王天國(guó)
烏魯木齊鐵建工程咨詢(xún)有限公司,新疆烏魯木齊 830000
哈羅鐵路的修建主要是滿足羅布泊鉀鹽礦開(kāi)發(fā)的需要,對(duì)加快南疆地區(qū)的經(jīng)濟(jì)建設(shè)有著重要的經(jīng)濟(jì)意義和社會(huì)政治意義。該線DK298+130—DK383+935段穿越羅布泊鹽湖區(qū),在鹽湖上修建了長(zhǎng)約85Km的巖鹽填筑的鐵路路基。該區(qū)域 地質(zhì)屬?gòu)?qiáng)硫酸鹽礦區(qū),硫酸鹽對(duì)混凝土構(gòu)筑物的腐蝕特別嚴(yán)重,如何防止硫酸鹽對(duì)混凝土的腐蝕是修建哈羅鐵路的難題之一。不解決上述難題,會(huì)嚴(yán)重影響到哈羅鐵路的建設(shè)工期,解決不好,會(huì)為今后的哈羅鐵路線路安全運(yùn)營(yíng)留下嚴(yán)重隱患。因此只有解決好強(qiáng)硫酸鹽對(duì)涵洞工程的防腐處理,才能保證哈羅鐵路的順利修建和今后的安全運(yùn)營(yíng)。
羅布泊湖積平原地處塔里木盆地東部,是世界上最大的鹽湖之一。地表為鹽殼所覆蓋,沿線風(fēng)蝕作用較強(qiáng)烈,局部有輕微的風(fēng)沙流,巖鹽中鹽脹、溶陷現(xiàn)象較明顯,溶蝕孔隙、溶蝕漏斗較發(fā)育,地表無(wú)植被,呈現(xiàn)茫?!胞}漠”景觀,自然條件惡劣。
地層為第四系內(nèi)陸湖相沉積、化學(xué)沉積的含鹽黏性土、粉土及鈣芒硝、石鹽、石膏等巖鹽層,局部有風(fēng)積細(xì)砂。區(qū)內(nèi)地層結(jié)構(gòu)復(fù)雜,巖性多變,其含水層巖性主要為鈣芒硝、石鹽、石膏、含土鈣芒硝,所含地下水介質(zhì)類(lèi)型較多,地下水類(lèi)型為鹽系地層中的晶間孔隙潛水和承壓水,巖鹽晶間孔隙水較發(fā)育,地下潛水(晶間鹵水)埋深2m~13m,晶間鹵水礦化度大于300g/L,為飽和鹵水,具有硫酸鹽強(qiáng)腐蝕性。
巖鹽路基段位第四系晶間孔隙潛水及淺層承壓水,水質(zhì)極差,主要離子含量為:CL-:16023.4mg/L~170248mg/L;:33428.9mg/L~138172.7mg/L;Mg2+:14105.6mg/L~6883.5mg/L;DS:140380~4425000;pH值:5.90~6.75。多為飽和鹵水,對(duì)混凝土具有硫酸鹽侵蝕,環(huán)境作用等級(jí)為H4。
硫酸鹽對(duì)混凝土、粘土磚的腐蝕作用強(qiáng)烈,其機(jī)理主要是硫酸鹽的化學(xué)結(jié)晶作用和硫酸根(SO42-)的腐蝕作用。 硫酸鹽能與水泥水化物起化學(xué)反應(yīng)生成新相,體積同時(shí)膨脹,使水泥制品、磚等產(chǎn)生粉化。最終導(dǎo)致強(qiáng)度降低而破壞。硫酸根能促進(jìn)金屬的陽(yáng)極腐蝕過(guò)程,是僅次于氯離子的金屬重要腐蝕因素。含硫酸鹽的土中還可能存在硫酸鹽還原菌,該菌類(lèi)在生命過(guò)程中能把硫酸根還原成硫離子(S2-),硫離子對(duì)金屬的腐蝕性更強(qiáng)。
鹽漬土中的硫酸鈉等鹽類(lèi)的腐蝕作用使混凝土構(gòu)筑物、金屬物等道路設(shè)施產(chǎn)生麻面和疏松等破壞。
鑒于巖鹽路基段硫酸鹽對(duì)混凝土構(gòu)筑物的腐蝕特別嚴(yán)重,為解決該難題,從工程實(shí)際出發(fā),確定以下設(shè)計(jì)原則:
1)在構(gòu)筑物四周堆積各種防腐建筑材料使外界的鹽類(lèi)和構(gòu)筑物隔離,以防止各種鹽類(lèi)直接作用于構(gòu)筑物,即阻斷各種鹽類(lèi)直接接觸構(gòu)筑物的途徑;
2)利用各種有機(jī)防腐材料涂刷混凝土表面或有機(jī)防腐卷材包裹混凝土表面,以隔離各種鹽分與混凝土接觸的通道;
3)增加混凝土的密實(shí)度即在設(shè)計(jì)混凝土配合比時(shí)添加混凝土外加劑阻止各種鹽類(lèi)向混凝土內(nèi)滲透,提高混凝土自身的耐腐蝕性,有效地阻止各種鹽類(lèi)對(duì)混凝土的侵蝕;
4)增大構(gòu)筑物的幾何尺寸,即為減緩和降低混凝土被侵蝕和破壞的速度,對(duì)于強(qiáng)腐蝕地區(qū)加大構(gòu)筑物的幾何尺寸從而減緩鹽分侵蝕混凝土的速度是一種有效的方式。
根據(jù)上述設(shè)計(jì)原則,經(jīng)研究確定如下3個(gè)方案:
方案一:
從構(gòu)筑物內(nèi)部出發(fā)研究防腐方案,即在澆筑構(gòu)筑物混凝土?xí)r,加入防腐阻銹劑,增加混泥土密實(shí)度,提高混凝土自身的耐腐蝕性有效阻止鹽類(lèi)對(duì)混凝土的侵蝕,以起到防腐阻銹作用。
方案二:
從構(gòu)筑物外部出發(fā)研究防腐方案,在澆筑構(gòu)筑物時(shí)選擇性能較好的防腐材料,對(duì)構(gòu)筑物進(jìn)行全面包裹,阻斷構(gòu)筑物與硫酸鹽土壤的接觸,以起到防腐作用。
方案三:
構(gòu)筑的防腐從內(nèi)部和外部同時(shí)進(jìn)行防腐,外部設(shè)防腐材料進(jìn)行包裹,阻斷飽和鹵水對(duì)構(gòu)筑物的腐蝕,同時(shí)在澆筑混凝土?xí)r,加入防腐阻酸劑,從構(gòu)筑物內(nèi)部來(lái)提高混凝土自身的防腐效果。
上述3個(gè)方案,分別做實(shí)驗(yàn),并從工藝、經(jīng)濟(jì)技術(shù)及防腐效果進(jìn)行全面比較,經(jīng)比較,方案一施工工藝最為簡(jiǎn)單,費(fèi)用最低,技術(shù)可控性較好,但防腐性效果最差,不能很好的防止硫酸鹽對(duì)混凝土的腐蝕、試驗(yàn)所做的混凝土構(gòu)筑物在很短的時(shí)間被腐蝕,不能保證構(gòu)筑物的完整性和發(fā)揮功能時(shí)的安全性。
方案二施工工藝比較復(fù)雜,費(fèi)用較方案一高,防腐效果較方案一有所提高,但施工時(shí)必須保證各種材料按工程要求施工,不得有任何細(xì)微的質(zhì)量瑕疵,否則會(huì)影響到混凝土的防腐效果,尤其是各種防腐建材,不得有破損,搭接長(zhǎng)度必須按規(guī)定進(jìn)行。
方案三該方案與前兩個(gè)方案比較,投資較大,但防腐效果較好,能很好的防止硫酸鹽對(duì)混凝土的腐蝕。
因此選擇方案三作為哈羅鐵路巖鹽路基段硫酸鹽地區(qū)的防腐處理方案。
1)SBS屬于苯乙烯類(lèi)熱塑性彈性體,是苯乙烯—丁二烯—苯乙烯三嵌段共聚物,SBS中聚苯乙烯鏈段和聚丁二烯鏈段明顯地呈現(xiàn)兩相結(jié)構(gòu),聚丁二烯為連續(xù)相,聚苯乙烯為分散相,使其具有2個(gè)玻璃化轉(zhuǎn)變溫度,第一個(gè)玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg1)為-88℃~-83℃,第二個(gè)玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg2)為90℃,在Tg1~Tg2之間端基聚苯乙烯聚集在一起形成微區(qū)分散于聚丁二烯連續(xù)相之間,起到物理交聯(lián)、固定鏈段、硫化增強(qiáng)及防冷流作用,具有硫化橡膠的高彈性和抗疲勞性能,當(dāng)溫度升至Tg2時(shí),聚苯乙烯相軟化和流動(dòng)使得SBS具有樹(shù)脂流動(dòng)加工性。這種兩相分離結(jié)構(gòu)使其能與瀝青基質(zhì)形成空間立體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),從而有效地改善瀝青的溫度性能、拉伸性能、彈性、內(nèi)聚附著性能、混合料的穩(wěn)定性、耐老化性等。瀝青經(jīng)SBS改性后,沒(méi)有改變自身及瀝青分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)單元,改性過(guò)程以物理改性為主;SBS易吸收瀝青中的飽和分子發(fā)生溶脹,溶脹后的SBS極性更接近膠質(zhì);SBS與瀝青組擠的部分相容性改變了瀝青組分分布,從而影響瀝青的相態(tài)轉(zhuǎn)變;瀝青組分對(duì)聚合物粒子的充分溶脹和聚合物粒子對(duì)瀝青組分的良好吸附是對(duì)瀝青進(jìn)行聚合物改性、提高瀝青性能的基礎(chǔ),瀝青組分對(duì)聚合物粒子的溶脹和聚合物粒子對(duì)瀝青組分的吸附是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程,這種動(dòng)態(tài)過(guò)程會(huì)對(duì)聚合物改性瀝青的空間三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生很大的影響,進(jìn)而影響其性能,SBS卷材又稱(chēng)改性瀝青防水卷材,是瀝青類(lèi)防水材料;瀝青類(lèi)防水材料以天然瀝青、石油瀝青和煤瀝青為主要原材料,具有良好的粘結(jié)性、塑性、抗水性、防腐性和耐久性;
2)紅磚是以粘土,頁(yè)巖,煤矸石等為原料,經(jīng)粉碎,混合捏練后以人工或機(jī)械壓制成型,經(jīng)干燥后在900攝氏左右的溫度下以氧化焰燒制而成的燒結(jié)型建筑磚塊。也叫粘土磚。紅磚技術(shù)標(biāo)號(hào)一般為75號(hào)到100號(hào)。普通燒結(jié)磚(紅磚)也叫標(biāo)準(zhǔn)磚的尺寸是240×115×53。(單位:mm)色澤紅艷,有時(shí)則為暗黑色。普通粘土磚既有一定的強(qiáng)度和耐久性;
3)瀝青是由不同分子量的碳?xì)浠衔锛捌浞墙饘傺苌锝M成的黑褐色復(fù)雜混合物,呈液態(tài)、半固態(tài)或固態(tài),是一種防水防潮和防腐的有機(jī)膠凝材料;
4)石油瀝青是原油加工過(guò)程的一種產(chǎn)品,在常溫下是黑色或黑褐色的粘稠的液體、半固體或固體,主要含有可溶于三氯乙烯的烴類(lèi)及非烴類(lèi)衍生物,其性質(zhì)和組成隨原油來(lái)源和生產(chǎn)方法的不同而變化。石油瀝青的主要組分是油分、樹(shù)脂和地瀝青質(zhì)。還含2%~3%的瀝青碳和似碳物和蠟。瀝青中的油分和樹(shù)脂能浸潤(rùn)瀝青質(zhì)。瀝青的結(jié)構(gòu)以地瀝青質(zhì)為核心,吸附部分樹(shù)脂和油分,構(gòu)成膠團(tuán)。由不同分子量的碳?xì)浠衔锛捌浞墙饘傺苌锝M成的黑褐色復(fù)雜混合物,呈液態(tài)、半固態(tài)或固態(tài),是一種防水防潮和防腐的有機(jī)膠凝材料,低溫時(shí)質(zhì)脆,粘結(jié)性和防腐性能良好。
對(duì)位于哈羅鐵路巖鹽地區(qū)段的涵洞工程需采取必要的附加防腐處理措施,以提高該地區(qū)涵洞的穩(wěn)定性。其防腐處理的施工工序如下:
1)基坑部分處理
基坑底采用30cm厚瀝青混凝土隔離層,其中底層為19cm厚的密級(jí)配中粒式AC-20型瀝青混凝土層;中間層為1cm瀝青攤鋪層;表層為10cm厚密級(jí)配細(xì)粒式AC-10型瀝青混凝土層。分層碾壓夯實(shí)后進(jìn)行檢測(cè),表面應(yīng)平整密實(shí),不應(yīng)有泛油、松散、裂縫和明顯離析現(xiàn)象,壓實(shí)度系數(shù)達(dá)94%以上。
基坑周?chē)?0號(hào)石油瀝青浸漬普通磚砌筑(熱砌)一圈厚50cm的護(hù)壁,砌筑時(shí)應(yīng)保證瀝青磚粘合緊密,不得有縫隙。護(hù)壁砌到與地面平齊,底面鋪貼一氈兩油防水層。
滿灌基礎(chǔ)至設(shè)計(jì)標(biāo)高,基礎(chǔ)頂面噴涂溶膠滲透結(jié)晶型混凝土防護(hù)劑,按照有關(guān)規(guī)定進(jìn)行施工,并涂刷兩遍。
2)基礎(chǔ)、涵身部分處理
涵身內(nèi)、外壁均噴涂溶膠滲透結(jié)晶型混凝土防護(hù)劑,按照有關(guān)規(guī)定進(jìn)行施工,并涂刷兩遍。
將護(hù)壁與基礎(chǔ)及涵身間空隙采用C35混凝土灌注。
回填C35混凝土后,在回填頂面噴涂溶膠滲透結(jié)晶型混凝土防護(hù)劑,按照有關(guān)規(guī)定進(jìn)行施工,并涂刷兩遍。
將回填后基礎(chǔ)頂面及涵身、八字翼墻外壁鋪貼一氈兩油防水層。
防腐處理示意圖:
防腐處理示意圖
對(duì)位于哈羅鐵路巖鹽路基段的涵洞工程進(jìn)行防腐處理后,有效地從外部阻斷飽和鹵水對(duì)涵洞的腐蝕,同時(shí)在澆筑混凝土?xí)r,加入防腐阻酸劑,從構(gòu)筑物內(nèi)部來(lái)提高混凝土自身的防腐效果,有效地保證了涵洞工程的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。
[1]西南交通大學(xué).鐵路工程地質(zhì)[M].北京:中國(guó)鐵道出版社,1986.
[2]顧安邦主編.橋梁工程[M].北京:人民交通出版社,1999.
[3]鐵道工程地質(zhì)勘查規(guī)范[S](TB10012-2001).