沿海地區地鐵工程混凝土耐久性問題及應對措施

孫立喜

（天津市交通科學研究院，天津 300300）

0 引言

沿海地區經濟發展速度相對較快，對地鐵的需求與日俱增。地鐵工程一般多穿越中心城區，投資巨大、施工工藝復雜，且維修困難。地下混凝土工程由于各種原因，往往運行時間不長就會出現各種病害問題。例如，上世紀 70 年代建成的香港地鐵運行僅僅 20 年時間，部分區間隧道便出現了混凝土內排鋼筋嚴重銹蝕的問題。北京地鐵運營幾年后就出現隧道內部水管腐蝕穿孔[1]。因此近年來人們對地鐵工程混凝土結構的耐久性研究極為關注。本文就以上問題進行簡要分析，并提出相應的處理措施。

1 混凝土耐久性主要影響因素

1.1 地鐵環境因素

沿海地區地下環境復雜，地下水中含有大量的氯離子、硫酸根離子等，這些離子嚴重影響混凝土的耐久性，同時由于地下水的滲漏和有害氣體的侵蝕，混凝土本身裂縫的產生和發展，造成隧道襯砌混凝土和結構混凝土腐蝕、開裂等多種病害，致使地鐵隧道的使用功能衰退，嚴重的甚至會影響安全運營。

環境因素引起混凝土的劣化機理在很多文獻和教科書中都有詳盡的論述，所以本文僅作簡單總結，不再贅述。

（1）氯離子侵蝕

沿海地區地下水中氯離子含量普較高，氯離子會使混凝土中的鋼筋失去鈍化膜，而使鋼筋產生腐蝕，其銹蝕產物的體積將比原來的體積大 2.5 倍以上，會使混凝土開裂、剝落，最終將導致建筑結構破壞、失效。氯離子引起鋼筋的腐蝕屬于電化學反應，氯離子在反應過程中起化學催化劑的作用，促使鋼筋銹蝕的發生，但氯離子本身并不消耗，這也是氯離子腐蝕的特點[2]。

（2）硫酸鹽侵蝕

硫酸鹽侵蝕分為物理侵蝕和化學侵蝕。物理侵蝕主要是結晶腐蝕，化學腐蝕主要是硫酸根離子參與化學反應。混凝土受硫酸鹽腐蝕的特征是表面發白，棱角處出現裂紋甚至有剝落現象，最終，混凝土呈現出一種易碎、松散的結構[3]。

（3）雜散電流

雜散電流對混凝土結構的破壞是地鐵工程所特有的一種形式。雜散電流主要對鋼筋混凝土結構中的鋼筋產生電化學腐蝕。特別是當這些構件已經發生腐蝕的情況下，那么雜散電流會加速腐蝕進行，嚴重影響鋼筋混凝土結構的耐久性[2]。

1.2 設計上的不足

目前地鐵混凝土材料沒有專門的關于混凝土耐久性方面的規范，耐久性設計的主要依據是 GB 50010—2010《混凝土結構設計規范》、GB/T 50476—2008《混凝土結構耐久性設計規范》、GB 50157—2013《地鐵設計規范》等，規范中對影響混凝土的主要因素都做了相應的規定，但是，由于國家標準規范為了能夠滿足大部分地區或工程的需要，所以規范規定的范圍都比較寬泛，針對某一具體地區或工程而言，具體參數的科學選取要結合當地和工程本身的實際情況具體分析。而一些設計人員由于專業或經驗的限制，很難準確選取。另外，某一具體地區或工程由于有其特殊性，個別重要參數可能不包含在標準規范之中。

1.3 原材料問題

混凝土的原材料主要有水泥、水、砂、石、外加劑，為了提高耐久性，往往還要添加粉煤灰和礦渣粉等礦物摻合料。性能容易產生較大波動的原材料主要有河砂和粉煤灰等。由于環保要求，很多河道都限制甚至禁止采砂，這就造成河砂的料源很不穩定，每批河砂性能波動大。粉煤灰是熱電廠燃煤燃燒的副產品，其品質受燃煤的質量影響明顯，容易產生波動。粉煤灰隨著近些年來基建行業的飛速發展，需求量也是迅速增加，一些不良商家經常以次充好，更有甚者用石粉冒充粉煤灰。給工程質量帶來隱患。

1.4 配合比設計問題

常規的混凝土設計以強度為配合比設計目標，不考慮混凝土耐久性問題。而高性能混凝土以耐久性為設計目標，一般的施工單位和混凝土拌合站不具備相應的人員和專業的設備，只能套用從前的配合比，這樣設計出的混凝土很難滿足耐久性要求。

1.5 現場施工問題

混凝土的現場施工工藝主要涉及模板處理、澆筑、振搗、養護等。各個工藝應根據新拌混凝土不同的工作性能進行調整，但是，現場的混凝土工人多是勞務分包隊伍，以農民工為主，未受過專業訓練，且人員流動性大，操作人員很難對工作負責。

2 主要應對措施

針對以上問題，應該從設計、施工、管理等方面共同入手，才能有效杜絕問題發生，提高混凝土工程耐久性。

2.1 設計方面

如前所述，沿海地區地下環境造成鋼筋腐蝕的因素較多，設計單位應轉變傳統的設計理念，不以混凝土強度作為唯一設計指標，應充分考慮混凝土耐久性問題。與混凝土耐久性相關的指標如混凝土的氯離子滲透系數、體積穩定性、含氣量等指標的確定要結合現有的混凝土耐久性規范，同時要根據當地具體的環境特征，確定環境作用等級，還應考慮施工工藝的不同，不同的施工工藝對混凝土的工作性要求也不相同。目前很多科研院校都做了大量關于混凝土耐久性方面的科研工作，特別是沿海地區，建議設計單位多與相關科研院校相結合，把現有的科研成果運用到實際工程中。

2.2 施工方面

原材料性能穩定是影響混凝土性能的重要因素。因此，施工單位在保證原材料合格的基礎上，同時要控制材料性能的穩定性，不能產生過大波動。其控制措施主要有：（1）加強料源控制，選擇正規的、規模較大的供應廠家，禁止隨意更改供應廠家。對于水泥、粉煤灰等膠凝材料和外加劑更換廠家后宜重新進行配合比設計。（2）對于波動較大的河砂和粉煤灰需增加到場抽檢頻率。河砂應重點檢驗顆粒級配、細度模數、含泥量等指標。粉煤灰應重點檢驗細度、燒失量、需水量比等指標。（3）使用商品混凝土的單位要與商混站簽訂供應合同，合同中除要求混凝土的強度外，也要明確所用原材料的指標要求。（4）沿海地區的工程要特別注意海砂的使用，堅決杜絕偷用、濫用海砂行為。

混凝土配合比設計須由具有專業資質的單位進行。配合比設計中要考慮混凝土的環境等級、使用部位、施工工藝、所用原材料的性能等，影響因素復雜。施工中的混凝土配合比不是一成不變的，要根據原材料的性能波動做適當調整，比如適當的增減砂率、及時根據砂石含水率的變化折減單方混凝土用水量等。

2.3 管理方面

建設單位在加強管理的同時，應引進第三方檢測機構，作為施工過程中的質量控制，同時積極尋求和科研院所合作，將科研院所作為咨詢單位引入到工程建設中，充分利用科研院所技術力量，解決工程中遇到的技術難題，同時又可以將新材料、新技術應用到工程中。

3 結束語

沿海地區地鐵工程環境惡劣，影響因素眾多，需要建設單位、監理單位、施工單位等多方共同配合，同時建設單位應積極引入混凝土耐久性方面資深的技術咨詢單位，為工程順利開展保駕護航。

[1]杜豐巖．青島地鐵襯砌混凝土耐久性研究[D]．青島：青島理工大學，2011．

[2]黃炳德．地鐵結構耐久性影響因素及其壽命預測研究[D]．上海：同濟大學， 2007．

[3]金雁南，周雙喜．混凝土硫酸鹽侵蝕的類型及作用機理[J]．華東交通大學學報，2006, 23(5): 4-8．