影响地铁混凝土耐久性的因素及措施综述

2018-07-09刘东兰聪刘霞陈景

商品混凝土 2018年6期

刘东，兰聪，刘霞，陈景

（中建西部建设西南有限公司，四川成都 610052）

0 引言

轨道交通作为现代城市交通的主流和方向，其容量大、速度快、干扰小、能耗低等，被誉为现代城市的大动脉，是城市崛起的标志，也是国家国力和科学技术水平的体现。截止 2016 年底，共有 27 省的 40 余座城市获得批准建设轨道交通，获批城市规划里程达 7000 余公里。预计到 2020 年，全国地铁通车里程将达 6000公里以上，有轨电车通车里程达 1000 公里以上。[1]

然而，我国地域广阔，气候环境和地下水文条件各不相同，并且地铁大部分结构位于地下几十米，所受水压力比较大，并且水中常含有多种电解质，对混凝土结构的腐蚀性也比较大，其中以硫酸盐类侵蚀的情况最为严重。地铁运行时产生的大量杂散电流也对地铁中混凝土结构产生了不良影响。然而地铁等轨道交通的设计使用寿命一般较长，甚至可高达 100 年之久，如此复杂的环境使得地铁混凝土的耐久性面临着严峻的挑战。图 1为地铁列车及混凝土结构外观图。

图 1 地铁列车及混凝土结构

1 影响因素

关于影响地铁混凝土耐久性的各种环境影响因素已成为国内外研究者非常关注的一个热点。研究较多的影响因素有：碱集料反应、氯离子腐蚀、硫酸盐腐蚀、碳化作用、冻融循环、杂散电流以及外力荷载等，而各个因素对混凝土的破坏作用又不尽相同。

碱集料反应：若碱含量较高的混凝土中使用了活性骨料，在潮湿环境中时，碱和活性骨料之间容易发生碱硅酸盐反应，引起混凝土局部膨胀，从而严重影响混凝土的耐久性和使用寿命。[2]

氯离子腐蚀：氯离子能够吸附到钢筋表面，破坏钢筋表面的钝化膜，并起到化学催化作用，引起混凝土中钢筋快速锈蚀，钢筋腐蚀将会严重危害混凝土结构，致使混凝土耐久性受到挑战。因此，环境介质中的氯离子浓度必须引起高度的重视。[3]

硫酸盐腐蚀：在高浓度的硫酸盐介质中或混凝土本身含有较高的硫酸盐，硫酸盐容易与混凝土中水泥石矿物发生反应，导致混凝土 pH 值减小，失去强度或生成钙矾石导致混凝土膨胀开裂，在构件表面形成较大的裂缝，危害结构安全。即使没有发生化学反应，在干湿循环的作用下，混凝土也会因硫酸盐溶液吸水发生结晶膨胀破坏。[4]

碳化作用：高浓度的二氧化碳会与混凝土中的碱性成分发生化学反应，改变硬化水泥石的成分、组织及性能，导致混凝土出收缩等现象，并且碱性下降后还会使得钢筋表面的钝化膜容易遭到破坏，使钢筋锈蚀，加速了混凝土的破坏速度，这些都严重影响到了地铁混凝土的耐久性能以及使用寿命等。

冻融循环：当混凝土在水和寒热共同作用下，混凝土容易受到冻胀开裂和表面剥落两个方面的影响。这是由于在饱和水状态下，毛细孔中水容易结冰，对周围孔壁产生一定挤压力，而凝胶孔中的水的冰点更低，处于过冷状态，对毛细孔又产生了一种渗透压，使凝胶孔中水份向毛细孔中迁移，造成毛细孔中的冰体积膨胀，最终导致混凝土胀裂。在寒热交替过程中，混凝土毛细孔中的会反复冻融，使得混凝土中裂缝进一步相互贯通，加快了混凝土的破坏，直至混凝土结构由表到里完全受到破坏。

外力荷载：由于地铁混凝土结构起着支撑隧道的作用，承受着巨大的力的作用，在应力和腐蚀的共同作用下，混凝土结构的破坏速度明显加快。[5]外部荷载是在其他腐蚀作用下共同对混凝土造成破坏的，并且在其中起着辅助的作用。

杂散电流：与其他钢筋混凝土工程相比，地铁混凝土处于列车运行的特殊环境中，[6]总有部分流经走轨的电流泄漏到地面形成杂散电流（见图 2）。[7]杂散电流会对钢筋混凝结构土中的钢筋、预埋件等金属物质产生电化学腐蚀，并且在发生电化学腐蚀后加速腐蚀的进行，生成的“铁锈”在钢筋表面不断沉积，进而对周围的混凝土产生不容忽视的压力，使得混凝土表面形成大的裂缝，危害结构安全稳定性。此外，杂散电流还能对混凝土直接造成腐蚀性危害。土壤中本来就含有大量的离子，当混凝土周围有积水或比较潮湿时，就会形成电解质溶液，而混凝土就直接暴露在电解池中，使得混凝土中钙离子在电场的作用下不断溶解向外迁移，不断的溶解又必将导致混凝土中水化硅酸钙发生分解，形成孔洞，进而导致混凝土强度大幅下降，甚至直接造成混凝土结构的破坏。

图 2 杂散电流产生示意图

2 多因素耦合作用

从实际情况来看，使地铁混凝土遭受到损坏的往往不是某一孤立的因素，而是多个因素共同耦合作用，这也使得对混凝土耐久性的检测评价更加困难，限制了地铁混凝土损伤理论的形成及其寿命预测模型的建立，不利于指导地铁混凝土实际工程的应用。目前研究较多的耦合因素有：“氯盐—硫酸盐二因素耦合”、“盐类渗透—冻融循环二因素耦合”、“盐类渗透—弯曲荷载二因素耦合”、“盐类渗透—弯曲荷载—冻融循环三因素耦合”等。缪昌文[8]等人指出混凝土在内外界环境因素作用下的一般的失效过程实质是材料内部劣化损伤过程，并将其分为均匀损伤和有损伤梯度的非均匀损伤两大类，而多因素作用的混凝土损伤特点是均匀损伤和梯度损伤的叠加效果。

2.1 二因素耦合

（1）氯盐—硫酸盐类

程晓斌[9]的研究表明，在混凝土中硫酸根和氯离子可以短暂相互牵制，二者与水泥水化产物的生成物均会堵塞孔隙，延缓离子的进一步扩展，但长期来看二者的叠加效果仍然会加剧混凝土结构的破坏。李鹏[10]研究了硫酸盐与氯盐双因素作用下混凝土的损伤情况，也证实了氯盐能在一定程度上缓解硫酸盐腐蚀程度，但氯离子浓度较高时，能够导致较高的膨胀应力以及物理腐蚀和溶解破坏，加速了破坏。金祖权等人[11]通过模拟我国西部地区混凝土的破坏情况，从理论上分析了硫酸盐和氯盐双因素下，氯离子扩散规律和混凝土损伤劣化及微结构演变规律，并得出硫酸盐在早期的腐蚀产物可降低毛细孔的连通性，从而减小氯离子扩展系数。但后期，随着裂纹的产生，氯离子扩展系数有急剧增大。并且可在集料与水泥石界面过渡区产生大量腐蚀产物，形成绕骨料裂纹，最终贯穿骨料，造成严重损坏。

（2）盐类—冻融循环类

穆儒[12]研究了不同混凝土在冻融循环和盐类耦合作用下的宏观性能，研究表明混凝土在氯盐中冻融时表面剥落严重，质量损失率远大于纯水中的冻融破坏；而在硫酸盐中的冻融时的质量损失率小于在纯水中的冻融破坏。余红发[13]等人通过氯离子在混凝土中的扩散模型，推导出来混凝土冻融循环下氯离子的扩散理论模型，模型表面盐冻二因素耦合时，混凝土的劣化程度远大于冻融或盐类单因素作用下的劣化程度。“氯盐渗透-冻融循环二因素耦合”中氯离子不仅直接腐蚀钢筋并且氯离子溶液的冰点较水的冰点更低，当氯离子溶液在混凝土孔结构中处于饱和状态时，在寒冷的状态下更容易结冰膨胀，对混凝土孔壁形成压力，混凝土内部受到冻融循环所形成的反复应力作用而引起内部损伤逐步积累的过程，最终导致混凝土结构整体破坏。

（3）盐类—弯曲荷载类

混凝土长期受到外部弯曲荷载的作用下，出现微裂纹并扩大，内部孔隙相互贯通，大量的含有离子的介质通过贯穿的孔洞进入到钢筋处，对钢筋造成锈蚀。钢筋锈蚀后体积变大，对混凝土产生挤压力，在外加拉应力和钢筋的挤压力双重作用下，混凝土结构裂缝扩大，又进一步加速了破坏，最终钢筋混凝土结构完全失效。外部的拉应力和氯离子介质的耦合作用，明显使得混凝土裂缝的产生和扩展速度加快，大大缩短了钢筋混凝土的有效服役寿命，从而也大幅增加了地铁的维护成本或缩短了地铁的运营年限。

方永浩[14]研究了混凝土试件在弯曲荷载作用下氯离子的渗透效果，发现荷载作用下混凝土中氯离子的渗透性可能与试件受力方向有关。何世钦[15]测试了弯曲荷载下氯离子的含量，研究表明同一深度处氯离子含量与荷载成正相关，但必须将混凝土试件在氯离子溶液中浸泡足够长的时间。范颖芳[16]研究了混凝土在硫酸盐浸泡后的受力破坏情况，研究表明其破坏情况与受硫酸盐腐蚀前相同，但开裂荷载较腐蚀前提高了 2～4 倍，并且荷载也较腐蚀前增大了 30%～60%。

2.2 三因素及以上耦合

三因素及以上的研究就比较鲜见于报道，分析其原因可能是由于多因素耦合作用的试验装置设计比较困难，模型的建立复杂，破坏的主次原因分析难度大等。但可以明确的是混凝土在多重因素共同作用下，其破坏速度以及破坏程度远高于单因素的破坏，这严重影响了混凝土结构的耐久性，缩短了地铁类混凝土的生命周期。同时，多重因素对混凝土结构破影响的研究还不足，有待于研究者们对其进行深入研究，若能在此方面取得研究进展和成果，对于提升实际环境中混凝土的耐久性将有着重要的意义。[17]

曹银等人[18]研究了混凝土在冻融—氯盐—荷载三因素耦合作用下的耐久性能，研究表明在冻融—氯盐—荷载三因素耦合的作用下，混凝土的破坏形式主要是盐冻循环导致混凝土表面剥落，外部荷载加速了盐冻循环造成的表面剥落及内部损伤。

李强、陈树东等人[19]研究了隧道管片在多因素（碳化、氯离子、硫酸根离子及模拟杂散电流）共同作用下的耐久性退化规律和破坏机理，并测定了其力学性能。经过试验，在多因素环境作用下的管片承载力要远低于空白环境中管片承载力，极限承载力的降幅甚至达到了40%，并且管片的延性、弹性等也有所下降。

王阵地[20]研究了四因素（冻融循环＋氯盐侵蚀＋外加弯曲荷载＋迷流腐蚀）作用下钢筋混凝土性能的退化规律，研究表明混凝土破坏的主要原因是钢筋的锈蚀产物与钢筋相比产生的体积膨胀而导致的钢筋开裂，而次要原因是盐冻和外加应力，并且迷流腐蚀对钢筋的应变影响大于相应的外加荷载和氯盐侵蚀的影响。

秦臻[21]虽然研究地铁钢筋混凝土在氯离子和杂散电流的环境条件下，得出了钢筋混凝土疲劳损伤演化规律，但在杂散电流、荷载及氯离子三因素耦合条件下，因地铁混凝土模拟试验与实际情况差异性大而需进一步研究。

综上所述，多耦合作用条件下，地铁混凝土的破坏远大于单因素，应采用数字模型建立、宏观试验与微观结构分析结合的方法，探明特定环境条件下对其损伤其主要作用的因素，并用有针对性的防护来提升地铁混凝土的耐久性。而杂散电流作为地铁运行环境中的特别因素应予以重视，其参与的耦合作用破坏性往往极大，并且损伤机理复杂，模型建立困难，需要做深入的研究。

3 应对措施

3.1 设计阶段

在混凝土结构设计时，要充分考虑其耐久性问题，把握工程实际环境，应对多因素对耐久性的挑战：包括设计荷载、结构合理性、原材料选择、施工质量、养护及后期维护等多个环节，任一环节出现问题都有可能导致混凝土结构受到腐蚀，严重影响后期耐久性。地铁的结构设计主要有荷载计算、抗浮设计、结构选型、内衬设计等。主要构件的强度和抗裂性能要充分考虑各种荷载的大小，设计值要留有一定的安全系数，否则容易造成混凝土强度和抗裂性能不足而引起渗漏现象。

3.2 原材料配制

水泥中铝酸三钙和硅酸三钙的含量对混凝土抗硫酸盐侵蚀有着决定性的作用，从水泥本身的化学成分方面对混凝土抗硫酸盐侵蚀性能进行研究有着重要的意义。在混凝土原材料选择时，要利用高碱性、低强度等级、低水化热的水泥等原材料，使混凝土硬化后有较高的pH 值，钢筋在高碱的环境时，更容易在表面形成钝化结构，保护钢筋免受腐蚀。但这也增加了与骨料进行碱硅酸盐反应的机率，为此要避免使用活性骨料，尽可能选择较大粒径的粗骨料，并且严格控制骨料中的含泥量和针片状含量。要使用高品质的混凝土材料，合理降低水灰比和拌合水的用量，从而有效提升混凝土的强度和耐久性。[22]选用的外加剂要与水泥相容性好，并且具有一定的体积膨胀性、高坍落度、保坍性好、收缩性小等特点，以利于混凝土强度正常发展。此外，可以用部分石灰石粉、粉煤灰、矿渣粉等来替代部分水泥，改善混凝土的内部结构，形成闭合的、均匀的、细小的微孔，细化晶粒和凝胶结构，提升微观结构的致密性，防止有害物质的入侵，并且还能够显著降低混凝土杂散电流腐蚀，有效抵抗多因素耦合作用下的腐蚀性，进而提高耐腐蚀性和耐久性。[23]

3.3 混凝土浇筑

混凝土施工过程中，事先做好排水设施，围护结构要严密，避免主体结构模板中积有明水等。预浇筑的混凝土结构内部的各类型钢筋及捆筋等不得与模板相接触，用于固定模板的螺栓穿过混凝土结构等必须有止水措施。[24]混凝土浇筑时要在严格把控水胶比的基础上保持良好的工作性，方便工程施工以及振捣密实，浇筑后要及时采取养护措施，避免表面泛浆及连通孔洞的出现等，使混凝土强度得到较好的发展。确保整个浇筑连续，并严格把控每个工序的流程，使各个环节都执行到位，做到又好又快的建设。养护时，要确保合适的养护温度和养护时间，严控混凝土的塑性收缩，必要时可使用养护剂及涂刷保护层等。

3.4 后期维护

在地铁混凝土后期养护中，要定期检查混凝土结构，观察是否有缺陷出现，并及时进行修复，避免混凝土破坏的扩大，影响混凝土的长期耐久性。对于没有扩展性的细微裂缝，一般可自愈，对混凝土的使用性能和耐久性能影响不大，可采用表面修补法，如涂刷聚合物改性水泥基材料等，对其进行粘合封堵。对于 0.3mm以上的裂缝，特别是扩展性裂缝，一般采用嵌缝封堵法，沿裂缝凿槽，并灌入止水材料，彻底封闭裂缝。对于裂缝密集区域，严重危害到结构安全性时，必须加强防护支撑，如有可能凿去原有混凝土，采用灌浆对其填补修复，即置换混凝土加灌浆。

3.5 杂散电流防护

对于杂散电流，可以通过增强结构之间的绝缘性来减小杂散电流的产生、或者降低流经混凝土结构的杂散电流量，还可以通过将钢筋与产生杂散电流的电源负极直接相连，使结构中的杂散电流不经外部介质而直接流入到电源负极，钢筋就不会成为阳极，从而阻止钢筋的腐蚀，但该方法会使得行车轨道的腐蚀加快，因此，该方法要慎用。此外，还可以在混凝土结构外涂刷表面涂层或环氧树脂等来隔绝外部介质[25]，使得杂散电流（以及氯离子、硫酸盐离子等）无法进入钢筋，也就不能对钢筋造成腐蚀。闫明富[26]通过研究地铁杂散电流腐蚀机理及仿真计算，阐明了影响杂散电流分布及钢轨电位的主要因素，并提出使用截面较大的无缝钢轨及提高道床与轨道间的泄露电阻等来降低杂散电流大小和钢轨电位，可有效提升地铁混凝土结构的耐久性。战鹏[27]通过研究也提出通过提高列车牵引电压、增大轨道对地过渡电阻及降低行走轨纵向电阻等来降低杂散电流，保护地铁沿线及其周围混凝土结构物。

4 结语

城市的不断发展，使得城市地铁等轨道交通不断修建，而修复轨道交通不仅消耗了大量的人力、资源及资金，还影响了人们的出行，必须延长其使用寿命，关键在于提升混凝土结构的耐久性。影响混凝土耐久性的因素众多，必须结合工程实际，深入分析各影响因素，从工程设计、选料、施工到后期维护各个环节把关，有效延长地铁混凝土的使用寿命，也是贯彻可持续发展战略的重大举措。

[1] 李建国．城市轨道交通概论[M]．北京：机械工业出版社，2015．

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[10] 李鹏．荷载与盐溶液耦合作用下混凝土耐久性与寿命预测[D]．扬州大学，2014．

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