城市地下結構污染腐蝕耐久性的若干問題簡述

文/馬遠超 遼寧省交通規劃設計院有限公司 遼寧沈陽 110000

城市地下結構污染腐蝕耐久性的若干問題簡述

文/馬遠超 遼寧省交通規劃設計院有限公司 遼寧沈陽 110000

污染腐蝕嚴重威脅著地鐵結構的耐久性.通過分析地鐵結構、外部環境、污染腐蝕機理，提出一種混凝土強度等級與保護層厚度相協調的應對地鐵耐久性問題的辦法.

污染腐蝕環境；耐久性；裂縫；水泥

1、城市地下結構污染腐蝕耐久性研究現狀

城市地下結構主要涉及與城市建設密切相關的地下空間拓展及由其帶來的系列設施營建，包括城市地下綜合體、地下管線、貯藏室或填埋場、地鐵工程、基坑工程等。埋置于地表以下的結構物服役過程，是一個長期的結構-土（水）相互作用過程，土體污染會使材料性能衰減劣化，最終誘發地下結構功能失效、服役壽命大幅縮短等病害。對于土體污染問題，西歐各國最先關注，并在土體污染機理及污染防治方面取得了一系列成果。通過室內制備酸堿污染土，研究了污染物濃度對土體有機物含量、土粒比重和液塑限的影響規律。依據室內對比模擬試驗，闡釋了酸性污染土的腐蝕過程。土的結構性和其粒度構成是影響地基土污染程度的決定因素。對污染土性質、評價方法、處理工藝及污染地基結構物耐久性進行了系統性研究。近年來各類城市地下結構污染腐蝕耐久性問題越來越突出，開展了地下工程水泥砂漿的污染腐蝕特性試驗；模擬了砂漿錨固體內部腐蝕介質的傳遞規律，建立了以Fick定律為基礎的砂漿內部腐蝕介質擴散模型；分別對地鐵工程鋼筋混凝土污染腐蝕因素及腐蝕規律進行研究，總結了其可靠性影響因素；引入模糊多屬性決策理論對多因素下地鐵工程混凝土耐久壽命進行了評價。當下，地下空間開發熱潮給科研工作者創造了新的天地，也提出了巨大的挑戰。

2、城市地下結構混凝土污染腐蝕

2.1混凝土污染腐蝕破壞機理

混凝土的污染腐蝕耐久性取決于污染介質在混凝土孔隙中的物理擴散和污染作用。混凝土作為結構材料，內部存在大量微裂縫，這些微裂縫為污染介質的

進入提供了天然通道。已有的研究表明，混凝土的抗污染腐蝕性能取決于自身微觀結構，尤其是材料孔隙率，當有外界荷載施加時，混凝土的離子擴散系數會增大，侵蝕速率加快，抗腐蝕性能降低。

2.2介質擴散與耐久因素

現今混凝土內部介質擴散模型大都以Fick第二擴散定律為基礎，在考慮多種機制影響情況下，對擴散模型進行推廣與修正。對于鋼筋混凝土結構，混凝土對內部鋼筋起著包裹和免受污染物侵蝕的作用，混凝土一旦遭受破壞，整個工程結構使用壽命將大幅縮短。混凝土的性能通常受限于工作環境的污染和力學影響，包括污染離子擴散、碳化、機械裂縫影響等等。裂縫的出現為水、氧氣和污染介質的快速擴散提供通道，加速鋼筋混凝土的腐蝕速率。在不考慮機械裂縫情況下，列出了影響混凝土耐久性的幾類因素，并在試驗研究基礎上歸納了水灰比、氣含率、粗骨料、細骨料、礦物摻合料、水泥類型對混凝土抗腐蝕影響規律。

2.3 SO4和Cl-雙侵蝕下混凝土污染腐蝕特征對于城市地下結構，氯鹽和硫酸鹽侵蝕是最常見的污染鹽類侵蝕。文獻調研顯示，有關混凝土在單一鹽類侵蝕下的耐久性研究較多，理論相對完備，而多種侵蝕因素共同作用下的耐久性問題研究不足。特別是多侵蝕耦合下的離子擴散規律、混凝土滲透性能變化、侵蝕劣化性狀、微觀結構特征等問題有待深入開展。曾針對廣州某城市地下結構受2 SO4和Cl雙侵蝕影響環境特點，開展過雙侵蝕作用下的混凝土污染腐蝕試驗研究。試驗采用混凝土配合比，濃度3.5%NaCl+5%Na2SO4（體積比1∶1）的侵蝕溶液，采用噴淋和完全浸泡兩種方式進行侵蝕環境的模擬。侵蝕時間為60，90，120，150d，噴淋試件每天噴淋2次，每次噴淋5mL。

3、存在的問題及今后研究趨勢

3.1存在的問題

國內外對地下結構腐蝕耐久性研究已有較多成果，但由于試驗方法、試驗條件及選用材料的差異，研究成果還難于進行比較，城市地下結構耐久性的系統分析、評估、設計方法有待進一步研究。工程實際中，結構耐久性劣化一般是多種因素共同作用造成的，研究時應重視多種因素的綜合疊加效應。現有地下結構污染腐蝕耐久性研究成果與工程設計和施工控制、結構殘余壽命評估等行為脫節，無法在統一的結構安全可靠度基礎上進行控制，相關技術規范及標準的制定也較落后，國內外在城市地下結構污染腐蝕耐久性方面尚無系統的、成文的規范或標準。已有研究成果多從室內縮尺、加速腐蝕試驗中獲取，對地下結構材料的污染腐蝕機理較難闡述清楚，加之缺少工程實測耐久性指標和統計資料，建立的耐久性預測模型可應用性不強，也不足以反映真實的地下結構服役壽命。對已有地下結構的殘余壽命評估研究不夠深入，對現役地下結構的腐蝕狀態和耐久性能還不能給出很好的定量的評價，雖有很多研究成果，但已有的評價體系多為定性化或半定量化評價，研究層次和深度都有待進一步加強。

3.2建議與研究趨勢

3.2.1城市地下結構與地上結構污染腐蝕耐久性研究有相通之處，因而在研究地下結構耐久性規律時充分借鑒已有地上結構的研究經驗是可行的也是必要的。同時注意到城市地下結構污染腐蝕耐久性研究的特殊性，避免完全照搬地面結構耐久性的設計理論與方法。

3.2.2按照耐久壽命來設計地下結構將成為土木工程設計的必然選擇，今后應發展以混凝土和鋼筋污染腐蝕耐久性為控制目標的結構設計理論，建立鋼筋混凝土材料的全生命周期優化預測模型。

3.2.3對于埋地混凝土在各單一因素下的耐久性劣化問題己進行了諸多研究，但對于多因素耦合作用下混凝土污染腐蝕耐久性評價至今未產生權威性的研究成果，這也是今后耐久性研究的方向之一。

3.2.4可以預計，今后很長一段時間內城市地下工程的大量返修都將是各國必須面對的嚴重問題，后期應加強地下結構污染腐蝕耐久性提升技術和耐久性修復加固技術，同時重視新材料（如FRP等）在增強地下結構抗腐蝕性方面的研究工作。

3.2.5繼續加強加深對多場耦合作用下的城市地下結構耐久性研究工作，在已有的應力腐蝕耦合、腐蝕疲勞耦合研究基礎上，適時開展污染腐蝕環境下的地下結構抗震性能評估并發展適于腐蝕結構的抗震設計理論方法。

結語：

隨著我國地鐵建設的蓬勃發展，各種復雜環境下的地鐵結構越來越多的出現.地鐵設計及施工受到周邊建筑、城市交通、地下管線、地質水文條件等諸方面影響，比一般工程技術要求更高，難度更大.做好地鐵結構需要滿足百年結構安全性、適用性、耐久性等可靠性要求，是非常重要的項目。

[1]邵瑩.鹽漬環境地鐵混凝土結構耐久性設計［J］.鐵道標準設計，2013（9）：57-60.

[2]高紅兵.關于地鐵結構耐久性綜合模擬試驗站的構想［J］.現代隧道技術，2015（1）：33-37.

[3]唐揚.地鐵混凝土結構在地下水環境下的抗侵蝕耐久性研究［J］.中國西部科技，2015，14（5）：65-66.