濱海地鐵工程的混凝土耐久性問題探討

韓志超 亢景付 許楊健

(1.河北工程大學(xué)建筑工程學(xué)院，河北 邯鄲 056038; 2.天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津 300073)

某濱海地區(qū)地鐵工程是國內(nèi)第一條在強(qiáng)腐蝕地層中修建的地鐵工程，屬于國家級重大工程，設(shè)計(jì)使用壽命為100年?；炷潦堑罔F工程用量最大的建筑材料，其耐久性對保證工程的正常運(yùn)行至關(guān)重要。據(jù)有關(guān)資料記載，深圳地鐵[1]、香港地鐵、廣州地鐵、天津地鐵和天津大港發(fā)電廠等地下水都具有很強(qiáng)的腐蝕性，均引起混凝土結(jié)構(gòu)尤其是混凝土中鋼筋及埋地管線的腐蝕?；炷良颁摻畹母g不僅會(huì)減少工程的使用壽命，增加其使用期間的維修費(fèi)用，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致工程事故，給國家和社會(huì)帶來嚴(yán)重的損失。因此，地鐵工程的混凝土耐久性不容忽視。

邱宗新[2]對影響地下水腐蝕性評價(jià)的因素做了分析，認(rèn)為當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)直接臨水或處于強(qiáng)透水土層中的地下水時(shí)受到的侵蝕性更強(qiáng)，干濕交替或凍融交替也可使其侵蝕程度加劇。高懷志等[3]對天津地鐵混凝土框架混凝土滲透性做了檢測與分析，其滲透性偏高，混凝土?xí)煌饨缬泻橘|(zhì)迅速侵入其內(nèi)部，使碳化速度加快，嚴(yán)重影響混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。本研究對某濱海地區(qū)地鐵工程沿線地下水中的有害離子進(jìn)行調(diào)查，并分析了影響混凝土耐久性的主要因素，為濱海城市地鐵混凝土耐久性設(shè)計(jì)提供參考。

1 混凝土的耐久性

2 工程沿線地下水中侵蝕性離子分布

2.1 Cl-分布特征

由圖1可知，沿線地下水中Cl-含量變化較大，在0 mg/L～35 000 mg/L之間變化，多為10 000 mg/L～30 000 mg/L。由表1可見，Cl-含量在5 000 mg/L以下的測點(diǎn)僅占總數(shù)的14.3%，Cl-含量在5 000 mg/L以上的測點(diǎn)占總數(shù)的85.7%，有38.1%的測點(diǎn)Cl-含量超過了《巖土工程勘察規(guī)范》中的界限值20 000 mg/L?？梢?Cl-含量高，分布在各個(gè)車站及區(qū)間，濃度梯度大，因此 Cl-是本工程的重點(diǎn)腐蝕離子之一。

表1 Cl-各含量分段測站數(shù)

表各含量分段測站數(shù)

2.3 Mg2+分布特征

由圖1可知，沿線地下水中Mg2+的含量在100 mg/L～2 500 mg/L之間，其中1 000 mg/L以下的有11個(gè)測點(diǎn)，1 000 mg/L～2 000 mg/L的有7個(gè)測點(diǎn)，2 000 mg/L以上的僅有3個(gè)測點(diǎn)。

2.4 pH值及侵蝕性CO2分布特征

沿線地下水pH值多在7.5～8.5之間，呈弱堿性，個(gè)別幾個(gè)測站達(dá)到10以上。沿線各測點(diǎn)的侵蝕性CO2含量都較小，只有3個(gè)測站有侵蝕性CO2數(shù)據(jù)大于零，且含量都在6.5以下，其余都為零，均小于巖土勘察規(guī)范中的下限15 mg/L。

3 該工程主要存在的耐久性問題

該工程屬于濱海地區(qū)地下交通工程，為了保證100年設(shè)計(jì)使用壽命，首先要依據(jù)相關(guān)規(guī)程規(guī)范制定合理的混凝土耐久性控制指標(biāo)。在相關(guān)現(xiàn)行規(guī)范中，GB/T 50476—2008混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范是國標(biāo)規(guī)范，也是各不同行業(yè)制定行業(yè)規(guī)范的重要基礎(chǔ)。TB 10005—2010鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范是鐵路行業(yè)規(guī)范，但鐵路規(guī)范是基于高速鐵路建設(shè)背景，該工程混凝土結(jié)構(gòu)物的工作環(huán)境主要體現(xiàn)在地下、交通工程和隧道。因此，在制定混凝土耐久性控制指標(biāo)時(shí)，以GB/T 50476—2008混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范為依據(jù)，以TB 10005—2010鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范、TJT 275—2000海港工程混凝土結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)范和JTG/T B07—01—2006公路工程混凝土結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)范等作為參考。

3.1 碳化腐蝕

該工程環(huán)境水勘查數(shù)據(jù)中，只有 3個(gè)測站含有侵蝕性 CO2，且含量都很低，因此對隧道盾構(gòu)管片、車站基礎(chǔ)和側(cè)墻的外側(cè)(與土體接觸側(cè))來說，基本不存在碳化問題；但對這些混凝土結(jié)構(gòu)與空氣的接觸側(cè)來說，應(yīng)當(dāng)存在混凝土的碳化問題，但尚不足以成為影響本工程混凝土耐久性的制約條件，只需按照GB 50157—2013地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行控制即可。因此，本工程不需單獨(dú)考慮一般環(huán)境(碳化環(huán)境)作用問題。

3.2 氯鹽腐蝕

根據(jù)《鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》，當(dāng)水中氯離子濃度在500 mg/L～5 000 mg/L或土中氯離子濃度在750 mg/kg～7 500 mg/kg并有干濕交替時(shí)，環(huán)境作用等級為L2，當(dāng)水中氯離子濃度不小于5 000 mg/L或土中氯離子濃度在不小于7 500 mg/kg并有干濕交替時(shí)，環(huán)境作用等級為L3[5]。據(jù)此，本工程的氯鹽環(huán)境作用等級為L2和L3。但這里存在如何定義“干濕交替”的問題。該工程屬于地下工程，無凍融，無風(fēng)吹日曬雨淋，隧道中雖有干濕循環(huán)問題，但變化頻次和變化幅度都很低且只是局部存在，與海港工程的浪濺區(qū)和水位變化區(qū)的腐蝕破壞程度無法相提并論。

由于該工程是陸地上的地下工程，氯鹽環(huán)境要弱于海底隧道，雖然環(huán)境水中的離子濃度和海水相差不多，但無大型貨車通行，空氣中無鹽霧存在，并且該工程采用全包(不排水)方式，隧道襯砌外側(cè)沒有進(jìn)入空氣的可能。因此，可把該工程的環(huán)境作用等級定為比海底隧道低一個(gè)級別，即 Ⅲ-C級。但考慮到運(yùn)行過程中不可避免地會(huì)出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象，當(dāng)滲漏水不能及時(shí)排出時(shí)，道床混凝土和位于隧道底部區(qū)域的盾構(gòu)管片有可能被滲漏水浸泡，部分區(qū)段處于干濕交替工作環(huán)境，因此從安全考慮，本工程可根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)物所處位置的不同確定氯鹽環(huán)境的級別：車站底板混凝土、道床混凝土和盾構(gòu)管片混凝土按Ⅲ-D級進(jìn)行設(shè)計(jì)，其他混凝土按Ⅲ-C級進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

當(dāng)配筋混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用年限為100年，環(huán)境作用等級為Ⅲ-C和Ⅲ-D時(shí)，滿足耐久性要求的混凝土最低強(qiáng)度等級為C45[6]。鑒于目前盾構(gòu)管片混凝土的強(qiáng)度等級均不低于C50，建議本工程采用C45和C50兩種強(qiáng)度等級的高性能混凝土。盾構(gòu)管片選擇C50混凝土，其余現(xiàn)澆混凝土的強(qiáng)度等級為C45。對于板、墻等面形構(gòu)件，對應(yīng)于Ⅲ-C和Ⅲ-D的最小保護(hù)層厚度分別為45 mm和55 mm，對于梁柱等條形構(gòu)件，對應(yīng)于Ⅲ-C和Ⅲ-D的最小保護(hù)層厚度分別為50 mm和60 mm。

根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》，當(dāng)設(shè)計(jì)使用年限為100年、環(huán)境作用等級為Ⅲ-D時(shí)，混凝土28 d氯離子擴(kuò)散系數(shù)DRCM≤7×10-12m2/s；當(dāng)環(huán)境作用等級為Ⅲ-C時(shí)，規(guī)范并未規(guī)定具體目標(biāo)。但考慮到混凝土的密實(shí)性對保證混凝土耐久性尤其是氯鹽腐蝕具有重要意義，且當(dāng)混凝土的水膠比不大于0.40時(shí)，做到DRCM不大于5×10-12m2/s并無困難，并且國內(nèi)已建海底隧道工程和盾構(gòu)管片都要求DRCM不大于3×10-12m2/s。因此，建議對于該工程潛水中氯離子含量小于5 000 mg/L的地段，混凝土28 d氯離子擴(kuò)散系數(shù)為DRCM≤7×10-12m2/s；對于氯離子含量在5 000 mg/L～20 000 mg/L范圍內(nèi)的地段，建議混凝土28 d氯離子擴(kuò)散系數(shù)為DRCM≤5×10-12m2/s；對于氯離子含量在20 000 mg/L以上的地段，建議混凝土28 d氯離子擴(kuò)散系數(shù)為DRCM≤3×10-12m2/s。

3.3 硫酸鹽腐蝕

根據(jù)《鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》4.3.4，確定鹽類結(jié)晶環(huán)境作用等級的依據(jù)是水中或土中的硫酸根離子含量。《鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》表4.3.4的注2明確指出，對于一面接觸含鹽環(huán)境水(或土)，而另一面臨空且處于大氣干燥或多風(fēng)環(huán)境中的薄壁混凝土結(jié)構(gòu)(如隧道襯砌)，接觸含鹽環(huán)境水(或土)的一側(cè)按遭受化學(xué)侵蝕環(huán)境考慮，臨空面的混凝土按遭受結(jié)晶腐蝕破壞環(huán)境考慮。按此條判斷，該工程似乎存在鹽類結(jié)晶腐蝕環(huán)境。

但若考慮到該工程屬于近海地下工程，環(huán)境水與海水相差無幾，可認(rèn)定為近海氯化物環(huán)境。而鐵路規(guī)范條文說明4.3.3又指出，關(guān)于海水環(huán)境對混凝土的影響，主要考慮了其中氯離子對鋼筋的腐蝕作用。至于海水中硫酸根離子的化學(xué)作用，雖然硫酸根離子濃度已達(dá)到中度侵蝕的2 500 mg/L，但鑒于同時(shí)存在氯離子對硫酸鹽侵蝕的減緩作用，將海水硫酸鹽侵蝕程度降為輕度硫酸鹽侵蝕。國內(nèi)已建的廈門海底隧道、膠州灣海底隧道等工程，混凝土結(jié)構(gòu)的工作環(huán)境要比本工程更為嚴(yán)酷，環(huán)境腐蝕等級應(yīng)該高于本工程，但都沒有考慮硫酸鹽腐蝕破壞問題[7,8]。

基于以上分析論證，確定該工程屬于海洋環(huán)境工程，不再考慮硫酸鹽結(jié)晶腐蝕破壞。

4 結(jié)語

2)該工程主要的混凝土耐久性問題為氯鹽腐蝕，應(yīng)嚴(yán)格控制混凝土抗氯離子擴(kuò)散系數(shù)及混凝土原材料中的氯離子含量。

[1] 曹權(quán)高,劉健煒.深圳地鐵11號線地下水侵蝕性統(tǒng)計(jì)分析[J].上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2016,16(2):147-150.

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[5] TB 10005—2010，鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[6] GB/T 50476—2008，混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

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