鹽漬環境地鐵混凝土結構耐久性設計

邵 瑩

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司城建院，西安 710043)

近十幾年來，我國城市軌道交通建設迅速發展，國內的大部分城市已經建成運營或者正在籌劃建設城市軌道交通，隨著西安、蘭州、西寧等城市的軌道交通相繼開工，城市軌道交通也開始逐步向我國西北內陸城市不斷延伸。我國西北部地區分布有廣泛的鹽漬土環境，鹽漬土是指各種鹽化、堿化土壤，主要分布在內陸干旱、半干旱地區及濱海地區，其工程環境內可溶性鹽嚴重超標，鹽鹵對混凝土的侵蝕破壞非常嚴重［1］。根據調查發現，普通的鋼筋混凝土構件直接置于鹽漬土環境中，兩三年即遭腐蝕，3～5年后會出現鋼筋銹蝕、混凝土開裂等嚴重的破壞［2-3］。目前國內尚無在鹽漬土環境修建地鐵的工程經驗，城市軌道交通中地下線部分多為淺埋的地下鋼筋混凝土結構，對于長期在氣候惡劣、侵蝕介質濃度高、環境非常復雜的地鐵工程，如何保證結構的百年耐久性要求，滿足城市交通干線的正常使用就顯得非常重要。

1 工程概況

本工程為地下3層島式車站，明挖順作法施工，地下一層為公路隧道，兩端通過爬坡直通地面，地下二、三層為地鐵車站，通過出入口連通地面，車站長度228 m，標準段寬度22.8 m，車站底板埋深25 m，頂板覆土厚度約1.3 m。位于青海省西寧市，南臨湟水河。站區地貌單元屬于湟水河北岸Ⅰ級階地及高漫灘，地勢平坦開闊，海拔高程2 212.38～2 212.93 m。站區地層自上而下依次為第四系雜填土、粉土、卵石及第三系石膏巖夾泥巖，各地層主要物理力學參數見表1。

場地賦存第四系松散巖類孔隙潛水，初見水位埋深3.1 ～4.5 m，穩定水位埋深 2.8 ～4.5 m，地下水位高程為2 208.31～2 210.13 m，含水層主要為全新統沖積卵石層，厚1.4～4.5 m，隔水底板為第三系泥巖，水量比較豐富，第三系石膏巖中賦存碎屑巖類裂隙孔隙水，泥巖為隔水層，石膏巖為弱透水層，只在構造及節理裂隙中賦存有少量的地下水。

場地內水土中的侵蝕介質含量及對鋼筋混凝土結構的腐蝕性評價詳見表2、表3。

表1 地層主要物理力學參數

表2 水土的腐蝕性評價

表3 場地土的鹽脹性評價

2 混凝土結構腐蝕機理及耐久性設計思路

氯離子通過混凝土中的毛細孔或微裂縫滲透到鋼筋表面，直接破壞鋼筋鈍化膜，氯離子在具備氧氣和水的環境下與鐵離子(Fe2+)發生化學反應，形成氫氧化鐵或氧化鐵，導致鋼筋銹蝕，銹斷，從而使混凝土產生順筋開裂甚至鋼筋混凝土的失效。持續腐蝕的情形下，其體積累計增加(約為原來體積的2.5～6倍)［4］，造成體積膨脹使混凝土脹裂或保護層剝落。

試驗表明:鹽漬土對混凝土構件的嚴重侵蝕部位發生在混凝土構件與鹽漬土面的結合處［2，5］。因此有效控制和 Cl-滲入混凝土［6］，控制 Cl-到達鋼筋表面的低濃度是本項目結構耐久性防腐的核心。

對于本工程這種環境作用等級超過V-E級環境［7］，在目前國內外尚無成熟、可靠的防腐蝕技術的條件下，防腐設計中采取的總體思路是綜合采用多重防腐蝕措施，并考慮其施工可行性，防滲防腐是防腐蝕重點。根據本工程地下水及鹽漬土的化學成分、腐蝕特點及構造物所處的腐蝕環境，提出地鐵結構耐久性設計的主要內容，即采用高性能抗腐蝕混凝土、增加混凝土保護層厚度，同時針對不同的結構部位采用相應的附加防腐蝕措施，如摻加鋼筋阻銹劑、防腐涂層、表面外防護等。

3 鹽漬土地區地下混凝土結構耐久性設計

3.1 選擇高性能混凝土材料

文獻［8］進行了不同摻量硅灰、粉煤灰的抗壓強度試驗和氯離子滲透試驗。試驗顯示:硅灰與粉煤灰對混凝土性能的影響較大，都處于影響比較顯著的地位，尤其是硅灰對于提高混凝土強度和耐腐蝕性效果均很顯著。文獻［9］分析鹽漬地區混凝土結構破壞模式及腐蝕機理，通過硫酸鈉溶液浸泡試驗顯示，粉煤灰取代部分水泥可以改善混凝土抗硫酸鹽侵蝕能力。文獻［10］在鹽漬地區對混凝土的抗腐蝕和抗滲性能進行了現場試驗，通過試驗得出了粉煤灰摻量與各混凝土耐久性能指標之間的關系，在混凝土中摻加粉煤灰和減水劑的方法能夠改善混凝土抗硫酸鹽腐蝕的性能和抗滲性能;文獻［1］針對青海鹽湖地區特定的自然壞境，配制普通、高強及高性能混凝土，同時進行鹵水腐蝕單因素試驗和鹵水腐蝕——干濕循環雙因素試驗。結果表明，普通混凝土的抗腐蝕性很差，高強混凝土的抗腐蝕性不盡人意，就長期耐久性而言，高性能混凝土具有優良的抗腐蝕性能。

綜合近年來的試驗研究及工程實踐可以發現，在鹽漬土和鹽湖鹵水的干濕交替的環境條件下，高性能混凝土具有更加優異的抗腐蝕性能。高性能混凝土中添加粉煤灰、硅灰等礦物摻和料更適用于鹽漬地區的地鐵車站結構。

水泥:本工程要求采用強度等級為42.5級(C50以下)和52.5級(C50及以上)普通硅酸鹽水泥［11］，應該符合《通用硅酸鹽水泥》(GB175—2007)的技術要求。優先使用P·Ⅰ型硅酸鹽水泥。當采用P·Ⅱ型硅酸鹽水泥時，其混合材料應該是不超過5%的高爐粒化礦渣，嚴禁使用摻加石灰石作為混合材料的P·Ⅱ型硅酸鹽水泥。配制高性能抗腐蝕混凝土不得使用立窯水泥，應避免使用早強、水化熱較高的水泥，以及抗硫酸鹽水泥和高抗硫酸鹽水泥。水泥中C3A含量宜控制在6% ～12%，f-CaO含量不大于1.5%，水泥的細度宜小于350 m2/kg。為防止堿-集料反應的發生，水泥的堿含量應低于0.6%，且混凝土內的總含堿量不超過3.0 kg/m3。所用水泥的燒失量不大于3.5%，SO3含量不大于3.5%，且混凝土內的SO3總含量不超過膠凝材料總量的4%。所用水泥的氯離子含量應低于0.03%，且混凝土內的氯離子總含量不超過膠凝材料總量的0.05%(水溶值)。

礦物摻和料:包括粉煤灰、磨細礦渣和硅灰，應由生產廠家專門進行產品檢驗并出產品合格證書，其技術條件應符合國家標準《高強高性能混凝土用礦物外加劑》(GB/T18736—2002)的規定。為防止堿-集料反應的發生，需要檢測礦物摻和料的可溶性堿，計算出Na2O當量堿含量，并出具測試報告，以便于混凝土內總含堿量的控制。從礦物摻和料帶進混凝土中的氯離子含量不得超過膠凝材料總重的0.01%，帶進的SO3含量不超過膠凝材料總量的1%，帶進的總含堿量不超過 0.5 kg/m3。

車站結構中主要結構構件的混凝土等級及水膠比和膠凝材料用量的控制具體的指標見表4，混凝土耐久性控制技術指標見表5。

表4 主要構件混凝土等級及水膠比和膠凝材料用量

表5 混凝土耐久性控制技術指標

3.2 附加防腐措施

根據本工程所處環境的腐蝕情況及地鐵車站的自身特點和明挖順作施工工法，設計中對車站結構的重點部位區域采取了必要的附加防腐蝕措施。防腐蝕措施結合結構防水層采取“內增外防”的綜合防腐措施，即提高混凝土自身的防腐蝕能力，結構表面涂防水及防腐蝕材料，周圍鋪設隔斷層防止易溶鹽。結構附加防腐蝕措施見表6，結構防腐蝕措施節點做法大樣詳見圖1。

表6 結構附加防腐蝕措施

圖1 結構防腐蝕措施節點做法

用于混凝土結構表面浸漬的硅烷優先采用異辛基三乙氧基硅烷膏體做為硅烷浸漬材料，在硅烷膏體材料進場施工前必須抽檢，由具備檢測資質的單位出具材料檢驗報告。浸漬硅烷前應進行噴涂試驗，試驗區面積應為1～5 m2。按規范要求分別進行吸水率、硅烷浸漬深度和氯化物吸收量的降低效果檢測。異辛基三乙氧基硅烷膏體用量:每平方米共噴涂或滾涂1遍，用量不少于 0.3 kg/m2。

在與腐蝕性土體接觸的側墻和底板，其最外層鋼筋采用涂層鋼筋，防腐涂料采用防氯鹽腐蝕的HCPE涂料。建議采用兩底兩面或兩底一中一面的方案，底漆、中間漆和面漆的涂層總厚度應達到200 μm。涂料用量每道 0.2 ～0.3 kg/m2。

4 結論

(1)鹽漬環境下地鐵混凝土結構耐久性設計應綜合考慮水土中的超量可溶性鹽侵蝕作用，宜采取“內增外防”的綜合防腐措施，宜采用高性能混凝土材料滿足結構耐久性需要。

(2)高性能混凝土中宜添加粉煤灰、硅灰等礦物摻和料提高混凝土材料的抗腐蝕能力，并提出適用于鹽漬環境下地鐵車站結構的混凝土強度等級和相適應的各種摻加料用量指標以及混凝土耐久性控制技術指標。

(3)附加防腐蝕措施選擇應根據地鐵結構特點及施工工法，結合基坑圍護形式和結構防水層進行設計。提出適用于明挖車站的結構附加防腐措施。

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［11］Shi Mingxia，Liu Baoju.The resistance of salt crystallization of cement containing ultrafine fly ash mortar in sulfate solution［J］.Advances in concrete and structures Proceedings of the international conference ICAC，2004(5):974-981.