海底隧道環(huán)境腐蝕性評價及二次襯砌混凝土室內(nèi)加速腐蝕分析

王學(xué)斌

(廈門路橋建設(shè)集團有限公司，廈門 361026)

0 引言

海底隧道襯砌混凝土結(jié)構(gòu)處于高腐蝕性的海底環(huán)境中，由于溶于混凝土孔溶液內(nèi)的氯離子和硫酸鹽離子等的濃度差，氯鹽和硫酸鹽等通過擴散不斷侵入混凝土內(nèi)部，發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng);同時，CO2和O2等氣相物質(zhì)也在混凝土孔隙氣體中形成擴散傳輸，加劇混凝土的劣化。大量研究結(jié)果表明［1-7］，摻合料可改善高標號混凝土物理和熱力學(xué)性能，對混凝土耐久性也有重要影響，其主要機理是摻合料能細化混凝土孔結(jié)構(gòu)和提高氯離子結(jié)合能力，從而獲得更好的抗氯離子擴散能力和物理力學(xué)指標。一般通過室內(nèi)加速腐蝕試驗，評價混凝土的抗腐蝕性能。

廈門翔安隧道是我國大陸地區(qū)第一座海底隧道，也是當(dāng)今世界最大斷面的鉆爆法海底隧道，其二次襯砌設(shè)計基準周期按100年考慮，設(shè)計強度為C45，必須采用高性能抗腐蝕混凝土，以滿足其耐久性和強度要求。耐久性設(shè)計首先必須確定環(huán)境腐蝕性等級。修建海底隧道在我國尚屬首次，國內(nèi)相關(guān)技術(shù)標準和規(guī)范并無直接針對海底隧道支護結(jié)構(gòu)環(huán)境腐蝕性的相關(guān)規(guī)定。本文綜合分析國內(nèi)現(xiàn)行的相關(guān)技術(shù)規(guī)范、指南和海底隧道實際運營條件，分析確定海底隧道環(huán)境腐蝕性等級。為保證二次襯砌混凝土強度和耐久性，翔安隧道通過大量的配合比試驗，取得了普通混凝土、單摻粉煤灰、雙摻粉煤灰和礦粉等二次襯砌混凝土配合比試驗研究成果。在此基礎(chǔ)上，為進一步分析不同摻合料配合比混凝土的抗腐蝕性能，通過室內(nèi)加速腐蝕試驗進行篩選。基于試驗結(jié)果對比分析，推薦抗腐蝕性能優(yōu)良的配合比方案，以期為類似工程耐久性設(shè)計提供重要技術(shù)支撐。

1 環(huán)境腐蝕性評價

廈門翔安海底隧道行車隧道為三車道大斷面隧道，隧道內(nèi)輪廓凈寬13.5 m，凈高5.5 m，橫斷面如圖1所示。本隧道設(shè)計采用復(fù)合式支護結(jié)構(gòu)，由初期支護和二次襯砌構(gòu)成，兩者之間鋪設(shè)2 mm厚的PVC防水板(仰拱除外)。二次襯砌包括素混凝土和鋼筋混凝土2種形式。隧道外壁指支護結(jié)構(gòu)靠圍巖側(cè)，隧道內(nèi)壁指支護結(jié)構(gòu)靠行車側(cè)。

綜合國內(nèi)有關(guān)環(huán)境腐蝕性的相關(guān)技術(shù)規(guī)范、指南，根據(jù)本隧道勘察資料，結(jié)合實際運營條件，對支護結(jié)構(gòu)環(huán)境腐蝕性等級分析評價如下。

圖1 行車隧道橫斷面Fig.1 Cross-section of tunnel

1.1 隧道外壁腐蝕性

根據(jù)《公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》［8］，按廈門翔安海底隧道所處地理位置和地質(zhì)條件，本隧道外壁屬于Ⅲ類環(huán)境。參考本隧道地下水水質(zhì)分析結(jié)果，對引起腐蝕的主要離子進行分析，陸域和海域地下水對隧道外壁混凝土腐蝕性評價結(jié)果如表1所示。

表1 隧道外壁混凝土腐蝕性評價Table 1 Evaluation on corrosion of concrete of exterior side of secondary lining

根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》［9］，本隧道外壁處于陸域或海域地下水中，環(huán)境條件類似水中區(qū)，評價水對鋼筋混凝土的腐蝕性時按長期浸水考慮，分析評價結(jié)果如表2所示。

表2 隧道外壁鋼筋混凝土腐蝕性評價Table 2 Evaluation on corrosion of reinforced concrete of exterior side of secondary lining

根據(jù)中國土木工程學(xué)會標準CCES01—2004《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計與施工指南》［10］，海底隧道支護結(jié)構(gòu)外壁可按土中區(qū)的非干濕交替環(huán)境考慮，為嚴重的D級。

綜上，各標準中就環(huán)境對混凝土、鋼筋混凝土或鋼結(jié)構(gòu)腐蝕作用的表達雖略有不同，但可以看出，海底隧道所接觸的海域地下水對隧道外側(cè)混凝土的腐蝕作用較輕，對鋼筋混凝土及鋼結(jié)構(gòu)具有中等至嚴重的腐蝕性。因此，出于安全性考慮，本隧道支護結(jié)構(gòu)外壁環(huán)境腐蝕性設(shè)計按嚴重的D級考慮是合理的，得到設(shè)計采用。

1.2 隧道內(nèi)壁腐蝕性

隧道內(nèi)壁暴露于潮濕、高溫，含有高CO2、NOx和SO2等侵蝕性氣體以及大量的侵蝕性氯離子的環(huán)境中，頻繁出入的車輛可能將海水帶入，還可能由于滲漏導(dǎo)致地下水入侵。該腐蝕環(huán)境按接近于干濕交替的海洋環(huán)境考慮。

根據(jù)《公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》和《巖土工程勘察規(guī)范》，參考本隧道海域海水水質(zhì)分析結(jié)果，隧道內(nèi)壁環(huán)境腐蝕性分析如表3所示。

對于海底隧道，環(huán)境對隧道內(nèi)壁的腐蝕程度明顯嚴重于外壁，隧道內(nèi)高溫、高濕和高含量的CO2、NOx和SO2等侵蝕性氣體將加速內(nèi)壁結(jié)構(gòu)的腐蝕性，按照中國土木工程學(xué)會標準《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計與施工指南》，對本隧道內(nèi)壁鋼筋混凝土的環(huán)境作用等級為非常嚴重的E級。

表3 隧道內(nèi)壁環(huán)境腐蝕性評價Table 3 Evaluation on corrosion of concrete of interior side of secondary lining

綜上，本隧道內(nèi)壁環(huán)境腐蝕性設(shè)計按非常嚴重的E級考慮是合理的，得到設(shè)計采用。

應(yīng)該指出的是，海底隧道建成后，應(yīng)定期檢測隧道滲水量、水質(zhì)、空氣質(zhì)量等內(nèi)部環(huán)境因素，并對二次襯砌混凝土碳化深度、氯離子侵蝕深度等劣化指標進行監(jiān)測，以對運營期支護結(jié)構(gòu)環(huán)境腐蝕作用等級和支護結(jié)構(gòu)實際受腐蝕程度進行量化。

2 室內(nèi)加速腐蝕試驗方法

2.1 試樣制備

根據(jù)本隧道二次襯砌高性能混凝土基本配合比試驗研究結(jié)果，設(shè)定4組不同摻合料方案的二次襯砌混凝土配合比(見表4)，作為室內(nèi)加速腐蝕試驗樣本。試驗原料采用廈門當(dāng)?shù)亟ú?，水泥為福建P·O42.5，粉煤灰為漳州后石電廠Ⅰ級灰，礦渣粉為S95磨細礦渣粉，細骨料為廈門龍海河砂，粗骨料為廈門花崗巖二級配碎石，外加劑為NF高效減水劑，摻量均為1.8%。

按《水運工程混凝土試驗規(guī)程》［11］制成100 mm×100 mm×100 mm的普通混凝土和3種摻合料高性能混凝土試件，試件標準養(yǎng)護28 d后，投入加速腐蝕試驗。

4種配合比試件標準養(yǎng)護后不同齡期強度如表5所示，均達到C45設(shè)計指標，其中礦渣組和共摻組相對更優(yōu)。

表5 不同摻合料方案的試件強度結(jié)果Table 5 Strengths of concrete specimens with different admixturesMPa

2.2 試驗方法

根據(jù)《水運工程混凝土試驗規(guī)程》開展室內(nèi)加速腐蝕試驗，把混凝土試件放在人工模擬海水的加速腐蝕環(huán)境中(浸泡鹽水和烘干交替循環(huán))，測量試驗之前以及一定試驗周期時混凝土試件的強度腐蝕系數(shù)、吸水率、體積膨脹率、鋼筋失重率與銹蝕面積、氯離子滲透量等腐蝕性能指標，以評價不同配合比試件的抗海水腐蝕性能。

為加快二次襯砌混凝土在介質(zhì)中的腐蝕，試驗采用3倍人造海水濃度(含鹽量10.5%)的鹽水作為腐蝕介質(zhì)。鹽水浸烘的腐蝕試驗條件:將混凝土試件在室溫條件下的鹽水中浸泡1周，再放入50℃ ±1℃的烘箱中烘1周，2周為一個周期，如此反復(fù)。按試驗規(guī)程，腐蝕試驗一般持續(xù)4個周期(56 d)，考慮到海底隧道的重要性，為更好地評價試件耐腐蝕性能，本隧道加速腐蝕試驗持續(xù)8個周期(112 d)。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 強度腐蝕系數(shù)

強度腐蝕系數(shù)是指在鹽水中腐蝕后的混凝土抗壓強度與同齡期淡水中混凝土抗壓強度的比值，是衡量混凝土抗腐蝕性能的基本指標之一。已有研究成果表明［7］，混凝土在鹽水中受腐蝕后，隨著鹽水中的離子不斷滲入混凝土內(nèi)部，發(fā)生物理、化學(xué)反應(yīng)，生成產(chǎn)物，改變混凝土微觀結(jié)構(gòu)，從而引起混凝土強度改變。在腐蝕早期，由于鹽離子滲入量少，其產(chǎn)物對混凝土內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)起致密作用，通?？梢鸹炷翉姸嚷晕⒃鲩L，對孔隙相對較大的普通混凝土這種早強表現(xiàn)更明顯;隨著腐蝕程度加深，鹽離子滲入量不斷增多，其產(chǎn)物不斷增多，最后將導(dǎo)致混凝土膨脹破壞，強度下降，直到喪失。因此，混凝土抵抗鹽水離子滲入的能力越強，鹽水離子滲入量越少，引起強度改變越小，強度腐蝕系數(shù)就越接近于1，混凝土抗腐蝕性能也就越好。

鹽水浸烘4個和8個周期時4組二次襯砌混凝土試件的抗壓強度腐蝕系數(shù)如圖2所示。

圖2 抗壓強度腐蝕系數(shù)與浸烘試驗周期Fig.2 Corrosion coefficient of compressive strength VS cycle of leaching bake test

由圖2可見:普通組混凝土的強度腐蝕系數(shù)隨鹽水腐蝕時間的延長而不斷發(fā)展，在8個試驗周期(112 d)時已達到1.080。而3種摻合料高性能混凝土試件在鹽水腐蝕過程中強度腐蝕系數(shù)差別不大，均接近1，在8個試驗周期(112 d)時，仍為0.998，考慮試驗誤差影響，可近似認為等于1，即尚未發(fā)生強度腐蝕變化;而普通混凝土試件在2個周期時已發(fā)生較明顯的強度腐蝕變化，在8個試驗周期時強度腐蝕系數(shù)達到1.080，即已發(fā)生顯著的腐蝕。

由此可見，在試驗周期內(nèi)，鹽水浸烘對3組摻合料混凝土試件的抗壓強度幾乎沒有影響，即試件尚未遭受鹽水腐蝕。3組摻合料高性能混凝土間相對比，其強度抗鹽水腐蝕能力無明顯差別，都大大優(yōu)于普通混凝土。

3.2 吸水率

吸水率可反映混凝土密實性，決定介質(zhì)中物質(zhì)在混凝土中的滲透性。在腐蝕試驗過程中，鹽水中有害離子滲入混凝土，并在混凝土內(nèi)發(fā)生物理、化學(xué)反應(yīng)后，會導(dǎo)致孔結(jié)構(gòu)的變化而使混凝土吸水率發(fā)生改變。吸水率變化幅度越小，說明試件性能越穩(wěn)定，抗腐蝕能力越好。

試件3 h吸水率

式中:P為試件3 h吸水率，%;W為試件吸水3 h后質(zhì)量，g;W0為試件干重(在105℃ ±2℃烘箱中烘至恒重)，g。

4種配合比混凝土試件在鹽水或淡水浸烘過程中的吸水率變化情況見圖3。

圖3 3 h吸水率與浸烘時間Fig.3 3h water absorption rate VS leaching bake time

由圖3可以看出:28 d標準養(yǎng)護結(jié)束后，3種摻合料高性能混凝土的3 h吸水率比普通組混凝土有顯著下降，并且在以后淡水浸烘的過程中，它們的吸水率也均小于普通混凝土的吸水率，這表明摻合料混凝土具有較高的密實性。在淡水浸烘過程中，4種混凝土的吸水率均有不同程度地下降，這是由于不斷水化而導(dǎo)致混凝土致密化的結(jié)果。

在鹽水中浸烘試件的吸水率小于淡水中浸烘試件，普通混凝土吸水率在2種介質(zhì)中的差距最大。在浸烘8個周期(112 d)時，鹽水中浸烘試件的吸水率僅為淡水中的69%，而3種摻合料高性能混凝土在2種浸烘條件下同期吸水率相差較小。鹽水中試件吸水率低于淡水試件，是由于鹽水中離子的侵入在混凝土內(nèi)結(jié)晶或與混凝土內(nèi)組分發(fā)生反應(yīng)生成的物質(zhì)堵塞了原有的毛細孔，改變了混凝土的孔結(jié)構(gòu)所致。因此，普通混凝土吸水率在2種介質(zhì)中的差距最大，說明其鹽水中各種離子滲透量多，混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化大，而3種摻合料高性能混凝土的吸水率在2種介質(zhì)中的差距小，說明它們的內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本不受鹽水影響。

通過對比表明，3種摻合料高性能混凝土吸水率明顯優(yōu)于普通混凝土，而3種摻合料混凝土之間差別不大，礦渣組和共摻組略優(yōu)于粉煤灰組。

3.3 體積膨脹率

在試件前后左右4個側(cè)面的中心處，用環(huán)氧樹脂粘貼不銹鋼制的測頭，在每一試驗周期用精度為0.01 mm的電子數(shù)顯卡尺測量試件2個方向的長度變化，計算試件膨脹率。

普通混凝土和3種摻合料高性能混凝土試件在鹽水浸烘過程中，試件在鹽水中長度變化率與在淡水中一致，且在112 d的浸烘過程中，所有試件的長度均沒有明顯的變化。由此表明，在112 d的鹽水浸烘過程中，4種混凝土均還沒有出現(xiàn)由于鹽水中離子侵入發(fā)生物理或化學(xué)作用而導(dǎo)致的混凝土體積膨脹的現(xiàn)象。

3.4 氯離子滲透量

由于海底隧道二次襯砌混凝土的腐蝕介質(zhì)是以氯化鈉為主的鹽水，氯離子侵入混凝土引起鋼筋銹蝕脹裂將是二次襯砌混凝土腐蝕破壞的主因。因此，滲入到混凝土中的游離氯離子的含量及滲透速度直接反映了混凝土的抗腐蝕能力。

試件養(yǎng)護完畢晾干后，留一面作為氯離子滲透面，其余5面用混凝土表面封閉底漆加環(huán)氧樹脂封閉，固化一周后進行試驗，一定試驗周期時，鉆取5個深度層(0～10 mm、10～20 mm、20～30 mm、30～40 mm、40～50 mm)的混凝土粉樣，按《水運工程混凝土試驗規(guī)程》測定粉樣中游離氯離子含量，了解深達50 mm的混凝土內(nèi)氯離子含量分布及變化規(guī)律，以比較混凝土配合比的耐久性優(yōu)劣。

4種混凝土試件在鹽水浸烘8個周期時，不同深度混凝土中氯離子的含量如圖4所示。

圖4 鹽水浸烘8個周期時氯離子含量隨深度分布Fig.4 Content of chloride after 8 cycles of saline leaching bake VS depth

由圖4可知，4類混凝土試件中氯離子含量都隨深度的增加而下降，越到混凝土內(nèi)部，氯離子含量越低。但普通混凝土氯離子含量隨深度下降較緩慢，即滲透深度大。而3種摻合料高性能混凝土氯離子含量則隨深度下降較快，在鹽水浸烘8個周期(112 d)時深度30 mm以上的氯離子仍為微量，表明摻合料混凝土氯離子滲透深度較淺。

對比表明，3種摻合料高性能混凝土中的氯離子滲透量明顯小于普通混凝土，其中礦渣組和共摻組略優(yōu)于粉煤灰組。

3.5 鋼筋失重率、銹蝕面積

本組試驗時，在每一塊試件中放置1根經(jīng)除銹處理的鋼筋，鋼筋暴露面積為φ 6.5 mm×110 mm，保護層厚度為20 mm。一定腐蝕周期后，敲開混凝土取出鋼筋，觀察鋼筋外觀銹蝕狀況，并用酸洗液去除鋼筋表面的腐蝕產(chǎn)物，吹干、稱取鋼筋腐蝕失重量，直觀地比較不同摻和料混凝土的護筋能力。

4種鋼筋混凝土試件在鹽水中浸烘112 d時的鋼筋腐蝕情況如表6所示。

由表6可見，經(jīng)112 d的鹽水浸烘，普通混凝土中鋼筋的腐蝕失重率和銹跡率均顯著大于3種摻和料混凝土中的鋼筋。其中礦渣組和共摻組未出現(xiàn)銹蝕，比粉煤灰組更優(yōu)。由此說明，3種摻合料高性能混凝土的護筋能力顯著優(yōu)于普通混凝土，可以預(yù)計，其使用壽命將顯著優(yōu)于普通混凝土，其中礦渣組和共摻組比粉煤灰組更優(yōu)。

表6 試件中鋼筋腐蝕失重率Table 6 Weight loss rate due to reinforcement bar corrosion

3.6 試驗結(jié)果小結(jié)

根據(jù)上述室內(nèi)加速腐蝕試驗結(jié)果，4種混凝土試件主要抗腐蝕性能表現(xiàn)匯總?cè)绫?所示。

表7 室內(nèi)加速腐蝕試驗結(jié)果匯總Table 7 Results of indoor accelerated corrosion tests

由表7可見，加速腐蝕試驗表明礦渣組和共摻組性能相對較好，滿足使用要求，故推薦采用。

4 結(jié)論與建議

廈門翔安海底隧道支護結(jié)構(gòu)環(huán)境腐蝕性等級綜合分析結(jié)果表明，環(huán)境對二次襯砌內(nèi)壁的腐蝕程度明顯高于外壁，外壁為嚴重的D級，內(nèi)壁為非常嚴重的E級，得到設(shè)計采用，可為類似工程提供參考。

廈門翔安隧道二次襯砌混凝土室內(nèi)加速腐蝕試驗結(jié)果表明，礦渣組(水膠比0.36，單摻60%礦渣粉)和共摻組(水膠比0.36，摻15%粉煤灰+60%礦渣粉)綜合性能均滿足C45強度要求，具有優(yōu)越的抗腐蝕性能，推薦作為廈門翔安隧道二次襯砌高性能混凝土配合比的參考。

海底隧道耐久性設(shè)計是一項系統(tǒng)工程，本文探討的環(huán)境腐蝕等級確定和室內(nèi)加速腐蝕試驗只是其中的若干環(huán)節(jié)之一，為保證100年使用壽命，還需進行耐久性配合比試驗優(yōu)化、保護層厚度設(shè)計、使用壽命預(yù)測分析等相關(guān)研究。根據(jù)耐久性綜合研究成果，廈門翔安隧道二次襯砌最終采用本文推薦的共摻組配合比。

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