馬振庭

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司， 西安 710043)

0 引言

近些年，我國城市地下空間的發(fā)展十分迅速，各大城市都興起了修建地下工程的浪潮[1-3]。與一般的建筑工程結構相比，由于地下結構常常深埋于地下，因此其所面臨的混凝土侵蝕問題顯得尤為突出[4-5]。

20世紀70年代在我國香港所修建的部分地鐵線路在建成20年之后就面臨了混凝土內(nèi)部鋼筋產(chǎn)生嚴重銹蝕的問題。上海打浦路隧道在修建完成后不到20年的時間內(nèi)也出現(xiàn)了和香港地鐵一樣的混凝土內(nèi)部鋼筋銹蝕進而導致混凝土層脫落的現(xiàn)象。北京地鐵某線路在開始運營后的幾年時間內(nèi)，便發(fā)現(xiàn)了隧道襯砌管片出現(xiàn)了穿孔現(xiàn)象。種種案例均表明，地鐵隧道混凝土耐久性所面臨的問題十分嚴峻和普遍。

目前正是我國地下空間建設的大發(fā)展時期，在腐蝕性水土環(huán)境中混凝土結構如不采取有效措施，必將面臨大量的工程病害問題。西寧地區(qū)地下水土中富含Cl-與SO42-，Cl-侵蝕會導致鋼筋銹蝕，SO42-的侵蝕會嚴重影響混凝土性能。因此，針對西寧火車站地下配套建設工程所面臨的強腐蝕性水土環(huán)境，運用合理研究手段，開展鹽湖鹵水環(huán)境下地下混凝土耐久性和綜合防治技術研究迫在眉睫。

1 腐蝕機理

場地勘察報告表明，工程所在區(qū)域地下水的組成主要包括兩部分，分別為孔隙型潛水以及基巖裂隙水，二者共同構成了SO42--Cl--Na+型鹽湖鹵水，普通混凝土1～3d即發(fā)生嚴重化學腐蝕破壞。當Cl-透過混凝土接觸到內(nèi)部鋼筋時，會使鋼筋發(fā)生銹蝕，進而導致混凝土開裂甚至危及工程結構物的安全性能。工程概況及水土腐蝕性評價詳見文獻[6]。

1.1 硫酸鹽對混凝土的腐蝕機理

硫酸鹽對混凝土所引起的腐蝕破壞主要是化學反應及物理膨脹兩方面共同作用的結果，見圖1。

圖1 硫酸鹽對混凝土的腐蝕機理

物理化學型侵蝕破壞具體表現(xiàn)為硫酸鹽與水泥凝結時的水化產(chǎn)物進行化學反應，產(chǎn)生具有膨脹效應的結晶物，使得混凝土內(nèi)部開裂崩壞。依據(jù)結晶物化學組成的不同，物理化學型侵蝕破壞主要可以劃分為兩類，分別為鈣礬石型結晶和石膏型結晶?，F(xiàn)有的研究資料表明：當SO42-濃度較低時，結晶物產(chǎn)物主要是由鈣礬石晶體構成；當SO42-的濃度開始穩(wěn)步增長時，逐步產(chǎn)生石膏型結晶體，與此同時，鈣礬石晶體逐漸減少；當SO42-濃度大到一定程度時，石膏型結晶體則構成了結晶物的主要組成部分。

物理破壞則主要體現(xiàn)在結晶體侵蝕，主要表現(xiàn)在周圍土體中的SO42-透過混凝土表面滲入到其內(nèi)部，當外界濕度大幅減小時，混凝土所包含的水分開始逐漸向外界蒸發(fā)，使得內(nèi)部的硫酸鹽晶體析出，生成相應的結晶壓力，使得混凝土內(nèi)部開裂崩壞。

1.2 Cl-對鋼筋的腐蝕機理

Cl-對鋼筋的腐蝕主要表現(xiàn)在其透過混凝土表面裂縫侵入到其內(nèi)部，與鋼筋發(fā)生反應生成Fe2+，隨后在水和氧氣的協(xié)同作用下，產(chǎn)生具有膨脹效應的氫氧化鐵(Fe(OH)3)以及氧化鐵(Fe2O3)，從而對鋼筋產(chǎn)生了破壞作用。與此同時，隨著化學反應的不斷加劇，相應產(chǎn)物的體積也在不斷增加，使得混凝土膨脹開裂，腐蝕機理如圖2所示。

圖2 Cl-對鋼筋的腐蝕機理

大量的工程資料表明：鹽湖鹵水使鋼筋混凝土結構形成嚴重腐蝕的主要位置是混凝土結構與其的接觸面處[7-8]。所以，為提高結構的耐久性，應該采取相應措施，以控制SO42-和Cl-透進混凝土時的濃度[9]。

對于本工程這種環(huán)境作用等級超過V-E級環(huán)境[10]，目前國內(nèi)外相應的研究并不是十分豐富，因此，本文對其從設計與施工兩方面展開了相應的防腐防滲研究。

2 混凝土抗腐蝕性設計要點

依據(jù)目前所掌握的工程場地的地質(zhì)條件與研究方向，在混凝土構件的設計與施工中應著重考慮與地下水或鹽漬土直接接觸的混凝土構件的防腐措施，以加強結構的正常使用性能[11]。

2.1 采用高性能混凝土

高性能混凝土(HPC)是近年來才興起的一種具有優(yōu)良性能的新型混凝土，它是使用普通的原材料與常規(guī)的制備工藝生產(chǎn)出的一種具有高耐久性的工程混凝土。考慮到該工程位于強腐蝕性的鹽漬土環(huán)境下，所以應采用高性能混凝土框架結構。頂板和蓋梁使用Ca45型混凝土，地下一層中板與梁、側墻、底板、樁基等采用Ca60高性能混凝土。

(1)水泥

選用PO.42.5級(C50以下)以及PO.52.5級(C50及以上)的P·I型普通硅酸鹽水泥。

(2)礦物摻合料(礦物外加劑)

對于高性能抗腐蝕混凝土，宜摻入多種復合型礦物外加劑，用來增強結構混凝土的耐久性和對內(nèi)部鋼筋的阻銹能力。

摻合料的種類包含粉煤灰、磨細礦渣和硅灰等。為有效避免堿-集料反應的產(chǎn)生，在加入摻合料前，需檢測Na2O當量堿含量，確?？倝A含量不超過0.5kg/m3。此外，從礦物摻合料中所帶來的Cl-含量應低于膠凝材料整體重量的0.01%；SO42-含量也應低于膠凝材料整體重量的1%。

(3)集料

在集料選擇時，應該著力避免采用活性集料，以防止堿-集料反應的發(fā)生。與此同時，采用合理的各級粒徑顆粒的分配，以提高混凝土的拌合性。

細集料應采用細度模數(shù)在2.6～2.9之間質(zhì)地堅硬的天然砂粒，并且含泥量不應大于2.0%，云母含量低于2%。粗集料應質(zhì)地堅硬，抗腐蝕性能優(yōu)異，吸水性小，松散堆積密度大于1 450kg/m3，空隙率低于45%，含泥量小于0.8%，壓碎指標小于12%。作為粗集料來源的巖石抗壓強度與對應混凝土的抗壓強度之比要大于等于2，同時，粒徑大小也應滿足設計與施工要求。

從集料中所帶來的Cl-含量應低于膠凝材料整體質(zhì)量的0.005%；SO42-含量低于膠凝材料整體質(zhì)量的1%，含堿量應小于0.5kg/m3。

(4)化學外加劑

本工程所應用的化學外加劑主要包含鋼筋阻銹劑、減水劑、緩凝劑和引氣劑。所使用的化學外加劑中均不含K+,Na+,SO42-,Cl-。

(5)拌和水

拌合水不得采用廢水以及pH值小于5的酸性水，并且水中Cl-的總含量小于200mg/L，SO42-的總含量小于500mg/L。與此同時，水中也不應存在影響水泥正常凝結的不利物質(zhì)。

2.2 控制水膠比和膠凝材料用量

水膠比、膠凝材料用量是混凝土耐久性的一個重要指標，設計中應結合實際項目所處的環(huán)境類別、作用等級、使用年限等指標確定水膠比、膠凝材料具體用量。本工程根據(jù)項目實際情況，按《混凝土結構耐久性設計標準》(GB/T 50476—2019)[10]相關規(guī)定，確定的具體指標見表1。

2.3 明確常用混凝土耐久性參數(shù)指標要求

常用的混凝土耐久參數(shù)性指標包括一般環(huán)境下的混凝土抗?jié)B等級、凍融環(huán)境下的抗凍耐久性指數(shù)、氯化物環(huán)境下的氯離子擴散系數(shù)等[10]。本工程設計使用年限100年，針對項目環(huán)境具體情況，參照耐久性相關規(guī)范要求對與土直接接觸的結構構件耐久性指標進行明確，具體指標詳見表2。

2.4 控制保護層厚度

依據(jù)工程場地的地質(zhì)條件，設計結構各個部位的混凝土保護層厚度(表3)，以預防外界鹽湖鹵水中腐蝕物質(zhì)的侵入。

2.5 附加防腐蝕手段

依據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)條件及結構各部位自身的工程特點，對相應的重點位置展開了必要的防腐蝕設計，詳見表4。

3 混凝土抗腐蝕性施工要點

3.1 混凝土施工

在施工前，需要對混凝土開展相應的配合比試驗，以確?；炷恋膹姸燃澳途眯?；膠凝材料及最大水膠比符合相應的設計要求，Ca60以下最大需水量不應該大于150kg/m3；拌合時適量引氣，以增強高性能混凝土的抗凍能力，新拌混凝土的含氣量要求控制在4%～7%之間。

混凝土澆筑前，所有參與混凝土澆注的工程技術人員在登上操作面前，需要在一個就近的位置集中沖洗，避免設備尤其是工程人員鞋底攜鹽進入混凝土澆筑場地?；炷翝仓肽５墓ぷ餍阅埽瑧媳?的要求。

膠凝材料用量以及水膠比 表1

常用混凝土耐久性指標 表2

結構各部位保護層厚度 表3

附加防腐蝕手段 表4

混凝土澆筑入模的工作性能 表5

由于高性能混凝土水膠比較低，所以在混凝土澆筑后應當迅速加以覆蓋并及時加濕養(yǎng)護，養(yǎng)護期限至少為7d，且場地混凝土的強度至少達到28d標準養(yǎng)護強度的一半。

拆除模板時，不僅需要考慮混凝土的強度也需要考慮結構混凝土的內(nèi)外溫差，防止因接觸空氣時溫差較大所導致的混凝土龜裂。

3.2 混凝土保護層控制

本項目使用保護層定位夾以確保鋼筋定位準確，鋼筋安裝時保護層厚度的允許誤差：板、墻結構+3mm和-0mm；梁、柱結構+5mm和-0mm；基礎+10mm和-0mm；樁基±10mm。應當注意的是，混凝土保護層內(nèi)部嚴禁出現(xiàn)鋼絲及雜物。

澆筑混凝土前，應注意以下事項：1)保護層定位夾的位置和數(shù)量以及固定的穩(wěn)定性；2)鋼筋、預埋件的尺寸規(guī)格、數(shù)量及位置，確保與圖紙一致；3)混凝土模板的緊固性，防止在澆筑混凝土時模板發(fā)生破壞。澆筑完畢后，應用非破損法檢測工程場地混凝土的保護層厚度，確保滿足設計及《混凝土結構工程施工規(guī)范》(GB 50666—2011)要求。

3.3 鋼筋施工

普通鋼筋的堆放，加工必須在一個相對封閉的廠房內(nèi)進行，不得將鋼筋、施工鋼板等與地表混凝土直接接觸，避免鋼筋受鹽漬土影響。同時施工用砂石料場地也需要采取覆蓋施以避免接觸到鹽漬土。

3.4 涂裝施工

3.4.1 涂裝

在標準養(yǎng)護28d后，即可對混凝土結構展開涂裝工作。涂裝前，使用高壓水槍對混凝土表面展開清潔工作，去除混凝土表面附著的油泥和松散堆積物；清潔完畢后，使用吸濕工具(海綿)或壓縮空氣使得混凝土處于表干狀態(tài)，以利于下一環(huán)節(jié)的涂裝工作；下一階段涂裝工作開始前，應對上一階段的涂層進行清潔處理，若上一涂層因過于光滑而影響到下一階段的涂層施工時，應對其打毛，以利于下一階段的涂裝工作。

涂裝工作完成后，應對涂層的厚度展開量測，具體的量測方法是在50m2內(nèi)隨機選取一個測點，且總測點數(shù)至少為30個。當涂層厚度不滿足設計要求時應依據(jù)工程現(xiàn)場實際情況進行局部或是整體補涂。

涂裝結束3d后，對涂層表觀進行檢測，確保涂層無氣泡和剝落。

3.4.2 硅烷浸漬

浸漬材料在陰涼干燥且遠離火源處進行存放，并設置相應的警示牌。材料啟封后應在72h之內(nèi)使用完畢。

硅烷在浸漬前需開展噴涂試驗，試驗區(qū)域控制在1～5m2之間。噴涂完成后，在試驗區(qū)域內(nèi)鉆芯取樣，并對所選取的樣本開展氯化物吸收量的降低效果、吸水率以及硅烷浸漬深度等指標的檢測。當檢測通過時，才可對混凝土結構進行浸漬。

浸漬硅烷的混凝土齡期至少為28d，當開始進行硅烷浸漬時，應先用鏟刀鏟去表面的松散附著物再用水泥漿液修補蜂窩麻面。

浸漬完畢后開始進行質(zhì)量驗收，以500m2作為一個質(zhì)檢批次，當質(zhì)量驗收的檢測結論不滿足下列的任意一項時，應當再次進行硅烷浸漬：1)混凝土的平均吸水率小于0.01mm/min1/2。2)強度等級低于C45的混凝土，浸漬深度至少要為3～4mm；強度等級高于C45的混凝土，浸漬深度則應該達到2～3mm。3)氯化物含量平均降低至少為90%。

3.4.3 鋼筋涂層

鋼筋在涂層前應確保其表面無污物及鐵銹等松散附著物，且清潔度達到《混凝土結構工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》(GB 50204—2015)及《環(huán)氧樹脂涂層鋼筋》(JG/T 502—2016)要求。

鋼筋表面經(jīng)過清潔處理后，應在4h之內(nèi)開始進行涂裝工作，涂料在使用之前應拌合均勻，且每間隔15min就應重新攪拌一次。涂裝工作總共分為三步開展，依次為涂裝底漆、中間漆和面漆。

漆膜表面光潔，無掛流、漏涂、孔針、發(fā)白、起泡、縮孔等任何漆膜弊病，并且干膜厚度應符合規(guī)范《環(huán)氧樹脂涂層鋼筋》(JG/T 502—2016)相關要求。

4 試驗概況

4.1 試件設計

本次試驗選用PO.42.5型普通硅酸鹽水泥，混凝土的材料用量詳見表6、表7。試驗中，制備尺寸為150mm×150mm×150mm的立方體試塊40個，其中普通混凝土(OPC)與高性能混凝土(HPC)試塊各20個。

混凝土原材料使用量/(kg/m3) 表6

試驗用高性能混凝土按15%的粉煤灰、25%的磨細礦粉、3%的硅灰加入礦物摻和料，同時按1.36kg/m3的比例加入改性聚酯纖維。

試件在養(yǎng)護24h后拆模，再標準養(yǎng)護7d。依據(jù)文獻[6]選定質(zhì)量分數(shù)為10.0%的Na2SO4溶液作為腐蝕液，并用清水作對照試驗，試件完全浸泡在腐蝕溶液中，試件分組情況見表7。

試件分組 表7

4.2 試驗過程

試驗儀器采用電液伺服壓力機，加載速率控制在0.5MPa/s。從試件養(yǎng)護7d后起，每間隔30d對各溶液中的試件展開一次單軸抗壓試驗，并統(tǒng)計相關數(shù)據(jù)。

4.3 試驗結果

經(jīng)整理，試驗結果如圖3所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，在清水中隨著試驗時間的不斷增加，4組試件的抗壓強度均逐漸增大，并在最后趨于穩(wěn)定。在濃度10.0%的Na2SO4溶液中，試件抗壓強度隨時間的變化趨勢大體可分為3個階段。

圖3 試件抗壓強度隨時間的變化

第一階段，4組試件的抗壓強度隨著時間的增加而逐步增大，并且均高于同齡期在清水中試件的抗壓強度。造成這一現(xiàn)象的主要原因是在腐蝕前期，硫酸鹽的膨脹作用在一定程度上提高了混凝土的密實性，從而使得混凝土的抗壓強度得到了較為明顯的增加。

第二階段，4組試件的抗壓強度增速緩慢，出現(xiàn)了抗壓強度小于同期在清水中抗壓強度的趨勢。這是因為一方面水泥水化反應繼續(xù)進行，增加了混凝土的強度，而另一方面隨著腐蝕的不斷進行，混凝土的強度逐步降低。這兩種矛盾因素的共同作用使得試件抗壓強度隨時間的變化曲線出現(xiàn)第二階段的這種發(fā)展趨勢。

第三階段，試件O1，O2的抗壓強度極劇減小，并遠遠小于同期在清水中的抗壓強度，試件H1，H2的抗壓強度緩慢減小，并小于同期在清水中的抗壓強度?？梢园l(fā)現(xiàn)，本工程所采用的高性能混凝土的抗腐蝕性能要遠遠高于普通混凝土。

5 結語

通過對混凝土材料的腐蝕機理的分析及現(xiàn)場試驗研究，從設計及施工兩方面提出混凝土抗腐蝕設計的總體思路，主要成果如下：

(1)對于環(huán)境作用等級較高的工程，在考慮防腐防滲時應采取多重防護措施與手段綜合處理，以滿足結構耐久性的需求。

(2)從研究混凝土的組成成分出發(fā)，分析了原材料(水泥品種、礦物摻和料、集料、化學外加劑、及拌合水的水質(zhì)情況)對混凝土耐腐蝕性能的影響，結果表明，通過混凝土配合比的優(yōu)化設計，能夠獲得具有防腐蝕和耐久性的高性能混凝土。提出了應用于鹽漬土環(huán)境下高性能混凝土摻加料的定量指標。

(3)工程施工過程中，應強化對各個施工環(huán)節(jié)的控制，嚴格把握質(zhì)量關，使得混凝土的水灰比、坍落度以及保護層厚度等在設計要求的范圍內(nèi)，同時要重視鋼筋施工以及后期的涂裝工作，多管齊下，確保高性能抗腐蝕混凝土的各項物理力學指標符合設計與施工的要求。

(4)通過開展混凝土抗腐蝕試驗，驗證工程所用高性能混凝土在鹽湖鹵水環(huán)境中具有極佳的抗腐蝕能力。