邵 瑩

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司城建院，西安 710043)

近十幾年來，我國城市軌道交通建設(shè)迅速發(fā)展，國內(nèi)的大部分城市已經(jīng)建成運(yùn)營或者正在籌劃建設(shè)城市軌道交通，隨著西安、蘭州、西寧等城市的軌道交通相繼開工，城市軌道交通也開始逐步向我國西北內(nèi)陸城市不斷延伸。我國西北部地區(qū)分布有廣泛的鹽漬土環(huán)境，鹽漬土是指各種鹽化、堿化土壤，主要分布在內(nèi)陸干旱、半干旱地區(qū)及濱海地區(qū)，其工程環(huán)境內(nèi)可溶性鹽嚴(yán)重超標(biāo)，鹽鹵對(duì)混凝土的侵蝕破壞非常嚴(yán)重［1］。根據(jù)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，普通的鋼筋混凝土構(gòu)件直接置于鹽漬土環(huán)境中，兩三年即遭腐蝕，3～5年后會(huì)出現(xiàn)鋼筋銹蝕、混凝土開裂等嚴(yán)重的破壞［2-3］。目前國內(nèi)尚無在鹽漬土環(huán)境修建地鐵的工程經(jīng)驗(yàn)，城市軌道交通中地下線部分多為淺埋的地下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，對(duì)于長期在氣候惡劣、侵蝕介質(zhì)濃度高、環(huán)境非常復(fù)雜的地鐵工程，如何保證結(jié)構(gòu)的百年耐久性要求，滿足城市交通干線的正常使用就顯得非常重要。

1 工程概況

本工程為地下3層島式車站，明挖順作法施工，地下一層為公路隧道，兩端通過爬坡直通地面，地下二、三層為地鐵車站，通過出入口連通地面，車站長度228 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬度22.8 m，車站底板埋深25 m，頂板覆土厚度約1.3 m。位于青海省西寧市，南臨湟水河。站區(qū)地貌單元屬于湟水河北岸Ⅰ級(jí)階地及高漫灘，地勢(shì)平坦開闊，海拔高程2 212.38～2 212.93 m。站區(qū)地層自上而下依次為第四系雜填土、粉土、卵石及第三系石膏巖夾泥巖，各地層主要物理力學(xué)參數(shù)見表1。

場(chǎng)地賦存第四系松散巖類孔隙潛水，初見水位埋深3.1 ～4.5 m，穩(wěn)定水位埋深 2.8 ～4.5 m，地下水位高程為2 208.31～2 210.13 m，含水層主要為全新統(tǒng)沖積卵石層，厚1.4～4.5 m，隔水底板為第三系泥巖，水量比較豐富，第三系石膏巖中賦存碎屑巖類裂隙孔隙水，泥巖為隔水層，石膏巖為弱透水層，只在構(gòu)造及節(jié)理裂隙中賦存有少量的地下水。

場(chǎng)地內(nèi)水土中的侵蝕介質(zhì)含量及對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕性評(píng)價(jià)詳見表2、表3。

表1 地層主要物理力學(xué)參數(shù)

表2 水土的腐蝕性評(píng)價(jià)

表3 場(chǎng)地土的鹽脹性評(píng)價(jià)

2 混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕機(jī)理及耐久性設(shè)計(jì)思路

氯離子通過混凝土中的毛細(xì)孔或微裂縫滲透到鋼筋表面，直接破壞鋼筋鈍化膜，氯離子在具備氧氣和水的環(huán)境下與鐵離子(Fe2+)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成氫氧化鐵或氧化鐵，導(dǎo)致鋼筋銹蝕，銹斷，從而使混凝土產(chǎn)生順筋開裂甚至鋼筋混凝土的失效。持續(xù)腐蝕的情形下，其體積累計(jì)增加(約為原來體積的2.5～6倍)［4］，造成體積膨脹使混凝土脹裂或保護(hù)層剝落。

試驗(yàn)表明:鹽漬土對(duì)混凝土構(gòu)件的嚴(yán)重侵蝕部位發(fā)生在混凝土構(gòu)件與鹽漬土面的結(jié)合處［2，5］。因此有效控制和 Cl-滲入混凝土［6］，控制 Cl-到達(dá)鋼筋表面的低濃度是本項(xiàng)目結(jié)構(gòu)耐久性防腐的核心。

對(duì)于本工程這種環(huán)境作用等級(jí)超過V-E級(jí)環(huán)境［7］，在目前國內(nèi)外尚無成熟、可靠的防腐蝕技術(shù)的條件下，防腐設(shè)計(jì)中采取的總體思路是綜合采用多重防腐蝕措施，并考慮其施工可行性，防滲防腐是防腐蝕重點(diǎn)。根據(jù)本工程地下水及鹽漬土的化學(xué)成分、腐蝕特點(diǎn)及構(gòu)造物所處的腐蝕環(huán)境，提出地鐵結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容，即采用高性能抗腐蝕混凝土、增加混凝土保護(hù)層厚度，同時(shí)針對(duì)不同的結(jié)構(gòu)部位采用相應(yīng)的附加防腐蝕措施，如摻加鋼筋阻銹劑、防腐涂層、表面外防護(hù)等。

3 鹽漬土地區(qū)地下混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)

3.1 選擇高性能混凝土材料

文獻(xiàn)［8］進(jìn)行了不同摻量硅灰、粉煤灰的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和氯離子滲透試驗(yàn)。試驗(yàn)顯示:硅灰與粉煤灰對(duì)混凝土性能的影響較大，都處于影響比較顯著的地位，尤其是硅灰對(duì)于提高混凝土強(qiáng)度和耐腐蝕性效果均很顯著。文獻(xiàn)［9］分析鹽漬地區(qū)混凝土結(jié)構(gòu)破壞模式及腐蝕機(jī)理，通過硫酸鈉溶液浸泡試驗(yàn)顯示，粉煤灰取代部分水泥可以改善混凝土抗硫酸鹽侵蝕能力。文獻(xiàn)［10］在鹽漬地區(qū)對(duì)混凝土的抗腐蝕和抗?jié)B性能進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，通過試驗(yàn)得出了粉煤灰摻量與各混凝土耐久性能指標(biāo)之間的關(guān)系，在混凝土中摻加粉煤灰和減水劑的方法能夠改善混凝土抗硫酸鹽腐蝕的性能和抗?jié)B性能;文獻(xiàn)［1］針對(duì)青海鹽湖地區(qū)特定的自然壞境，配制普通、高強(qiáng)及高性能混凝土，同時(shí)進(jìn)行鹵水腐蝕單因素試驗(yàn)和鹵水腐蝕——干濕循環(huán)雙因素試驗(yàn)。結(jié)果表明，普通混凝土的抗腐蝕性很差，高強(qiáng)混凝土的抗腐蝕性不盡人意，就長期耐久性而言，高性能混凝土具有優(yōu)良的抗腐蝕性能。

綜合近年來的試驗(yàn)研究及工程實(shí)踐可以發(fā)現(xiàn)，在鹽漬土和鹽湖鹵水的干濕交替的環(huán)境條件下，高性能混凝土具有更加優(yōu)異的抗腐蝕性能。高性能混凝土中添加粉煤灰、硅灰等礦物摻和料更適用于鹽漬地區(qū)的地鐵車站結(jié)構(gòu)。

水泥:本工程要求采用強(qiáng)度等級(jí)為42.5級(jí)(C50以下)和52.5級(jí)(C50及以上)普通硅酸鹽水泥［11］，應(yīng)該符合《通用硅酸鹽水泥》(GB175—2007)的技術(shù)要求。優(yōu)先使用P·Ⅰ型硅酸鹽水泥。當(dāng)采用P·Ⅱ型硅酸鹽水泥時(shí)，其混合材料應(yīng)該是不超過5%的高爐粒化礦渣，嚴(yán)禁使用摻加石灰石作為混合材料的P·Ⅱ型硅酸鹽水泥。配制高性能抗腐蝕混凝土不得使用立窯水泥，應(yīng)避免使用早強(qiáng)、水化熱較高的水泥，以及抗硫酸鹽水泥和高抗硫酸鹽水泥。水泥中C3A含量宜控制在6% ～12%，f-CaO含量不大于1.5%，水泥的細(xì)度宜小于350 m2/kg。為防止堿-集料反應(yīng)的發(fā)生，水泥的堿含量應(yīng)低于0.6%，且混凝土內(nèi)的總含堿量不超過3.0 kg/m3。所用水泥的燒失量不大于3.5%，SO3含量不大于3.5%，且混凝土內(nèi)的SO3總含量不超過膠凝材料總量的4%。所用水泥的氯離子含量應(yīng)低于0.03%，且混凝土內(nèi)的氯離子總含量不超過膠凝材料總量的0.05%(水溶值)。

礦物摻和料:包括粉煤灰、磨細(xì)礦渣和硅灰，應(yīng)由生產(chǎn)廠家專門進(jìn)行產(chǎn)品檢驗(yàn)并出產(chǎn)品合格證書，其技術(shù)條件應(yīng)符合國家標(biāo)準(zhǔn)《高強(qiáng)高性能混凝土用礦物外加劑》(GB/T18736—2002)的規(guī)定。為防止堿-集料反應(yīng)的發(fā)生，需要檢測(cè)礦物摻和料的可溶性堿，計(jì)算出Na2O當(dāng)量堿含量，并出具測(cè)試報(bào)告，以便于混凝土內(nèi)總含堿量的控制。從礦物摻和料帶進(jìn)混凝土中的氯離子含量不得超過膠凝材料總重的0.01%，帶進(jìn)的SO3含量不超過膠凝材料總量的1%，帶進(jìn)的總含堿量不超過 0.5 kg/m3。

車站結(jié)構(gòu)中主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件的混凝土等級(jí)及水膠比和膠凝材料用量的控制具體的指標(biāo)見表4，混凝土耐久性控制技術(shù)指標(biāo)見表5。

表4 主要構(gòu)件混凝土等級(jí)及水膠比和膠凝材料用量

表5 混凝土耐久性控制技術(shù)指標(biāo)

3.2 附加防腐措施

根據(jù)本工程所處環(huán)境的腐蝕情況及地鐵車站的自身特點(diǎn)和明挖順作施工工法，設(shè)計(jì)中對(duì)車站結(jié)構(gòu)的重點(diǎn)部位區(qū)域采取了必要的附加防腐蝕措施。防腐蝕措施結(jié)合結(jié)構(gòu)防水層采取“內(nèi)增外防”的綜合防腐措施，即提高混凝土自身的防腐蝕能力，結(jié)構(gòu)表面涂防水及防腐蝕材料，周圍鋪設(shè)隔斷層防止易溶鹽。結(jié)構(gòu)附加防腐蝕措施見表6，結(jié)構(gòu)防腐蝕措施節(jié)點(diǎn)做法大樣詳見圖1。

表6 結(jié)構(gòu)附加防腐蝕措施

圖1 結(jié)構(gòu)防腐蝕措施節(jié)點(diǎn)做法

用于混凝土結(jié)構(gòu)表面浸漬的硅烷優(yōu)先采用異辛基三乙氧基硅烷膏體做為硅烷浸漬材料，在硅烷膏體材料進(jìn)場(chǎng)施工前必須抽檢，由具備檢測(cè)資質(zhì)的單位出具材料檢驗(yàn)報(bào)告。浸漬硅烷前應(yīng)進(jìn)行噴涂試驗(yàn)，試驗(yàn)區(qū)面積應(yīng)為1～5 m2。按規(guī)范要求分別進(jìn)行吸水率、硅烷浸漬深度和氯化物吸收量的降低效果檢測(cè)。異辛基三乙氧基硅烷膏體用量:每平方米共噴涂或滾涂1遍，用量不少于 0.3 kg/m2。

在與腐蝕性土體接觸的側(cè)墻和底板，其最外層鋼筋采用涂層鋼筋，防腐涂料采用防氯鹽腐蝕的HCPE涂料。建議采用兩底兩面或兩底一中一面的方案，底漆、中間漆和面漆的涂層總厚度應(yīng)達(dá)到200 μm。涂料用量每道 0.2 ～0.3 kg/m2。

4 結(jié)論

(1)鹽漬環(huán)境下地鐵混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)應(yīng)綜合考慮水土中的超量可溶性鹽侵蝕作用，宜采取“內(nèi)增外防”的綜合防腐措施，宜采用高性能混凝土材料滿足結(jié)構(gòu)耐久性需要。

(2)高性能混凝土中宜添加粉煤灰、硅灰等礦物摻和料提高混凝土材料的抗腐蝕能力，并提出適用于鹽漬環(huán)境下地鐵車站結(jié)構(gòu)的混凝土強(qiáng)度等級(jí)和相適應(yīng)的各種摻加料用量指標(biāo)以及混凝土耐久性控制技術(shù)指標(biāo)。

(3)附加防腐蝕措施選擇應(yīng)根據(jù)地鐵結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及施工工法，結(jié)合基坑圍護(hù)形式和結(jié)構(gòu)防水層進(jìn)行設(shè)計(jì)。提出適用于明挖車站的結(jié)構(gòu)附加防腐措施。

［1］陳樹東，余紅發(fā)，等.高強(qiáng)和高性能混凝土在青海鹽湖鹵水中的抗腐蝕性［J］.混凝土，2003(1):38-40.

［2］劉連新.西部高海拔、高寒地區(qū)高性能混凝土及技術(shù)研究［C］∥高強(qiáng)與高性能混凝土及其應(yīng)用專題研討會(huì)論文集.杭州:中國土木工程學(xué)會(huì)，2005:457-462.

［3］王潘勞，張偉勤，等.青海察爾汗鹽湖地區(qū)水泥混凝土的腐蝕破壞調(diào)查分析［J］.青海大學(xué)學(xué)報(bào)，2003(6):57.

［4］洪定海.混凝土中鋼筋的腐蝕與保護(hù)［M］.北京:中國鐵道出版社，1998:15-25.

［5］劉連新，張偉勤，等.抗鹽漬土侵蝕混凝土的工程實(shí)踐與試驗(yàn)研究［J］.青海大學(xué)學(xué)報(bào)，2004(6):31.

［6］吳中偉，廉慧珍.高性能混凝土［M］.北京:中國鐵道出版社，1999:28-30.

［7］中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB/T 50476—2008 混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2009.

［8］劉吉川，王聯(lián)芳.硅灰粉煤灰增強(qiáng)水泥混凝土抗腐蝕性能的研究［J］.交通世界，2007(11):94-95.

［9］蔣衛(wèi)東，尹正風(fēng)，閆俊，等.寧夏鹽漬地區(qū)混凝土破壞模式與防治研究［J］.混凝土，2006(6):18-21.

［10］蔣衛(wèi)東，陳嘯，閆俊.鹽漬地區(qū)抗腐蝕混凝土耐久性試驗(yàn)研究［J］.東北大學(xué)學(xué)報(bào)，2008(2):281-283.

［11］Shi Mingxia，Liu Baoju.The resistance of salt crystallization of cement containing ultrafine fly ash mortar in sulfate solution［J］.Advances in concrete and structures Proceedings of the international conference ICAC，2004(5):974-981.