軒吉善 XUAN Ji-shan

（中化地質(zhì)河南局集團有限公司，鄭州 450000）

0 引言

當(dāng)?shù)叵滤泻心承└g成分時，會對混凝土構(gòu)筑物的穩(wěn)定性造成破壞，進而影響混凝土基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的耐久性與工程壽命[1]。若某工程建筑物需要經(jīng)常與地下水接觸時，在工程地質(zhì)勘察中必須采取水樣，進行水化學(xué)腐蝕性分析，評價地下水的侵蝕性，為工程的防腐設(shè)計提供依據(jù)[2]。近年來，越來越多的城市開始修建地鐵，以緩解城市公共交通壓力。由于地鐵工程百年的耐久性使用年限要求，在各地城市軌道的工程建設(shè)中，混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性問題得到了廣泛的重視。王慎堂等[3]（2001）研究了高強混凝土在南京地鐵隧道襯砌管片中的應(yīng)用，論文研究表明，高性能混凝土應(yīng)用于盾構(gòu)隧道管片中會產(chǎn)生良好的效果。同時也有一些學(xué)者對地鐵混凝土設(shè)施的地下水腐蝕性進行評價，對地鐵混凝土設(shè)施建設(shè)提供防治措施。本文以某地鐵工程為例，采用一系列原位浸泡實驗，對不同廠家的混凝土材料性能進行測試并比較，同時得到不同條件下混凝土的性能指標變化，針對試驗結(jié)果及地下水腐蝕性評價結(jié)果，提出一些防腐措施，為軌道交通建設(shè)提供參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)總體呈東西走向，地形平坦，地面高程一般74.0～76.0m，局部較高。地形為長形河谷盆地，西起鳳凰山，東至青秀山，向東開口，南、北、西三面環(huán)山，盆地中心為邕江寬廣河谷，各河流聚集于此，組成向心水系。研究區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，炎熱潮濕，年平均氣溫在21.6度左右。研究區(qū)處于三個水文地質(zhì)單元之間，對研究區(qū)造成主要影響的含水巖組是邕江沖積層孔隙含水巖組。孔隙水主要賦存于邕江河谷階地沖積砂礫石層中，水位埋深一般大于5m。地下水位受季節(jié)變化影響較大，雨季（即4～10月）降雨充沛，地下水位明顯上升，旱季地下水位因為雨量減少而下降。南寧市地下水補給主要有降雨入滲、地表水入滲及農(nóng)業(yè)灌溉水入滲三個方面的來源，其中，降雨入滲、地表水入滲最為廣泛。

2 地下水腐蝕性浸泡實驗研究

本研究采取原位浸泡的方式，通過對當(dāng)?shù)?家混凝土生產(chǎn)廠家的C30和C50混凝土試件，在原位浸泡前后各項性能指標（立方體抗壓強度、抗碳化能力、抗氯離子滲透能力等）的檢測，評價研究區(qū)地下水侵蝕性，并分析其對不同廠家混凝土性能的影響。

2.1 立方體抗壓強度試驗

立方體抗壓強度試驗就是檢驗混凝土的強度是否能夠滿足實際要求[4]。本實驗對不同廠家的混凝土試塊分別養(yǎng)護到7天、28天和65天的齡期，并且經(jīng)過6個月原位浸泡，通過對不同養(yǎng)護齡期以及浸泡前和浸泡后的抗壓強度進行對比，以測定地下水長期腐蝕對不同混凝土的抗壓強度的影響。

原位浸泡后，由于表面的腐蝕破壞，混凝土試件受壓破壞前，均有非常明顯的表面層狀剝落現(xiàn)象。試驗結(jié)果分析表明，原位浸泡后甲廠家C30、C50混凝土抗壓強度均低于28天齡期強度，乙、丙廠家C30、C50抗壓強度均高于28天齡期強度，但各廠家混凝土抗壓強度都能達到設(shè)計要求（如圖1-圖4）。

圖1 C30抗壓強度的齡期—強度關(guān)系圖

圖4 C50抗壓強度隨齡期的變化規(guī)律

由于浸泡時間較短（6個月），地下水長期腐蝕對混凝土抗壓強度的影響規(guī)律尚待進一步研究，實際工程應(yīng)用時，必須加強對地下水腐蝕作用的重視。

2.2 混凝土碳化試驗

CO2氣體通過硬化混凝土細孔進入到混凝土內(nèi)，與其堿性物質(zhì)（Ca（OH）2）產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)生成碳酸鹽和水，這一過程稱為混凝土碳化[5]。混凝土碳化使其堿性降低，強度下降，破壞混凝土耐久性。本實驗采用快速碳化的方式，在碳化箱內(nèi)進行碳化，調(diào)節(jié)閥門，使氣體均勻的進入碳化箱。通過噴灑酚酞試劑對混凝土試塊測試碳化深度，以比較混凝土抗碳化的能力（如表1）。

表1 各齡期的平均碳化深度

混凝土試件碳化試驗表明，混凝土碳化深度也隨著試驗齡期的增加而增加，各廠家混凝土的碳化深度增長率則不同。試驗結(jié)果表明：C50混凝土的碳化深度明顯小于C30混凝土（如圖5-圖6）。

圖2 C50抗壓強度的齡期—強度關(guān)系圖

圖3 C30抗壓強度隨齡期的變化規(guī)律

圖5 C30混凝土碳化深度

圖6 C50混凝土碳化深度

2.3 抗氯離子滲透試驗

混凝土的抗氯離子滲透性是混凝土耐久性的關(guān)鍵指標之一[6]。測試混凝土的抗氯離子滲透性能對測試混凝土工程質(zhì)量具有重要作用。通過外加電場以及AgNO3溶液試劑，測試試塊的氯離子滲透深度，原位浸泡前后采取的同樣的試驗方法，比較不同混凝土氯離子擴散系數(shù)。

浸泡前后各廠家C30、C50抗氯離子滲透變化對比如圖7-圖10所示。分析表明：由于浸泡時間較短，地下水的侵蝕未達到混凝土內(nèi)部。而內(nèi)部芯樣處混凝土則因未受到地下水的侵蝕影響，隨齡期的增長，密實性增加。

圖7 C30混凝土氯離子擴散系數(shù)比較

圖8 C50混凝土氯離子擴散系數(shù)比較

圖9 C30混凝土氯離子擴散系數(shù)比較

圖10 C50混凝土氯離子擴散系數(shù)比較

3 地下水腐蝕性評價

3.1 腐蝕性評價條件

按照《巖土工程勘察規(guī)范》（GB 50021-2001）（2009版）第12.2條及附錄G有關(guān)規(guī)定，地下水對建筑材料的腐蝕性評價針對不同的含水層滲透性、浸水條件、環(huán)境類型、等有著不同的規(guī)定。根據(jù)本工程的特點，結(jié)合研究區(qū)地下水特征，地下水的腐蝕性評價具體條件如下：

研究區(qū)屬濕潤地區(qū)，含水量一般為20～30%。因此按Ⅱ類環(huán)境類型地下水對混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕性；浸水條件：采用地下線，一般隧道處于長期浸水環(huán)境，因此地下水對鋼筋混凝土腐蝕性評價按照長期浸水條件考慮。

3.2 腐蝕性評價指標

根據(jù)采取地下水水樣水質(zhì)分析結(jié)果資料，按照相應(yīng)的評價條件，綜合評價地下水對建筑材料的腐蝕性。

按照國家標準《巖土工程勘察規(guī)范》（GB50021-2001）（2009版）第12.2條規(guī)定，沿線地下水對混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕性及對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋腐蝕性的化學(xué)指標如表2。

表2 地下水腐蝕性化學(xué)指標

3.3 腐蝕性機理及其原因

通過對研究區(qū)水文地質(zhì)條件、水質(zhì)分析成果、地下水化學(xué)類型等的綜合分析，對腐蝕性中等區(qū)域其腐蝕性介質(zhì)主要為侵蝕性CO2。主要是對混凝土結(jié)構(gòu)具有中等～強腐蝕性。對鋼筋混凝土中的鋼筋具有微腐蝕性。

造成腐蝕的原因可能僅是某一種因素，也可能是多種因素的共同作用。由于混凝土的腐蝕機理分類較為復(fù)雜，結(jié)合腐蝕性指標，根據(jù)地下水對混凝土的腐蝕性特征，分為以下三類[7]：

①分解性侵蝕。分解性侵蝕是指酸性水對水泥的氫氧化鈣與碳酸鈣進行溶濾和溶解，使得混凝土分解破壞的作用。當(dāng)水中含有一定的H+離子時，會與水泥的氫氧化鈣反應(yīng)，使混凝土遭受溶蝕破壞，反應(yīng)式為：Ca（OH）2+2H+=Ca2++2H2O；當(dāng)水中含有較多侵蝕性CO2時，水的溶解能力增強，使碳酸鈣溶解，混凝土結(jié)構(gòu)遭受破壞，其反應(yīng)式為：CaCO3+H2O+CO2→Ca2++2HCO3-。

②結(jié)晶性侵蝕。結(jié)晶性侵蝕是指水中過量的SO42-滲入混凝土體內(nèi)，與水泥的某些分發(fā)生水化作用，形成易膨脹的結(jié)晶化合物，使混凝土脹裂破壞。如形成石膏和硫酸鋁，其體積分別增大1.5倍和2.5倍。為了防止SO42-對混凝土的破壞作用，可采用抗硫酸鹽的水泥。

③分解結(jié)晶復(fù)合性侵蝕。分解結(jié)晶復(fù)合性侵蝕是指水中Ca2+、Mg2+、Zn2+、Fe2+、Al3+等陽離子含量過高，而對混凝土的一種復(fù)合破壞作用。如MgCl2與混凝土中結(jié)晶的Ca（OH）2反應(yīng)后，容易對混凝土造成破壞，其反應(yīng)式為：MgCl2+Ca（OH）2→Mg（OH）2+CaCl2。對分解結(jié)晶復(fù)合性侵蝕的評價，一般使用于被工業(yè)廢水污染的地下水。

根據(jù)研究區(qū)地下水腐蝕性指標的分析，研究區(qū)主要影響作用的是分解性侵蝕。由于研究區(qū)處于濕熱多雨環(huán)境中，土層透氣性差，厭氧的硫酸鹽還原菌繁殖，將地下水中的硫酸鹽還原為硫或硫化物；當(dāng)旱季來臨，土層透氣性改善，硫及硫化物被氧化為硫酸，導(dǎo)致土層及地下水的pH值降低；在細菌生物化學(xué)作用下，有機質(zhì)分解出大量CO2，當(dāng)水中溶入的CO2超出與H+和HCO3-等平衡所需的量，多余的CO2即為侵蝕性CO2。

研究區(qū)地下水腐蝕機理為：地下水中游離的二氧化碳使CaCO3+H2O+CO2→Ca2++2HCO3-反應(yīng)向右進行而侵蝕水泥漿體，進而加速硬化水泥漿體中氫氧化鈣轉(zhuǎn)變成可溶性重碳酸鈣的過程。由于混凝土制作過程中難以避免的出現(xiàn)微裂隙和孔隙，水溶液中的侵蝕性CO2進入混凝土中，引起混凝土的碳化。檢測表明，研究區(qū)中等腐蝕性區(qū)域的地下水CO2含量較高，進而引起第二反應(yīng)，將中性化生成碳酸鈣溶解，生成可溶性重碳酸鈣?？扇苄灾靥妓徕}被流動的地下水沖走，在沖刷掉混凝土腐蝕表層同時，進而向混凝土內(nèi)部逐步腐蝕。綜上分析，認為研究區(qū)地鐵混凝土地下水腐蝕破壞是：在動態(tài)水溶液的作用下，使得第一反應(yīng)和第二反應(yīng)交替循環(huán)，逐步將混凝土侵蝕破壞，因此這一問題必須引起足夠的重視，并采取措施加以控制和解決。

4 地下水防腐對策建議

針對不同混凝土原位浸泡試驗以及地下水腐蝕性機理的分析，結(jié)合相關(guān)研究，在防腐設(shè)計，混凝土材料選擇、以及耐久性指標方面，提出以下防腐措施。

4.1 防腐設(shè)計 該地鐵沿線水文地質(zhì)條件復(fù)雜，地下水中的侵蝕性CO2對結(jié)構(gòu)混凝土具有很強的腐蝕性作用，因此在防腐設(shè)計中應(yīng)遵循以下原則：①應(yīng)重視地下主體結(jié)構(gòu)迎水面混凝土的防腐蝕問題，在嚴重和非常嚴重的腐蝕性區(qū)段，應(yīng)在混凝土表面加以保護措施，比如涂層覆蓋。對于重要工程部位，應(yīng)采取多重防護對策，以增加其耐久性。②在各腐蝕性區(qū)段，應(yīng)正確使用礦物摻和料，盡量使用低水膠比混凝土，確保混凝土的質(zhì)量控制標準和施工技術(shù)要求，保證混凝土有良好的均質(zhì)性、耐久性和抗裂性。③在嚴重和非常嚴重的腐蝕性區(qū)段，地下結(jié)構(gòu)混凝土可考慮采用全包防水設(shè)計，盡量減少或避免侵蝕性地下水與主體結(jié)構(gòu)混凝土接觸。在可能的條件下，應(yīng)采取必要措施降低主體混凝土結(jié)構(gòu)外圍土層的地下水滲透性。④由于研究區(qū)沿線地下水的侵蝕性特點，應(yīng)通過根據(jù)實際情況精選混凝土材料，進行合理的配比設(shè)計并注重施工養(yǎng)護，嚴格控制主體結(jié)構(gòu)混凝土表面由于非荷載作用原因所產(chǎn)生的裂縫。⑤應(yīng)適當(dāng)增大主體結(jié)構(gòu)混凝土保護層厚度，并應(yīng)考慮保護層施工允許負偏差的影響。重視混凝土連接縫中鋼筋結(jié)構(gòu)的防銹措施。

4.2 混凝土原材料選擇①配制混凝土的硅酸鹽類水泥一般應(yīng)為品質(zhì)穩(wěn)定的硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥或礦渣硅酸鹽水泥，應(yīng)盡可能避免使用早強水泥[8]。②配置混凝土?xí)r盡量使用品質(zhì)穩(wěn)定、來料均勻的優(yōu)質(zhì)混凝土礦物摻和料。③對于腐蝕環(huán)境下的結(jié)構(gòu)混凝土，在滿足結(jié)構(gòu)安全性的前提要求下，首先應(yīng)考慮控制混凝土的各項耐久性指標，以增加混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命。

4.3 結(jié)構(gòu)混凝土耐久性能控制指標

實際工程中，針對具體的環(huán)境類別，應(yīng)重視測定抗碳化能力、抗壓強度、氯離子擴散系數(shù)等具體量化耐久性的指標[9]。利用這些指標評測混凝土耐久性，以實現(xiàn)混凝土質(zhì)量控制和檢驗。由于地下混凝土結(jié)構(gòu)所受到的侵蝕作用程度與其所處的地下水環(huán)境有關(guān)，因此，應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)所處的地下水環(huán)境腐蝕性等級及結(jié)構(gòu)的保護層厚度等來確定相應(yīng)的耐久性控制指標參數(shù)。本文試驗研究表明：室內(nèi)快速碳化試驗所測得的28d試驗齡期的平均碳化深度與原位浸泡6個月后混凝土的平均中性化深度間具有很好的回歸關(guān)系。因此，考慮到實際施工質(zhì)量控制的可行性，可采用室內(nèi)快速碳化試驗所測得的28d試驗齡期的平均碳化深度來反映主體結(jié)構(gòu)混凝土的抗中性化能力。

5 結(jié)論

本文采取原位浸泡試驗方法，對3家混凝土生產(chǎn)廠家的C30和C50混凝土試件的性能指標進行檢測，分析地下水腐蝕對不同混凝土性能的影響，對研究區(qū)地下水腐蝕性進行評價，得出以下結(jié)論：①地下水環(huán)境的長期腐蝕作用對混凝土耐久性具有不利影響。混凝土試件抗壓強度試驗表明，由于表面的腐蝕破壞，混凝土試件受壓破壞前，均有非常明顯的表面層狀剝落現(xiàn)象?；炷猎嚰蓟囼灡砻鳎夯炷猎嚰蓟囼灡砻?，混凝土碳化深度也隨著試驗齡期的增加而增加，不同廠家混凝土的碳化深度增長率不同?？孤入x子滲透試驗結(jié)果表明地下水的侵蝕未達到混凝土內(nèi)部。②通過對研究區(qū)地下水化學(xué)類型、水文地質(zhì)條件、水質(zhì)分析成果等的綜合分析，其腐蝕性介質(zhì)主要為侵蝕性CO2，主要影響作用的是分解性侵蝕。③研究區(qū)混凝土地下水腐蝕破壞是：在動態(tài)水溶液的作用下，使得第一反應(yīng)和第二反應(yīng)交替循環(huán)，逐步將混凝土侵蝕破壞，因此這一問題必須引起足夠的重視，并采取措施加以控制和解決。④對地鐵工程不同位置采取合理的防腐設(shè)計措施，保證地鐵百年安全大計。