劉臻一，李建明，史想亮，肖偉偉

(杭州申華混凝土有限公司，浙江 杭州 311108)

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關于杭州地鐵混凝土耐久性的幾點建議

劉臻一，李建明，史想亮，肖偉偉

(杭州申華混凝土有限公司，浙江 杭州 311108)

根據(jù)杭州地區(qū)的情況，以商品混凝土企業(yè)的角度，從原材料選用、配合比設計、混凝土性能、對施工單位的要求等幾方面，對杭州地鐵混凝土的耐久性方面提出一些建議。

原材料；配合比設計；混凝土性能；施工；耐久性

杭州地鐵建設與全國的地鐵建設相比，在省會城市里是屬于相對較慢的一個，與杭州經(jīng)濟發(fā)展的程度是不匹配的。慢的原因是杭州地區(qū)的地質條件不理想，建設的難度較大，建成后的維護成本較高，運營和使用時安全保障難度大。這些表明杭州地鐵建設相對于其他地區(qū)，對各方面都提出了較高的要求。

混凝土的耐久性是考慮到混凝土在所使用的環(huán)境作用下，引起的材料性能的劣化對結構耐久性帶來的影響?；炷两Y構的耐久性不足，不僅會增加使用過程中的維修費用，影響工程的正常使用，而且會過早地結束結構的使用年限，造成資源的嚴重浪費。所以在建設時，考慮混凝土耐久性的意義重大，不但能確保結構的使用年限需要，也有利于節(jié)約資源，符合國家可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略。又因為環(huán)境作用下的混凝土結構耐久性問題十分復雜，具有較多的影響因素，存在很大的不確定性，所以混凝土結構耐久是一個系統(tǒng)工程，根據(jù)工程的設計使用年限，所處環(huán)境作用的類別，從混凝土原材料、裂縫控制、構造措施、施工、混凝土防腐蝕強化措施以及檢查與維修等多方面，提出相應的要求，以保障混凝土結構的耐久性。

本文從一個商品混凝土企業(yè)的角度，本著做好本職工作，為本地區(qū)建設負責的態(tài)度，從以下幾個方面，談談如何提高杭州地鐵所用混凝土耐久性，供各方相關從業(yè)者探討。

1　原材料的選用

原材料質量保證是混凝土耐久性的最基礎的一步，不具備符合要求的原材料，混凝土的耐久性就無從談起。國家或行業(yè)在制定標準規(guī)范時，面對的是整個國家的所有地區(qū)，是為了控制原材料的勻質性、無毒性和無害性，只是產(chǎn)品標準。質量符合國家標準或行業(yè)標準的原材料，未必能滿足本地區(qū)混凝土耐久性的需要，所以本地區(qū)應根據(jù)具體情況，結合現(xiàn)有的規(guī)范，制定出滿足本地區(qū)地鐵建設的原材料標準，供混凝土供應商參考執(zhí)行，以保證混凝土的耐久性。

選用優(yōu)質的原材料，結合本地區(qū)各種材料的狀況，對商品混凝土企業(yè)來說，影響混凝土耐久性最關鍵的就是外加劑、粗細集料及粉煤灰的選用，這幾種材料性能決定了本地區(qū)大多數(shù)商品混凝土的產(chǎn)品質量及耐久性。

1.1外加劑

地鐵建設應全面選用聚羧酸減水劑。

聚羧酸減水劑作為最新一代的減水劑，其對混凝土耐久性的提高遠遠大于上一代萘系脂肪族系減水劑。目前在我國對混凝土性能要求較高的高鐵、核電等建設項目中，已經(jīng)完全使用聚羧酸減水劑。在美國、日本、歐洲等發(fā)達國家，聚羧酸減水劑已經(jīng)作為最主導的減水劑在使用。我國北京、天津等城市主城區(qū)內(nèi)的建設，已經(jīng)要求完全使用聚羧酸，貴陽、廣州、福州及浙江省的寧波地區(qū)聚羧酸使用的比例也較大。這些都表明聚羧酸作為最新型的減水劑，因其對混凝土性能的改善及生產(chǎn)和使用的綠色環(huán)保性，符合我國綠色建材的要求，必然成為未來減水劑的主要產(chǎn)品。

聚羧酸與萘系脂肪族相比，主要有以下優(yōu)點。

1.1.1減水率高

比萘系脂肪族系更高的減水率，就意味著在混凝土配合比設計中可以使用更少的用水量?；炷僚浜媳仍O計中的用水量只有占膠材總量大約25%的水是參與水化的，其余多出的水是為了調節(jié)混凝土的工作性，并保證混凝土的施工。這些未參與水化的水最終都會從混凝土中析出，而析出的過程中就會在混凝土中形成很多毛細管道，這些管道還都是貫通的，從而降低了混凝土的抗?jié)B透性，自然對耐久性不利。聚羧酸能減少混凝土的用水量，就是降低了自由水的數(shù)量，相當于減少了毛細孔的數(shù)量，從而提高了混凝土的耐久性。

1.1.2有害物質少

聚羧酸的綠色環(huán)保性就體現(xiàn)在其自身的有害物含量少上，這對混凝土的耐久性是非常重要的。

原材料的有害物質含量對混凝土耐久性影響巨大。聚羧酸在合成的過程中是沒有排出物的，其參與合成的化合物也沒有含有堿(Na2O、K2O)及氯離子的基團，所以聚羧酸具有極低的堿含量和氯離子含量，這些對控制混凝土的堿骨料反應和鋼筋銹蝕都非常有利，并會提高混凝土的耐久性。這些都是萘系和脂肪族系減水劑產(chǎn)品所不能比擬的。

1.1.3強度增長好

國家規(guī)范《混凝土外加劑(GB 8076—2008)》[1]中在混凝土抗壓強度比的規(guī)定上，聚羧酸減水劑各個時期的值都大于萘系脂肪族系減水劑的值，這就說明了聚羧酸在混凝土強度增長上，優(yōu)于萘系脂肪族減水劑。強度是保證混凝土結構耐久性的必要條件，強度增長性能好的產(chǎn)品，對混凝土的耐久性自然有更好的保障。

1.1.4混凝土收縮小

聚羧酸與萘系脂肪族系相比，混凝土收縮要小很多。這一點也可以從《混凝土外加劑(GB 8076—2008)》[1]規(guī)范中顯現(xiàn)出來。萘系脂肪族系28 d的收縮率比控制值是小于等于135，而聚羧酸的控制值是小于等于110。從這一點上，可以有效地減少混凝土的收縮裂縫數(shù)量，極大地提高混凝土的耐久性。

1.2粗細集料

1.2.1粗骨料

杭州周邊地區(qū)多丘陵，各個區(qū)域的礦山的材質相差較大，又因為目前對環(huán)境的重視，各石礦企業(yè)對石子的處理能力不足，就造成不同區(qū)域石子質量偏差較大，泥粉含量較重，品質較亂。

粗骨料的粒形、級配和有害物質是影響混凝土耐久性的關鍵。為了確?；炷凉橇暇哂辛己玫募壟洌捎枚嗉壟涫且粋€既有效又易操作的技術措施。使用過程可通過對粗骨料實行分級采購、分級存貯、分級計量，配合比設計時再確定各級配石的具體用量，以使骨料具有盡可能小的孔隙率，從而可以降低混凝土膠凝材料用量，改善混凝土施工時的工作性和硬化后的密實度，以此提高混凝土的耐久性。

本地區(qū)粗骨料有害物質的含量主要是泥粉含量，這對混凝土的耐久性影響較大，這些指標控制值可以參考高鐵規(guī)范，結合本地區(qū)的實際情況，對相應的指標作出具體要求。

1.2.2細骨料

細骨料應選用級配合理、質地堅固、吸水率低、空隙率小的潔凈天然中砂。

本地區(qū)因各區(qū)域礦山的質地相差較大，生產(chǎn)出來的人工砂質量極為混亂，大多數(shù)企業(yè)使用的人工砂都會存在顆粒級配不合理、材質不一、堅固性差、泥粉含量較重等各種質量問題。甚至有部分企業(yè)所使用的人工砂就是石礦企業(yè)生產(chǎn)石子過篩后的廢料，泥粉含量能達到30%以上，采用這樣的細骨料生產(chǎn)出的混凝土來保證施工性，必須使用較高的用水量，從而造成混凝土硬化后形成較多的缺陷，根本無法保證地鐵混凝土的耐久性。

使用天然中砂拌制的混凝土比人工砂拌制的混凝土耐久性高是一個不爭的事實。因為天然中砂的細度模數(shù)易控制，顆粒級配比較合理，顆粒形態(tài)較好，質地比較堅固，含泥量小，配制出的混凝土施工性能好，混凝土比較密實，形成的缺陷相對較少，對混凝土的耐久性比較有利。在本地區(qū)周邊大量的高鐵建設中，為了保證高速鐵路的耐久性，細集料全部選用了天然中砂，就表明了本地區(qū)的人工砂的性能還存在較大的缺陷，不足以滿足高性能、耐久性混凝土的要求。

1.3粉煤灰

粉煤灰應用技術已經(jīng)非常成熟，但由于本地區(qū)市場上供應的粉煤灰比較混亂，質量參差不齊，以及商品混凝土企業(yè)技術人員對粉煤灰質量重要性的認識不足，從而導致很多達不到Ⅱ級粉煤灰性能的Ⅲ級粉煤灰或原狀灰，在市場上大量存在且在商品混凝土企業(yè)中普遍使用。

粉煤灰的質量性能對混凝土的耐久性影響是比較大的。品質優(yōu)良的粉煤灰，其獨有的玻璃微珠能改善混凝土的和易性，使混凝土顯得更為松軟且包裹性好。其二次水化反應能有效地吸收水泥水化產(chǎn)生的Ca(OH)2，其生成物能起到封孔固化，改善混凝土孔的結構，使混凝土更為致密，提高混凝土強度的同時也提高了混凝土的耐久性。又因為粉煤灰的波特蘭效應消耗了Ca(OH)2，降低了混凝土的Ca(OH)2含量，提高了混凝土的抗碳化能力，有利于混凝土對碳化環(huán)境的抵抗，而杭州地質條件就是碳化環(huán)境，就更顯出使用優(yōu)質粉煤灰的重要性。大量研究還表明，優(yōu)質粉煤灰的使用還能提高混凝土的抗裂性，而混凝土裂縫對混凝土耐久性的危害最大，這再次表明選用優(yōu)質粉煤灰的重要性。

杭州地鐵建設用混凝土的粉煤灰可以參考國家高速鐵路建設對粉煤灰的要求，對粉煤灰指標，根據(jù)本地區(qū)的實際情況，作出具體的性能要求，要求各混凝土企業(yè)必須使用Ⅱ級及Ⅱ級以上的粉煤灰，堅決杜絕Ⅲ級粉煤灰應用到地鐵建設中。

2　配合比設計

為了提高混凝土的耐久性，在配合比設計時就按照一定的要求，采用有利于提高混凝土耐久性的參數(shù)控制，是最有效的技術保障措施。

2.1水膠比

水膠比是控制混凝土強度的最為重要的參數(shù)，而合適的結構強度是耐久性保證的必要條件。根據(jù)現(xiàn)有的耐久性標準，對不同強度等級及不同環(huán)境作用下的混凝土設定最大水膠比來保證耐久性混凝土的強度，以提高混凝土抵抗環(huán)境侵蝕作用是十分必要的。又因為混凝土拌合時的用水量在其澆筑成型后被水化結合的很少，大量游離水蒸發(fā)后造成混凝土中的薄弱環(huán)節(jié)，給混凝土的開裂和耐久性帶來不利影響。因此，控制混凝土的水膠比是保證混凝土質量的重要措施。

這一點可以參考《混凝土結構耐久性設計規(guī)范(GB/T 50476—2008)》[2]和《鐵路混凝土結構耐久性設計規(guī)范(TB 10005—2010)》[3]等現(xiàn)有的耐久性規(guī)范標準，根據(jù)杭州的具體情況，作出相應的參數(shù)設定。

2.2膠凝材料用量

膠凝材料的使用量對混凝土的影響是很大的。合適膠凝材料的使用量不僅要保證混凝土的強度，而且還要滿足混凝土在澆筑過程的施工性，及混凝土在強度發(fā)展過程中其水化生成物對環(huán)境侵蝕的抵抗力。

耐久性混凝土不同于普通結構的混凝土，它不但為了保證強度規(guī)定了在配合比設計時最少膠凝材料的使用量，而且考慮到過多的膠凝材料會增加水化放熱量，加大混凝土收縮，使混凝土更容易開裂，還會造成混凝土泛漿分層等不利于混凝土耐久性的因素。為了提高混凝土的體積穩(wěn)定性，所以在高強度等級混凝土配合比上，還規(guī)定了最大膠凝材料使用量。

2.3礦物摻和料用量

大量的研究表明，礦物摻合料的使用對提高混凝土的耐久性是非常有利的。礦物摻合料的波特蘭效應能在較長的一段時間持續(xù)進行，對混凝土后期的強度增長貢獻較大，有利于混凝土的耐久性。將其二次水化產(chǎn)物填充到混凝土的孔隙中，改善了混凝土的微觀結構，使混凝土更為致密，提高了混凝土抵抗水、酸和鹽類物質的腐蝕能力，而且還能降低氯離子在混凝土中的擴散系數(shù)，從而提高抵抗堿骨料反應的能力，自然也提高了混凝土的耐久性。其二次水化反應緩解了水泥水化反應集中放熱，并降低了混凝土水化時期的溫度梯度，減少了溫度應力，降低了混凝土開裂的風險，對大體積混凝土的耐久性提高是非常有利的。

所以在高鐵及核電等對混凝土要求較高的混凝土結構中，都推薦大摻量使用礦物摻合料，降低水泥使用量來提高混凝土的綜合性能，而不是現(xiàn)在杭州地鐵設計文件中對混凝土所要求的最低水泥使用量。

3　混凝土性能要求

混凝土耐久性控制在性能要求方面包括施工時的工作性，及硬化后對各種環(huán)境侵蝕的抵抗作用。從商品混凝土企業(yè)的角度，具有較大影響的包括施工時的坍落度控制值，澆筑時的混凝土含氣量，硬化后混凝土的電通量。

3.1混凝土施工坍落度

混凝土施工時的坍落度控制值應是杭州地鐵混凝土耐久性的一個重要的影響因素，因其不僅影響到混凝土自身，而且還影響到混凝土結構的施工難度及施工連續(xù)性。

目前杭州在建地鐵混凝土設計圖紙上，對坍落度的施工控制值大都是(140±20)mm或(120±20)mm，很多施工單位和監(jiān)理單位在實際施工時，要求值比控制值還低，以致造成混凝土在施工時出現(xiàn)很多問題。本單位參與地鐵建設多年，認為這里存在的問題不僅嚴重影響到混凝土的耐久性，甚至在很多時候連混凝土的基本強度都不能保證。

由于設計所用的規(guī)范滯后及新材料和新技術的應用過快，設計單位在設計時依據(jù)的規(guī)范僅考慮到坍落度大的混凝土的收縮大，從而忽略了混凝土在實際使用中的其他問題。地鐵混凝土的很多結構部位，尤其是各種梁等重要的力的傳遞部位，由于結構中的配筋率很大，這樣就造成鋼筋間距比較小，坍落度小的混凝土在施工時存在較大的施工難度。由于不易振搗，就會出現(xiàn)振搗不實、漏振、局部過振、施工速度慢、工人施工時情緒大等不利因素，從而造成混凝土蜂窩麻面、不密實、勻質性差等問題。還有施工速度慢和施工時間過長形成的施工冷縫，工人情緒大時私自隨意加水造成混凝土強度不能保證。杭州的早晚高峰時段混凝土企業(yè)為保障混凝土供應，集中發(fā)車造成的壓車混凝土等待時間過長時混凝土坍落度損失等問題，形成一個惡性循環(huán)的怪圈。這些都因混凝土坍落度的設計值太小而形成，造成連混凝土的施工連續(xù)性和基本強度都無法保證，耐久性就更無從說起。

為了降低混凝土在這方面的風險，根據(jù)本公司在混凝土供應中所積累的經(jīng)驗，綜合考慮質量、施工速度和難度、施工人員的情緒、杭州交通狀況等各種因素，建議施工時的坍落度控制在(180±20)mm比較合適，從而能降低施工難度，規(guī)避掉許多風險因素，并可提高混凝土的綜合質量和耐久性。

3.2混凝土含氣量

合適的混凝土含氣量是提高混凝土耐久性一個既簡單又行之有效的控制指標，在實際操作中及經(jīng)濟上，都很容易實現(xiàn)。日本為了提高混凝土的耐久性，混凝土規(guī)范中定義的普通混凝土就是具有一定含氣量的混凝土，而不加入引氣組分的混凝土則稱為特種混凝土。我國高鐵建設中規(guī)定混凝土的含氣量控制在2%～4%，水工混凝土要求含氣量不低于4.5%，這些都體現(xiàn)在含氣量對混凝土耐久性的貢獻上。

混凝土摻入一定引氣組分的外加劑后，能使每方混凝土中引入數(shù)千億個微小氣泡，這些微小氣泡均勻地分布在混凝土體系中，能起到改善混凝土的工作性，減少混凝土的用水量，降低混凝土的泌水率，使混凝土的懸浮狀態(tài)更加穩(wěn)定，并能減少混凝土中粗骨料底部漿體泌水和沉陷等不良現(xiàn)象，從而可以提高混凝土的勻質性。又因為混凝土存有合適的含氣量，改善了混凝土的孔結構，能有效地隔斷未參與水化的自由水的泌水通道，減少貫通毛細孔的形成，從而可以提高混凝土抵抗環(huán)境侵蝕的能力?；炷梁幸欢ǖ暮瑲饬浚芤欢ǔ潭鹊亟档突炷恋拇嘈?，提高混凝土的韌性。以上這些對混凝土的耐久性都是有利的。

3.3混凝土的電通量

混凝土的密實性是其抵抗環(huán)境中水、氣以及溶解于水中的各種鹽等有害物質侵入混凝土的第一道防線，并直接影響到混凝土的抗?jié)B、抗碳化、護筋、抗硫酸鹽腐蝕、抗凍等耐久性能。傳統(tǒng)方法上采用混凝土抗高壓水滲透能力(抗?jié)B性能)來表示混凝土的密實性能。研究發(fā)現(xiàn)，對于強度等級高于C30的混凝土，單靠抗?jié)B標號已難以表征高強度混凝土的密實性。而目前比較通用的評價高強度混凝土抵抗外界各種有害離子侵蝕能力的檢測方法，就是電通量法。所以，為了更為直觀的評價杭州地鐵混凝土的耐久性，杭州地鐵混凝土應引進混凝土電通量控制值，可以對不同等級的混凝土電通量作出相應的要求，以此來保障混凝土對各種有害物質的抗侵蝕性。

4　對施工單位的要求

符合技術要求的混凝土從商品混凝土企業(yè)生產(chǎn)出及運輸?shù)焦さ?，只能算完成混凝土質量保證的一半，余下的質量保證就要靠施工單位來完成，所以說施工單位的施工對混凝土的質量保證及耐久性影響占有很大的比重。

筆者所在企業(yè)在杭州地鐵建設中，發(fā)現(xiàn)在以下幾個方面對混凝土的性能影響比較大。

4.1必要的施工條件

目前杭州地鐵的建設很多都在主城區(qū)內(nèi)，周邊建筑已經(jīng)建設完善、地下管線比較復雜、道路寬度受限，為保證地鐵施工時交通的有效通行，很多站點的施工作業(yè)面是很狹小的，甚至出現(xiàn)汽車泵都無法安全支撐的情況；還有很多站點建設采用局部蓋挖施工法，需要在蓋板下面作業(yè)施工，使施工難度增大，施工速度非常緩慢，容易導致混凝土在施工中出現(xiàn)問題。

為了保證混凝土的質量及耐久性，施工單位要根據(jù)施工平面圖，合理地安排施工現(xiàn)場平面布置，來盡力滿足施工條件，以利于施工的連續(xù)作業(yè)性，保證混凝土質量。這里需要特別注意的是，施工單位在蓋板上預留施工孔洞時，應征求混凝土供應企業(yè)意見，盡量按混凝土企業(yè)的泵車類型，設置能滿足更多施工方法的預留洞口。

4.2施工部署和施工方案

作為施工部署的最主要部分，施工安排和施工前的準備工作的合理及完成程度直接決定了施工能否有效順利的實施。本企業(yè)在混凝土的供應中，經(jīng)常出現(xiàn)施工時施工工人不能滿足施工需要，交接班及吃飯時間人員缺失，還有重要的施工設備出現(xiàn)故障不能及時修復等因素，中斷了施工連續(xù)性。這些因素使已到現(xiàn)場的混凝土不能及時澆筑，由于時間等待過長造成混凝土損失過大，已澆筑的混凝土已開始凝結造成施工冷縫，這些都影響到混凝土質量和耐久性。

4.3施工方案的實施及應急預案

合理的施工方案及施工方案的嚴格實施，是施工中保證混凝土質量及耐久性最重要的環(huán)節(jié)。杭州主城區(qū)的地鐵建設作業(yè)面狹小，交通狀況也不是很理想，這些不利因素在制定施工方案時都要充分考慮，在實施時嚴格操作，盡量避免意外情況的發(fā)生。

同時還要制定施工應急預案，因影響混凝土原因太多且復雜，總有一些意外情況發(fā)生，為了防范出現(xiàn)意外情況時對混凝土質量的影響，根據(jù)各個在建地鐵站的具體情況，針對性地制定施工應急預案還是十分必要的。

5　結　語

地鐵混凝土的耐久性，擔負著地鐵使用的壽命、安全性、舒適性，及后期維護的經(jīng)濟性，從多方面考慮都是很有必要的。耐久性作為一個系統(tǒng)工程，需要每個地鐵建設者與后期的維護參與者，從多方面及各個時間段來共同完成。本文僅從商品混凝土企業(yè)的角度對混凝土耐久性提出一些看法，以供相關從業(yè)者探討。

杭州作為中國最具有幸福感的城市之一，地鐵建設會使杭州人民的幸福感指數(shù)進一步提升。杭州地鐵的建設，對本地區(qū)人民的今后數(shù)代人的生活都具有較大的影響。所以作為地鐵建設參與者的一分子，本著做好本職工作，為子孫后代謀福利的原則，希望杭州地鐵作為杭州公共交通的名片，給每一個生活在這里和來過這里的人，都留下一個美好的印象。

[1]中國建筑材料科學研究總院.GB 8076—2008混凝土外加劑[S].北京：中國標準出版社,2009.

[2]清華大學.GB/T 50476—2008混凝土結構耐久性設計規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2009.

[3]鐵道科學研究院.TB 10005—2010鐵路混凝土結構耐久性設計規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社,2011.

Proposals about the Durability of the Metro Concrete in Hangzhou

LIU Zhenyi, LI Jianming, SHI Xiangliang, XIAO Weiwei

1008-3707(2016)01-0049-05

2015-10-29

劉臻一(1982—)，男，河南鄲城人，工程師，從事混凝土和外加劑方面的應用工作。

TU528.04

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