沿海地区地铁工程混凝土耐久性问题及应对措施

2018-03-26孙立喜

商品混凝土 2018年1期

孙立喜

（天津市交通科学研究院，天津 300300）

0 引言

沿海地区经济发展速度相对较快，对地铁的需求与日俱增。地铁工程一般多穿越中心城区，投资巨大、施工工艺复杂，且维修困难。地下混凝土工程由于各种原因，往往运行时间不长就会出现各种病害问题。例如，上世纪 70 年代建成的香港地铁运行仅仅 20 年时间，部分区间隧道便出现了混凝土内排钢筋严重锈蚀的问题。北京地铁运营几年后就出现隧道内部水管腐蚀穿孔[1]。因此近年来人们对地铁工程混凝土结构的耐久性研究极为关注。本文就以上问题进行简要分析，并提出相应的处理措施。

1 混凝土耐久性主要影响因素

1.1 地铁环境因素

沿海地区地下环境复杂，地下水中含有大量的氯离子、硫酸根离子等，这些离子严重影响混凝土的耐久性，同时由于地下水的渗漏和有害气体的侵蚀，混凝土本身裂缝的产生和发展，造成隧道衬砌混凝土和结构混凝土腐蚀、开裂等多种病害，致使地铁隧道的使用功能衰退，严重的甚至会影响安全运营。

环境因素引起混凝土的劣化机理在很多文献和教科书中都有详尽的论述，所以本文仅作简单总结，不再赘述。

（1）氯离子侵蚀

沿海地区地下水中氯离子含量普较高，氯离子会使混凝土中的钢筋失去钝化膜，而使钢筋产生腐蚀，其锈蚀产物的体积将比原来的体积大 2.5 倍以上，会使混凝土开裂、剥落，最终将导致建筑结构破坏、失效。氯离子引起钢筋的腐蚀属于电化学反应，氯离子在反应过程中起化学催化剂的作用，促使钢筋锈蚀的发生，但氯离子本身并不消耗，这也是氯离子腐蚀的特点[2]。

（2）硫酸盐侵蚀

硫酸盐侵蚀分为物理侵蚀和化学侵蚀。物理侵蚀主要是结晶腐蚀，化学腐蚀主要是硫酸根离子参与化学反应。混凝土受硫酸盐腐蚀的特征是表面发白，棱角处出现裂纹甚至有剥落现象，最终，混凝土呈现出一种易碎、松散的结构[3]。

（3）杂散电流

杂散电流对混凝土结构的破坏是地铁工程所特有的一种形式。杂散电流主要对钢筋混凝土结构中的钢筋产生电化学腐蚀。特别是当这些构件已经发生腐蚀的情况下，那么杂散电流会加速腐蚀进行，严重影响钢筋混凝土结构的耐久性[2]。

1.2 设计上的不足

目前地铁混凝土材料没有专门的关于混凝土耐久性方面的规范，耐久性设计的主要依据是 GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》、GB/T 50476—2008《混凝土结构耐久性设计规范》、GB 50157—2013《地铁设计规范》等，规范中对影响混凝土的主要因素都做了相应的规定，但是，由于国家标准规范为了能够满足大部分地区或工程的需要，所以规范规定的范围都比较宽泛，针对某一具体地区或工程而言，具体参数的科学选取要结合当地和工程本身的实际情况具体分析。而一些设计人员由于专业或经验的限制，很难准确选取。另外，某一具体地区或工程由于有其特殊性，个别重要参数可能不包含在标准规范之中。

1.3 原材料问题

混凝土的原材料主要有水泥、水、砂、石、外加剂，为了提高耐久性，往往还要添加粉煤灰和矿渣粉等矿物掺合料。性能容易产生较大波动的原材料主要有河砂和粉煤灰等。由于环保要求，很多河道都限制甚至禁止采砂，这就造成河砂的料源很不稳定，每批河砂性能波动大。粉煤灰是热电厂燃煤燃烧的副产品，其品质受燃煤的质量影响明显，容易产生波动。粉煤灰随着近些年来基建行业的飞速发展，需求量也是迅速增加，一些不良商家经常以次充好，更有甚者用石粉冒充粉煤灰。给工程质量带来隐患。

1.4 配合比设计问题

常规的混凝土设计以强度为配合比设计目标，不考虑混凝土耐久性问题。而高性能混凝土以耐久性为设计目标，一般的施工单位和混凝土拌合站不具备相应的人员和专业的设备，只能套用从前的配合比，这样设计出的混凝土很难满足耐久性要求。

1.5 现场施工问题

混凝土的现场施工工艺主要涉及模板处理、浇筑、振捣、养护等。各个工艺应根据新拌混凝土不同的工作性能进行调整，但是，现场的混凝土工人多是劳务分包队伍，以农民工为主，未受过专业训练，且人员流动性大，操作人员很难对工作负责。

2 主要应对措施

针对以上问题，应该从设计、施工、管理等方面共同入手，才能有效杜绝问题发生，提高混凝土工程耐久性。

2.1 设计方面

如前所述，沿海地区地下环境造成钢筋腐蚀的因素较多，设计单位应转变传统的设计理念，不以混凝土强度作为唯一设计指标，应充分考虑混凝土耐久性问题。与混凝土耐久性相关的指标如混凝土的氯离子渗透系数、体积稳定性、含气量等指标的确定要结合现有的混凝土耐久性规范，同时要根据当地具体的环境特征，确定环境作用等级，还应考虑施工工艺的不同，不同的施工工艺对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关于混凝土耐久性方面的科研工作，特别是沿海地区，建议设计单位多与相关科研院校相结合，把现有的科研成果运用到实际工程中。

2.2 施工方面

原材料性能稳定是影响混凝土性能的重要因素。因此，施工单位在保证原材料合格的基础上，同时要控制材料性能的稳定性，不能产生过大波动。其控制措施主要有：（1）加强料源控制，选择正规的、规模较大的供应厂家，禁止随意更改供应厂家。对于水泥、粉煤灰等胶凝材料和外加剂更换厂家后宜重新进行配合比设计。（2）对于波动较大的河砂和粉煤灰需增加到场抽检频率。河砂应重点检验颗粒级配、细度模数、含泥量等指标。粉煤灰应重点检验细度、烧失量、需水量比等指标。（3）使用商品混凝土的单位要与商混站签订供应合同，合同中除要求混凝土的强度外，也要明确所用原材料的指标要求。（4）沿海地区的工程要特别注意海砂的使用，坚决杜绝偷用、滥用海砂行为。

混凝土配合比设计须由具有专业资质的单位进行。配合比设计中要考虑混凝土的环境等级、使用部位、施工工艺、所用原材料的性能等，影响因素复杂。施工中的混凝土配合比不是一成不变的，要根据原材料的性能波动做适当调整，比如适当的增减砂率、及时根据砂石含水率的变化折减单方混凝土用水量等。