戈壁灘鹽漬土地區(qū)橋涵結構物耐久性設計研究

黃繼興，樊小偉

（中交第二航務工程勘察設計院有限公司，湖北 武漢 430060）

0 引言

近年來，隨著一帶一路的提出，國家日益重視對西部地區(qū)交通基礎設施的建設。鹽漬土是我國西北部區(qū)域廣泛分布的特殊性巖土，由于其特殊的物理性質和化學性質，在戈壁灘鹽漬土地區(qū)修建的公路、鐵路橋涵結構物經(jīng)常發(fā)生腐蝕、病害。戈壁灘鹽漬土地區(qū)的橋涵結構物如果不采取任何防腐蝕措施，其耐久性會減弱，使用壽命也會大大減小。因此，如何有效的提高戈壁灘鹽漬土地區(qū)橋涵結構物的耐久性，確保橋涵結構物的使用壽命，成為戈壁灘鹽漬土地區(qū)基礎設施建設的關鍵性問題。

1 工程區(qū)鹽漬土的成因及特性

G215線柳園至敦煌公路工程是古“絲綢之路”重要的路線，是敦煌及青海地區(qū)與新疆北部地區(qū)之間交通往來的主要通道，該項目位于河西走廊的戈壁灘地區(qū)，上游為疏勒河，工程區(qū)氣候干燥多風，雨少嚴寒，日照長而輻射強，蒸發(fā)強烈。疏勒河中的水流流經(jīng)上游出露含鹽地層，將鹽分帶至下游沖積平原或洪積扇上，土壤長年處在積鹽過程中，經(jīng)蒸發(fā)和多次累積形成沖洪積鹽漬土層。

工程區(qū)位于山前洪積扇地帶，屬于堿化、戈壁灘氯鹽-硫酸鹽鹽漬土片區(qū)，沿線以細砂和粉質黏土為主，地表局部可見鹽霜，局部土層開挖晾曬后可見泛白現(xiàn)象，土壤中鹽分主要集中在近地表（0～2m）深度內(nèi)，2m以下土層含鹽量相對減少，地下水及地表水中含鹽量較高。

2 戈壁灘鹽漬土對橋涵結構物的影響分析

戈壁灘鹽漬土中含有大量氯鹽和硫酸鹽，其對橋涵結構物的腐蝕可分為對混凝土的腐蝕和對鋼筋的腐蝕。根據(jù)戈壁灘區(qū)嚴寒環(huán)境的特性，兩種腐蝕分別有以下特點。

2.1 戈壁灘鹽漬土對混凝土的腐蝕

戈壁灘鹽漬土對混凝土的腐蝕又包含物理腐蝕和化學腐蝕兩種。

物理腐蝕：戈壁灘地區(qū)地下水位變化頻繁，混凝土構件位于干濕循環(huán)的環(huán)境中。當混凝土結構在水位以下時，混凝土通過毛細作用吸進了含有鹽分的鹽溶液，鹽溶液慢慢侵入混凝土內(nèi)部，當?shù)叵滤幌陆禃r，混凝土中的鹽溶液會蒸發(fā)、結晶，同時產(chǎn)生很大的結晶壓力，反復作用后易使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生裂縫，并隨著裂縫的產(chǎn)生，更多的鹽溶液進入混凝土結構內(nèi)部，長期循環(huán)累積導致混凝土破壞，失去強度。該破壞形態(tài)為地面以上0.5m至地面以下1m范圍內(nèi)的混凝土結構混凝土石子外漏，易敲碎。

化學腐蝕：混凝土的化學腐蝕是硫酸鹽鹽漬土引起的，硫酸鹽鹽漬土對混凝土的化學腐蝕主要是硫酸鹽鹽漬土中的S O42-和Mg2+與混凝土中的成分發(fā)生化學反應，生成沒有強度的化學物質或結晶體，使混凝土發(fā)生潰散破壞。其中S O42-可與混凝土中的水化鋁酸鈣發(fā)生化學反應，生成的結晶物體積增大兩倍，產(chǎn)生較大的結晶壓力；Mg2+可與混凝土的主要成分氫氧化鈣發(fā)生化學反應，生成無粘結強度的化學物質，使得混凝土結構疏松甚至解體。該破壞形態(tài)為常水位以下的混凝土結構表面剝蝕，易敲碎。

2.2 壁灘鹽漬土對鋼筋的腐蝕

壁灘鹽漬土對鋼筋的腐蝕為化學腐蝕，主要是由于壁灘鹽漬土中氯鹽的腐蝕作用引起的。氯鹽易溶于水，其溶于水后的Cl-滲透能力較強，能夠通過混凝土中的縫隙進入到鋼筋表面，破壞鋼筋的鈍化膜，然后形成“腐蝕電池”，使得滲入的Cl-和S O42-能夠與鋼筋發(fā)生化學反應，同時Cl-還能提高“腐蝕電池”的腐蝕效率，使得鋼筋表面產(chǎn)生鐵銹，大大降低鋼筋與混凝土的粘結作用，使鋼筋混凝土結構產(chǎn)生裂縫。該破壞形態(tài)為常水位以下的混凝土結構裂縫較多，結構物鋼筋外漏且銹蝕嚴重。

3 工程區(qū)鹽漬土分析評價

G215線柳園至敦煌公路工程位于戈壁灘鹽漬土區(qū)域。根據(jù)相關規(guī)范，并結合工程經(jīng)驗，工程區(qū)化學腐蝕環(huán)境分類和作用等級可根據(jù)表1進行分類。

依據(jù)野外調查和室內(nèi)取樣測試分析，工程區(qū)大多地段鹽漬土基本特征為：上部為沖洪積和湖沼沉積形成的鹽漬土，以弱～中氯鹽漬土為主，局部地段為硫酸鹽漬土及亞硫酸鹽漬土，鹽漬化程度以弱～中為主。工程區(qū)鹽漬土分布路段見表2。

表1 化學腐蝕環(huán)境分類及作用等級評定表

根據(jù)實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析表面，土層對混凝土結構腐蝕等級為中等腐蝕，局部含鹽量高地段為強腐蝕，對鋼筋腐蝕等級為弱～中腐蝕，化學環(huán)境作用等級主要為C級和D級。

表2 工程區(qū)鹽漬土分布表

4 戈壁灘鹽漬土地區(qū)提高橋涵結構物耐久性的措施[1-8]

根據(jù)橋涵結構中混凝土和鋼筋受腐蝕破壞的機理及部位，并結合工程區(qū)環(huán)境情況，采取了以下技術措施來提高橋涵結構的耐久性。

4.1 混凝土防腐蝕技術措施

4.1.1 控制原材料的質量及比例

混凝土選用了含堿量較低或者堿活性較弱的水泥、砂、石、水等材料，鹽漬土地區(qū)的水腐蝕性較強，應對使用的水進行處理，水質符合要求方可使用。同時，嚴格控制混凝土水膠比，粉煤灰含量占總膠凝材料不大于30%，粉煤灰的含碳量不大于2%，硅灰占膠凝材料3%，在確?；炷恋奶涠韧瑫r，增加水泥的用量。為保證工程區(qū)橋涵結構物的耐久性，對全線橋涵構造混凝土的最低強度等級、最大水膠比和膠凝材料最小用量的要求見表3。

表3 最低強度等級、最大水膠比和膠凝材料最小用量表

4.1.2 采用高標號的防腐蝕混凝土

水泥的品質對鹽漬土地區(qū)混凝土的抗腐蝕性能有著關鍵性的作用，根據(jù)工程區(qū)的環(huán)境作用等級，項目中橋涵結構物的基礎及下部結構采用了C40高抗硫酸鹽混凝土。鹽漬土對混凝土的化學腐蝕主要是S O42-離子引起的，一般的硅酸鹽水泥中的鋁酸鈣成分比例較大，與S O42-發(fā)生化學反應的速度快，混凝土耐久性較差。C40高抗硫混凝土具有高密實、低滲透性、含鋁酸鈣較少等優(yōu)點，采用高標號的混凝土能夠減少毛細水的滲入，降低S O42-與混凝土之間化學反應的速度，從而有效的減弱鹽漬土對混凝土的腐蝕作用，提高混凝土的耐久性。

4.1.3 摻加混凝土外加劑

戈壁灘地區(qū)天氣干燥，日曬較長，橋涵構造物位于凍融環(huán)境中，混凝在制作過程中易開裂，在制作混凝土時添加外加劑則能夠顯著的改善混凝土的性能。工程區(qū)的混凝土可適當?shù)膿郊訙p水劑和引氣劑，其中減水劑可以降低水灰比，提高混凝土的早期強度和增強抗?jié)B性能；引氣劑則會在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生大量均勻分布的小氣泡，可阻止毛細水的滲入，大大提高了混凝土抗凍性、抗?jié)B性、耐腐蝕性及抗堿集料反應性能。

4.1.4 涂刷混凝土保護層

混凝土構件在拆模后，其表面存在著缺陷，裂縫，環(huán)境中的水可通過這些部位滲入到混凝土內(nèi)部，涂刷混凝土保護層可有效的阻止環(huán)境中的水滲入混凝土。工程區(qū)的混凝土橋涵構造物的基礎表面均涂刷了瀝青，主要分布于常水位以上0.5m至地面以下1.0m范圍內(nèi)，不僅可以阻止S O42-離子的侵入，也可抵抗干濕交替環(huán)境作用。

4.2 鋼筋防腐蝕技術措施

4.2.1 增加混凝土保護層厚度

混凝土中Cl-的主要是通過鋼筋表層擴散，對于長期處于鹽漬土侵蝕狀態(tài)的混凝土構件，應適當?shù)脑黾踊炷帘Ｗo層的厚度，該措施可有效的阻止外部環(huán)境的Cl-與鋼筋接觸，防止鋼筋的腐蝕。但混凝土保護層厚度過厚時，混凝土的收縮會導致表層出現(xiàn)裂縫，削弱混凝土保護層的作用，因此混凝土保護層的厚度應取規(guī)范中最小保護層厚度與保護層厚度施工誤差之和。本項目對于直接接觸土體澆筑的樁基混凝土保護層厚度取85mm，其他采用模板現(xiàn)澆混凝土的下部結構混凝土保護層厚度取50mm，鋼筋的連接盡量采用焊接和機械連接，樁基的定位盡量采用混凝土定位塊。

4.2.2 控制結構裂縫寬度

一般與鹽漬土接觸的橋涵結構為鋼筋混凝土結構，在持久狀況正常使用極限狀態(tài)時允許出現(xiàn)裂縫，裂縫寬度的大小直接決定了鹽溶液的滲入速度。設計時，基礎和下部結構鋼筋混凝土構件的裂縫寬度控制在0.2mm以內(nèi)；基礎及下部結構的普通鋼筋全部采用H R B400鋼筋，且受力鋼筋的直徑不宜小于16 mm；對于擴大基礎、橋臺臺身、橋臺承臺等大體積的混凝土構件，在暴露面上均布置分布鋼筋以減小混凝土表面裂縫寬度。

4.2.3 采用耐腐蝕的鋼筋

本項目的橋涵基礎混凝土鋼筋均采用了環(huán)氧涂層鋼筋，環(huán)氧涂層能夠隔斷Cl-與鋼筋的接觸，保護鋼筋，減緩Cl-對鋼筋的腐蝕。環(huán)氧涂層較脆弱，易損壞，施工前應檢查環(huán)氧涂層鋼筋的環(huán)氧涂層是否完整，施工時嚴禁破壞鋼筋的環(huán)氧涂層。

4.3 其他技術措施

4.3.1 加強阻水設計

小跨徑的橋涵結構采用了擴大基礎，對于地下水位較高的區(qū)域，擴大基礎底部采用天然砂礫和片石換填，換填后鋪設防水土工布，隔絕鹽溶液與混凝土構件的交互作用。

4.3.2 加強引排水設計

本項目的橋涵結構物下部結構的表面均設計了溜坡，該設計有利于排水，防止積水。橋涵結構物的進出口均設置了排水溝、導流堤和蒸發(fā)池，將地表水引流出去，減少地表水與橋涵結構的接觸時間。

5 結語

戈壁灘鹽漬土地區(qū)橋涵結構物的耐久性一直是工程中重點關注的問題，位于戈壁灘鹽漬土地區(qū)的橋涵結構物容易發(fā)生鹽脹、腐蝕等病害，病害一旦發(fā)生將對項目的后期運營管理造成較大的困難。本文結合G215線柳園至敦煌公路工程中橋涵設計的關鍵問題進行探討，基于鋼筋混凝土的腐蝕機理，概括分析了提高混凝土耐久性的措施。實際工程中，應根據(jù)項目所在區(qū)域的特定環(huán)境情況來采取針對性的防腐蝕措施，提高橋涵構造物的耐久性，保證橋涵構造物的使用壽命。