某地鐵工程地下水腐蝕性評(píng)價(jià)及對(duì)策研究

軒吉善 XUAN Ji-shan

（中化地質(zhì)河南局集團(tuán)有限公司，鄭州 450000）

0 引言

當(dāng)?shù)叵滤泻心承└g成分時(shí)，會(huì)對(duì)混凝土構(gòu)筑物的穩(wěn)定性造成破壞，進(jìn)而影響混凝土基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的耐久性與工程壽命[1]。若某工程建筑物需要經(jīng)常與地下水接觸時(shí)，在工程地質(zhì)勘察中必須采取水樣，進(jìn)行水化學(xué)腐蝕性分析，評(píng)價(jià)地下水的侵蝕性，為工程的防腐設(shè)計(jì)提供依據(jù)[2]。近年來(lái)，越來(lái)越多的城市開始修建地鐵，以緩解城市公共交通壓力。由于地鐵工程百年的耐久性使用年限要求，在各地城市軌道的工程建設(shè)中，混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性問(wèn)題得到了廣泛的重視。王慎堂等[3]（2001）研究了高強(qiáng)混凝土在南京地鐵隧道襯砌管片中的應(yīng)用，論文研究表明，高性能混凝土應(yīng)用于盾構(gòu)隧道管片中會(huì)產(chǎn)生良好的效果。同時(shí)也有一些學(xué)者對(duì)地鐵混凝土設(shè)施的地下水腐蝕性進(jìn)行評(píng)價(jià)，對(duì)地鐵混凝土設(shè)施建設(shè)提供防治措施。本文以某地鐵工程為例，采用一系列原位浸泡實(shí)驗(yàn)，對(duì)不同廠家的混凝土材料性能進(jìn)行測(cè)試并比較，同時(shí)得到不同條件下混凝土的性能指標(biāo)變化，針對(duì)試驗(yàn)結(jié)果及地下水腐蝕性評(píng)價(jià)結(jié)果，提出一些防腐措施，為軌道交通建設(shè)提供參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)總體呈東西走向，地形平坦，地面高程一般74.0～76.0m，局部較高。地形為長(zhǎng)形河谷盆地，西起鳳凰山，東至青秀山，向東開口，南、北、西三面環(huán)山，盆地中心為邕江寬廣河谷，各河流聚集于此，組成向心水系。研究區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，炎熱潮濕，年平均氣溫在21.6度左右。研究區(qū)處于三個(gè)水文地質(zhì)單元之間，對(duì)研究區(qū)造成主要影響的含水巖組是邕江沖積層孔隙含水巖組?？紫端饕x存于邕江河谷階地沖積砂礫石層中，水位埋深一般大于5m。地下水位受季節(jié)變化影響較大，雨季（即4～10月）降雨充沛，地下水位明顯上升，旱季地下水位因?yàn)橛炅繙p少而下降。南寧市地下水補(bǔ)給主要有降雨入滲、地表水入滲及農(nóng)業(yè)灌溉水入滲三個(gè)方面的來(lái)源，其中，降雨入滲、地表水入滲最為廣泛。

2 地下水腐蝕性浸泡實(shí)驗(yàn)研究

本研究采取原位浸泡的方式，通過(guò)對(duì)當(dāng)?shù)?家混凝土生產(chǎn)廠家的C30和C50混凝土試件，在原位浸泡前后各項(xiàng)性能指標(biāo)（立方體抗壓強(qiáng)度、抗碳化能力、抗氯離子滲透能力等）的檢測(cè)，評(píng)價(jià)研究區(qū)地下水侵蝕性，并分析其對(duì)不同廠家混凝土性能的影響。

2.1 立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)就是檢驗(yàn)混凝土的強(qiáng)度是否能夠滿足實(shí)際要求[4]。本實(shí)驗(yàn)對(duì)不同廠家的混凝土試塊分別養(yǎng)護(hù)到7天、28天和65天的齡期，并且經(jīng)過(guò)6個(gè)月原位浸泡，通過(guò)對(duì)不同養(yǎng)護(hù)齡期以及浸泡前和浸泡后的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比，以測(cè)定地下水長(zhǎng)期腐蝕對(duì)不同混凝土的抗壓強(qiáng)度的影響。

原位浸泡后，由于表面的腐蝕破壞，混凝土試件受壓破壞前，均有非常明顯的表面層狀剝落現(xiàn)象。試驗(yàn)結(jié)果分析表明，原位浸泡后甲廠家C30、C50混凝土抗壓強(qiáng)度均低于28天齡期強(qiáng)度，乙、丙廠家C30、C50抗壓強(qiáng)度均高于28天齡期強(qiáng)度，但各廠家混凝土抗壓強(qiáng)度都能達(dá)到設(shè)計(jì)要求（如圖1-圖4）。

圖1 C30抗壓強(qiáng)度的齡期—強(qiáng)度關(guān)系圖

圖4 C50抗壓強(qiáng)度隨齡期的變化規(guī)律

由于浸泡時(shí)間較短（6個(gè)月），地下水長(zhǎng)期腐蝕對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律尚待進(jìn)一步研究，實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)，必須加強(qiáng)對(duì)地下水腐蝕作用的重視。

2.2 混凝土碳化試驗(yàn)

CO2氣體通過(guò)硬化混凝土細(xì)孔進(jìn)入到混凝土內(nèi)，與其堿性物質(zhì)（Ca（OH）2）產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)生成碳酸鹽和水，這一過(guò)程稱為混凝土碳化[5]?；炷撂蓟蛊鋲A性降低，強(qiáng)度下降，破壞混凝土耐久性。本實(shí)驗(yàn)采用快速碳化的方式，在碳化箱內(nèi)進(jìn)行碳化，調(diào)節(jié)閥門，使氣體均勻的進(jìn)入碳化箱。通過(guò)噴灑酚酞試劑對(duì)混凝土試塊測(cè)試碳化深度，以比較混凝土抗碳化的能力（如表1）。

表1 各齡期的平均碳化深度

混凝土試件碳化試驗(yàn)表明，混凝土碳化深度也隨著試驗(yàn)齡期的增加而增加，各廠家混凝土的碳化深度增長(zhǎng)率則不同。試驗(yàn)結(jié)果表明：C50混凝土的碳化深度明顯小于C30混凝土（如圖5-圖6）。

圖2 C50抗壓強(qiáng)度的齡期—強(qiáng)度關(guān)系圖

圖3 C30抗壓強(qiáng)度隨齡期的變化規(guī)律

圖5 C30混凝土碳化深度

圖6 C50混凝土碳化深度

2.3 抗氯離子滲透試驗(yàn)

混凝土的抗氯離子滲透性是混凝土耐久性的關(guān)鍵指標(biāo)之一[6]。測(cè)試混凝土的抗氯離子滲透性能對(duì)測(cè)試混凝土工程質(zhì)量具有重要作用。通過(guò)外加電場(chǎng)以及AgNO3溶液試劑，測(cè)試試塊的氯離子滲透深度，原位浸泡前后采取的同樣的試驗(yàn)方法，比較不同混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)。

浸泡前后各廠家C30、C50抗氯離子滲透變化對(duì)比如圖7-圖10所示。分析表明：由于浸泡時(shí)間較短，地下水的侵蝕未達(dá)到混凝土內(nèi)部。而內(nèi)部芯樣處混凝土則因未受到地下水的侵蝕影響，隨齡期的增長(zhǎng)，密實(shí)性增加。

圖7 C30混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)比較

圖8 C50混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)比較

圖9 C30混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)比較

圖10 C50混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)比較

3 地下水腐蝕性評(píng)價(jià)

3.1 腐蝕性評(píng)價(jià)條件

按照《巖土工程勘察規(guī)范》（GB 50021-2001）（2009版）第12.2條及附錄G有關(guān)規(guī)定，地下水對(duì)建筑材料的腐蝕性評(píng)價(jià)針對(duì)不同的含水層滲透性、浸水條件、環(huán)境類型、等有著不同的規(guī)定。根據(jù)本工程的特點(diǎn)，結(jié)合研究區(qū)地下水特征，地下水的腐蝕性評(píng)價(jià)具體條件如下：

研究區(qū)屬濕潤(rùn)地區(qū)，含水量一般為20～30%。因此按Ⅱ類環(huán)境類型地下水對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕性；浸水條件：采用地下線，一般隧道處于長(zhǎng)期浸水環(huán)境，因此地下水對(duì)鋼筋混凝土腐蝕性評(píng)價(jià)按照長(zhǎng)期浸水條件考慮。

3.2 腐蝕性評(píng)價(jià)指標(biāo)

根據(jù)采取地下水水樣水質(zhì)分析結(jié)果資料，按照相應(yīng)的評(píng)價(jià)條件，綜合評(píng)價(jià)地下水對(duì)建筑材料的腐蝕性。

按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《巖土工程勘察規(guī)范》（GB50021-2001）（2009版）第12.2條規(guī)定，沿線地下水對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕性及對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋腐蝕性的化學(xué)指標(biāo)如表2。

表2 地下水腐蝕性化學(xué)指標(biāo)

3.3 腐蝕性機(jī)理及其原因

通過(guò)對(duì)研究區(qū)水文地質(zhì)條件、水質(zhì)分析成果、地下水化學(xué)類型等的綜合分析，對(duì)腐蝕性中等區(qū)域其腐蝕性介質(zhì)主要為侵蝕性CO2。主要是對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)具有中等～強(qiáng)腐蝕性。對(duì)鋼筋混凝土中的鋼筋具有微腐蝕性。

造成腐蝕的原因可能僅是某一種因素，也可能是多種因素的共同作用。由于混凝土的腐蝕機(jī)理分類較為復(fù)雜，結(jié)合腐蝕性指標(biāo)，根據(jù)地下水對(duì)混凝土的腐蝕性特征，分為以下三類[7]：

①分解性侵蝕。分解性侵蝕是指酸性水對(duì)水泥的氫氧化鈣與碳酸鈣進(jìn)行溶濾和溶解，使得混凝土分解破壞的作用。當(dāng)水中含有一定的H+離子時(shí)，會(huì)與水泥的氫氧化鈣反應(yīng)，使混凝土遭受溶蝕破壞，反應(yīng)式為：Ca（OH）2+2H+=Ca2++2H2O；當(dāng)水中含有較多侵蝕性CO2時(shí)，水的溶解能力增強(qiáng)，使碳酸鈣溶解，混凝土結(jié)構(gòu)遭受破壞，其反應(yīng)式為：CaCO3+H2O+CO2→Ca2++2HCO3-。

②結(jié)晶性侵蝕。結(jié)晶性侵蝕是指水中過(guò)量的SO42-滲入混凝土體內(nèi)，與水泥的某些分發(fā)生水化作用，形成易膨脹的結(jié)晶化合物，使混凝土脹裂破壞。如形成石膏和硫酸鋁，其體積分別增大1.5倍和2.5倍。為了防止SO42-對(duì)混凝土的破壞作用，可采用抗硫酸鹽的水泥。

③分解結(jié)晶復(fù)合性侵蝕。分解結(jié)晶復(fù)合性侵蝕是指水中Ca2+、Mg2+、Zn2+、Fe2+、Al3+等陽(yáng)離子含量過(guò)高，而對(duì)混凝土的一種復(fù)合破壞作用。如MgCl2與混凝土中結(jié)晶的Ca（OH）2反應(yīng)后，容易對(duì)混凝土造成破壞，其反應(yīng)式為：MgCl2+Ca（OH）2→Mg（OH）2+CaCl2。對(duì)分解結(jié)晶復(fù)合性侵蝕的評(píng)價(jià)，一般使用于被工業(yè)廢水污染的地下水。

根據(jù)研究區(qū)地下水腐蝕性指標(biāo)的分析，研究區(qū)主要影響作用的是分解性侵蝕。由于研究區(qū)處于濕熱多雨環(huán)境中，土層透氣性差，厭氧的硫酸鹽還原菌繁殖，將地下水中的硫酸鹽還原為硫或硫化物；當(dāng)旱季來(lái)臨，土層透氣性改善，硫及硫化物被氧化為硫酸，導(dǎo)致土層及地下水的pH值降低；在細(xì)菌生物化學(xué)作用下，有機(jī)質(zhì)分解出大量CO2，當(dāng)水中溶入的CO2超出與H+和HCO3-等平衡所需的量，多余的CO2即為侵蝕性CO2。

研究區(qū)地下水腐蝕機(jī)理為：地下水中游離的二氧化碳使CaCO3+H2O+CO2→Ca2++2HCO3-反應(yīng)向右進(jìn)行而侵蝕水泥漿體，進(jìn)而加速硬化水泥漿體中氫氧化鈣轉(zhuǎn)變成可溶性重碳酸鈣的過(guò)程。由于混凝土制作過(guò)程中難以避免的出現(xiàn)微裂隙和孔隙，水溶液中的侵蝕性CO2進(jìn)入混凝土中，引起混凝土的碳化。檢測(cè)表明，研究區(qū)中等腐蝕性區(qū)域的地下水CO2含量較高，進(jìn)而引起第二反應(yīng)，將中性化生成碳酸鈣溶解，生成可溶性重碳酸鈣?？扇苄灾靥妓徕}被流動(dòng)的地下水沖走，在沖刷掉混凝土腐蝕表層同時(shí)，進(jìn)而向混凝土內(nèi)部逐步腐蝕。綜上分析，認(rèn)為研究區(qū)地鐵混凝土地下水腐蝕破壞是：在動(dòng)態(tài)水溶液的作用下，使得第一反應(yīng)和第二反應(yīng)交替循環(huán)，逐步將混凝土侵蝕破壞，因此這一問(wèn)題必須引起足夠的重視，并采取措施加以控制和解決。

4 地下水防腐對(duì)策建議

針對(duì)不同混凝土原位浸泡試驗(yàn)以及地下水腐蝕性機(jī)理的分析，結(jié)合相關(guān)研究，在防腐設(shè)計(jì)，混凝土材料選擇、以及耐久性指標(biāo)方面，提出以下防腐措施。

4.1 防腐設(shè)計(jì) 該地鐵沿線水文地質(zhì)條件復(fù)雜，地下水中的侵蝕性CO2對(duì)結(jié)構(gòu)混凝土具有很強(qiáng)的腐蝕性作用，因此在防腐設(shè)計(jì)中應(yīng)遵循以下原則：①應(yīng)重視地下主體結(jié)構(gòu)迎水面混凝土的防腐蝕問(wèn)題，在嚴(yán)重和非常嚴(yán)重的腐蝕性區(qū)段，應(yīng)在混凝土表面加以保護(hù)措施，比如涂層覆蓋。對(duì)于重要工程部位，應(yīng)采取多重防護(hù)對(duì)策，以增加其耐久性。②在各腐蝕性區(qū)段，應(yīng)正確使用礦物摻和料，盡量使用低水膠比混凝土，確?；炷恋馁|(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)和施工技術(shù)要求，保證混凝土有良好的均質(zhì)性、耐久性和抗裂性。③在嚴(yán)重和非常嚴(yán)重的腐蝕性區(qū)段，地下結(jié)構(gòu)混凝土可考慮采用全包防水設(shè)計(jì)，盡量減少或避免侵蝕性地下水與主體結(jié)構(gòu)混凝土接觸。在可能的條件下，應(yīng)采取必要措施降低主體混凝土結(jié)構(gòu)外圍土層的地下水滲透性。④由于研究區(qū)沿線地下水的侵蝕性特點(diǎn)，應(yīng)通過(guò)根據(jù)實(shí)際情況精選混凝土材料，進(jìn)行合理的配比設(shè)計(jì)并注重施工養(yǎng)護(hù)，嚴(yán)格控制主體結(jié)構(gòu)混凝土表面由于非荷載作用原因所產(chǎn)生的裂縫。⑤應(yīng)適當(dāng)增大主體結(jié)構(gòu)混凝土保護(hù)層厚度，并應(yīng)考慮保護(hù)層施工允許負(fù)偏差的影響。重視混凝土連接縫中鋼筋結(jié)構(gòu)的防銹措施。

4.2 混凝土原材料選擇①配制混凝土的硅酸鹽類水泥一般應(yīng)為品質(zhì)穩(wěn)定的硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥或礦渣硅酸鹽水泥，應(yīng)盡可能避免使用早強(qiáng)水泥[8]。②配置混凝土?xí)r盡量使用品質(zhì)穩(wěn)定、來(lái)料均勻的優(yōu)質(zhì)混凝土礦物摻和料。③對(duì)于腐蝕環(huán)境下的結(jié)構(gòu)混凝土，在滿足結(jié)構(gòu)安全性的前提要求下，首先應(yīng)考慮控制混凝土的各項(xiàng)耐久性指標(biāo)，以增加混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命。

4.3 結(jié)構(gòu)混凝土耐久性能控制指標(biāo)

實(shí)際工程中，針對(duì)具體的環(huán)境類別，應(yīng)重視測(cè)定抗碳化能力、抗壓強(qiáng)度、氯離子擴(kuò)散系數(shù)等具體量化耐久性的指標(biāo)[9]。利用這些指標(biāo)評(píng)測(cè)混凝土耐久性，以實(shí)現(xiàn)混凝土質(zhì)量控制和檢驗(yàn)。由于地下混凝土結(jié)構(gòu)所受到的侵蝕作用程度與其所處的地下水環(huán)境有關(guān)，因此，應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)所處的地下水環(huán)境腐蝕性等級(jí)及結(jié)構(gòu)的保護(hù)層厚度等來(lái)確定相應(yīng)的耐久性控制指標(biāo)參數(shù)。本文試驗(yàn)研究表明：室內(nèi)快速碳化試驗(yàn)所測(cè)得的28d試驗(yàn)齡期的平均碳化深度與原位浸泡6個(gè)月后混凝土的平均中性化深度間具有很好的回歸關(guān)系。因此，考慮到實(shí)際施工質(zhì)量控制的可行性，可采用室內(nèi)快速碳化試驗(yàn)所測(cè)得的28d試驗(yàn)齡期的平均碳化深度來(lái)反映主體結(jié)構(gòu)混凝土的抗中性化能力。

5 結(jié)論

本文采取原位浸泡試驗(yàn)方法，對(duì)3家混凝土生產(chǎn)廠家的C30和C50混凝土試件的性能指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，分析地下水腐蝕對(duì)不同混凝土性能的影響，對(duì)研究區(qū)地下水腐蝕性進(jìn)行評(píng)價(jià)，得出以下結(jié)論：①地下水環(huán)境的長(zhǎng)期腐蝕作用對(duì)混凝土耐久性具有不利影響?；炷猎嚰箟簭?qiáng)度試驗(yàn)表明，由于表面的腐蝕破壞，混凝土試件受壓破壞前，均有非常明顯的表面層狀剝落現(xiàn)象。混凝土試件碳化試驗(yàn)表明：混凝土試件碳化試驗(yàn)表明，混凝土碳化深度也隨著試驗(yàn)齡期的增加而增加，不同廠家混凝土的碳化深度增長(zhǎng)率不同?？孤入x子滲透試驗(yàn)結(jié)果表明地下水的侵蝕未達(dá)到混凝土內(nèi)部。②通過(guò)對(duì)研究區(qū)地下水化學(xué)類型、水文地質(zhì)條件、水質(zhì)分析成果等的綜合分析，其腐蝕性介質(zhì)主要為侵蝕性CO2，主要影響作用的是分解性侵蝕。③研究區(qū)混凝土地下水腐蝕破壞是：在動(dòng)態(tài)水溶液的作用下，使得第一反應(yīng)和第二反應(yīng)交替循環(huán)，逐步將混凝土侵蝕破壞，因此這一問(wèn)題必須引起足夠的重視，并采取措施加以控制和解決。④對(duì)地鐵工程不同位置采取合理的防腐設(shè)計(jì)措施，保證地鐵百年安全大計(jì)。