化学腐蚀环境下地铁结构耐久性设计研究

呼喜锋

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西 西安 710043)



化学腐蚀环境下地铁结构耐久性设计研究

呼喜锋*

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西 西安 710043)

化学腐蚀严重威胁着地铁结构的耐久性.通过分析地铁结构、外部环境、化学腐蚀机理，提出一种混凝土强度等级与保护层厚度相协调的应对地铁耐久性问题的办法.

化学腐蚀环境；耐久性；裂缝；水泥

随着我国地铁建设的蓬勃发展，各种复杂环境下的地铁结构越来越多的出现.地铁设计及施工受到周边建筑、城市交通、地下管线、地质水文条件等诸方面影响，比一般工程技术要求更高，难度更大.地铁结构需要满足百年结构安全性、适用性、耐久性等可靠性要求，地铁工程可称为“设计年限100年且满足耐久性要求的大体积防水混凝土工程”.

1 地铁结构的特点

地铁结构及其设计具有以下特点和要求.

(1) 大体积混凝土.标准车站结构尺寸：顶板800 mm、底板900 mm、侧墙700～800 mm.大体积混凝土指混凝土结构物实体最小几何尺寸不小于1 m 的大体量混凝土，或预计会因混凝土中胶凝材料水化引起的温度变化和收缩而导致有害裂缝产生的混凝土[1]；日本建筑学会标准的定义是：“结构断面最小尺寸在800 mm”.因此，称之为大体积混凝土是合适的.

(2) 耐久性要求：主体结构应根据使用环境类别，按设计使用年限为100年的要求进行结构耐久性设计[2].耐久性包含抗裂(0.2～0.3 mm)、抗侵蚀、抗渗、抗冻等要求.

(3) 防水要求：地下工程应以混凝土结构自防水为主；地下车站、行人通道和机电设备集中区段的防水等级应为一级，不得渗漏，结构表面无湿渍.

2 化学腐蚀环境下地铁耐久性设计问题的提出

随着地铁建设在全国范围内的大规模开展，越来越多的工业城市加快推进地铁建设，众所周知，城市(特别是大中型城市)，环境污染越来越严重，其中就包括地下水及地下土壤的污染.地铁结构深埋地下，城市水、土污染严重威胁着地铁结构的耐久性.

地铁车站板、墙构件具有“长高厚”的特点，长度150～300 m，宽度(高度)5～17 m，厚度0.4～1 m，相对于梁、柱来说其施工质量不易保证.采用较高标号混凝土时，易在侧墙及顶底板产生裂缝.以某车站为例，侧墙出现的裂缝情况如图1所示.

耐久性规范[3]主要通过限制混凝土最低强度等级来保证结构耐久性，在化学腐蚀环境的不同作用等级条件下混凝土最低强度等级分别达到C45、C50、C55；地铁结构属大体积混凝土工程，而大体积混凝土施工中易出现温度及收缩等有害裂缝，在出现通缝后裂缝限值、混凝土自防水等要求无法实现，耐久性也就无从谈起.在施工质量难以保证的前提下，以提高混凝土强度等级来提高结构耐久性往往会起到反作用.

3 腐蚀机理及环境类别、作用等级的判定

按照腐蚀机理，化学腐蚀环境指硫酸盐等化学物质对混凝土及钢筋的腐蚀.化学腐蚀环境的作用因素包括：水、土中硫酸根离子浓度、水中镁离子浓度、水中酸碱度、水中侵蚀性二氧化碳浓度等[3]，其中水、土中硫酸根离子浓度则是最突出的影响因素.硫酸盐对混凝土的化学腐蚀在混凝土内部造成体积膨胀，使混凝土开裂，硫酸盐接触钢筋以后会造成钢筋的锈蚀，严重影响结构的耐久性.

从空间上看，地铁结构所处环境为地表以下，对这一问题要有更加清晰的认识.例如在干旱、高寒地区，不能直接套用规范[3]中关于“干旱、高寒地区硫酸盐环境作用等级”的规定，条文是指干旱、高寒地区民基础在地表以下浅埋时的判定，而地铁结构不论车站还是区间隧道均深埋地下，周边属于湿润环境或地下水环境，地下环境温度变化不突出，也就不存在高寒问题.再如“干湿交替”是指混凝土表面经常交替接触到大气和水的环境[3]，而“无干湿交替”是长期浸没于地表以下或地下水中[3]，设计人员容易将“干湿交替”理解为地下水位变动时的环境.在“无干湿交替”的化学腐蚀环境下允许混凝土强度等级降低一级.

环境类别及作用等级的判定直接影响后续混凝土强度等级、保护层厚度、水胶比等一系列问题，在解读详勘资料时应避免只注重结论，而忽略勘察报告对水、土腐蚀性评价的详细参数.以某地车站及区间为例，详勘资料中判定为化学腐蚀环境、作用等级为Ⅴ-C，报告中给出的腐蚀性评价如表1所示.

表1 水、土腐蚀性评价表

结合钻孔布置图发现如下问题：报告中缺少土的腐蚀性评价实验资料；取样钻孔集中、数量偏少，与车站长度不匹配；取样深度不明确，车站埋深约18 m，覆土约3 m，区间埋深达14 m以上，取样深度是否匹配各地层条件及结构高度无法判断.此时应要求进行补充勘察.

水、土腐蚀性评价以地下潜水位线为界划分为土的腐蚀性和水的腐蚀性，水位线以上以土对结构的腐蚀为主，水位线以下则以水对结构的腐蚀为主.由于土对结构的腐蚀需要通过地下水的运输来实现，只有溶于水中的硫酸盐才会腐蚀混凝土，因此土中硫酸根离子的浓度，是在土样中加水溶出的浓度(水溶值)，如在土样中加酸则可溶出土中所有的硫酸根离子(酸溶值)，所以规范在判定土中硫酸根离子环境作用等级时，其浓度较水的硫酸根离子浓度有所提高，实验和使用时应注意区分.

在考虑水对结构的腐蚀性时需充分考虑以下因素：各地层的渗透系数区别较大，地下水在地层间以水平运动为主，以穿越地层的上下运动为辅[4]；地表环境带来的腐蚀性离子在各地层中随地下水进行水平向运动.从详勘资料可以发现，同一钻孔不同深度水样的腐蚀性离子浓度一般上部高于下部.地铁车站侧墙穿越的地层较多，在不同部位不同地层中水的腐蚀性应区别对待，特别是在区间隧道位于相对隔水层下方时，应以相对隔水层以下水中腐蚀性离子浓度作为判别环境作用等级的依据.

4 地铁结构耐久性保证措施

按照致密性理论，混凝土耐久性通过保证混凝土密实度来实现，工程人员通常使用的混凝土指标是强度等级，密实度与强度等级又有一定的线性关系[3]，因此规范通过控制混凝土最低强度等级和最大水胶比来保证不同环境类别下混凝土的耐久性.结构的耐久性除需保证混凝土耐久性外还与钢筋有关，规范通过限制最小保护层厚度来保证钢筋耐久性要求.而耐久性要求的混凝土强度等级与保护层厚度之间又存在一定的相关性.

一般环境下“当采用的混凝土强度等级比本规范的规定低一个等级时，混凝土保护层厚度应增加5 mm；当低两个等级时，混凝土保护层厚度应增加10 mm”[3]，也即保护层厚度与混凝土强度等级可以进行某种程度上的代替.

现行《地铁设计规范》要求的钢筋保护层厚度为净保护层厚度.以侧墙迎土侧钢筋为例，纵筋25 mm，分布筋20 mm，拉筋10 mm，净保护层厚度45 mm，则纵筋距混凝土外皮厚度为75 mm.现行08版耐久性规范对保护层厚度的要求是源于02版混规(纵筋外缘至混凝土外皮的计算厚度)，按现行《地铁设计规范》要求设计，上述保护层厚度75 mm已远大于耐久性规范的要求(40～50 mm)，此时仍按环境作用等级的要求选取相应混凝土强度等级，既造成了不必要的浪费也不符合规范的原理.

5 耐久性规范的选取

地铁设计时通常采用推荐性规范《混凝土结构耐久性设计规范》,而行业规范《铁路混凝土结构耐久性设计规范》所针对的铁路结构与地铁结构所处环境相似性很大，且该规范经过我国铁路多年使用经验的检验，也可选用执行.

表2 不同规范在化学腐蚀环境下的结论对比

铁路耐久性规范认为结构环境作用等级与地层渗透系数存在密切的相关性，其判别方式更为科学，该规范在地铁设计中更符合实际情况.相同条件下选择执行铁路耐久性规范后，混凝土强度降低约两个等级，大体积混凝土施工质量更容易控制，工程投资也有相应减少.

6 地铁结构耐久性设计及施工的建议

提高地铁结构耐久性应采用“内增外防”的综合防治措施，也即基于增强结构本身的抗腐蚀性以及隔离外部环境两个角度来考虑.

6.1 增强结构本身的抗腐蚀性

(1) 严格控制地材质量：例如砂子含泥量、骨料碱含量、拌合水质量等.

(2) 实验配置混凝土时应综合考虑拌和、运输、浇筑、养护、增加密实度、减少水化热、阻锈等因素选取合适的外加剂及掺和料：如减水剂、引气剂、阻锈剂、采用双掺技术等.

(3) 水泥的选择：据北京、石家庄、西安、兰州等地方地铁资料，各地图纸中水泥品种均推荐硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥.地铁结构除需满足结构自防水要求外，还需满足大体积混凝土施工、抗侵蚀、抗渗、抗裂等要求.水泥选取应基于地铁结构“设计年限为100年且满足耐久性要求的大体积防水混凝土”这一特点，综合考虑各方面因素确定.

从大体积混凝土角度考虑宜选用水化热小的水泥，即矿渣、粉煤灰、火山灰和复合水泥；从受侵蚀性介质角度考虑，应选取上述四种水泥或中(高)抗硫酸盐水泥；从抗渗角度宜选取火山灰水泥、粉煤灰水泥；从抗裂的角度宜优选粉煤灰水泥.故一般地铁结构用水泥宜优先选用粉煤灰水泥或火山灰水泥，并针对不同环境类型选取不同的水泥品种，最终通过实验确定适用的水泥品种.

(4) 在采取上述措施后，施工现场应提前采取预浇筑实验来验证构件的裂缝控制，从而满足混凝土自防水，结构耐久性等要求.在有条件的情况下可采用预制构件，现场装配的方式来保证结构耐久性和裂缝控制等要求.

6.2 隔离外部环境

(1) 采取增加保护层厚度的方法来满足耐久性要求，避免过度提高结构混凝土等级；

(2) 外包防水能有效减轻环境作用，选用使用寿命长的外包防水有利于结构的耐久性；

(3) 防水保护层、防水平层可选用聚合物水泥砂浆，增加结构抗侵蚀能力；

(4) 结合围护结构进行耐久性设计，如采用地连墙等阻水结构，可以有效隔离地下水.

(5) 结构迎土侧刷涂隔离剂，如改性环氧树脂等新型材料，隔离侵蚀性介质.

[1] 中华人民共和国住建部.大体积混凝土施工规范[S].北京:中国计划出版社,2013:3-10.

[2] 中华人民共和国住建部.地铁设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2013：84-107.

[3] 中华人民共和国住建部.混凝土结构耐久性设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2008：26-33.

[4] 肖长来,梁秀娟,王彪,等.水文地质学[M].北京:清华大学出版社,2010.

[5] 邵莹.盐渍环境地铁混凝土结构耐久性设计[J].铁道标准设计,2012(9)：57-60.

[6] 高红兵.关于地铁结构耐久性综合模拟试验站的构想[J].现代隧道技术,2015(1)：33-37.

[7] 唐扬.地铁混凝土结构在地下水环境下的抗侵蚀耐久性研究[J].中国西部科技,2015,14(5)：65-66.

责任编辑：龙顺潮

Research on the Durability of Chemical Corrosive Environment of Subway Structures

HUXi-feng*

(China Railway First Survey and Design Institute Group，Xi’an 710043 China)

Chemical corrosion is a serious threat to the durability of subway structure. Based on the analysis of the structure, the external environment and the chemical corrosion mechanism, a method for the coordination of the concrete strength grade and the thickness of the protective layer is proposed.

chemical corrosion environment; durability; fracture; cement

2015-12-27

呼喜锋(1982-)，男，陕西 神木人，工程师.E-mail:85756298@qq.com

U212

A

1000-5900(2016)02-0046-04