城市地下結(jié)構(gòu)污染腐蝕耐久性的若干問(wèn)題簡(jiǎn)述

[摘要]污染腐蝕嚴(yán)重威脅著地鐵結(jié)構(gòu)的耐久性.通過(guò)分析地鐵結(jié)構(gòu)、外部環(huán)境、污染腐蝕機(jī)理，提出一種混凝土強(qiáng)度等級(jí)與保護(hù)層厚度相協(xié)調(diào)的應(yīng)對(duì)地鐵耐久性問(wèn)題的辦法.

[關(guān)鍵詞]污染腐蝕環(huán)境；耐久性；裂縫；水泥

1、城市地下結(jié)構(gòu)污染腐蝕耐久性研究現(xiàn)狀

城市地下結(jié)構(gòu)主要涉及與城市建設(shè)密切相關(guān)的地下空間拓展及由其帶來(lái)的系列設(shè)施營(yíng)建，包括城市地下綜合體、地下管線(xiàn)、貯藏室或填埋場(chǎng)、地鐵工程、基坑工程等。埋置于地表以下的結(jié)構(gòu)物服役過(guò)程，是一個(gè)長(zhǎng)期的結(jié)構(gòu)

土（水）相互作用過(guò)程，土體污染會(huì)使材料性能衰減劣化，最終誘發(fā)地下結(jié)構(gòu)功能失效、服役壽命大幅縮短等病害。對(duì)于土體污染問(wèn)題，西歐各國(guó)最先關(guān)注，并在土體污染機(jī)理及污染防治方面取得了一系列成果。通過(guò)室內(nèi)制備酸堿污染土，研究了污染物濃度對(duì)土體有機(jī)物含量、土粒比重和液塑限的影響規(guī)律。依據(jù)室內(nèi)對(duì)比模擬試驗(yàn)，闡釋了酸性污染土的腐蝕過(guò)程。土的結(jié)構(gòu)性和其粒度構(gòu)成是影響地基土污染程度的決定因素。對(duì)污染土性質(zhì)、評(píng)價(jià)方法、處理工藝及污染地基結(jié)構(gòu)物耐久性進(jìn)行了系統(tǒng)性研究。近年來(lái)各類(lèi)城市地下結(jié)構(gòu)污染腐蝕耐久性問(wèn)題越來(lái)越突出，開(kāi)展了地下工程水泥砂漿的污染腐蝕特性試驗(yàn)；模擬了砂漿錨固體內(nèi)部腐蝕介質(zhì)的傳遞規(guī)律，建立了以Fick定律為基礎(chǔ)的砂漿內(nèi)部腐蝕介質(zhì)擴(kuò)散模型；分別對(duì)地鐵工程鋼筋混凝土污染腐蝕因素及腐蝕規(guī)律進(jìn)行研究，總結(jié)了其可靠性影響因素；引入模糊多屬性決策理論對(duì)多因素下地鐵工程混凝土耐久壽命進(jìn)行了評(píng)價(jià)。當(dāng)下，地下空間開(kāi)發(fā)熱潮給科研工作者創(chuàng)造了新的天地，也提出了巨大的挑戰(zhàn)。

2、城市地下結(jié)構(gòu)混凝土污染腐蝕

2.1混凝土污染腐蝕破壞機(jī)理

混凝土的污染腐蝕耐久性取決于污染介質(zhì)在混凝土孔隙中的物理擴(kuò)散和污染作用。混凝土作為結(jié)構(gòu)材料，內(nèi)部存在大量微裂縫，這些微裂縫為污染介質(zhì)的

進(jìn)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(jié)構(gòu)，尤其是材料孔隙率，當(dāng)有外界荷載施加時(shí)，混凝土的離子擴(kuò)散系數(shù)會(huì)增大，侵蝕速率加快，抗腐蝕性能降低。

2.2介質(zhì)擴(kuò)散與耐久因素

現(xiàn)今混凝土內(nèi)部介質(zhì)擴(kuò)散模型大都以Fick第二擴(kuò)散定律為基礎(chǔ)，在考慮多種機(jī)制影響情況下，對(duì)擴(kuò)散模型進(jìn)行推廣與修正。對(duì)于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土對(duì)內(nèi)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(gè)工程結(jié)構(gòu)使用壽命將大幅縮短。混凝土的性能通常受限于工作環(huán)境的污染和力學(xué)影響，包括污染離子擴(kuò)散、碳化、機(jī)械裂縫影響等等。裂縫的出現(xiàn)為水、氧氣和污染介質(zhì)的快速擴(kuò)散提供通道，加速鋼筋混凝土的腐蝕速率。在不考慮機(jī)械裂縫情況下，列出了影響混凝土耐久性的幾類(lèi)因素，并在試驗(yàn)研究基礎(chǔ)上歸納了水灰比、氣含率、粗骨料、細(xì)骨料、礦物摻合料、水泥類(lèi)型對(duì)混凝土抗腐蝕影響規(guī)律。

2.3 S04和Cl-雙侵蝕下混凝土污染腐蝕特征對(duì)于城市地下結(jié)構(gòu)，氯鹽和硫酸鹽侵蝕是最常見(jiàn)的污染鹽類(lèi)侵蝕。文獻(xiàn)調(diào)研顯示，有關(guān)混凝土在單一鹽類(lèi)侵蝕下的耐久性研究較多，理論相對(duì)完備，而多種侵蝕因素共同作用下的耐久性問(wèn)題研究不足。特別是多侵蝕耦合下的離子擴(kuò)散規(guī)律、混凝土滲透性能變化、侵蝕劣化性狀、微觀結(jié)構(gòu)特征等問(wèn)題有待深入開(kāi)展。曾針對(duì)廣州某城市地下結(jié)構(gòu)受2 S04和Cl雙侵蝕影響環(huán)境特點(diǎn)，開(kāi)展過(guò)雙侵蝕作用下的混凝土污染腐蝕試驗(yàn)研究。試驗(yàn)采用混凝土配合比，濃度3.5%NaCl+5%Na2S04（體積比1：1）的侵蝕溶液，采用噴淋和完全浸泡兩種方式進(jìn)行侵蝕環(huán)境的模擬。侵蝕時(shí)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(wèn)題及今后研究趨勢(shì)

3.1存在的問(wèn)題

國(guó)內(nèi)外對(duì)地下結(jié)構(gòu)腐蝕耐久性研究已有較多成果，但由于試驗(yàn)方法、試驗(yàn)條件及選用材料的差異，研究成果還難于進(jìn)行比較，城市地下結(jié)構(gòu)耐久性的系統(tǒng)分析、評(píng)估、設(shè)計(jì)方法有待進(jìn)一步研究。工程實(shí)際中，結(jié)構(gòu)耐久性劣化—般是多種因素共同作用造成的，研究時(shí)應(yīng)重視多種因素的綜合疊加效應(yīng)。現(xiàn)有地下結(jié)構(gòu)污染腐蝕耐久性研究成果與工程設(shè)計(jì)和施工控制、結(jié)構(gòu)殘余壽命評(píng)估等行為脫節(jié)，無(wú)法在統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)安全可靠度基礎(chǔ)上進(jìn)行控制，相關(guān)技術(shù)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)的制定也較落后，國(guó)內(nèi)外在城市地下結(jié)構(gòu)污染腐蝕耐久性方面尚無(wú)系統(tǒng)的、成文的規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)。已有研究成果多從室內(nèi)縮尺、加速腐蝕試驗(yàn)中獲取，對(duì)地下結(jié)構(gòu)材料的污染腐蝕機(jī)理較難闡述青楚，加之缺少工程實(shí)測(cè)耐久性指標(biāo)和統(tǒng)計(jì)資料，建立的耐久性預(yù)測(cè)模型可應(yīng)用性不強(qiáng)，也不足以反映真實(shí)的地下結(jié)構(gòu)服役壽命。對(duì)已有地下結(jié)構(gòu)的殘余壽命評(píng)估研究不夠深入，對(duì)現(xiàn)役地下結(jié)構(gòu)的腐蝕狀態(tài)和耐久性能還不能給出很好的定量的評(píng)價(jià)，雖有很多研究成果，但已有的評(píng)價(jià)體系多為定性化或半足量化評(píng)價(jià)，研究層次和深度都有{寺進(jìn)一步加強(qiáng)。

3.2建議與研究趨勢(shì)

3.2.1城市地下結(jié)構(gòu)與地上結(jié)構(gòu)污染腐蝕耐久性研究有相通之處，因而在研究地下結(jié)構(gòu)耐久性規(guī)律時(shí)充分借鑒已有地上結(jié)構(gòu)的研究經(jīng)驗(yàn)是可行的也是必要的。同時(shí)注意到城市地下結(jié)構(gòu)污染腐蝕耐久性研究的特殊性，避免完全照搬地面結(jié)構(gòu)耐久性的設(shè)計(jì)理論與方法。

3.2.2按照耐久壽命來(lái)設(shè)計(jì)地下結(jié)構(gòu)將成為土木工程設(shè)計(jì)的必然選擇，今后應(yīng)發(fā)展以混凝土和鋼筋污染腐蝕耐久性為控制目標(biāo)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論，建立鋼筋混凝土材料的全生命周期優(yōu)化預(yù)測(cè)模型。

3.2.3對(duì)于埋地混凝土在各單一因素下的耐久性劣化問(wèn)題己進(jìn)行了諸多研究，但對(duì)于多因素耦合作用下混凝土污染腐蝕耐久性評(píng)價(jià)至今未產(chǎn)生權(quán)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(yù)計(jì)，今后很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)城市地下工程的大量返修都將是各國(guó)必須面對(duì)的嚴(yán)重問(wèn)題，后期應(yīng)加強(qiáng)地下結(jié)構(gòu)污染腐蝕耐久性提升技術(shù)和耐久性修復(fù)加固技術(shù)，同時(shí)重視新材料（如FRP等）茌增強(qiáng)地下結(jié)構(gòu)抗腐蝕性方面的研究工作。

3.2.5繼續(xù)加強(qiáng)加深對(duì)多場(chǎng)耦合作用下的城市地下結(jié)構(gòu)耐久性研究工作，在已有的應(yīng)力腐蝕耦合、腐蝕疲勞耦合研究基礎(chǔ)上，適時(shí)開(kāi)展污染腐蝕環(huán)境下的地下結(jié)構(gòu)抗震性能評(píng)估并發(fā)展適于腐蝕結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)理論方法。

結(jié)語(yǔ)：

隨著我國(guó)地鐵建設(shè)的蓬勃發(fā)展，各種復(fù)雜環(huán)境下的地鐵結(jié)構(gòu)越來(lái)越多的出現(xiàn).地鐵設(shè)計(jì)及施工受到周邊建筑、城市交通、地下管線(xiàn)、地質(zhì)水文條件等諸方面影響，比一般工程技術(shù)要求更高，難度更大.做好地鐵結(jié)構(gòu)需要滿(mǎn)足百年結(jié)構(gòu)安全性、適用性、耐久性等可靠性要求，是非常重要的項(xiàng)目。