濱海地鐵工程的混凝土耐久性問題探討

韓志超 亢景付 許楊健

(1.河北工程大學建筑工程學院，河北 邯鄲 056038; 2.天津大學建筑工程學院，天津 300073)

某濱海地區地鐵工程是國內第一條在強腐蝕地層中修建的地鐵工程，屬于國家級重大工程，設計使用壽命為100年。混凝土是地鐵工程用量最大的建筑材料，其耐久性對保證工程的正常運行至關重要。據有關資料記載，深圳地鐵[1]、香港地鐵、廣州地鐵、天津地鐵和天津大港發電廠等地下水都具有很強的腐蝕性，均引起混凝土結構尤其是混凝土中鋼筋及埋地管線的腐蝕。混凝土及鋼筋的腐蝕不僅會減少工程的使用壽命，增加其使用期間的維修費用，嚴重時會導致工程事故，給國家和社會帶來嚴重的損失。因此，地鐵工程的混凝土耐久性不容忽視。

邱宗新[2]對影響地下水腐蝕性評價的因素做了分析，認為當混凝土結構直接臨水或處于強透水土層中的地下水時受到的侵蝕性更強，干濕交替或凍融交替也可使其侵蝕程度加劇。高懷志等[3]對天津地鐵混凝土框架混凝土滲透性做了檢測與分析，其滲透性偏高，混凝土會被外界有害介質迅速侵入其內部，使碳化速度加快，嚴重影響混凝土結構的耐久性。本研究對某濱海地區地鐵工程沿線地下水中的有害離子進行調查，并分析了影響混凝土耐久性的主要因素，為濱海城市地鐵混凝土耐久性設計提供參考。

1 混凝土的耐久性

2 工程沿線地下水中侵蝕性離子分布

2.1 Cl-分布特征

由圖1可知，沿線地下水中Cl-含量變化較大，在0 mg/L～35 000 mg/L之間變化，多為10 000 mg/L～30 000 mg/L。由表1可見，Cl-含量在5 000 mg/L以下的測點僅占總數的14.3%，Cl-含量在5 000 mg/L以上的測點占總數的85.7%，有38.1%的測點Cl-含量超過了《巖土工程勘察規范》中的界限值20 000 mg/L。可見 Cl-含量高，分布在各個車站及區間，濃度梯度大，因此 Cl-是本工程的重點腐蝕離子之一。

表1 Cl-各含量分段測站數

表各含量分段測站數

2.3 Mg2+分布特征

由圖1可知，沿線地下水中Mg2+的含量在100 mg/L～2 500 mg/L之間，其中1 000 mg/L以下的有11個測點，1 000 mg/L～2 000 mg/L的有7個測點，2 000 mg/L以上的僅有3個測點。

2.4 pH值及侵蝕性CO2分布特征

沿線地下水pH值多在7.5～8.5之間，呈弱堿性，個別幾個測站達到10以上。沿線各測點的侵蝕性CO2含量都較小，只有3個測站有侵蝕性CO2數據大于零，且含量都在6.5以下，其余都為零，均小于巖土勘察規范中的下限15 mg/L。

3 該工程主要存在的耐久性問題

該工程屬于濱海地區地下交通工程，為了保證100年設計使用壽命，首先要依據相關規程規范制定合理的混凝土耐久性控制指標。在相關現行規范中，GB/T 50476—2008混凝土結構耐久性設計規范是國標規范，也是各不同行業制定行業規范的重要基礎。TB 10005—2010鐵路混凝土結構耐久性設計規范是鐵路行業規范，但鐵路規范是基于高速鐵路建設背景，該工程混凝土結構物的工作環境主要體現在地下、交通工程和隧道。因此，在制定混凝土耐久性控制指標時，以GB/T 50476—2008混凝土結構耐久性設計規范為依據，以TB 10005—2010鐵路混凝土結構耐久性設計規范、TJT 275—2000海港工程混凝土結構防腐蝕技術規范和JTG/T B07—01—2006公路工程混凝土結構防腐蝕技術規范等作為參考。

3.1 碳化腐蝕

該工程環境水勘查數據中，只有 3個測站含有侵蝕性 CO2，且含量都很低，因此對隧道盾構管片、車站基礎和側墻的外側(與土體接觸側)來說，基本不存在碳化問題；但對這些混凝土結構與空氣的接觸側來說，應當存在混凝土的碳化問題，但尚不足以成為影響本工程混凝土耐久性的制約條件，只需按照GB 50157—2013地鐵設計規范的相關規定進行控制即可。因此，本工程不需單獨考慮一般環境(碳化環境)作用問題。

3.2 氯鹽腐蝕

根據《鐵路混凝土結構耐久性設計規范》，當水中氯離子濃度在500 mg/L～5 000 mg/L或土中氯離子濃度在750 mg/kg～7 500 mg/kg并有干濕交替時，環境作用等級為L2，當水中氯離子濃度不小于5 000 mg/L或土中氯離子濃度在不小于7 500 mg/kg并有干濕交替時，環境作用等級為L3[5]。據此，本工程的氯鹽環境作用等級為L2和L3。但這里存在如何定義“干濕交替”的問題。該工程屬于地下工程，無凍融，無風吹日曬雨淋，隧道中雖有干濕循環問題，但變化頻次和變化幅度都很低且只是局部存在，與海港工程的浪濺區和水位變化區的腐蝕破壞程度無法相提并論。

由于該工程是陸地上的地下工程，氯鹽環境要弱于海底隧道，雖然環境水中的離子濃度和海水相差不多，但無大型貨車通行，空氣中無鹽霧存在，并且該工程采用全包(不排水)方式，隧道襯砌外側沒有進入空氣的可能。因此，可把該工程的環境作用等級定為比海底隧道低一個級別，即 Ⅲ-C級。但考慮到運行過程中不可避免地會出現滲漏現象，當滲漏水不能及時排出時，道床混凝土和位于隧道底部區域的盾構管片有可能被滲漏水浸泡，部分區段處于干濕交替工作環境，因此從安全考慮，本工程可根據混凝土結構物所處位置的不同確定氯鹽環境的級別：車站底板混凝土、道床混凝土和盾構管片混凝土按Ⅲ-D級進行設計，其他混凝土按Ⅲ-C級進行結構設計。

當配筋混凝土結構的設計使用年限為100年，環境作用等級為Ⅲ-C和Ⅲ-D時，滿足耐久性要求的混凝土最低強度等級為C45[6]。鑒于目前盾構管片混凝土的強度等級均不低于C50，建議本工程采用C45和C50兩種強度等級的高性能混凝土。盾構管片選擇C50混凝土，其余現澆混凝土的強度等級為C45。對于板、墻等面形構件，對應于Ⅲ-C和Ⅲ-D的最小保護層厚度分別為45 mm和55 mm，對于梁柱等條形構件，對應于Ⅲ-C和Ⅲ-D的最小保護層厚度分別為50 mm和60 mm。

根據《混凝土結構耐久性設計規范》，當設計使用年限為100年、環境作用等級為Ⅲ-D時，混凝土28 d氯離子擴散系數DRCM≤7×10-12m2/s；當環境作用等級為Ⅲ-C時，規范并未規定具體目標。但考慮到混凝土的密實性對保證混凝土耐久性尤其是氯鹽腐蝕具有重要意義，且當混凝土的水膠比不大于0.40時，做到DRCM不大于5×10-12m2/s并無困難，并且國內已建海底隧道工程和盾構管片都要求DRCM不大于3×10-12m2/s。因此，建議對于該工程潛水中氯離子含量小于5 000 mg/L的地段，混凝土28 d氯離子擴散系數為DRCM≤7×10-12m2/s；對于氯離子含量在5 000 mg/L～20 000 mg/L范圍內的地段，建議混凝土28 d氯離子擴散系數為DRCM≤5×10-12m2/s；對于氯離子含量在20 000 mg/L以上的地段，建議混凝土28 d氯離子擴散系數為DRCM≤3×10-12m2/s。

3.3 硫酸鹽腐蝕

根據《鐵路混凝土結構耐久性設計規范》4.3.4，確定鹽類結晶環境作用等級的依據是水中或土中的硫酸根離子含量。《鐵路混凝土結構耐久性設計規范》表4.3.4的注2明確指出，對于一面接觸含鹽環境水(或土)，而另一面臨空且處于大氣干燥或多風環境中的薄壁混凝土結構(如隧道襯砌)，接觸含鹽環境水(或土)的一側按遭受化學侵蝕環境考慮，臨空面的混凝土按遭受結晶腐蝕破壞環境考慮。按此條判斷，該工程似乎存在鹽類結晶腐蝕環境。

但若考慮到該工程屬于近海地下工程，環境水與海水相差無幾，可認定為近海氯化物環境。而鐵路規范條文說明4.3.3又指出，關于海水環境對混凝土的影響，主要考慮了其中氯離子對鋼筋的腐蝕作用。至于海水中硫酸根離子的化學作用，雖然硫酸根離子濃度已達到中度侵蝕的2 500 mg/L，但鑒于同時存在氯離子對硫酸鹽侵蝕的減緩作用，將海水硫酸鹽侵蝕程度降為輕度硫酸鹽侵蝕。國內已建的廈門海底隧道、膠州灣海底隧道等工程，混凝土結構的工作環境要比本工程更為嚴酷，環境腐蝕等級應該高于本工程，但都沒有考慮硫酸鹽腐蝕破壞問題[7,8]。

基于以上分析論證，確定該工程屬于海洋環境工程，不再考慮硫酸鹽結晶腐蝕破壞。

4 結語

2)該工程主要的混凝土耐久性問題為氯鹽腐蝕，應嚴格控制混凝土抗氯離子擴散系數及混凝土原材料中的氯離子含量。

[1] 曹權高,劉健煒.深圳地鐵11號線地下水侵蝕性統計分析[J].上海應用技術學院學報(自然科學版),2016,16(2):147-150.

[2] 邱宗新.對地下水腐蝕性評價問題的幾點認識[J].福建建筑,2006(2):60-62.

[3] 高懷志,李養平,郝挺宇,等.天津地鐵鋼筋混凝土框架混凝土滲透性檢測與分析[J].混凝土,2005(9):94-96.

[4] 高 升.基于蘭州地鐵工程硫酸鹽對混凝土耐久性的影響[J].甘肅科技,2017,33(6):97-100.

[5] TB 10005—2010，鐵路混凝土結構耐久性設計規范[S].

[6] GB/T 50476—2008，混凝土結構耐久性設計規范[S].

[7] 孫富學.海底隧道襯砌結構壽命預測理論與試驗研究[D].上海：同濟大學,2007.

[8] 劉 偉.膠州灣隧道二次襯砌混凝土的耐久性研究[D].青島：青島理工大學,2008.

[9] 王柏源.環境水對水工混凝土硫酸鹽侵蝕破壞的實例及研究[J].大壩觀測與土工測試,1985(2):8-12，21.