探析沿海地区地铁工程的混凝土耐久性设计

王环宇

摘 要：沿海地区地铁工程的特点与施工难点是，地下水中的硫酸根离子和氯离子，对工程混凝土结构产生腐蚀影响，导致地铁工程混凝土耐久性的降低。下文中，笔者将结合个人参与工程实践的经验，分析沿海地区地铁工建设工程中，影响混凝土耐久性、产生腐蚀影响的因素，总结提升混凝土耐久性的要点与策略，以供同行业者借鉴参考。

关键词：耐久性；腐蚀性；混凝土结构；地铁建设工程；沿海地区

1 前言

沿海城市地区的经济发展速度快，对交通运输的需求高，其地铁工程的施工复杂、投资数额高，地铁项目需要穿过城市中心，为了确保地铁工程的施工安全与稳定，避免产生工程病害危及市民人身与财产安全，需要加强地铁工程的混凝土耐久性设计。由于近年中，地铁项目建成使用后的质量问题频发，引起了有关单位及设计人员的重视，下文中，笔者将具体分析影响混凝土耐久性的因素，提出增强地铁混凝土耐久性的设计策略。

2 影响混凝土耐久性的因素

2.1 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。

一是，氯离子侵蚀。沿海地区地下水中氯离子含量普遍较高，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。

二是，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。

三是，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。

2.2 设计缺陷

目前，地铁设计中没有专门的关于混凝土材料耐久性方面的规范，耐久性设计的主要依据是《混凝土结构设计规范》（GB 50010-2010）（2015年版）、《混凝土结构耐久性设计规范》（GB/T 50476-2008）、《地铁设计规范》（GB 50157-2013）等，这些规范中对影响混凝土的主要因素都做了相应的规定。不过，由于国家标准规范的规定要保证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。设计人员在进行相关工作时，往往受到专业技能或经验的限制，难以保证准确的选取。另外，如果某一具体地区或工程存在特殊性，个别重要参数可能不包含在标准规范之中，需要结合勘察单位提供的数据来进行设计。

2.3 原材料因素

混凝土的原材料主要包括水泥、水、砂、石、外加剂等，为了提高其耐久性，往往还要添加粉煤灰和矿渣粉等矿物掺合料。而对混凝土的耐久性产生较大波动的原材料主要有河砂和粉煤灰等。因为环保等客观条件的影响，很多河道都限制甚至禁止采砂，这就造成河砂的来源很不稳定，并且每批河砂的性能指标波动也较大。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。随着近些年来基建行业的飞速发展，粉煤灰的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。

2.4 配合比不当

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如果不具备相应的人员和专业的设备，只能套用常规的配合比，这样设计出的混凝土很难满足耐久性要求。

2.5 现场施工因素

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，未必接受过专业训练，且人员流动性较大，操作人员很难对混凝土的质量负责。

3 提高地铁工程混凝土耐久性的设计策略

3.1 优化混凝土耐久性设计

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，例如混凝土的氯离子渗透系数、体积稳定性、含气量等，在确定过程中，要结合现有的混凝土耐久性规范，同时还要根据当地具体的环境特征。另外，在确定环境作用等级时，还应考虑不同的施工工艺对混凝土工作性能的要求也不相同。目前很多科研院校做了大量关于混凝土耐久性方面的科研工作。因此在沿海地区地铁工程设计中，建议设计单位与相关科研院校进行合作，把现有的科研成果运用到实际工程中。

3.2 加强混凝土原材料质量管控

沿海地区地铁工程中，混凝土原材料质量是决定其性能的最主要因素。因此，作为有关单位及管理者应当加强对混凝土原材料的质量控制，一方面要确保原材料性能稳定、质量合格，避免混凝土稳定性产生剧烈波动。施工管理者应当选择大规模、有正规经营资质的供货厂商，依据混凝土配合比设计的相关要求，寻找合适的外加剂、粉煤灰、水泥和其他胶凝材料。对粉煤灰、河砂等性能容易变化的材料，需要在进场的时候进行质量检测——分别检测粉煤灰的需水量比、烧失量、细度等指标，和河砂的含泥量、细度模数、颗粒级配指标。建筑单位应当与混凝土材料供货商签订正式采购合同，对地铁工程中应用原材料的各项指标、混凝土的强度与性能，提出明确具体的要求，同时要加强原材料质量监管，避免使用、滥用或者偷用海砂。

3.3 科学进行混凝土配比

沿海地区地铁工程中的混凝土配合比设计，应当综合考量原材料性能与选择、混凝土施工技术、具体施工位置、周边环境等级等因素，并交由资质合格的有关单位进行施工，从而确保混凝土的配比质量。在确定混凝土配合比的时候，需要依据砂石含水率、增减砂率的数值与变化，不断调整混凝土用水量，以保证混凝土的科学配比，提升工程质量。

3.4 做好混凝土质量检测

除了要求建筑单位做好混凝土施工管理之外，还应当聘请专业的第三方质量检测部门，对混凝土施工质量进行检测。同时注重科技创新，将新技术、新科研成果应用在混凝土耐久性设计与施工过程中，提升混凝土的耐久性能。

4 结束语

综上所述，与普通地区相比，沿海地区的地铁工程施工对混凝土耐久性提出了更高的要求及标准，施工单位、建設单位及设计单位要相互配合，综合考虑各项影响混凝土耐久性的因素，并制定出防范、应对的办法，通过优化设计方案、加强混凝土原材料质量管控、科学进行混凝土配比、做好混凝土质量检测的工作，确保混凝土的耐久性能，确保地铁工程质量。

参考文献：

[1] 韩志超，亢景付，许杨健.滨海地铁工程的混凝土耐久性问题探讨[J].山西建筑，2018（6）.

[2] 杨泽来.道路水泥混凝土耐久性设计研究及分析[J].四川水泥，2018（2）.