濱海地區(qū)地下混凝土工程耐久性研究

王軍 張昊 杜承曉

摘? 要：濱海地區(qū)混凝土工程耐久性事故頻發(fā)，影響工程質(zhì)量和安全。分析了地下混凝土耐久性研究的重要性和必要性。從宏觀和微觀兩方面分析地下混凝土工程腐蝕劣化的原因。提出了地下混凝土耐久性有待解決和研究的領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：濱海地區(qū);混凝土;耐久性

中圖分類號(hào)：TU528? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2019）30-0030-02

Abstract： The concrete durability problems in coast appears usually， which damaged the quality and safety of concrete engineering. The importance and necessity of underground concrete durability research were analyzed. The reasons were studied on degradation of underground concrete from microcosmic and macroscopic， and research fields to solve are proposed.

Keywords： coast area; concrete; durability

1 研究意義

濱海地區(qū)的地下混凝土工程受到地下水及土壤中有害物質(zhì)的侵蝕，由此產(chǎn)生的耐久性問(wèn)題頻發(fā)，引發(fā)行業(yè)內(nèi)對(duì)濱海地區(qū)惡劣環(huán)境下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的高度關(guān)注。眾所周知，鋼筋混凝土是現(xiàn)代土木工程使用量最大、最廣泛的結(jié)構(gòu)材料，也是最容易就地取材的廉價(jià)材料，已經(jīng)成為當(dāng)今世界最受歡迎的建筑材料之一。由于混凝土結(jié)構(gòu)材料自身成分的復(fù)雜性和使用環(huán)境的多樣性等原因，人類對(duì)混凝土性能掌握的依舊不全面。長(zhǎng)期以來(lái)，人們一直認(rèn)為混凝土是一種耐久性能良好的建筑材料，忽視了外界環(huán)境變化對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)造成的耐久性問(wèn)題，導(dǎo)致鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究的相對(duì)滯后，并為此付出了沉重的代價(jià)。由于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性不足導(dǎo)致的安全事故時(shí)有發(fā)生。大量實(shí)驗(yàn)和工程實(shí)踐證明：在設(shè)計(jì)強(qiáng)度足夠的情況下，由于混凝土的使用環(huán)境惡劣，隨著時(shí)間發(fā)展導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的耐久性降低強(qiáng)度衰減，工程結(jié)構(gòu)遭到嚴(yán)重破壞，導(dǎo)致自然資源浪費(fèi)和巨額維修及重建的資金損失。

我國(guó)是世界上最大的發(fā)展中國(guó)家，混凝土的生產(chǎn)與使用量世界第一，目前正處于建設(shè)的高峰期。21世紀(jì)地下工程建設(shè)蓬勃發(fā)展，一大批的城市地鐵、管廊、隧道及地下空間工程開(kāi)始在濱海地區(qū)興建。這些工程與人民生活緊密相關(guān)，必須保障安全性和可靠性，這對(duì)混凝土的耐久性提出更高要求。為了做到居安思危、未雨綢繆，吸取西方國(guó)家在混凝土耐久性領(lǐng)域的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，避免若干年后混凝土腐蝕對(duì)我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展可能造成的嚴(yán)重影響，必須主動(dòng)和自覺(jué)加強(qiáng)對(duì)地下混凝土耐久性的研究。

2 地下混凝土腐蝕劣化特點(diǎn)

建造在地下的混凝土工程，在服役期間與土壤和地下水接觸，水中的有害腐蝕分子，如氯離子、硫酸根離子、碳酸氫根離子等，滲透通過(guò)極細(xì)小的裂隙，與混凝土中的化學(xué)物質(zhì)發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，最終導(dǎo)致膠凝材料失去性能，混凝土發(fā)生劣化強(qiáng)度降低。

2.1 混凝土中的化學(xué)物質(zhì)

混凝土是由膠凝材料、砂、石和水形成的人工材料，膠凝材料用量最多的是水泥。在地下工程混凝土結(jié)構(gòu)中用量最多的是硅酸鹽水泥，水泥熟料的主要成分為：

硅酸三鈣（3CaO·SiO2，簡(jiǎn)寫C3S），含量37%～60%;硅酸二鈣（2CaO·SiO2，簡(jiǎn)寫C2S），含量15%～37%;鋁酸三鈣（3CaO·Al2O3，簡(jiǎn)寫C3A），含量7%～15%;鐵鋁酸四鈣（4CaO·Al2O3·Fe2O3，簡(jiǎn)寫C4AF），含量10%～18%。

硅酸鹽水泥熟料與水發(fā)生反應(yīng)化學(xué)式如下：

2（3CaO·SiO2）+6H2O=3CaO·2SiO2·3H2O+3Ca（OH）2

2（2CaO·SiO2）+4H2O=3CaO·2SiO2·3H2O+Ca（OH）2

3CaO·Al2O3+6H2O=3Ca·Al2O3·6H2O

4CaO·Al2O3·Fe2O3+7H2O=3CaO·Al2O3·6H2O+CaO·Fe2O3·H2O

生成的水化產(chǎn)物主要有：水化硅酸三鈣C-S-H（3CaO·2SiO2·3H2O）;氫氧化鈣Ca（OH）2，占含量20-25%;比表面積小，對(duì)強(qiáng)度影響小，易溶，化學(xué)穩(wěn)定性差;水化鋁酸三鈣3Ca·Al2O3·6H2O;水化鐵酸鈣CaO·Fe2O3·H2O。

地下工程的混凝土受到腐蝕，直接的原因是腐蝕離子侵蝕混凝土中的氫氧化鈣，致使其失去膠凝性能，最終混凝土分散強(qiáng)度降低。

2.2 硫酸鹽腐蝕

硫酸根離子與水泥熟料礦物水化生成水化鋁酸鈣和水化單硫鋁酸鈣反應(yīng)，生成水化三硫鋁酸鈣：

3CaO·Al2O3·CaSO4·18H2O+2CaSO4+14H2O=3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O

4CaO·Al2O3·19H2O+3CaSO4+4H2O=3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O+Ca（OH）2

在低pH值（pH<10.5）、硫酸根離子濃度大于1000mg每升條件下，水中的硫酸鹽（以Na2SO4為例）通過(guò)毛細(xì)孔進(jìn)入混凝土內(nèi)部與Ca（OH）2反應(yīng)生成石膏，化學(xué)式如下所示：

Ca（OH）2+Na2SO4+2H2O——CaSO4·2H2O+2NaOH

如果環(huán)境周圍有充足的水源和碳酸鹽，硫酸鹽腐蝕產(chǎn)物生成碳硫硅酸鈣，化學(xué)反應(yīng)如下：

Ca2++SO42-+CO32-+[Si（OH）6]2-+12H2O）——Ca3[Si（OH）6（CO3）（SO4）·12H2O

碳硫硅鈣石硫酸鹽侵蝕直接破壞混凝土凝膠性能，使水泥石變?yōu)樯⒘?，成為無(wú)粘結(jié)的松散物質(zhì)，極大降低混凝土的強(qiáng)度和整體性能。

2.3 氯離子腐蝕

氯離子置換混凝土中的鈣，形成可溶性物質(zhì)，使混凝土喪失強(qiáng)度，反應(yīng)如下：

2CI-+Ca（OH）2——CaCI2+2OH-;

Ca（OH）2+CI-+H2O——CaO·CaCI2·nH2O;

3CaO·AI2O3·6H2O+CI-+H2O——3CaO·AI2O3·3CaCI2·31H2O

研究表明氯離子是混凝土中鋼筋銹蝕的最嚴(yán)重腐蝕因素，嚴(yán)重破壞鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。

2.4 碳酸鹽腐蝕

HCO3-對(duì)混凝土的侵蝕，可以通過(guò)如下化學(xué)反應(yīng)表示：

Ca（OH）2——Ca2++2OH-

Ca2++2HCO3-——CaCO3（s）+CO2（g）+H2O

CaCO3+CO2（g）+H2O——Ca（HCO3）2——Ca2++2HCO3-

碳酸鹽能使混凝土凝膠體轉(zhuǎn)變?yōu)樗缮o(wú)膠結(jié)力的物質(zhì)，降低混凝土的強(qiáng)度和整體性，造成嚴(yán)重性整體性破壞。

3 結(jié)束語(yǔ)

我國(guó)地域廣闊，各地區(qū)之間環(huán)境、氣候及地質(zhì)水文條件千差萬(wàn)別;腐蝕性鹽害環(huán)境中對(duì)混凝土侵蝕離子的種類、濃度不盡相同，目前也沒(méi)有統(tǒng)一的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)和檢測(cè)指標(biāo)。應(yīng)依據(jù)各地區(qū)具體的地下水質(zhì)情況，結(jié)合具體工程的使用環(huán)境，分析濱海地區(qū)地下水及土壤中的腐蝕鹽離子對(duì)鋼筋混凝土的侵蝕機(jī)理;揭示鹽害侵蝕下混凝土的耐久性變化規(guī)律。

特殊施工方法如地鐵中采用凍結(jié)法施工，巷道混凝土在施工期間邊承壓邊養(yǎng)護(hù)且處于低溫狀態(tài)，在這種特殊的環(huán)境狀況下，漸增的凍結(jié)壓力是否對(duì)混凝土產(chǎn)生損傷、是否影響混凝土的后期強(qiáng)度，一直是有待分析解決的問(wèn)題。

目前混凝土鹽害侵蝕研究中，研究氯鹽對(duì)鋼筋腐蝕的居多，且大部分考慮單因素作用情況。目前階段我國(guó)對(duì)兩種及以上腐蝕因素作用下的混凝土強(qiáng)度損傷劣化機(jī)制尚無(wú)相應(yīng)的規(guī)范和成功的工程經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)加強(qiáng)特殊的施工環(huán)境和使用條件下，在鹽害、荷載和裂縫共同作用下混凝土侵蝕演化規(guī)律的研究。

地下混凝土屬于隱蔽工程，在服役過(guò)程中多方面原因造成強(qiáng)度劣化，即混凝土是在損傷狀態(tài)下運(yùn)行。如何科學(xué)檢測(cè)評(píng)估地下服役混凝土工程的強(qiáng)度、在不影響正常運(yùn)行的前提下科學(xué)確定服役混凝土工程的損傷量，為科學(xué)決策和安全維護(hù)提供理論支持，是當(dāng)前和今后一段時(shí)期急需解決的問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳肇元.土建結(jié)構(gòu)的安全性與耐久性[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2013.

[2]牛荻濤.混凝土結(jié)構(gòu)耐久性與壽命預(yù)測(cè)[M].北京：科學(xué)出版社，2002.

[3]樊云昌，曹興國(guó)，陳懷榮.混凝土中鋼筋腐蝕的防護(hù)與修復(fù)[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2001.

[4]金偉良，趙羽習(xí).混凝土結(jié)構(gòu)耐久性[M].北京：科學(xué)出版社，2002.

[5]金偉良，呂清芳，趙羽西.混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)方法與壽命預(yù)測(cè)研究進(jìn)展[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2007，28（1）：7-13.

[6]余紅發(fā)，孫偉.在凍融或腐蝕環(huán)境下混凝土使用壽命預(yù)測(cè)方法Ⅰ：損傷演化方程與損傷失效模式[J].硅酸鹽學(xué)報(bào)，2008，36（3）：128-135.

[7]Jun Wang， Zijian Zhang. Experimental investigation properties on resistance of slag cement concrete to sulfate attack[J].Advanced materials research，2011，194-196（3）：1049-1052.