張瑩 孫帥

混凝土耐久性能不良引起的適用性、安全性問題已引起廣泛的關注。針對上部結構耐久性問題，國內(nèi)外已經(jīng)進行了大量的研究并且取得巨大成就，而對地下結構耐久性問題的研究相對比較欠缺。地下結構因其服役環(huán)境特殊，勢必將面臨比一般上部結構更為嚴重的耐久性問題。本文綜合分析了沿海地下結構所面臨的環(huán)境及腐蝕機理，為今后的研究提供了一定的理論基礎。

【關鍵詞】沿海地區(qū)；地下混凝土結構；耐久性；環(huán)境腐蝕；靜水壓力

【中圖分類號】TQ437+.1 【文獻標識碼】A【文章編號】1003-1324（2012）-08-0095-05

從19世紀20年代水泥的發(fā)明至今，水泥混凝土材料和技術經(jīng)歷了巨大的變化。從最初的普通強度發(fā)展到現(xiàn)在的高強度高性能混凝土，混凝土材料因其卓越的性能而成為現(xiàn)在最為廣泛使用的建筑材料之一。

然而，由于混凝土結構材料自身和使用環(huán)境的特點使得混凝土結構不可避免地存在著耐久性問題。有資料表明，美國1975年由于腐蝕引起的損失為700億美元，1985年為1680億美元，而今后每年僅用于維修和重建的費用預計高達3000億美元[1]。國外有學者曾用“五倍定律”形象地描述了混凝土結構耐久性劣化所造成的損失。世界各國均面臨著日益嚴重的混凝土耐久性問題，其中地下結構耐久性劣化問題尤為突出。

1 地下結構耐久性研究概況

國內(nèi)外對混凝土材料的耐久性已有了較長時間的研究，在理論和實踐兩方面均取得了很多有價值的成果，如混凝土碳化、氯離子侵蝕、鋼筋銹蝕等方面，但該類成果主要集中在地面混凝土結構及海港、水工結構方面，而針對地下結構耐久性的研究文獻卻較少[2]。早在20世紀初期，一些發(fā)達國家就先后開始研究地下環(huán)境中混凝土及鋼筋混凝土材料的腐蝕機理及主要影響因素。Miller于1925年開始在美國土壤中硫酸鹽含量極高的地區(qū)進行實驗，以獲取混凝土結構長期腐蝕的數(shù)據(jù)。Brown對南加利福尼亞長期遭受含有硫酸鹽的地下水侵蝕的基礎進行了檢測，分析了該地下水對混凝土的侵蝕產(chǎn)物、分布情況及形成機理。Mhaer在阿拉伯海灣地區(qū)濱海土壤中的試驗研究表明，水灰比、泥用量和養(yǎng)護時間對混土抵抗氯離子和硫酸鹽的侵蝕有重要影響。Saricimen對阿拉伯海灣海岸某地下結構做涂覆處理，結果表明該涂層可以減少混凝土的滲透性，延緩侵蝕作用[3]。20世紀60年代以來，美國、法國、德國等國為提高地下管道、停車場、料儲藏庫的耐久性而進行了一系列的研究工作，主要集中在材料性能和構造措方面。1984年Clarke和William研究超細微耐久性混凝土在地下工程的應用。1986年日本研究開發(fā)港口、碼頭用高性能水泥混凝土，并于1994年尋求建立地下混凝土結構的水密性（抗?jié)B性）耐久性評價模式。1987年Escalante對土壤中鋼筋腐蝕進行了測試研究。在地下侵蝕性環(huán)境中混凝土材料耐久性試驗方面，美、英、韓等國也做了相應的研究工作。日本曾建立雨水滲流系統(tǒng)對地下管線、U型溝、路基等的滲透性進行了20年的觀察研究[4]。我國土壤腐蝕試驗研究工作開始于1958年，在國家科委領導下，于1959年至1964年期間，在全國各類土壤中建立一批研究混凝土及鋼筋混凝土材料腐蝕情況的試驗站。“七五”期間，全國土壤腐蝕網(wǎng)站分別在沿海地區(qū)、酸性土壤地區(qū)和西部地區(qū)建立了一批新的試驗站，“九五”期間又在一些典型嚴酷土壤中新建一批重點實驗站。通過分期開挖和分析研究，取得了寶貴的腐蝕數(shù)據(jù)，了解了重要的腐蝕規(guī)律[3]。1994年關寶樹、高波總結了日本在隧道剩余壽命研究中引入“健康度”的概念及方法，以及美國在工程結構損傷評估中引入“結構損傷度”的概念。但這種“健康度”或“損傷度”是以隧道破壞、劣化現(xiàn)象的嚴重程度進行等級劃分作為評定依據(jù)的，具有一定的粗糙性和主觀性，有待進一步完善。1999年，藺安林等進行了地鐵雜散電流對混凝土中鋼筋的腐蝕及混凝土強度影響的試驗研究。同年周曉軍等根據(jù)地鐵雜散電流分布對地鐵襯砌耐久性進行了探討。2002年同濟大學劉宗光對軟土地層中鋼筋混凝土排水管道結構的耐久性進行了研究，重點討論了各因素對耐久性的影響，并對上海市排水管道耐久性進行了評估。2003年李永和提出了鋼筋銹蝕性狀和裂紋擴展軌跡。2004年同濟大學黃慷對水底盾構隧道結構的耐久性問題進行了研究，并提出了對策。2006年在中國同濟大學召開“首屆地下結構服務壽命國際專題研討會”，孫鈞對海底隧道耐久性及服務壽命設計預測進行了研究，提出了進行耐久性設計和試驗的新方法[4]。

目前，上部結構的耐久性問題已經(jīng)在材料、構件和結構3個層次上展開[5]，而且很多成果已經(jīng)得到了實際應用。但國內(nèi)外對地下結構耐久性的研究，多數(shù)是按照上部結構耐久性研究的思路進行，研究過程中只考慮了地下結構內(nèi)部（大氣環(huán)境）耐久性劣化狀況，而很少研究結構接觸土壤和地下水一側的耐久性劣化狀況。因此，地下環(huán)境因素對混凝土結構的侵蝕將成為日后研究的一項重要工作。

2 地下結構耐久性劣化機理研究

鋼筋混凝土結構是混凝土與鋼筋的復合體，土壤和地下水對它的腐蝕可分為2類：第一類是混凝土材料本身耐久性不足而導致整個結構的破壞；第二類是混凝土本身并未嚴重破壞，但由于外部介質(zhì)的作用，使鋼筋表面的鈍化膜破壞，引起鋼筋的銹蝕而導致混凝土結構的破壞。第一類侵蝕作用有很多種，但大致可以分為：結晶性侵蝕、分解性侵蝕以及復合侵蝕。第二類侵蝕作用在沿海地區(qū)多表現(xiàn)為由氯離子侵蝕造成的鋼筋銹蝕。

2.1 沿海地下環(huán)境中結晶性侵蝕

結晶型侵蝕作用是指當環(huán)境水中含有鹽類時，通過化學或物理作用，產(chǎn)生結晶，而對混凝土產(chǎn)生具有很大膨脹破壞的作用，其中硫酸鹽化學侵蝕以及因水分蒸發(fā)導致鹽類結晶的物理侵蝕最為突出。

2.1.1 硫酸鹽侵蝕

沿海一帶的土壤屬濱海土壤，土壤中的鹽主要是氯鹽和硫酸鹽[6]，我國的天津和山東等省市的部分地區(qū)都屬于強硫酸鹽腐蝕地區(qū)，地下水中的SO42-含量很高[7]。地下水中的SO42-進入混凝土內(nèi)部，與水泥土石的某些固相組分發(fā)生化學反應而生成一些難溶的鹽類礦物，這些鹽類礦物由于吸收了大量水分子而產(chǎn)生體積膨脹，形成膨脹內(nèi)應力，當膨脹內(nèi)應力超過混凝土的抗拉強度時就會導致混凝土的破壞。根據(jù)結晶產(chǎn)物和破壞形式的不同，一般把硫酸鹽侵蝕分為以下兩種類型：

1）鈣礬石結晶型

環(huán)境水中的SO42-，通過毛細孔進入混凝土內(nèi)部與水泥石中的氫氧化鈣和水化鋁酸鈣反應，形成水化硫鋁酸鈣（鈣礬石），其反應方程為：

3CaO·Al2O3·6H2O+3（CaSO4·2H2O）+2OH2O→3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O （1）

水化硫鋁酸（3CaO·Al2O3·3Ca

SO4·32H2O）是溶解度極小的鹽類礦物，由于它結合了大量水分子，鈣礬石的體積約為原水化鋁酸鈣的2.5倍，加之它又是呈針狀結晶，在原始含鋁固相表面成刺狀析出。因而在水泥石內(nèi)部引起很大的內(nèi)應力，鈣礬石結晶侵蝕的表面特征是出現(xiàn)少數(shù)幾條較粗大的裂縫[8]。

2）石膏結晶型

許多研究者都發(fā)現(xiàn)，當侵蝕溶液中SO42-的質(zhì)量濃度大于1000mg/L時，若水泥石的毛細孔為飽和石灰溶液所填充，不僅會有鈣礬石生成而且還會有石膏結晶析出。其離子反應方程為：

Ca2++SO42-+ 2H2O→CaSO4·2H2O （2）在水泥石內(nèi)部形成的二水石膏體積增大1.24倍，使水泥石因內(nèi)應力過大而破壞，石膏結晶侵蝕的特點是沒有粗大裂紋但遍體潰散[8]。

在硫酸鹽結晶侵蝕的初期，反應產(chǎn)物可以阻塞混凝土內(nèi)的孔隙，提高混凝土的抗侵蝕性能。但隨著反應的進行，反應產(chǎn)物大量積聚產(chǎn)生的膨脹應力超過混凝土拉應力，最終引起混凝土開裂。

2.1.2 鹽類結晶侵蝕

混凝土是多孔材料，所有易溶鹽吸濕后都能滲入不密實的混凝土孔隙，混凝土一端與含鹽溶液接觸，通過毛細作用，溶液沿毛細管上升至混凝土迎空面，水分開始蒸發(fā)，一方面溶液濃度加大，達到過飽和，加速化學侵蝕反應。另一方面，在一定的濕度和溫度下鹽類轉化為體積膨脹的結晶水化物，產(chǎn)出晶間推力。特別是某些鹽，因結晶溫度不同，由帶水晶體向含結晶水晶體轉化，體積顯著增加而產(chǎn)生巨大膨脹應力，加速混凝土破壞，其破壞速度及破壞程度往往比化學反應侵蝕更快更嚴重。鹽類結晶侵蝕以Na2SO4最為嚴重，32.3℃以下析出的晶體為Na2SO4·10H2O，膨脹率高達311%，對于日溫差較大的地區(qū)，Na2SO4晶體不斷析出溶解，產(chǎn)生巨大膨脹應力反復作用于混凝土材料，加速了地下混凝土結構破壞。

2.2 沿海地下環(huán)境中分解性侵蝕

分解性侵蝕作用是指由于物理或化學作用，引起混凝土介質(zhì)堿度下降，導致水泥水化產(chǎn)物分解的化學病變。當侵蝕物質(zhì)引起液相石灰濃度下降時，將由固相游離石灰溶解加以補充，如固相石灰己被消耗光，液相石灰濃度降至某一水化產(chǎn)物的極限值時，將引起該組分由高鈣向低鈣轉化，并重新建立液、固相堿度平衡。如液相石灰濃度進一步下降，所有硅酸鈣、鋁酸鈣水化物都將遭到分解，成為毫無膠結能力的硅膠及鋁膠[6]。另外，Ca（OH）2也是維持混凝土內(nèi)pH值、保護鋼筋不被銹蝕的重要條件。許多學者認為氯化物引起混凝土中鋼筋去鈍化的更重要參數(shù)是[Cl-]/[OH-]值，即氯離子臨界濃度同OH-濃度比值。表1中給出了鋼筋在不同pH值堿性溶液中鋼筋開始去鈍化的[Cl-]/[OH-]臨界值[4]。

按分解性侵蝕的定義，分解性侵蝕包括溶出性侵蝕、碳酸侵蝕、酸性侵蝕等。

2.2.1 溶出性侵蝕

沿海地區(qū)多河流湖泊，地下水資源豐富?；炷两Y構物與這些含重碳酸根很少的地下水長期接觸，混凝土中的石灰被溶失，使液相石灰濃度下降，最后導致水泥水化產(chǎn)物分解，混凝土的強度不斷降低，這就是軟水侵蝕。混凝土在軟水侵蝕過程中，大孔數(shù)量逐漸增加，孔結構不斷變差[10]。

2.2.2 碳酸侵蝕

碳酸侵蝕在大氣環(huán)境下即混凝土的碳化，在大氣環(huán)境下，表層混凝土中的Ca（OH）2能夠接觸到足量的CO2氣體，其侵蝕反應式為：

Ca（OH）2+H2CO3 →CaCO3+2H2O（3）

CaCO3+H2CO3 → Ca（HCO3）2 （4）

反應產(chǎn)物Ca（HCO3）2若不流失，重新與石灰接觸，又被碳化成碳酸鈣，其反應式如下：

Ca（OH）2+Ca（HCO3）2 →2CaCO3+

2H2O （5）

大氣環(huán)境下，上述（4）和（5）反應會循環(huán)進行，Ca（OH）2始終發(fā)生反應而不斷溶解，碳酸鈣不斷溶解再生成，無法有效地減小混凝土孔隙率，從而也無法有效提高混凝土的抗CO2氣體侵蝕能力，這也就導致了碳化深度不斷向混凝土內(nèi)部延伸。同一般的上部結構相比，地下結構接觸土壤和地下水的一側雖然含有較少游離CO2，但卻可能含有高濃度CO32-。在CO32-向混凝土內(nèi)部擴散的同時，固態(tài)Ca（OH）2在孔隙水中溶解并向其濃度低的區(qū)域擴散，溶解在孔隙水中的CO32-與Ca（OH）2發(fā)生化學反應生成CaCO3。

Ca（OH）2 + CO32-→CaCO3+2OH- （6）

該反應生成的CaCO3和其他固態(tài)物質(zhì)堵塞在混凝土孔隙中，使混凝土的孔隙率下降，大孔隙減少，從而減弱了后續(xù)的CO32-擴散，并使混凝土的密實度提高。而且生成物一般不會像暴露在大氣環(huán)境中那樣發(fā)生再次溶解。

2.2.3 酸性侵蝕

我國沿海地區(qū)交通便捷工業(yè)發(fā)達，空氣中的酸性物質(zhì)（H2S、SO3等）隨雨水降落，使土壤和地下水中的酸性物質(zhì)含量大量增加。在我國南方，酸性土壤有很大面積的分布，這和氣候及降水有直接的關系。而且H+可與混凝土中的石灰發(fā)生中和反應并進行到底[3]。

2.3 沿海地下環(huán)境中復合侵蝕作用

分解結晶復合性侵蝕是分解性侵蝕和結晶性侵蝕同時存在的情況，其中比較典型就是碳硫硅鈣石型硫酸鹽侵蝕（TSA）。研究表明，當在低于15℃的硫酸鹽溶液中，并且有充足的水源和碳酸鹽的環(huán)境中，會形成碳硫硅鈣石。這種侵蝕使混凝土成為毫無粘接能力的物質(zhì)，嚴重侵蝕混凝土結構。同時由于此類侵蝕直接破壞了混凝土強度的基本來源C-S-H凝膠結構，故一般的抗硫酸鹽混凝土對此類侵蝕起不到良好的預防作用。在我國的沿海地區(qū)存在大量的鹽堿地，且氣候適宜TSA的形成[7]。

2.4 沿海地下環(huán)境中氯離子侵蝕作用

沿海某些地區(qū)的地下水中含有大量氯鹽。例如，東營黃河大橋所處地區(qū)地下水中Cl-含量高達57.3g/L，而Cl-是加速鋼筋銹蝕的主要原因之一。混凝土中高堿性環(huán)境能夠使鋼筋表面迅速形成一層厚為20～60OA的鈍化膜。它是致密、穩(wěn)定的，水和氧氣不能滲透過去，同時也能阻擋鐵離子的逸出，避免電化學反應的發(fā)生。在條件合適的情況下，受損的鈍化膜可以很快被修復。而當鋼筋表面的氯離子達到一定濃度時，局部的鈍化膜就被破壞且不能自行修復，使活化的鋼筋表面形成一個小陽極，未活化的鋼筋表面成為陰極，這時鋼筋開始發(fā)生電化學腐蝕。反應方程式如下：

Fe→Fe2+ +2e-（7）

Fe2++ 2Cl-+2H2O→Fe（OH）2+2H+

+2Cl- （8）

對在陽極附近鋼筋開始銹蝕并形成Fe（OH）2。生成的Fe（OH）2沉積能夠阻礙陽極區(qū)反應，但由于Cl-能與Fe2+形成易溶于水的鐵鹽，F(xiàn)e2+不斷被搬離陽極區(qū)使反應不斷進行下去，這就是氯離子的去極化作用。在富氧條件下Fe（OH）2又進一步被氧化成Fe（OH）3，最后變成疏松、多孔的紅銹，體積膨脹約4倍。在少氧條件下，F(xiàn)e（OH）2的氧化不完全，形成黑銹，體積膨脹約2倍。由于鐵銹是疏松、多孔的結構，而且極易透氣和滲水，同時鐵銹所產(chǎn)生的膨脹壓力將使混凝土出現(xiàn)裂縫和引起剝落。這又使得氧、水分等更容易進入，反應就會循環(huán)進行下去，直到鋼筋被完全腐蝕[8]。從其電化學反應過程（7）和（8）可知，氯離子可反復地侵蝕鋼筋表面而自身并不消耗，在整個鋼筋腐蝕過程中氯離子起到催化劑的作用。在有Cl-的情況下，一般來講，混凝土中的鋼筋腐蝕速度都會上升，而且要比碳化引起銹蝕嚴重得多。

當然除以上侵蝕作用外，還存在堿溶液的侵蝕、油類侵蝕、生物侵蝕、糖溶液和其它有機物的侵蝕等。但這些侵蝕一般較少發(fā)生或只在受到嚴重污染的土壤和地下水環(huán)境中才會發(fā)生。

3 靜水壓力對地下結構耐久性的影響

地下結構要受到多種破壞因素的作用，與大氣環(huán)境下的工業(yè)與民用建筑相比，影響地下結構耐久性的因素更為復雜，既有來自內(nèi)部的空氣環(huán)境，又有來自外部地下環(huán)境中的侵蝕物質(zhì)。而且由于地下水質(zhì)變化多樣，對混凝土的侵蝕更加復雜[11]。一般的上部結構易于檢測，發(fā)生損壞時能夠及時修復。與之相比，地下結構耐久性劣化具有一定的隱蔽性且修復更加困難。一旦地下結構發(fā)生嚴重的耐久性劣化問題，將會帶來嚴重的經(jīng)濟和社會問題。因此，要針對不同的地下環(huán)境對地下結構進行有別于一般結構的耐久性設計。

大型地下結構（交通隧道、地鐵、海底隧道等）服役時間要超過100年甚至更長。在地下滲流的作用下，特別是某些隧道結構采用以排水為主的地下水治理方案，地下水對混凝土結構的溶蝕作用（軟水腐蝕）就會相當明顯。隨著軟水侵蝕的進行，混凝土強度不斷損失，構件有效面積減少，嚴重影響結構安全。另外，地下水會對地下結構施加一定的靜水壓力。這種靜水壓力只有在襯砌和周邊巖體空隙處作用。如果襯砌完全和巖體密貼，即使處于無滲流狀態(tài)，靜水壓力也將很小，甚至可以忽略不計。盡管結構施工時要求二次襯砌與初期支護必須密貼，但是一般其間存在空隙，因此將會在二次襯砌的外表面產(chǎn)生靜水壓力[12]。在靜水壓力的作用下，地下結構外側的水和各種侵蝕物質(zhì)便開始向結構內(nèi)側傳輸。靜水壓力的存在一定程度會的影響侵蝕物質(zhì)的傳輸方式。以氯離子為例，地下結構與土壤接觸的一面可以認為是飽水的。在此情況下，氯離子在混凝土中傳輸方式是以擴散為主。但在靜水壓力的作用下，其傳輸方式可能以滲透為主，這主要取決于靜水壓力的大小。另外，地下結構接觸土壤的一側處于土壤環(huán)境，一面處于大氣環(huán)境，使不同位置的鋼筋存在電位差，由此產(chǎn)生宏電流會導致鋼筋銹蝕的加快，而這一點主要取決于混凝土自身電阻率。地下結構是修建于地下巖層中的鋼筋混凝土結構，在使用初期混凝土結構的密實性較高，并采取了一定的防水措施，混凝土結構不會受滲漏水的影響，因而其電阻率較大，其內(nèi)部的鋼筋腐蝕的作用很小或基本不受腐蝕。但是隨著使用時間的推移，先期所采取的防水措施將逐步失效，且混凝土結構承受地層壓力或地下水壓力作用后而在薄弱環(huán)節(jié)發(fā)生混凝土開裂，地下水就隨著混凝土裂縫滲入到其內(nèi)部[13]。當水和鹽類進入到混凝土中，混凝土的電阻率將明顯將低。這將導致鋼筋在很小的宏電流作用下發(fā)生腐蝕。如果是地鐵結構，混凝土電阻率的降低，還會大大增加雜散電流對結構的危害。

由此可見，高壓地下水是影響地下結構耐久性的根本因素之一。因此，在進行地下結構耐久性設計時，應當加強結構的防水設計并加強施工管理，保證防水措施能夠長久有效地發(fā)揮作用。同時，在條件允許的情況下，應當盡量提高混凝土自身的耐久性能和電阻率。當然，提高混凝土耐久性能的方法有很多?？傊?，對地下結構進行耐久性設計，就是要盡可能延緩混凝土結構與地下水接觸，一旦防水措施失效就要通過混凝土自身良好的耐久性能來抵御侵蝕作用，保證地下結構使用壽命和安全。

4 結語

改革開放以來，沿海城市經(jīng)濟飛速發(fā)展，高層結構、海底隧道和地鐵等工程大量出現(xiàn)。這也就對沿海地下結構耐久性研究提出更新的挑戰(zhàn)[14]。地下混凝土結構的劣化過程具有一定的漸進性和隱蔽性，少量的鋼筋銹蝕往往難以通過外觀來檢測。而一旦可以通過外觀檢測看出劣化的征兆時，鋼筋的銹蝕程度往往已經(jīng)比較嚴重了[6]。并且由于沿海地下結構工作環(huán)境復雜，在進行混凝土耐久性設計時完全照搬上部結構的經(jīng)驗是不可以的。因此，對沿海地下結構耐久性這個課題的研究具有非常重要的意義，可以使我們對混凝土結構耐久性問題有更深刻的理解。

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