馬振庭

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司， 西安 710043)

0 引言

近些年，我國城市地下空間的發(fā)展十分迅速，各大城市都興起了修建地下工程的浪潮[1-3]。與一般的建筑工程結(jié)構(gòu)相比，由于地下結(jié)構(gòu)常常深埋于地下，因此其所面臨的混凝土侵蝕問題顯得尤為突出[4-5]。

20世紀(jì)70年代在我國香港所修建的部分地鐵線路在建成20年之后就面臨了混凝土內(nèi)部鋼筋產(chǎn)生嚴(yán)重銹蝕的問題。上海打浦路隧道在修建完成后不到20年的時間內(nèi)也出現(xiàn)了和香港地鐵一樣的混凝土內(nèi)部鋼筋銹蝕進(jìn)而導(dǎo)致混凝土層脫落的現(xiàn)象。北京地鐵某線路在開始運營后的幾年時間內(nèi)，便發(fā)現(xiàn)了隧道襯砌管片出現(xiàn)了穿孔現(xiàn)象。種種案例均表明，地鐵隧道混凝土耐久性所面臨的問題十分嚴(yán)峻和普遍。

目前正是我國地下空間建設(shè)的大發(fā)展時期，在腐蝕性水土環(huán)境中混凝土結(jié)構(gòu)如不采取有效措施，必將面臨大量的工程病害問題。西寧地區(qū)地下水土中富含Cl-與SO42-，Cl-侵蝕會導(dǎo)致鋼筋銹蝕，SO42-的侵蝕會嚴(yán)重影響混凝土性能。因此，針對西寧火車站地下配套建設(shè)工程所面臨的強(qiáng)腐蝕性水土環(huán)境，運用合理研究手段，開展鹽湖鹵水環(huán)境下地下混凝土耐久性和綜合防治技術(shù)研究迫在眉睫。

1 腐蝕機(jī)理

場地勘察報告表明，工程所在區(qū)域地下水的組成主要包括兩部分，分別為孔隙型潛水以及基巖裂隙水，二者共同構(gòu)成了SO42--Cl--Na+型鹽湖鹵水，普通混凝土1～3d即發(fā)生嚴(yán)重化學(xué)腐蝕破壞。當(dāng)Cl-透過混凝土接觸到內(nèi)部鋼筋時，會使鋼筋發(fā)生銹蝕，進(jìn)而導(dǎo)致混凝土開裂甚至危及工程結(jié)構(gòu)物的安全性能。工程概況及水土腐蝕性評價詳見文獻(xiàn)[6]。

1.1 硫酸鹽對混凝土的腐蝕機(jī)理

硫酸鹽對混凝土所引起的腐蝕破壞主要是化學(xué)反應(yīng)及物理膨脹兩方面共同作用的結(jié)果，見圖1。

圖1 硫酸鹽對混凝土的腐蝕機(jī)理

物理化學(xué)型侵蝕破壞具體表現(xiàn)為硫酸鹽與水泥凝結(jié)時的水化產(chǎn)物進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生具有膨脹效應(yīng)的結(jié)晶物，使得混凝土內(nèi)部開裂崩壞。依據(jù)結(jié)晶物化學(xué)組成的不同，物理化學(xué)型侵蝕破壞主要可以劃分為兩類，分別為鈣礬石型結(jié)晶和石膏型結(jié)晶。現(xiàn)有的研究資料表明：當(dāng)SO42-濃度較低時，結(jié)晶物產(chǎn)物主要是由鈣礬石晶體構(gòu)成；當(dāng)SO42-的濃度開始穩(wěn)步增長時，逐步產(chǎn)生石膏型結(jié)晶體，與此同時，鈣礬石晶體逐漸減少；當(dāng)SO42-濃度大到一定程度時，石膏型結(jié)晶體則構(gòu)成了結(jié)晶物的主要組成部分。

物理破壞則主要體現(xiàn)在結(jié)晶體侵蝕，主要表現(xiàn)在周圍土體中的SO42-透過混凝土表面滲入到其內(nèi)部，當(dāng)外界濕度大幅減小時，混凝土所包含的水分開始逐漸向外界蒸發(fā)，使得內(nèi)部的硫酸鹽晶體析出，生成相應(yīng)的結(jié)晶壓力，使得混凝土內(nèi)部開裂崩壞。

1.2 Cl-對鋼筋的腐蝕機(jī)理

Cl-對鋼筋的腐蝕主要表現(xiàn)在其透過混凝土表面裂縫侵入到其內(nèi)部，與鋼筋發(fā)生反應(yīng)生成Fe2+，隨后在水和氧氣的協(xié)同作用下，產(chǎn)生具有膨脹效應(yīng)的氫氧化鐵(Fe(OH)3)以及氧化鐵(Fe2O3)，從而對鋼筋產(chǎn)生了破壞作用。與此同時，隨著化學(xué)反應(yīng)的不斷加劇，相應(yīng)產(chǎn)物的體積也在不斷增加，使得混凝土膨脹開裂，腐蝕機(jī)理如圖2所示。

圖2 Cl-對鋼筋的腐蝕機(jī)理

大量的工程資料表明：鹽湖鹵水使鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)形成嚴(yán)重腐蝕的主要位置是混凝土結(jié)構(gòu)與其的接觸面處[7-8]。所以，為提高結(jié)構(gòu)的耐久性，應(yīng)該采取相應(yīng)措施，以控制SO42-和Cl-透進(jìn)混凝土?xí)r的濃度[9]。

對于本工程這種環(huán)境作用等級超過V-E級環(huán)境[10]，目前國內(nèi)外相應(yīng)的研究并不是十分豐富，因此，本文對其從設(shè)計與施工兩方面展開了相應(yīng)的防腐防滲研究。

2 混凝土抗腐蝕性設(shè)計要點

依據(jù)目前所掌握的工程場地的地質(zhì)條件與研究方向，在混凝土構(gòu)件的設(shè)計與施工中應(yīng)著重考慮與地下水或鹽漬土直接接觸的混凝土構(gòu)件的防腐措施，以加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的正常使用性能[11]。

2.1 采用高性能混凝土

高性能混凝土(HPC)是近年來才興起的一種具有優(yōu)良性能的新型混凝土，它是使用普通的原材料與常規(guī)的制備工藝生產(chǎn)出的一種具有高耐久性的工程混凝土?？紤]到該工程位于強(qiáng)腐蝕性的鹽漬土環(huán)境下，所以應(yīng)采用高性能混凝土框架結(jié)構(gòu)。頂板和蓋梁使用Ca45型混凝土，地下一層中板與梁、側(cè)墻、底板、樁基等采用Ca60高性能混凝土。

(1)水泥

選用PO.42.5級(C50以下)以及PO.52.5級(C50及以上)的P·I型普通硅酸鹽水泥。

(2)礦物摻合料(礦物外加劑)

對于高性能抗腐蝕混凝土，宜摻入多種復(fù)合型礦物外加劑，用來增強(qiáng)結(jié)構(gòu)混凝土的耐久性和對內(nèi)部鋼筋的阻銹能力。

摻合料的種類包含粉煤灰、磨細(xì)礦渣和硅灰等。為有效避免堿-集料反應(yīng)的產(chǎn)生，在加入摻合料前，需檢測Na2O當(dāng)量堿含量，確?？倝A含量不超過0.5kg/m3。此外，從礦物摻合料中所帶來的Cl-含量應(yīng)低于膠凝材料整體重量的0.01%；SO42-含量也應(yīng)低于膠凝材料整體重量的1%。

(3)集料

在集料選擇時，應(yīng)該著力避免采用活性集料，以防止堿-集料反應(yīng)的發(fā)生。與此同時，采用合理的各級粒徑顆粒的分配，以提高混凝土的拌合性。

細(xì)集料應(yīng)采用細(xì)度模數(shù)在2.6～2.9之間質(zhì)地堅硬的天然砂粒，并且含泥量不應(yīng)大于2.0%，云母含量低于2%。粗集料應(yīng)質(zhì)地堅硬，抗腐蝕性能優(yōu)異，吸水性小，松散堆積密度大于1 450kg/m3，空隙率低于45%，含泥量小于0.8%，壓碎指標(biāo)小于12%。作為粗集料來源的巖石抗壓強(qiáng)度與對應(yīng)混凝土的抗壓強(qiáng)度之比要大于等于2，同時，粒徑大小也應(yīng)滿足設(shè)計與施工要求。

從集料中所帶來的Cl-含量應(yīng)低于膠凝材料整體質(zhì)量的0.005%；SO42-含量低于膠凝材料整體質(zhì)量的1%，含堿量應(yīng)小于0.5kg/m3。

(4)化學(xué)外加劑

本工程所應(yīng)用的化學(xué)外加劑主要包含鋼筋阻銹劑、減水劑、緩凝劑和引氣劑。所使用的化學(xué)外加劑中均不含K+,Na+,SO42-,Cl-。

(5)拌和水

拌合水不得采用廢水以及pH值小于5的酸性水，并且水中Cl-的總含量小于200mg/L，SO42-的總含量小于500mg/L。與此同時，水中也不應(yīng)存在影響水泥正常凝結(jié)的不利物質(zhì)。

2.2 控制水膠比和膠凝材料用量

水膠比、膠凝材料用量是混凝土耐久性的一個重要指標(biāo)，設(shè)計中應(yīng)結(jié)合實際項目所處的環(huán)境類別、作用等級、使用年限等指標(biāo)確定水膠比、膠凝材料具體用量。本工程根據(jù)項目實際情況，按《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50476—2019)[10]相關(guān)規(guī)定，確定的具體指標(biāo)見表1。

2.3 明確常用混凝土耐久性參數(shù)指標(biāo)要求

常用的混凝土耐久參數(shù)性指標(biāo)包括一般環(huán)境下的混凝土抗?jié)B等級、凍融環(huán)境下的抗凍耐久性指數(shù)、氯化物環(huán)境下的氯離子擴(kuò)散系數(shù)等[10]。本工程設(shè)計使用年限100年，針對項目環(huán)境具體情況，參照耐久性相關(guān)規(guī)范要求對與土直接接觸的結(jié)構(gòu)構(gòu)件耐久性指標(biāo)進(jìn)行明確，具體指標(biāo)詳見表2。

2.4 控制保護(hù)層厚度

依據(jù)工程場地的地質(zhì)條件，設(shè)計結(jié)構(gòu)各個部位的混凝土保護(hù)層厚度(表3)，以預(yù)防外界鹽湖鹵水中腐蝕物質(zhì)的侵入。

2.5 附加防腐蝕手段

依據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)條件及結(jié)構(gòu)各部位自身的工程特點，對相應(yīng)的重點位置展開了必要的防腐蝕設(shè)計，詳見表4。

3 混凝土抗腐蝕性施工要點

3.1 混凝土施工

在施工前，需要對混凝土開展相應(yīng)的配合比試驗，以確保混凝土的強(qiáng)度及耐久性；膠凝材料及最大水膠比符合相應(yīng)的設(shè)計要求，Ca60以下最大需水量不應(yīng)該大于150kg/m3；拌合時適量引氣，以增強(qiáng)高性能混凝土的抗凍能力，新拌混凝土的含氣量要求控制在4%～7%之間。

混凝土澆筑前，所有參與混凝土澆注的工程技術(shù)人員在登上操作面前，需要在一個就近的位置集中沖洗，避免設(shè)備尤其是工程人員鞋底攜鹽進(jìn)入混凝土澆筑場地。混凝土澆筑入模的工作性能，應(yīng)符合表5的要求。

膠凝材料用量以及水膠比 表1

常用混凝土耐久性指標(biāo) 表2

結(jié)構(gòu)各部位保護(hù)層厚度 表3

附加防腐蝕手段 表4

混凝土澆筑入模的工作性能 表5

由于高性能混凝土水膠比較低，所以在混凝土澆筑后應(yīng)當(dāng)迅速加以覆蓋并及時加濕養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)期限至少為7d，且場地混凝土的強(qiáng)度至少達(dá)到28d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)強(qiáng)度的一半。

拆除模板時，不僅需要考慮混凝土的強(qiáng)度也需要考慮結(jié)構(gòu)混凝土的內(nèi)外溫差，防止因接觸空氣時溫差較大所導(dǎo)致的混凝土龜裂。

3.2 混凝土保護(hù)層控制

本項目使用保護(hù)層定位夾以確保鋼筋定位準(zhǔn)確，鋼筋安裝時保護(hù)層厚度的允許誤差：板、墻結(jié)構(gòu)+3mm和-0mm；梁、柱結(jié)構(gòu)+5mm和-0mm；基礎(chǔ)+10mm和-0mm；樁基±10mm。應(yīng)當(dāng)注意的是，混凝土保護(hù)層內(nèi)部嚴(yán)禁出現(xiàn)鋼絲及雜物。

澆筑混凝土前，應(yīng)注意以下事項：1)保護(hù)層定位夾的位置和數(shù)量以及固定的穩(wěn)定性；2)鋼筋、預(yù)埋件的尺寸規(guī)格、數(shù)量及位置，確保與圖紙一致；3)混凝土模板的緊固性，防止在澆筑混凝土?xí)r模板發(fā)生破壞。澆筑完畢后，應(yīng)用非破損法檢測工程場地混凝土的保護(hù)層厚度，確保滿足設(shè)計及《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工規(guī)范》(GB 50666—2011)要求。

3.3 鋼筋施工

普通鋼筋的堆放，加工必須在一個相對封閉的廠房內(nèi)進(jìn)行，不得將鋼筋、施工鋼板等與地表混凝土直接接觸，避免鋼筋受鹽漬土影響。同時施工用砂石料場地也需要采取覆蓋施以避免接觸到鹽漬土。

3.4 涂裝施工

3.4.1 涂裝

在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d后，即可對混凝土結(jié)構(gòu)展開涂裝工作。涂裝前，使用高壓水槍對混凝土表面展開清潔工作，去除混凝土表面附著的油泥和松散堆積物；清潔完畢后，使用吸濕工具(海綿)或壓縮空氣使得混凝土處于表干狀態(tài)，以利于下一環(huán)節(jié)的涂裝工作；下一階段涂裝工作開始前，應(yīng)對上一階段的涂層進(jìn)行清潔處理，若上一涂層因過于光滑而影響到下一階段的涂層施工時，應(yīng)對其打毛，以利于下一階段的涂裝工作。

涂裝工作完成后，應(yīng)對涂層的厚度展開量測，具體的量測方法是在50m2內(nèi)隨機(jī)選取一個測點，且總測點數(shù)至少為30個。當(dāng)涂層厚度不滿足設(shè)計要求時應(yīng)依據(jù)工程現(xiàn)場實際情況進(jìn)行局部或是整體補涂。

涂裝結(jié)束3d后，對涂層表觀進(jìn)行檢測，確保涂層無氣泡和剝落。

3.4.2 硅烷浸漬

浸漬材料在陰涼干燥且遠(yuǎn)離火源處進(jìn)行存放，并設(shè)置相應(yīng)的警示牌。材料啟封后應(yīng)在72h之內(nèi)使用完畢。

硅烷在浸漬前需開展噴涂試驗，試驗區(qū)域控制在1～5m2之間。噴涂完成后，在試驗區(qū)域內(nèi)鉆芯取樣，并對所選取的樣本開展氯化物吸收量的降低效果、吸水率以及硅烷浸漬深度等指標(biāo)的檢測。當(dāng)檢測通過時，才可對混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行浸漬。

浸漬硅烷的混凝土齡期至少為28d，當(dāng)開始進(jìn)行硅烷浸漬時，應(yīng)先用鏟刀鏟去表面的松散附著物再用水泥漿液修補蜂窩麻面。

浸漬完畢后開始進(jìn)行質(zhì)量驗收，以500m2作為一個質(zhì)檢批次，當(dāng)質(zhì)量驗收的檢測結(jié)論不滿足下列的任意一項時，應(yīng)當(dāng)再次進(jìn)行硅烷浸漬：1)混凝土的平均吸水率小于0.01mm/min1/2。2)強(qiáng)度等級低于C45的混凝土，浸漬深度至少要為3～4mm；強(qiáng)度等級高于C45的混凝土，浸漬深度則應(yīng)該達(dá)到2～3mm。3)氯化物含量平均降低至少為90%。

3.4.3 鋼筋涂層

鋼筋在涂層前應(yīng)確保其表面無污物及鐵銹等松散附著物，且清潔度達(dá)到《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》(GB 50204—2015)及《環(huán)氧樹脂涂層鋼筋》(JG/T 502—2016)要求。

鋼筋表面經(jīng)過清潔處理后，應(yīng)在4h之內(nèi)開始進(jìn)行涂裝工作，涂料在使用之前應(yīng)拌合均勻，且每間隔15min就應(yīng)重新攪拌一次。涂裝工作總共分為三步開展，依次為涂裝底漆、中間漆和面漆。

漆膜表面光潔，無掛流、漏涂、孔針、發(fā)白、起泡、縮孔等任何漆膜弊病，并且干膜厚度應(yīng)符合規(guī)范《環(huán)氧樹脂涂層鋼筋》(JG/T 502—2016)相關(guān)要求。

4 試驗概況

4.1 試件設(shè)計

本次試驗選用PO.42.5型普通硅酸鹽水泥，混凝土的材料用量詳見表6、表7。試驗中，制備尺寸為150mm×150mm×150mm的立方體試塊40個，其中普通混凝土(OPC)與高性能混凝土(HPC)試塊各20個。

混凝土原材料使用量/(kg/m3) 表6

試驗用高性能混凝土按15%的粉煤灰、25%的磨細(xì)礦粉、3%的硅灰加入礦物摻和料，同時按1.36kg/m3的比例加入改性聚酯纖維。

試件在養(yǎng)護(hù)24h后拆模，再標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7d。依據(jù)文獻(xiàn)[6]選定質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10.0%的Na2SO4溶液作為腐蝕液，并用清水作對照試驗，試件完全浸泡在腐蝕溶液中，試件分組情況見表7。

試件分組 表7

4.2 試驗過程

試驗儀器采用電液伺服壓力機(jī)，加載速率控制在0.5MPa/s。從試件養(yǎng)護(hù)7d后起，每間隔30d對各溶液中的試件展開一次單軸抗壓試驗，并統(tǒng)計相關(guān)數(shù)據(jù)。

4.3 試驗結(jié)果

經(jīng)整理，試驗結(jié)果如圖3所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，在清水中隨著試驗時間的不斷增加，4組試件的抗壓強(qiáng)度均逐漸增大，并在最后趨于穩(wěn)定。在濃度10.0%的Na2SO4溶液中，試件抗壓強(qiáng)度隨時間的變化趨勢大體可分為3個階段。

圖3 試件抗壓強(qiáng)度隨時間的變化

第一階段，4組試件的抗壓強(qiáng)度隨著時間的增加而逐步增大，并且均高于同齡期在清水中試件的抗壓強(qiáng)度。造成這一現(xiàn)象的主要原因是在腐蝕前期，硫酸鹽的膨脹作用在一定程度上提高了混凝土的密實性，從而使得混凝土的抗壓強(qiáng)度得到了較為明顯的增加。

第二階段，4組試件的抗壓強(qiáng)度增速緩慢，出現(xiàn)了抗壓強(qiáng)度小于同期在清水中抗壓強(qiáng)度的趨勢。這是因為一方面水泥水化反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行，增加了混凝土的強(qiáng)度，而另一方面隨著腐蝕的不斷進(jìn)行，混凝土的強(qiáng)度逐步降低。這兩種矛盾因素的共同作用使得試件抗壓強(qiáng)度隨時間的變化曲線出現(xiàn)第二階段的這種發(fā)展趨勢。

第三階段，試件O1，O2的抗壓強(qiáng)度極劇減小，并遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于同期在清水中的抗壓強(qiáng)度，試件H1，H2的抗壓強(qiáng)度緩慢減小，并小于同期在清水中的抗壓強(qiáng)度。可以發(fā)現(xiàn)，本工程所采用的高性能混凝土的抗腐蝕性能要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通混凝土。

5 結(jié)語

通過對混凝土材料的腐蝕機(jī)理的分析及現(xiàn)場試驗研究，從設(shè)計及施工兩方面提出混凝土抗腐蝕設(shè)計的總體思路，主要成果如下：

(1)對于環(huán)境作用等級較高的工程，在考慮防腐防滲時應(yīng)采取多重防護(hù)措施與手段綜合處理，以滿足結(jié)構(gòu)耐久性的需求。

(2)從研究混凝土的組成成分出發(fā)，分析了原材料(水泥品種、礦物摻和料、集料、化學(xué)外加劑、及拌合水的水質(zhì)情況)對混凝土耐腐蝕性能的影響，結(jié)果表明，通過混凝土配合比的優(yōu)化設(shè)計，能夠獲得具有防腐蝕和耐久性的高性能混凝土。提出了應(yīng)用于鹽漬土環(huán)境下高性能混凝土摻加料的定量指標(biāo)。

(3)工程施工過程中，應(yīng)強(qiáng)化對各個施工環(huán)節(jié)的控制，嚴(yán)格把握質(zhì)量關(guān)，使得混凝土的水灰比、坍落度以及保護(hù)層厚度等在設(shè)計要求的范圍內(nèi)，同時要重視鋼筋施工以及后期的涂裝工作，多管齊下，確保高性能抗腐蝕混凝土的各項物理力學(xué)指標(biāo)符合設(shè)計與施工的要求。

(4)通過開展混凝土抗腐蝕試驗，驗證工程所用高性能混凝土在鹽湖鹵水環(huán)境中具有極佳的抗腐蝕能力。