劉東，蘭聰，劉霞，陳景

（中建西部建設西南有限公司，四川 成都 610052）

0 引言

軌道交通作為現(xiàn)代城市交通的主流和方向，其容量大、速度快、干擾小、能耗低等，被譽為現(xiàn)代城市的大動脈，是城市崛起的標志，也是國家國力和科學技術水平的體現(xiàn)。截止 2016 年底，共有 27 省的 40 余座城市獲得批準建設軌道交通，獲批城市規(guī)劃里程達 7000 余公里。預計到 2020 年，全國地鐵通車里程將達 6000公里以上，有軌電車通車里程達 1000 公里以上。[1]

然而，我國地域廣闊，氣候環(huán)境和地下水文條件各不相同，并且地鐵大部分結(jié)構(gòu)位于地下幾十米，所受水壓力比較大，并且水中常含有多種電解質(zhì)，對混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕性也比較大，其中以硫酸鹽類侵蝕的情況最為嚴重。地鐵運行時產(chǎn)生的大量雜散電流也對地鐵中混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了不良影響。然而地鐵等軌道交通的設計使用壽命一般較長，甚至可高達 100 年之久，如此復雜的環(huán)境使得地鐵混凝土的耐久性面臨著嚴峻的挑戰(zhàn)。圖 1為地鐵列車及混凝土結(jié)構(gòu)外觀圖。

圖 1 地鐵列車及混凝土結(jié)構(gòu)

1 影響因素

關于影響地鐵混凝土耐久性的各種環(huán)境影響因素已成為國內(nèi)外研究者非常關注的一個熱點。研究較多的影響因素有：堿集料反應、氯離子腐蝕、硫酸鹽腐蝕、碳化作用、凍融循環(huán)、雜散電流以及外力荷載等，而各個因素對混凝土的破壞作用又不盡相同。

堿集料反應：若堿含量較高的混凝土中使用了活性骨料，在潮濕環(huán)境中時，堿和活性骨料之間容易發(fā)生堿硅酸鹽反應，引起混凝土局部膨脹，從而嚴重影響混凝土的耐久性和使用壽命。[2]

氯離子腐蝕：氯離子能夠吸附到鋼筋表面，破壞鋼筋表面的鈍化膜，并起到化學催化作用，引起混凝土中鋼筋快速銹蝕，鋼筋腐蝕將會嚴重危害混凝土結(jié)構(gòu)，致使混凝土耐久性受到挑戰(zhàn)。因此，環(huán)境介質(zhì)中的氯離子濃度必須引起高度的重視。[3]

硫酸鹽腐蝕：在高濃度的硫酸鹽介質(zhì)中或混凝土本身含有較高的硫酸鹽，硫酸鹽容易與混凝土中水泥石礦物發(fā)生反應，導致混凝土 pH 值減小，失去強度或生成鈣礬石導致混凝土膨脹開裂，在構(gòu)件表面形成較大的裂縫，危害結(jié)構(gòu)安全。即使沒有發(fā)生化學反應，在干濕循環(huán)的作用下，混凝土也會因硫酸鹽溶液吸水發(fā)生結(jié)晶膨脹破壞。[4]

碳化作用：高濃度的二氧化碳會與混凝土中的堿性成分發(fā)生化學反應，改變硬化水泥石的成分、組織及性能，導致混凝土出收縮等現(xiàn)象，并且堿性下降后還會使得鋼筋表面的鈍化膜容易遭到破壞，使鋼筋銹蝕，加速了混凝土的破壞速度，這些都嚴重影響到了地鐵混凝土的耐久性能以及使用壽命等。

凍融循環(huán)：當混凝土在水和寒熱共同作用下，混凝土容易受到凍脹開裂和表面剝落兩個方面的影響。這是由于在飽和水狀態(tài)下，毛細孔中水容易結(jié)冰，對周圍孔壁產(chǎn)生一定擠壓力，而凝膠孔中的水的冰點更低，處于過冷狀態(tài)，對毛細孔又產(chǎn)生了一種滲透壓，使凝膠孔中水份向毛細孔中遷移，造成毛細孔中的冰體積膨脹，最終導致混凝土脹裂。在寒熱交替過程中，混凝土毛細孔中的會反復凍融，使得混凝土中裂縫進一步相互貫通，加快了混凝土的破壞，直至混凝土結(jié)構(gòu)由表到里完全受到破壞。

外力荷載：由于地鐵混凝土結(jié)構(gòu)起著支撐隧道的作用，承受著巨大的力的作用，在應力和腐蝕的共同作用下，混凝土結(jié)構(gòu)的破壞速度明顯加快。[5]外部荷載是在其他腐蝕作用下共同對混凝土造成破壞的，并且在其中起著輔助的作用。

雜散電流：與其他鋼筋混凝土工程相比，地鐵混凝土處于列車運行的特殊環(huán)境中，[6]總有部分流經(jīng)走軌的電流泄漏到地面形成雜散電流（見圖 2）。[7]雜散電流會對鋼筋混凝結(jié)構(gòu)土中的鋼筋、預埋件等金屬物質(zhì)產(chǎn)生電化學腐蝕，并且在發(fā)生電化學腐蝕后加速腐蝕的進行，生成的“鐵銹”在鋼筋表面不斷沉積，進而對周圍的混凝土產(chǎn)生不容忽視的壓力，使得混凝土表面形成大的裂縫，危害結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定性。此外，雜散電流還能對混凝土直接造成腐蝕性危害。土壤中本來就含有大量的離子，當混凝土周圍有積水或比較潮濕時，就會形成電解質(zhì)溶液，而混凝土就直接暴露在電解池中，使得混凝土中鈣離子在電場的作用下不斷溶解向外遷移，不斷的溶解又必將導致混凝土中水化硅酸鈣發(fā)生分解，形成孔洞，進而導致混凝土強度大幅下降，甚至直接造成混凝土結(jié)構(gòu)的破壞。

圖 2 雜散電流產(chǎn)生示意圖

2 多因素耦合作用

從實際情況來看，使地鐵混凝土遭受到損壞的往往不是某一孤立的因素，而是多個因素共同耦合作用，這也使得對混凝土耐久性的檢測評價更加困難，限制了地鐵混凝土損傷理論的形成及其壽命預測模型的建立，不利于指導地鐵混凝土實際工程的應用。目前研究較多的耦合因素有：“氯鹽—硫酸鹽二因素耦合”、“鹽類滲透—凍融循環(huán)二因素耦合”、“鹽類滲透—彎曲荷載二因素耦合”、“鹽類滲透—彎曲荷載—凍融循環(huán)三因素耦合”等。繆昌文[8]等人指出混凝土在內(nèi)外界環(huán)境因素作用下的一般的失效過程實質(zhì)是材料內(nèi)部劣化損傷過程，并將其分為均勻損傷和有損傷梯度的非均勻損傷兩大類，而多因素作用的混凝土損傷特點是均勻損傷和梯度損傷的疊加效果。

2.1 二因素耦合

（1）氯鹽—硫酸鹽類

程曉斌[9]的研究表明，在混凝土中硫酸根和氯離子可以短暫相互牽制，二者與水泥水化產(chǎn)物的生成物均會堵塞孔隙，延緩離子的進一步擴展，但長期來看二者的疊加效果仍然會加劇混凝土結(jié)構(gòu)的破壞。李鵬[10]研究了硫酸鹽與氯鹽雙因素作用下混凝土的損傷情況，也證實了氯鹽能在一定程度上緩解硫酸鹽腐蝕程度，但氯離子濃度較高時，能夠?qū)е螺^高的膨脹應力以及物理腐蝕和溶解破壞，加速了破壞。金祖權(quán)等人[11]通過模擬我國西部地區(qū)混凝土的破壞情況，從理論上分析了硫酸鹽和氯鹽雙因素下，氯離子擴散規(guī)律和混凝土損傷劣化及微結(jié)構(gòu)演變規(guī)律，并得出硫酸鹽在早期的腐蝕產(chǎn)物可降低毛細孔的連通性，從而減小氯離子擴展系數(shù)。但后期，隨著裂紋的產(chǎn)生，氯離子擴展系數(shù)有急劇增大。并且可在集料與水泥石界面過渡區(qū)產(chǎn)生大量腐蝕產(chǎn)物，形成繞骨料裂紋，最終貫穿骨料，造成嚴重損壞。

（2）鹽類—凍融循環(huán)類

穆儒[12]研究了不同混凝土在凍融循環(huán)和鹽類耦合作用下的宏觀性能，研究表明混凝土在氯鹽中凍融時表面剝落嚴重，質(zhì)量損失率遠大于純水中的凍融破壞；而在硫酸鹽中的凍融時的質(zhì)量損失率小于在純水中的凍融破壞。余紅發(fā)[13]等人通過氯離子在混凝土中的擴散模型，推導出來混凝土凍融循環(huán)下氯離子的擴散理論模型，模型表面鹽凍二因素耦合時，混凝土的劣化程度遠大于凍融或鹽類單因素作用下的劣化程度?！奥塞}滲透-凍融循環(huán)二因素耦合”中氯離子不僅直接腐蝕鋼筋并且氯離子溶液的冰點較水的冰點更低，當氯離子溶液在混凝土孔結(jié)構(gòu)中處于飽和狀態(tài)時，在寒冷的狀態(tài)下更容易結(jié)冰膨脹，對混凝土孔壁形成壓力，混凝土內(nèi)部受到凍融循環(huán)所形成的反復應力作用而引起內(nèi)部損傷逐步積累的過程，最終導致混凝土結(jié)構(gòu)整體破壞。

（3）鹽類—彎曲荷載類

混凝土長期受到外部彎曲荷載的作用下，出現(xiàn)微裂紋并擴大，內(nèi)部孔隙相互貫通，大量的含有離子的介質(zhì)通過貫穿的孔洞進入到鋼筋處，對鋼筋造成銹蝕。鋼筋銹蝕后體積變大，對混凝土產(chǎn)生擠壓力，在外加拉應力和鋼筋的擠壓力雙重作用下，混凝土結(jié)構(gòu)裂縫擴大，又進一步加速了破壞，最終鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)完全失效。外部的拉應力和氯離子介質(zhì)的耦合作用，明顯使得混凝土裂縫的產(chǎn)生和擴展速度加快，大大縮短了鋼筋混凝土的有效服役壽命，從而也大幅增加了地鐵的維護成本或縮短了地鐵的運營年限。

方永浩[14]研究了混凝土試件在彎曲荷載作用下氯離子的滲透效果，發(fā)現(xiàn)荷載作用下混凝土中氯離子的滲透性可能與試件受力方向有關。何世欽[15]測試了彎曲荷載下氯離子的含量，研究表明同一深度處氯離子含量與荷載成正相關，但必須將混凝土試件在氯離子溶液中浸泡足夠長的時間。范穎芳[16]研究了混凝土在硫酸鹽浸泡后的受力破壞情況，研究表明其破壞情況與受硫酸鹽腐蝕前相同，但開裂荷載較腐蝕前提高了 2～4 倍，并且荷載也較腐蝕前增大了 30%～60%。

2.2 三因素及以上耦合

三因素及以上的研究就比較鮮見于報道，分析其原因可能是由于多因素耦合作用的試驗裝置設計比較困難，模型的建立復雜，破壞的主次原因分析難度大等。但可以明確的是混凝土在多重因素共同作用下，其破壞速度以及破壞程度遠高于單因素的破壞，這嚴重影響了混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，縮短了地鐵類混凝土的生命周期。同時，多重因素對混凝土結(jié)構(gòu)破影響的研究還不足，有待于研究者們對其進行深入研究，若能在此方面取得研究進展和成果，對于提升實際環(huán)境中混凝土的耐久性將有著重要的意義。[17]

曹銀等人[18]研究了混凝土在凍融—氯鹽—荷載三因素耦合作用下的耐久性能，研究表明在凍融—氯鹽—荷載三因素耦合的作用下，混凝土的破壞形式主要是鹽凍循環(huán)導致混凝土表面剝落，外部荷載加速了鹽凍循環(huán)造成的表面剝落及內(nèi)部損傷。

李強、陳樹東等人[19]研究了隧道管片在多因素（碳化、氯離子、硫酸根離子及模擬雜散電流）共同作用下的耐久性退化規(guī)律和破壞機理，并測定了其力學性能。經(jīng)過試驗，在多因素環(huán)境作用下的管片承載力要遠低于空白環(huán)境中管片承載力，極限承載力的降幅甚至達到了40%，并且管片的延性、彈性等也有所下降。

王陣地[20]研究了四因素（凍融循環(huán)＋氯鹽侵蝕＋外加彎曲荷載＋迷流腐蝕）作用下鋼筋混凝土性能的退化規(guī)律，研究表明混凝土破壞的主要原因是鋼筋的銹蝕產(chǎn)物與鋼筋相比產(chǎn)生的體積膨脹而導致的鋼筋開裂，而次要原因是鹽凍和外加應力，并且迷流腐蝕對鋼筋的應變影響大于相應的外加荷載和氯鹽侵蝕的影響。

秦臻[21]雖然研究地鐵鋼筋混凝土在氯離子和雜散電流的環(huán)境條件下，得出了鋼筋混凝土疲勞損傷演化規(guī)律，但在雜散電流、荷載及氯離子三因素耦合條件下，因地鐵混凝土模擬試驗與實際情況差異性大而需進一步研究。

綜上所述，多耦合作用條件下，地鐵混凝土的破壞遠大于單因素，應采用數(shù)字模型建立、宏觀試驗與微觀結(jié)構(gòu)分析結(jié)合的方法，探明特定環(huán)境條件下對其損傷其主要作用的因素，并用有針對性的防護來提升地鐵混凝土的耐久性。而雜散電流作為地鐵運行環(huán)境中的特別因素應予以重視，其參與的耦合作用破壞性往往極大，并且損傷機理復雜，模型建立困難，需要做深入的研究。

3 應對措施

3.1 設計階段

在混凝土結(jié)構(gòu)設計時，要充分考慮其耐久性問題，把握工程實際環(huán)境，應對多因素對耐久性的挑戰(zhàn)：包括設計荷載、結(jié)構(gòu)合理性、原材料選擇、施工質(zhì)量、養(yǎng)護及后期維護等多個環(huán)節(jié)，任一環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題都有可能導致混凝土結(jié)構(gòu)受到腐蝕，嚴重影響后期耐久性。地鐵的結(jié)構(gòu)設計主要有荷載計算、抗浮設計、結(jié)構(gòu)選型、內(nèi)襯設計等。主要構(gòu)件的強度和抗裂性能要充分考慮各種荷載的大小，設計值要留有一定的安全系數(shù)，否則容易造成混凝土強度和抗裂性能不足而引起滲漏現(xiàn)象。

3.2 原材料配制

水泥中鋁酸三鈣和硅酸三鈣的含量對混凝土抗硫酸鹽侵蝕有著決定性的作用，從水泥本身的化學成分方面對混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能進行研究有著重要的意義。在混凝土原材料選擇時，要利用高堿性、低強度等級、低水化熱的水泥等原材料，使混凝土硬化后有較高的pH 值，鋼筋在高堿的環(huán)境時，更容易在表面形成鈍化結(jié)構(gòu)，保護鋼筋免受腐蝕。但這也增加了與骨料進行堿硅酸鹽反應的機率，為此要避免使用活性骨料，盡可能選擇較大粒徑的粗骨料，并且嚴格控制骨料中的含泥量和針片狀含量。要使用高品質(zhì)的混凝土材料，合理降低水灰比和拌合水的用量，從而有效提升混凝土的強度和耐久性。[22]選用的外加劑要與水泥相容性好，并且具有一定的體積膨脹性、高坍落度、保坍性好、收縮性小等特點，以利于混凝土強度正常發(fā)展。此外，可以用部分石灰石粉、粉煤灰、礦渣粉等來替代部分水泥，改善混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，形成閉合的、均勻的、細小的微孔，細化晶粒和凝膠結(jié)構(gòu)，提升微觀結(jié)構(gòu)的致密性，防止有害物質(zhì)的入侵，并且還能夠顯著降低混凝土雜散電流腐蝕，有效抵抗多因素耦合作用下的腐蝕性，進而提高耐腐蝕性和耐久性。[23]

3.3 混凝土澆筑

混凝土施工過程中，事先做好排水設施，圍護結(jié)構(gòu)要嚴密，避免主體結(jié)構(gòu)模板中積有明水等。預澆筑的混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的各類型鋼筋及捆筋等不得與模板相接觸，用于固定模板的螺栓穿過混凝土結(jié)構(gòu)等必須有止水措施。[24]混凝土澆筑時要在嚴格把控水膠比的基礎上保持良好的工作性，方便工程施工以及振搗密實，澆筑后要及時采取養(yǎng)護措施，避免表面泛漿及連通孔洞的出現(xiàn)等，使混凝土強度得到較好的發(fā)展。確保整個澆筑連續(xù)，并嚴格把控每個工序的流程，使各個環(huán)節(jié)都執(zhí)行到位，做到又好又快的建設。養(yǎng)護時，要確保合適的養(yǎng)護溫度和養(yǎng)護時間，嚴控混凝土的塑性收縮，必要時可使用養(yǎng)護劑及涂刷保護層等。

3.4 后期維護

在地鐵混凝土后期養(yǎng)護中，要定期檢查混凝土結(jié)構(gòu)，觀察是否有缺陷出現(xiàn)，并及時進行修復，避免混凝土破壞的擴大，影響混凝土的長期耐久性。對于沒有擴展性的細微裂縫，一般可自愈，對混凝土的使用性能和耐久性能影響不大，可采用表面修補法，如涂刷聚合物改性水泥基材料等，對其進行粘合封堵。對于 0.3mm以上的裂縫，特別是擴展性裂縫，一般采用嵌縫封堵法，沿裂縫鑿槽，并灌入止水材料，徹底封閉裂縫。對于裂縫密集區(qū)域，嚴重危害到結(jié)構(gòu)安全性時，必須加強防護支撐，如有可能鑿去原有混凝土，采用灌漿對其填補修復，即置換混凝土加灌漿。

3.5 雜散電流防護

對于雜散電流，可以通過增強結(jié)構(gòu)之間的絕緣性來減小雜散電流的產(chǎn)生、或者降低流經(jīng)混凝土結(jié)構(gòu)的雜散電流量，還可以通過將鋼筋與產(chǎn)生雜散電流的電源負極直接相連，使結(jié)構(gòu)中的雜散電流不經(jīng)外部介質(zhì)而直接流入到電源負極，鋼筋就不會成為陽極，從而阻止鋼筋的腐蝕，但該方法會使得行車軌道的腐蝕加快，因此，該方法要慎用。此外，還可以在混凝土結(jié)構(gòu)外涂刷表面涂層或環(huán)氧樹脂等來隔絕外部介質(zhì)[25]，使得雜散電流（以及氯離子、硫酸鹽離子等）無法進入鋼筋，也就不能對鋼筋造成腐蝕。閆明富[26]通過研究地鐵雜散電流腐蝕機理及仿真計算，闡明了影響雜散電流分布及鋼軌電位的主要因素，并提出使用截面較大的無縫鋼軌及提高道床與軌道間的泄露電阻等來降低雜散電流大小和鋼軌電位，可有效提升地鐵混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。戰(zhàn)鵬[27]通過研究也提出通過提高列車牽引電壓、增大軌道對地過渡電阻及降低行走軌縱向電阻等來降低雜散電流，保護地鐵沿線及其周圍混凝土結(jié)構(gòu)物。

4 結(jié)語

城市的不斷發(fā)展，使得城市地鐵等軌道交通不斷修建，而修復軌道交通不僅消耗了大量的人力、資源及資金，還影響了人們的出行，必須延長其使用壽命，關鍵在于提升混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。影響混凝土耐久性的因素眾多，必須結(jié)合工程實際，深入分析各影響因素，從工程設計、選料、施工到后期維護各個環(huán)節(jié)把關，有效延長地鐵混凝土的使用壽命，也是貫徹可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重大舉措。

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