图5-54　腐蚀机理示意图

深隧中的雨污水是一种成分复杂、条件多变的腐蚀介质，在此环境条件下，管道内壁混凝土极易被腐蚀。腐蚀机理可以概括为：污水和废水中的有机和无机悬浮物随水流流动而逐渐沉积于构筑物底部成为淤泥。淤泥中的硫酸根离子被硫还原菌还原，生成硫化氢。释放的硫化氢气体进入构筑物内未充水的上部空间，与构筑物内壁相接触。在内壁上，硫化氢由于生物化学的作用，氧化生成硫酸，在硫酸的不断作用下，混凝土被腐蚀，如图5-54所示。

隧道内壁腐蚀有以下特点：①深隧气、水分界面处或水位变化频繁处比一般区域腐蚀更为严重。这是由于液位经常变化，故水池池壁强腐蚀区域常呈水平线性分布，同一墙面往往有多条强腐蚀带。②在相同的环境下，深隧的底部通常要比顶部、侧壁腐蚀轻些。这是由于底部常年被淤泥覆盖、含氧量低、所处状态相对稳定，所以腐蚀发展较慢。③水质变化较大或水质较差的深隧一般比水质较稳定或水质较好的深隧腐蚀严重。

隧道外部与外水土接触，外水土亦会对深排（蓄）水隧道外壁产生腐蚀，包括土壤腐蚀、细菌腐蚀和杂散电流腐蚀，以土壤腐蚀最主要。土壤这种腐蚀作用可分为两种：一种是土壤直接腐蚀混凝土，随后使钢筋锈蚀；另一种是土壤介质使混凝土液相发生改变，并使钢筋发生锈蚀，当锈蚀产物体积的膨胀到超过混凝土抗拉强度时，混凝土产生腐蚀破坏。引起该腐蚀的主要因素有土壤的电阻率和酸性、碱性度、湿度、空气渗透，以及土壤中的氧、微生物等。

从以上可以看出，深隧内部雨污水、外部水土对隧道的腐蚀包括硫酸盐腐蚀、氯离子腐蚀、酸性介质腐蚀及碳化。其中，深排（蓄）水隧道内部腐蚀的特点是，存在微生物作用产生的硫酸盐腐蚀及酸性介质腐蚀。

5.3.1.1　微生物作用

微生物作用的腐蚀过程是自然界硫循环的一部分，该过程被认为是生物硫酸腐蚀。在输水过程中，污水中悬浮物及颗粒逐渐沉积在管道或构筑物底部形成淤泥。淤泥中的被硫还原菌还原生成硫化氢，释放出来的硫化氢气体汇集到管道或构筑物未充水的上部空间，与混凝土接触。硫化氢又由于噬砼菌的生物化学作用生成硫酸。在硫酸的腐蚀作用下，混凝土内部钢筋由于去钝化而被破坏。

硫酸盐还原菌的存在会造成混凝土内部pH 值的下降，更严重的是，pH 值越低，这种细菌的繁衍速度越快，甚至在pH 值为1的环境中还能进行繁殖。Karen和Alain发现，微生物对混凝土的破坏速度会受到混凝土成分的影响，如图5-55所示。

图5-55　混凝土组成成分对微生物侵蚀速度的影响

由图5-55可以看到，普通硅酸盐水泥受到微生物侵蚀350d后即造成100%的质量损失；而与之相反，铝酸钙的加入大大提高了水泥抵抗微生物破坏的能力，即使经过一年其质量损失也只有20%左右。这是由于含铝酸钙的水泥为高碱性，极大地抑制了硫酸盐还原菌的繁殖速度。

5.3.1.2　硫酸盐腐蚀

硫酸盐进入混凝土孔隙后，与混凝土某些组成部分发生化学反应。有些产物吸收水分产生结晶而导致体积膨胀，在混凝土内部形成膨胀应力。当膨胀应力超过混凝土抗拉强度后就会导致混凝土开裂，破坏呈由内到外的剥蚀。硫酸盐中与混凝土中Ca（OH）2形成CaSO4。另外，硫酸钙还会与混凝土内的水化铝酸钙发生反应，生成硫铝酸钙（钙矾石）。硫铝酸钙含有31个结晶水，体积膨胀剧烈，约为原水化铝酸钙的2.5倍[63]。随着硫酸盐腐蚀作用的进行，混凝土由于膨胀应力，内部颗粒间孔隙越来越多且间距越来越大，内部的渗透性也随之增大，因此硫酸盐或其他腐蚀物质的入侵更加容易且剧烈，加快了混凝土腐蚀及内部钢筋的锈蚀。(www.daowen.com)

影响硫酸盐侵蚀的主要因素包括混凝土的水灰比以及铝酸三钙（C3A）的含量。方祥位等人指出，水灰比越大，硫酸侵蚀破坏速度越快。而黄战等人通过试验发现，在同样的硫酸盐溶液中浸泡相同时间，混凝土的抗压强度及抗折强度将随着水灰比增大而减小。

5.3.1.3　氯离子腐蚀

在混凝土内部自由扩散的氯离子，一旦运动到金属表面就可以吸附在金属表面上。由于具有较高活性，氯离子可以与钝化膜发生反应，反应后的钝化膜逐层脱落，直到最终出现缺口。此处裸露出来的金属就是一个活化的阳极，其他未脱落的区域为阴极，形成大阴极-小阳极的化学电池，阳极区的腐蚀电流很大，腐蚀速度很快，使得钝化膜缺陷处形成一个腐蚀出来的深坑，即为点蚀现象。氯离子侵蚀导致混凝土的破坏现象如图5-56所示。

图5-56　氯离子侵蚀导致混凝土表面破坏

因此，氯离子虽未直接造成钢筋锈蚀，但其实对锈蚀具有加速作用，主要体现在：①一定浓度的氯离子可以活化钢筋表面，使钢筋失去钝化膜的保护作用。②氯离子具有搬运和催化的作用，Fe2+和Cl-生成可溶于水的FeCl2，然后向阳极区外扩散，当遇到OH-时，Fe2+与之生成Fe（OH）2，此时Cl-被释放出来，又向阳极区迁移，带出更多的Fe2+。由此可见，Cl-本身并不构成任何的腐蚀产物，仅起着Fe2+“搬运工”的作用，在腐蚀的全过程中并未被消耗，因此能反复地对腐蚀其促进作用。③混凝土孔隙溶液因为氯离子的存在成为较强的电解质，为电化学反应提供最佳的场所。氯离子的腐蚀过程如图5-57所示。

图5-57　氯离子对钢筋锈蚀的作用

5.3.1.4　酸性介质腐蚀

酸性介质会造成混凝土内部组成部分的碱性丧失，使得砂浆层粉化脱落。酸性介质的作用会使大量的Ca（OH）2被中和，使得内部石灰碱度大大下降，导致混凝土中水化硅酸钙和水化铝酸钙的分解，从而破坏混凝土孔隙结构的胶凝体，使混凝土力学性能劣化。深排（蓄）水隧道工程中常有的硫化氢气体与Ca（OH）2生成易溶的硫氢酸钙而随隧道中的雨污水流失，对混凝土产生弱酸侵蚀。酸性介质更容易通过混凝土的多孔隙结构与钢筋接触，因钢筋表面钝化膜破坏钢筋生锈，钢筋生锈后体积膨胀导致混凝土受膨胀应力，进一步使得混凝土开裂剥落。

另外，酸还可以促使水化硅酸钙和水化铝酸钙的水解，从而破坏具有空隙结构的凝胶体，使混凝土的强度降低。

酸性介质对混凝土的腐蚀作用不同于硫酸盐，其特征是表面松软，逐层脱落。在流动的硫酸液中的混凝土腐蚀现象更加剧烈。受酸性介质腐蚀后，混凝土的强度有明显的降低。试验表明：受酸性介质腐蚀后的混凝土，其强度损失率（即强度损失与未腐蚀混凝土强度之比）与腐蚀时间成正比，而且与酸性介质的浓度成正比。在流动的溶液中，混凝土的强度损失加剧。在腐蚀初期，由于新生成盐结晶体的膨胀作用，使得混凝土孔隙变得充实，混凝土更加密实，此时其强度有所提高。在腐蚀后期，由于大量具有膨胀性能的产物的形成，膨胀应力增大，使得孔结构遭受破坏，内部微裂缝不断开展，导致混凝土强度的降低。

5.3.1.5　碳化

混凝土碳化是外部环境中的二氧化碳通过混凝土表面及内部的孔隙进入到混凝土内部与氢氧化钙等碱性物质反应，导致混凝土碱性下降。新浇筑的混凝土内部是呈碱性的，碱性物质能够保护混凝土不受损坏。而且钢筋混凝土中钢筋在碱性环境内及少量氧气下，由于初始的电化学腐蚀作用，会快速生成一层致密的钝化膜，使钢筋处于钝化状态。但如果混凝土发生碳化，pH 值降低，会使得钝化膜的溶解速度大于生成速度，造成钝化膜的破坏。一旦钝化膜遭到破坏，钢筋极易被腐蚀。锈蚀后，钢筋会发生体积膨胀，使得混凝土开裂。