可。地下环境侵蚀复杂多样，而外部环境很难改变，因此要提高地下工程混凝土的耐久性必须着眼于减少混凝土自身内部缺陷和改善其材料组成。
2通过以下几个方面进行：使用预应力混凝土、加入辅助胶凝材料（SCM）、使用膨胀剂（EA）、应用减缩剂（SＲA）、合理的养护制度、采用内养护材料、使用低钙高贝利特水泥和降低水泥用量等多种手段抑制混凝土收缩，掺入钢纤维可以显著提高混凝土的抗拉强度和断裂韧性，从而提高混凝土抗裂防渗能力。
地下空间往往存在潮湿封闭且通风不畅的特点，使得人呼出和车辆排出的CO2较难释放到大气中，这就造成地下空间内空气中的CO2含量较高，据统计，地下隧道内CO2的浓度是地面空间里浓度的2～7倍。在这样一个酸性气体如此高浓度的潮湿空间里，加上地下水压和渗透的影响，使得混凝土碳化侵蚀速度远大于地面混凝土的侵蚀速度，因此地下混凝土耐久性问题变的更为严重。水泥水化后，在水化产物中存在着大量的C-SH凝胶和Ca（OH）2，形成的水泥石为多孔结构材料，并由于化学收缩和水分的蒸发，会在混凝土内部形成大量的毛细孔、空隙和气泡等缺陷。除此之外，水泥浆和砂石的界面也会带来缝隙和微裂纹，造成混凝土内部存在多孔和微裂缝，给外界气体和水的入侵提供可能。
1.2硫酸盐侵蚀
19世纪末期，米哈埃利斯最先提出了硫酸盐对混凝土的腐蚀作用，他发现被硫酸盐腐蚀过的混凝土中出现了一种细针状的晶体，将这种晶体命名为“水泥杆菌”，也即现在所称的钙矾石。硫酸盐侵蚀是造成混凝土化学腐蚀中较为普遍的形式，也是引起混凝土耐久性劣化的重要原因。硫酸盐来源广泛，石油、化工和发电工业生产和汽车行驶中都会排出SO2气体，我国广阔的沿海地区、西北成千个内陆盐湖、西南成片的酸雨区土壤和地下水中都存在硫酸盐。下面着重介绍地下环境中硫酸盐侵蚀的物理、化学机理。
2.2裂缝快速修补
目前研究人员已经开发出众多的水泥基快速修补材料（如表4所示），但也存在修补材料强度倒缩和新旧材料黏结性能差等缺点，需要进一步研究提高其综合性能。笔者对磷酸盐基快速修补材料进行了一定的研究，基于响应面法对磷酸盐进行实验设计，综合考虑多种影响因素对磷酸盐基快速修补材料凝结时间和早期抗压强度的影响，对磷酸盐基修补材料进行优化。在钢纤维增强混凝土的作用下，磷酸盐基快速修补材料可以实现凝结时间不超过15min，3h抗压强度可达到78MPa，并在7d后强度可以超过100MPa。其早期强度超高，具有良好的黏结强度和耐久性，有益于进行快速修补和确保交通畅通，使得新旧混凝土共同作用。裂缝快速修补材料能够抑制混凝土损害的进一步恶化，阻止有害物质侵入内部造成腐蚀，改善混凝土结构完整性，保持混凝土耐久性。
地下环境混凝土材料的耐久性劣化机理及对策分析
摘要：为了解决城市地面空间资源严重匮乏的问题，城市地下空间成为一种新型的国土资源，由此得到了有效的开发和利用，各种地下建筑工程得到了空前发展。而在地下复杂化学侵蚀环境、水压力和岩土应力等严酷状态下，作为地下工程最为主要的结构工程材料，混凝土的耐久性受到了更为严峻的挑战。设计优化混凝土配比，改善地下混凝土的耐久性成为目前工程界的研究热点。基于此，本文主要对地下环境混凝土材料的耐久性劣化机理及对策进行分析探讨。
1.2.2物理侵蚀机理
硫酸盐对混凝土的物理侵蚀机理研究，目前主要有3种理论：固体体积膨胀理论、盐结晶压力和结晶水压力理论。当进入混凝土的硫酸盐浓度较高时，硫酸盐容易在混凝土孔隙中吸水结晶析出，产生体积膨胀和结晶压力，当内部孔隙被填满后便会产生膨胀拉应力，应力超过一定限度时，混凝土会发生开裂破坏。
1.3碳化
1.4杂散电流
与其他混凝土耐久性影响因素不同，杂散电流是地下工程结构中所特有的，主要由城市特高压输电系统、地下变电站和轨道交通等地下电源产生。这些供电电流因为电位差作用会泄露到道床和周围土壤介质中，对地铁钢轨及其附件、地下通讯电缆、金属管线以及混凝土结构中钢筋和钢纤维等造成严重的电化学腐蚀，威胁到建筑的寿命并可能造成严重的后果。
化学侵蚀主要分为石膏结晶型侵蚀、钙矾石结晶型侵蚀和碳硫硅钙结晶型侵蚀。其中，石膏结晶型侵蚀是指当进入混凝土中的SO24－浓度较高时，会结晶析出二水石膏。石膏结晶型侵蚀消耗了Ca（OH）2因此会降低混凝土强度，石膏结晶也会发生体积膨胀，在混凝土内部产生膨胀拉应力，从而导致混凝土开裂。钙矾石结晶型侵蚀是指当硫酸盐进入混凝土内部时，先会和Ca（OH）2反应产生硫酸钙，硫酸钙接着与水泥的水化产物－水化铝酸钙发生反应生成钙矾石。钙矾石晶体形成时，结合了大量的结晶水，发生体积膨胀，膨胀带来的应力会导致混凝土破坏开裂。
关键词：地下环境；混凝土材料；耐久性劣化机理；对策分析
1、地下环境混凝土劣化的机理分析
1.1开裂渗透
混凝土材料具有低抗拉强度、高弹性模量和低延展率的特点，并且容易产生温度变形和收缩等体积变形，因此易开裂。混凝土在浇筑和硬化后存在着凝结前表面失水而产生的塑性收缩，硬化后胶凝材料水化放热及冷却导致的温度收缩，不饱和空气中失水产生的干燥收缩和混凝土中胶凝材料的继续水化引起的自收缩。此外，地下工程应用的混凝土为了保证其性能和使用寿命，采用高性能混凝土甚至超高性能混凝土，这些材料降低了水胶比，增加了胶凝材料的用量，收缩变形更大。混凝土材料中的裂缝按其产生的原因可分为荷载裂缝和非荷载裂缝两大类。外荷载作用产生的荷载裂缝可通过较成熟的结构设计理论来避免和控制，因此荷载裂缝约占总裂缝的20%，而由不均匀沉降、温度变化、混凝土收缩等引起的非荷载裂缝约占80%。收缩是造成混凝土开裂的最主要原因。
2.3防水防渗处理
目前，根据防水材料与混凝土孔结构的作用，基本可以划分为表面膜层封闭材料、渗透结晶型涂料和渗透型防水材料等3类。表面膜层封闭材料包括环氧树脂、沥青、丙烯酸酯、聚氨酯等，可以封闭混凝土表面孔隙，广泛应用于桥梁、大坝中。渗透结晶型涂料可以通过混凝土表面孔隙进入混凝土内部，与水泥的水化产物反应，形成不溶于水的结晶体，堵住孔隙，但结晶体的形成需要水，因此效果一般。渗透型防水材料以硅烷类材料为主，与混凝土有较强的黏结力，其亲水基与混凝土内羟基反应而结合，疏水基排列在表面，从而阻止水分进入。
2、提升地下混凝土材料耐久性的措施
影响地下混凝土结构耐久性因素众多，提高其耐久性是一个系统工程，设计、选材、施工、养护和维护缺一不可。地下环境侵蚀复杂多样，而外部环境很难改变，因此要提高地下工程混凝土的耐久性必须着眼于减少混凝土自身内部缺陷和改善其材料组成。
2通过以下几个方面进行：使用预应力混凝土、加入辅助胶凝材料（SCM）、使用膨胀剂（EA）、应用减缩剂（SＲA）、合理的养护制度、采用内养护材料、使用低钙高贝利特水泥和降低水泥用量等多种手段抑制混凝土收缩，掺入钢纤维可以显著提高混凝土的抗拉强度和断裂韧性，从而提高混凝土抗裂防渗能力。
地下空间往往存在潮湿封闭且通风不畅的特点，使得人呼出和车辆排出的CO2较难释放到大气中，这就造成地下空间内空气中的CO2含量较高，据统计，地下隧道内CO2的浓度是地面空间里浓度的2～7倍。在这样一个酸性气体如此高浓度的潮湿空间里，加上地下水压和渗透的影响，使得混凝土碳化侵蚀速度远大于地面混凝土的侵蚀速度，因此地下混凝土耐久性问题变的更为严重。水泥水化后，在水化产物中存在着大量的C-SH凝胶和Ca（OH）2，形成的水泥石为多孔结构材料，并由于化学收缩和水分的蒸发，会在混凝土内部形成大量的毛细孔、空隙和气泡等缺陷。除此之外，水泥浆和砂石的界面也会带来缝隙和微裂纹，造成混凝土内部存在多孔和微裂缝，给外界气体和水的入侵提供可能。
1.2硫酸盐侵蚀
19世纪末期，米哈埃利斯最先提出了硫酸盐对混凝土的腐蚀作用，他发现被硫酸盐腐蚀过的混凝土中出现了一种细针状的晶体，将这种晶体命名为“水泥杆菌”，也即现在所称的钙矾石。硫酸盐侵蚀是造成混凝土化学腐蚀中较为普遍的形式，也是引起混凝土耐久性劣化的重要原因。硫酸盐来源广泛，石油、化工和发电工业生产和汽车行驶中都会排出SO2气体，我国广阔的沿海地区、西北成千个内陆盐湖、西南成片的酸雨区土壤和地下水中都存在硫酸盐。下面着重介绍地下环境中硫酸盐侵蚀的物理、化学机理。
2.2裂缝快速修补
目前研究人员已经开发出众多的水泥基快速修补材料（如表4所示），但也存在修补材料强度倒缩和新旧材料黏结性能差等缺点，需要进一步研究提高其综合性能。笔者对磷酸盐基快速修补材料进行了一定的研究，基于响应面法对磷酸盐进行实验设计，综合考虑多种影响因素对磷酸盐基快速修补材料凝结时间和早期抗压强度的影响，对磷酸盐基修补材料进行优化。在钢纤维增强混凝土的作用下，磷酸盐基快速修补材料可以实现凝结时间不超过15min，3h抗压强度可达到78MPa，并在7d后强度可以超过100MPa。其早期强度超高，具有良好的黏结强度和耐久性，有益于进行快速修补和确保交通畅通，使得新旧混凝土共同作用。裂缝快速修补材料能够抑制混凝土损害的进一步恶化，阻止有害物质侵入内部造成腐蚀，改善混凝土结构完整性，保持混凝土耐久性。
地下环境混凝土材料的耐久性劣化机理及对策分析
摘要：为了解决城市地面空间资源严重匮乏的问题，城市地下空间成为一种新型的国土资源，由此得到了有效的开发和利用，各种地下建筑工程得到了空前发展。而在地下复杂化学侵蚀环境、水压力和岩土应力等严酷状态下，作为地下工程最为主要的结构工程材料，混凝土的耐久性受到了更为严峻的挑战。设计优化混凝土配比，改善地下混凝土的耐久性成为目前工程界的研究热点。基于此，本文主要对地下环境混凝土材料的耐久性劣化机理及对策进行分析探讨。
1.2.2物理侵蚀机理
硫酸盐对混凝土的物理侵蚀机理研究，目前主要有3种理论：固体体积膨胀理论、盐结晶压力和结晶水压力理论。当进入混凝土的硫酸盐浓度较高时，硫酸盐容易在混凝土孔隙中吸水结晶析出，产生体积膨胀和结晶压力，当内部孔隙被填满后便会产生膨胀拉应力，应力超过一定限度时，混凝土会发生开裂破坏。
1.3碳化
1.4杂散电流
与其他混凝土耐久性影响因素不同，杂散电流是地下工程结构中所特有的，主要由城市特高压输电系统、地下变电站和轨道交通等地下电源产生。这些供电电流因为电位差作用会泄露到道床和周围土壤介质中，对地铁钢轨及其附件、地下通讯电缆、金属管线以及混凝土结构中钢筋和钢纤维等造成严重的电化学腐蚀，威胁到建筑的寿命并可能造成严重的后果。