濱海地區(qū)地下混凝土工程耐久性研究

王軍 張昊 杜承曉

摘? 要：濱海地區(qū)混凝土工程耐久性事故頻發(fā)，影響工程質(zhì)量和安全。分析了地下混凝土耐久性研究的重要性和必要性。從宏觀和微觀兩方面分析地下混凝土工程腐蝕劣化的原因。提出了地下混凝土耐久性有待解決和研究的領域。

關(guān)鍵詞：濱海地區(qū);混凝土;耐久性

中圖分類號：TU528? ? ? ? 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）30-0030-02

Abstract： The concrete durability problems in coast appears usually， which damaged the quality and safety of concrete engineering. The importance and necessity of underground concrete durability research were analyzed. The reasons were studied on degradation of underground concrete from microcosmic and macroscopic， and research fields to solve are proposed.

Keywords： coast area; concrete; durability

1 研究意義

濱海地區(qū)的地下混凝土工程受到地下水及土壤中有害物質(zhì)的侵蝕，由此產(chǎn)生的耐久性問題頻發(fā)，引發(fā)行業(yè)內(nèi)對濱海地區(qū)惡劣環(huán)境下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的高度關(guān)注。眾所周知，鋼筋混凝土是現(xiàn)代土木工程使用量最大、最廣泛的結(jié)構(gòu)材料，也是最容易就地取材的廉價材料，已經(jīng)成為當今世界最受歡迎的建筑材料之一。由于混凝土結(jié)構(gòu)材料自身成分的復雜性和使用環(huán)境的多樣性等原因，人類對混凝土性能掌握的依舊不全面。長期以來，人們一直認為混凝土是一種耐久性能良好的建筑材料，忽視了外界環(huán)境變化對混凝土結(jié)構(gòu)造成的耐久性問題，導致鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究的相對滯后，并為此付出了沉重的代價。由于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性不足導致的安全事故時有發(fā)生。大量實驗和工程實踐證明：在設計強度足夠的情況下，由于混凝土的使用環(huán)境惡劣，隨著時間發(fā)展導致結(jié)構(gòu)的耐久性降低強度衰減，工程結(jié)構(gòu)遭到嚴重破壞，導致自然資源浪費和巨額維修及重建的資金損失。

我國是世界上最大的發(fā)展中國家，混凝土的生產(chǎn)與使用量世界第一，目前正處于建設的高峰期。21世紀地下工程建設蓬勃發(fā)展，一大批的城市地鐵、管廊、隧道及地下空間工程開始在濱海地區(qū)興建。這些工程與人民生活緊密相關(guān)，必須保障安全性和可靠性，這對混凝土的耐久性提出更高要求。為了做到居安思危、未雨綢繆，吸取西方國家在混凝土耐久性領域的經(jīng)驗和教訓，避免若干年后混凝土腐蝕對我國國民經(jīng)濟發(fā)展可能造成的嚴重影響，必須主動和自覺加強對地下混凝土耐久性的研究。

2 地下混凝土腐蝕劣化特點

建造在地下的混凝土工程，在服役期間與土壤和地下水接觸，水中的有害腐蝕分子，如氯離子、硫酸根離子、碳酸氫根離子等，滲透通過極細小的裂隙，與混凝土中的化學物質(zhì)發(fā)生物理化學反應，最終導致膠凝材料失去性能，混凝土發(fā)生劣化強度降低。

2.1 混凝土中的化學物質(zhì)

混凝土是由膠凝材料、砂、石和水形成的人工材料，膠凝材料用量最多的是水泥。在地下工程混凝土結(jié)構(gòu)中用量最多的是硅酸鹽水泥，水泥熟料的主要成分為：

硅酸三鈣（3CaO·SiO2，簡寫C3S），含量37%～60%;硅酸二鈣（2CaO·SiO2，簡寫C2S），含量15%～37%;鋁酸三鈣（3CaO·Al2O3，簡寫C3A），含量7%～15%;鐵鋁酸四鈣（4CaO·Al2O3·Fe2O3，簡寫C4AF），含量10%～18%。

硅酸鹽水泥熟料與水發(fā)生反應化學式如下：

2（3CaO·SiO2）+6H2O=3CaO·2SiO2·3H2O+3Ca（OH）2

2（2CaO·SiO2）+4H2O=3CaO·2SiO2·3H2O+Ca（OH）2

3CaO·Al2O3+6H2O=3Ca·Al2O3·6H2O

4CaO·Al2O3·Fe2O3+7H2O=3CaO·Al2O3·6H2O+CaO·Fe2O3·H2O

生成的水化產(chǎn)物主要有：水化硅酸三鈣C-S-H（3CaO·2SiO2·3H2O）;氫氧化鈣Ca（OH）2，占含量20-25%;比表面積小，對強度影響小，易溶，化學穩(wěn)定性差;水化鋁酸三鈣3Ca·Al2O3·6H2O;水化鐵酸鈣CaO·Fe2O3·H2O。

地下工程的混凝土受到腐蝕，直接的原因是腐蝕離子侵蝕混凝土中的氫氧化鈣，致使其失去膠凝性能，最終混凝土分散強度降低。

2.2 硫酸鹽腐蝕

硫酸根離子與水泥熟料礦物水化生成水化鋁酸鈣和水化單硫鋁酸鈣反應，生成水化三硫鋁酸鈣：

3CaO·Al2O3·CaSO4·18H2O+2CaSO4+14H2O=3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O

4CaO·Al2O3·19H2O+3CaSO4+4H2O=3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O+Ca（OH）2

在低pH值（pH<10.5）、硫酸根離子濃度大于1000mg每升條件下，水中的硫酸鹽（以Na2SO4為例）通過毛細孔進入混凝土內(nèi)部與Ca（OH）2反應生成石膏，化學式如下所示：

Ca（OH）2+Na2SO4+2H2O——CaSO4·2H2O+2NaOH

如果環(huán)境周圍有充足的水源和碳酸鹽，硫酸鹽腐蝕產(chǎn)物生成碳硫硅酸鈣，化學反應如下：

Ca2++SO42-+CO32-+[Si（OH）6]2-+12H2O）——Ca3[Si（OH）6（CO3）（SO4）·12H2O

碳硫硅鈣石硫酸鹽侵蝕直接破壞混凝土凝膠性能，使水泥石變?yōu)樯⒘睿蔀闊o粘結(jié)的松散物質(zhì)，極大降低混凝土的強度和整體性能。

2.3 氯離子腐蝕

氯離子置換混凝土中的鈣，形成可溶性物質(zhì)，使混凝土喪失強度，反應如下：

2CI-+Ca（OH）2——CaCI2+2OH-;

Ca（OH）2+CI-+H2O——CaO·CaCI2·nH2O;

3CaO·AI2O3·6H2O+CI-+H2O——3CaO·AI2O3·3CaCI2·31H2O

研究表明氯離子是混凝土中鋼筋銹蝕的最嚴重腐蝕因素，嚴重破壞鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的強度。

2.4 碳酸鹽腐蝕

HCO3-對混凝土的侵蝕，可以通過如下化學反應表示：

Ca（OH）2——Ca2++2OH-

Ca2++2HCO3-——CaCO3（s）+CO2（g）+H2O

CaCO3+CO2（g）+H2O——Ca（HCO3）2——Ca2++2HCO3-

碳酸鹽能使混凝土凝膠體轉(zhuǎn)變?yōu)樗缮o膠結(jié)力的物質(zhì)，降低混凝土的強度和整體性，造成嚴重性整體性破壞。

3 結(jié)束語

我國地域廣闊，各地區(qū)之間環(huán)境、氣候及地質(zhì)水文條件千差萬別;腐蝕性鹽害環(huán)境中對混凝土侵蝕離子的種類、濃度不盡相同，目前也沒有統(tǒng)一的試驗標準和檢測指標。應依據(jù)各地區(qū)具體的地下水質(zhì)情況，結(jié)合具體工程的使用環(huán)境，分析濱海地區(qū)地下水及土壤中的腐蝕鹽離子對鋼筋混凝土的侵蝕機理;揭示鹽害侵蝕下混凝土的耐久性變化規(guī)律。

特殊施工方法如地鐵中采用凍結(jié)法施工，巷道混凝土在施工期間邊承壓邊養(yǎng)護且處于低溫狀態(tài)，在這種特殊的環(huán)境狀況下，漸增的凍結(jié)壓力是否對混凝土產(chǎn)生損傷、是否影響混凝土的后期強度，一直是有待分析解決的問題。

目前混凝土鹽害侵蝕研究中，研究氯鹽對鋼筋腐蝕的居多，且大部分考慮單因素作用情況。目前階段我國對兩種及以上腐蝕因素作用下的混凝土強度損傷劣化機制尚無相應的規(guī)范和成功的工程經(jīng)驗，應當重點加強特殊的施工環(huán)境和使用條件下，在鹽害、荷載和裂縫共同作用下混凝土侵蝕演化規(guī)律的研究。

地下混凝土屬于隱蔽工程，在服役過程中多方面原因造成強度劣化，即混凝土是在損傷狀態(tài)下運行。如何科學檢測評估地下服役混凝土工程的強度、在不影響正常運行的前提下科學確定服役混凝土工程的損傷量，為科學決策和安全維護提供理論支持，是當前和今后一段時期急需解決的問題。

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