鹽類侵蝕對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)耐久性的影響

付 鋼

(中鐵十七局集團(tuán)第五工程有限公司，山西 太原 030032)

近年來(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，城市化進(jìn)程不斷加快，交通基礎(chǔ)設(shè)施也變得越來(lái)越完善，各種隧道如雨后春筍般興建起來(lái)。但是，隧道地下結(jié)構(gòu)的耐久性成為了相關(guān)人員關(guān)注的重點(diǎn)問(wèn)題，也受到了社會(huì)各界的廣泛重視。因?yàn)殡S著我國(guó)交通事業(yè)的迅速發(fā)展，鐵路建設(shè)數(shù)量及運(yùn)輸量顯著提升，鐵路隧道工程也逐漸增加。但是，各種隧道結(jié)構(gòu)在投入使用以后會(huì)受到外部、內(nèi)部及人為等各種因素的影響，發(fā)生老化、損壞甚至?xí)黄茐?，降低工程結(jié)構(gòu)耐久性，這就導(dǎo)致整個(gè)工程的使用年限大大縮短。其中鹽類侵蝕破壞是今年來(lái)隧道使用過(guò)程中較突出的問(wèn)題，地下工程結(jié)構(gòu)會(huì)受到地下水、巖土介質(zhì)等各種因素的影響，鹽類侵蝕導(dǎo)致混凝土中的鋼筋遭到腐蝕，進(jìn)而使得隧道襯砌結(jié)構(gòu)的耐久性遭到了破壞。鹽類侵蝕主要是土壤中存在的氯化物和硫酸鹽所造成的。

1 氯離子、硫酸根離子侵蝕的基本機(jī)理

1.1 氯離子、硫酸根離子侵入混凝土的途徑

氯離子、硫酸根離子侵入混凝土的途徑主要包括兩種：第一種途徑是混入，比如使用含有氯離子、硫酸根離子的外加劑、攪拌澆筑混凝土的環(huán)境含有鹽分等；第二種途徑是滲入，周圍環(huán)境中含有的氯離子、硫酸根離子通過(guò)混凝土的缺陷混入其中且能夠與鋼筋表面相接觸。施工管理中存在的各種問(wèn)題是氯離子、硫酸根離子混入混凝土的主要原因，這種情況表面上看貌似容易解決，但是卻時(shí)有發(fā)生。而綜合技術(shù)問(wèn)題是導(dǎo)致氯離子、硫酸根離子滲入混凝土結(jié)構(gòu)的主要原因，會(huì)受到混凝土材料的多孔性、密實(shí)性及工程的整體質(zhì)量等各種因素的制約。

1.2 氯離子、硫酸根離子侵入混凝土的機(jī)理

鹽類侵蝕環(huán)境的混凝土結(jié)構(gòu)因所處環(huán)境含有氯鹽和化學(xué)侵蝕物質(zhì)，氯離子、硫酸根離子可以通過(guò)混凝土的內(nèi)部空隙、微小裂縫等侵入到混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)中。從當(dāng)前的研究情況來(lái)看，氯離子、硫酸根離子侵入混凝土的方式具體如表1所示。

表1 氯離子、硫酸根離子侵入混凝土的方式

1.3 氯離子、硫酸根離子侵蝕引起隧道襯砌結(jié)構(gòu)耐久性損傷機(jī)理

根據(jù)國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究可知，早期的混凝土具有很高的堿性，埋設(shè)的鋼筋處于高堿性的環(huán)境中會(huì)發(fā)生鈍化作用，在鋼筋表面形成一層鈍化膜，處于鈍化狀態(tài)的鋼筋可以有效防止其銹蝕。但是，一旦鋼筋表面的鈍化膜遭到破壞，加之其他不利條件的影響就會(huì)導(dǎo)致鋼筋出現(xiàn)銹蝕?；炷林械匿摻罡g屬于電化學(xué)腐蝕現(xiàn)象，其發(fā)生條件具體包括如下三點(diǎn)：第一，鋼筋表面存在電位差，形成腐蝕電池；第二，鋼筋表面的鈍化膜遭到破壞，鋼筋處于活化狀態(tài)；第三，鋼筋表面存在水和溶解氧滿足化學(xué)反應(yīng)的需要。

2 鋼筋銹蝕對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)性能的影響

隧道結(jié)構(gòu)和地下水、巖土介質(zhì)及各種特殊環(huán)境直接接觸，這些環(huán)境具有的各種侵蝕性鹽類會(huì)直接導(dǎo)致鋼筋的銹蝕。而鋼筋的銹蝕又是造成隧道襯砌結(jié)構(gòu)承載力下降的主要原因，對(duì)結(jié)構(gòu)的耐久性造成一定的損傷，所以要加強(qiáng)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究就必須要研究銹蝕后混凝土構(gòu)件的性能。這不僅有助于對(duì)受銹蝕建筑物是否可以安全使用進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)價(jià)，而且有利于后期及時(shí)采取有效措施對(duì)建筑物進(jìn)行改造和加固。

由于快速銹蝕時(shí)間的變長(zhǎng)鋼筋混凝土的受銹蝕狀況會(huì)不斷加劇，沿著混凝土縱向受力鋼筋區(qū)域銹蝕的產(chǎn)物會(huì)導(dǎo)致混凝土保護(hù)層的脹裂，且裂縫情況較為嚴(yán)重，甚至?xí)?dǎo)致部分區(qū)域的混凝土表層會(huì)出現(xiàn)脫落。以電化學(xué)快速銹蝕實(shí)驗(yàn)為例，混凝土結(jié)構(gòu)的受銹蝕情況更具整體性，同時(shí)受銹蝕程度和當(dāng)前的實(shí)際工程常見(jiàn)的銹蝕情況相比更為嚴(yán)重。鋼筋保護(hù)層的存在會(huì)在一定程度上緩減鋼筋的銹蝕，且保護(hù)層厚度越大其緩減作用越明顯。

3 鹽類對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)侵蝕的預(yù)防對(duì)策及注意事項(xiàng)

3.1 合理選擇水泥品種

在進(jìn)行隧道襯砌結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中，要結(jié)合侵蝕環(huán)境的特點(diǎn)，來(lái)對(duì)水泥品種給予科學(xué)、合理的選擇，在此基礎(chǔ)上配制出抗鹽類侵蝕的混凝土?？梢赃x擇礦渣水泥等摻活性混合材水泥和C3A含量相對(duì)比較低的水泥(如抗硫酸鹽水泥)；同時(shí)也可以選擇普通硅酸鹽水泥，增加粉煤灰等摻和料的摻量，由此配制出的混凝土其抗硫酸鹽侵蝕能力比較強(qiáng)。

3.2 提高混凝土密實(shí)性

1)通常情況下，水泥水化需水量只是水泥質(zhì)量的10%～15%左右，但是其由于施工等因素的影響其實(shí)際需水量高達(dá)40%～70%，其余的水分在進(jìn)行蒸發(fā)處理后，可以形成連通孔隙，從而導(dǎo)致侵蝕介質(zhì)滲入到水泥石內(nèi)部，導(dǎo)致隧道襯砌結(jié)構(gòu)被侵蝕。此時(shí)，就需要在隧道襯砌結(jié)構(gòu)施工階段，通過(guò)對(duì)混凝土的配合比進(jìn)行設(shè)計(jì)，來(lái)有效改善集料的級(jí)配，降低W/C，并按照要求適當(dāng)添加外加劑，以達(dá)到提高混凝土密實(shí)度的目的，降低鹽類對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)的侵蝕。

2)混凝土澆筑時(shí)，搗固采用模板臺(tái)車上附著式振動(dòng)器及插入式振搗器相結(jié)合振搗。在原有二襯臺(tái)車基礎(chǔ)上，增加人工振搗窗口，兩側(cè)配備足夠數(shù)量的振搗棒，邊墻和拱腳部分的混凝土澆筑均采用插入式振搗器作業(yè)，加大振搗頻次，混凝土振搗要達(dá)到均勻密實(shí)的效果，提高混凝土抗侵蝕性能。

3.3 嚴(yán)格控制混凝土鋼筋保護(hù)層的厚度

為了有效預(yù)防鹽類對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)的侵蝕，在二襯鋼筋施工過(guò)程中，我們采取了以下措施：二襯鋼筋綁扎時(shí)，采用固定卡具控制二襯鋼筋的間距與排距，二襯臺(tái)車就位前現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員對(duì)二襯鋼筋的位置進(jìn)行測(cè)量確認(rèn)；在二襯臺(tái)車就位后，再次對(duì)鋼筋位置進(jìn)行測(cè)量，確保鋼筋保護(hù)層的厚度，確保混凝土對(duì)鹽類抗侵蝕的有效距離。

3.4 采用蒸汽養(yǎng)生

在進(jìn)行隧道襯砌結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中，采用移動(dòng)式蒸汽養(yǎng)護(hù)臺(tái)車對(duì)高侵蝕環(huán)境下的二襯進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，借助蒸汽養(yǎng)生的手段可以有效消除游離的Ca(OH)2，并促進(jìn)C2S和C3S轉(zhuǎn)化為晶體水化物，其穩(wěn)定性要高于常溫下形成的水化硅酸鈣。同時(shí)，C3A在水化的作用下轉(zhuǎn)化為立方晶系C3AH6，穩(wěn)定性增強(qiáng)，其可以取代穩(wěn)定性差的六方晶系C3AH12，從而有效提高混凝土的抗硫酸鹽性能。

4 結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)，人們對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的重視程度越來(lái)越高，與之相關(guān)的研究也隨之增多，可以說(shuō)隧道襯砌結(jié)構(gòu)耐久性研究已經(jīng)成為相關(guān)領(lǐng)域的重要研究熱點(diǎn)。因?yàn)槁入x子、硫酸根離子的侵入而導(dǎo)致的鋼筋銹蝕是混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究中十分嚴(yán)重和普遍的一種現(xiàn)象，所以必須要對(duì)氯鹽侵蝕環(huán)境下混凝土耐久性進(jìn)行研究。但是，在氯鹽環(huán)境中混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性是一個(gè)非常復(fù)雜的問(wèn)題，會(huì)受到各種因素的影響，因此相關(guān)研究還有待于不斷深化，希望本文內(nèi)容對(duì)研究有一定的幫助作用。