戈壁灘鹽漬土地區(qū)橋涵結(jié)構(gòu)物耐久性設(shè)計(jì)研究

黃繼興，樊小偉

（中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，湖北 武漢 430060）

0 引言

近年來(lái)，隨著一帶一路的提出，國(guó)家日益重視對(duì)西部地區(qū)交通基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)。鹽漬土是我國(guó)西北部區(qū)域廣泛分布的特殊性巖土，由于其特殊的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)，在戈壁灘鹽漬土地區(qū)修建的公路、鐵路橋涵結(jié)構(gòu)物經(jīng)常發(fā)生腐蝕、病害。戈壁灘鹽漬土地區(qū)的橋涵結(jié)構(gòu)物如果不采取任何防腐蝕措施，其耐久性會(huì)減弱，使用壽命也會(huì)大大減小。因此，如何有效的提高戈壁灘鹽漬土地區(qū)橋涵結(jié)構(gòu)物的耐久性，確保橋涵結(jié)構(gòu)物的使用壽命，成為戈壁灘鹽漬土地區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的關(guān)鍵性問(wèn)題。

1 工程區(qū)鹽漬土的成因及特性

G215線柳園至敦煌公路工程是古“絲綢之路”重要的路線，是敦煌及青海地區(qū)與新疆北部地區(qū)之間交通往來(lái)的主要通道，該項(xiàng)目位于河西走廊的戈壁灘地區(qū)，上游為疏勒河，工程區(qū)氣候干燥多風(fēng)，雨少嚴(yán)寒，日照長(zhǎng)而輻射強(qiáng)，蒸發(fā)強(qiáng)烈。疏勒河中的水流流經(jīng)上游出露含鹽地層，將鹽分帶至下游沖積平原或洪積扇上，土壤長(zhǎng)年處在積鹽過(guò)程中，經(jīng)蒸發(fā)和多次累積形成沖洪積鹽漬土層。

工程區(qū)位于山前洪積扇地帶，屬于堿化、戈壁灘氯鹽-硫酸鹽鹽漬土片區(qū)，沿線以細(xì)砂和粉質(zhì)黏土為主，地表局部可見(jiàn)鹽霜，局部土層開(kāi)挖晾曬后可見(jiàn)泛白現(xiàn)象，土壤中鹽分主要集中在近地表（0～2m）深度內(nèi)，2m以下土層含鹽量相對(duì)減少，地下水及地表水中含鹽量較高。

2 戈壁灘鹽漬土對(duì)橋涵結(jié)構(gòu)物的影響分析

戈壁灘鹽漬土中含有大量氯鹽和硫酸鹽，其對(duì)橋涵結(jié)構(gòu)物的腐蝕可分為對(duì)混凝土的腐蝕和對(duì)鋼筋的腐蝕。根據(jù)戈壁灘區(qū)嚴(yán)寒環(huán)境的特性，兩種腐蝕分別有以下特點(diǎn)。

2.1 戈壁灘鹽漬土對(duì)混凝土的腐蝕

戈壁灘鹽漬土對(duì)混凝土的腐蝕又包含物理腐蝕和化學(xué)腐蝕兩種。

物理腐蝕：戈壁灘地區(qū)地下水位變化頻繁，混凝土構(gòu)件位于干濕循環(huán)的環(huán)境中。當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)在水位以下時(shí)，混凝土通過(guò)毛細(xì)作用吸進(jìn)了含有鹽分的鹽溶液，鹽溶液慢慢侵入混凝土內(nèi)部，當(dāng)?shù)叵滤幌陆禃r(shí)，混凝土中的鹽溶液會(huì)蒸發(fā)、結(jié)晶，同時(shí)產(chǎn)生很大的結(jié)晶壓力，反復(fù)作用后易使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生裂縫，并隨著裂縫的產(chǎn)生，更多的鹽溶液進(jìn)入混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部，長(zhǎng)期循環(huán)累積導(dǎo)致混凝土破壞，失去強(qiáng)度。該破壞形態(tài)為地面以上0.5m至地面以下1m范圍內(nèi)的混凝土結(jié)構(gòu)混凝土石子外漏，易敲碎。

化學(xué)腐蝕：混凝土的化學(xué)腐蝕是硫酸鹽鹽漬土引起的，硫酸鹽鹽漬土對(duì)混凝土的化學(xué)腐蝕主要是硫酸鹽鹽漬土中的S O42-和Mg2+與混凝土中的成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成沒(méi)有強(qiáng)度的化學(xué)物質(zhì)或結(jié)晶體，使混凝土發(fā)生潰散破壞。其中S O42-可與混凝土中的水化鋁酸鈣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成的結(jié)晶物體積增大兩倍，產(chǎn)生較大的結(jié)晶壓力；Mg2+可與混凝土的主要成分氫氧化鈣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成無(wú)粘結(jié)強(qiáng)度的化學(xué)物質(zhì)，使得混凝土結(jié)構(gòu)疏松甚至解體。該破壞形態(tài)為常水位以下的混凝土結(jié)構(gòu)表面剝蝕，易敲碎。

2.2 壁灘鹽漬土對(duì)鋼筋的腐蝕

壁灘鹽漬土對(duì)鋼筋的腐蝕為化學(xué)腐蝕，主要是由于壁灘鹽漬土中氯鹽的腐蝕作用引起的。氯鹽易溶于水，其溶于水后的Cl-滲透能力較強(qiáng)，能夠通過(guò)混凝土中的縫隙進(jìn)入到鋼筋表面，破壞鋼筋的鈍化膜，然后形成“腐蝕電池”，使得滲入的Cl-和S O42-能夠與鋼筋發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，同時(shí)Cl-還能提高“腐蝕電池”的腐蝕效率，使得鋼筋表面產(chǎn)生鐵銹，大大降低鋼筋與混凝土的粘結(jié)作用，使鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫。該破壞形態(tài)為常水位以下的混凝土結(jié)構(gòu)裂縫較多，結(jié)構(gòu)物鋼筋外漏且銹蝕嚴(yán)重。

3 工程區(qū)鹽漬土分析評(píng)價(jià)

G215線柳園至敦煌公路工程位于戈壁灘鹽漬土區(qū)域。根據(jù)相關(guān)規(guī)范，并結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，工程區(qū)化學(xué)腐蝕環(huán)境分類和作用等級(jí)可根據(jù)表1進(jìn)行分類。

依據(jù)野外調(diào)查和室內(nèi)取樣測(cè)試分析，工程區(qū)大多地段鹽漬土基本特征為：上部為沖洪積和湖沼沉積形成的鹽漬土，以弱～中氯鹽漬土為主，局部地段為硫酸鹽漬土及亞硫酸鹽漬土，鹽漬化程度以弱～中為主。工程區(qū)鹽漬土分布路段見(jiàn)表2。

表1 化學(xué)腐蝕環(huán)境分類及作用等級(jí)評(píng)定表

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析表面，土層對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕等級(jí)為中等腐蝕，局部含鹽量高地段為強(qiáng)腐蝕，對(duì)鋼筋腐蝕等級(jí)為弱～中腐蝕，化學(xué)環(huán)境作用等級(jí)主要為C級(jí)和D級(jí)。

表2 工程區(qū)鹽漬土分布表

4 戈壁灘鹽漬土地區(qū)提高橋涵結(jié)構(gòu)物耐久性的措施[1-8]

根據(jù)橋涵結(jié)構(gòu)中混凝土和鋼筋受腐蝕破壞的機(jī)理及部位，并結(jié)合工程區(qū)環(huán)境情況，采取了以下技術(shù)措施來(lái)提高橋涵結(jié)構(gòu)的耐久性。

4.1 混凝土防腐蝕技術(shù)措施

4.1.1 控制原材料的質(zhì)量及比例

混凝土選用了含堿量較低或者堿活性較弱的水泥、砂、石、水等材料，鹽漬土地區(qū)的水腐蝕性較強(qiáng)，應(yīng)對(duì)使用的水進(jìn)行處理，水質(zhì)符合要求方可使用。同時(shí)，嚴(yán)格控制混凝土水膠比，粉煤灰含量占總膠凝材料不大于30%，粉煤灰的含碳量不大于2%，硅灰占膠凝材料3%，在確保混凝土的坍落度同時(shí)，增加水泥的用量。為保證工程區(qū)橋涵結(jié)構(gòu)物的耐久性，對(duì)全線橋涵構(gòu)造混凝土的最低強(qiáng)度等級(jí)、最大水膠比和膠凝材料最小用量的要求見(jiàn)表3。

表3 最低強(qiáng)度等級(jí)、最大水膠比和膠凝材料最小用量表

4.1.2 采用高標(biāo)號(hào)的防腐蝕混凝土

水泥的品質(zhì)對(duì)鹽漬土地區(qū)混凝土的抗腐蝕性能有著關(guān)鍵性的作用，根據(jù)工程區(qū)的環(huán)境作用等級(jí)，項(xiàng)目中橋涵結(jié)構(gòu)物的基礎(chǔ)及下部結(jié)構(gòu)采用了C40高抗硫酸鹽混凝土。鹽漬土對(duì)混凝土的化學(xué)腐蝕主要是S O42-離子引起的，一般的硅酸鹽水泥中的鋁酸鈣成分比例較大，與S O42-發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的速度快，混凝土耐久性較差。C40高抗硫混凝土具有高密實(shí)、低滲透性、含鋁酸鈣較少等優(yōu)點(diǎn)，采用高標(biāo)號(hào)的混凝土能夠減少毛細(xì)水的滲入，降低S O42-與混凝土之間化學(xué)反應(yīng)的速度，從而有效的減弱鹽漬土對(duì)混凝土的腐蝕作用，提高混凝土的耐久性。

4.1.3 摻加混凝土外加劑

戈壁灘地區(qū)天氣干燥，日曬較長(zhǎng)，橋涵構(gòu)造物位于凍融環(huán)境中，混凝在制作過(guò)程中易開(kāi)裂，在制作混凝土?xí)r添加外加劑則能夠顯著的改善混凝土的性能。工程區(qū)的混凝土可適當(dāng)?shù)膿郊訙p水劑和引氣劑，其中減水劑可以降低水灰比，提高混凝土的早期強(qiáng)度和增強(qiáng)抗?jié)B性能；引氣劑則會(huì)在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生大量均勻分布的小氣泡，可阻止毛細(xì)水的滲入，大大提高了混凝土抗凍性、抗?jié)B性、耐腐蝕性及抗堿集料反應(yīng)性能。

4.1.4 涂刷混凝土保護(hù)層

混凝土構(gòu)件在拆模后，其表面存在著缺陷，裂縫，環(huán)境中的水可通過(guò)這些部位滲入到混凝土內(nèi)部，涂刷混凝土保護(hù)層可有效的阻止環(huán)境中的水滲入混凝土。工程區(qū)的混凝土橋涵構(gòu)造物的基礎(chǔ)表面均涂刷了瀝青，主要分布于常水位以上0.5m至地面以下1.0m范圍內(nèi)，不僅可以阻止S O42-離子的侵入，也可抵抗干濕交替環(huán)境作用。

4.2 鋼筋防腐蝕技術(shù)措施

4.2.1 增加混凝土保護(hù)層厚度

混凝土中Cl-的主要是通過(guò)鋼筋表層擴(kuò)散，對(duì)于長(zhǎng)期處于鹽漬土侵蝕狀態(tài)的混凝土構(gòu)件，應(yīng)適當(dāng)?shù)脑黾踊炷帘Ｗo(hù)層的厚度，該措施可有效的阻止外部環(huán)境的Cl-與鋼筋接觸，防止鋼筋的腐蝕。但混凝土保護(hù)層厚度過(guò)厚時(shí)，混凝土的收縮會(huì)導(dǎo)致表層出現(xiàn)裂縫，削弱混凝土保護(hù)層的作用，因此混凝土保護(hù)層的厚度應(yīng)取規(guī)范中最小保護(hù)層厚度與保護(hù)層厚度施工誤差之和。本項(xiàng)目對(duì)于直接接觸土體澆筑的樁基混凝土保護(hù)層厚度取85mm，其他采用模板現(xiàn)澆混凝土的下部結(jié)構(gòu)混凝土保護(hù)層厚度取50mm，鋼筋的連接盡量采用焊接和機(jī)械連接，樁基的定位盡量采用混凝土定位塊。

4.2.2 控制結(jié)構(gòu)裂縫寬度

一般與鹽漬土接觸的橋涵結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，在持久狀況正常使用極限狀態(tài)時(shí)允許出現(xiàn)裂縫，裂縫寬度的大小直接決定了鹽溶液的滲入速度。設(shè)計(jì)時(shí)，基礎(chǔ)和下部結(jié)構(gòu)鋼筋混凝土構(gòu)件的裂縫寬度控制在0.2mm以內(nèi)；基礎(chǔ)及下部結(jié)構(gòu)的普通鋼筋全部采用H R B400鋼筋，且受力鋼筋的直徑不宜小于16 mm；對(duì)于擴(kuò)大基礎(chǔ)、橋臺(tái)臺(tái)身、橋臺(tái)承臺(tái)等大體積的混凝土構(gòu)件，在暴露面上均布置分布鋼筋以減小混凝土表面裂縫寬度。

4.2.3 采用耐腐蝕的鋼筋

本項(xiàng)目的橋涵基礎(chǔ)混凝土鋼筋均采用了環(huán)氧涂層鋼筋，環(huán)氧涂層能夠隔斷Cl-與鋼筋的接觸，保護(hù)鋼筋，減緩Cl-對(duì)鋼筋的腐蝕。環(huán)氧涂層較脆弱，易損壞，施工前應(yīng)檢查環(huán)氧涂層鋼筋的環(huán)氧涂層是否完整，施工時(shí)嚴(yán)禁破壞鋼筋的環(huán)氧涂層。

4.3 其他技術(shù)措施

4.3.1 加強(qiáng)阻水設(shè)計(jì)

小跨徑的橋涵結(jié)構(gòu)采用了擴(kuò)大基礎(chǔ)，對(duì)于地下水位較高的區(qū)域，擴(kuò)大基礎(chǔ)底部采用天然砂礫和片石換填，換填后鋪設(shè)防水土工布，隔絕鹽溶液與混凝土構(gòu)件的交互作用。

4.3.2 加強(qiáng)引排水設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目的橋涵結(jié)構(gòu)物下部結(jié)構(gòu)的表面均設(shè)計(jì)了溜坡，該設(shè)計(jì)有利于排水，防止積水。橋涵結(jié)構(gòu)物的進(jìn)出口均設(shè)置了排水溝、導(dǎo)流堤和蒸發(fā)池，將地表水引流出去，減少地表水與橋涵結(jié)構(gòu)的接觸時(shí)間。

5 結(jié)語(yǔ)

戈壁灘鹽漬土地區(qū)橋涵結(jié)構(gòu)物的耐久性一直是工程中重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題，位于戈壁灘鹽漬土地區(qū)的橋涵結(jié)構(gòu)物容易發(fā)生鹽脹、腐蝕等病害，病害一旦發(fā)生將對(duì)項(xiàng)目的后期運(yùn)營(yíng)管理造成較大的困難。本文結(jié)合G215線柳園至敦煌公路工程中橋涵設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行探討，基于鋼筋混凝土的腐蝕機(jī)理，概括分析了提高混凝土耐久性的措施。實(shí)際工程中，應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目所在區(qū)域的特定環(huán)境情況來(lái)采取針對(duì)性的防腐蝕措施，提高橋涵構(gòu)造物的耐久性，保證橋涵構(gòu)造物的使用壽命。