鹽類環境下襯砌混凝土耐久性設計

顏士昊

摘 要：可溶性鹽類物質對混凝土的侵蝕，是影響混凝土耐久性的重要因素之一。該文結合三棱山隧道設計和施工，認為隧道土壤環境里存在的鹽類物質會對襯砌混凝土結構產生腐蝕，并提出了幾項襯砌混凝土質量措施。

關鍵詞：混凝土 腐蝕 耐久性設計

中圖分類號：TK431 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）06（a）-0081-02

隨著我國高速鐵路相關技術的不斷完善與發展，國內的各個省份都已經建成運營或者正在籌劃修建高速鐵路，在修建高鐵隧道過程中，也會經常遇到隧道土壤地下水具有鹽類腐蝕性。隧道土壤所含有的鹽類物質會侵蝕混凝土結構，降低混凝土結構的耐久性，使工程未到設計年限就出現各種質量問題，增加后期運營成本。因此，在施工中采取措施避免襯砌混凝土受到地下水中的鹽類物質的侵蝕顯得格外重要。

1 工程實例

1.1 工程概況

中國路橋承建京沈客專遼寧段TJ-1標三棱山隧道位于遼寧省朝陽市、阜新市境內，隧道全長8 888 m，其中三棱山隧道出口段位于里程DK500+100～DK502+303處，全長2 203 m。該段內圍巖情況復雜，其中Ⅱ級圍巖段的長度為850 m，Ⅲ級圍巖段的長度為350 m，Ⅳ級圍巖段的長度為775 m，Ⅴ級圍巖段的長度為228 m。Ⅱ級圍巖和Ⅲ級圍巖段均為大塊狀結構、弱風化的安山巖。Ⅳ級圍巖段為強～弱風化的凝灰巖，碎石狀鑲嵌結構，節理發育，巖體較破碎。Ⅴ級圍巖段為角礫碎石狀松散結構、強風化的凝灰巖，巖體破碎，節理發育三棱山隧道出口段地下水具鹽類結晶侵蝕性，環境作用等級為Y2，混凝土強度設計等級為C40。鹽類對襯砌混凝土的侵蝕主要分為鹽類物質對混凝土的化學侵蝕，主要為硫酸鹽對襯砌混凝土的化學侵蝕和鹽類結晶破壞。

1.2 襯砌混凝土腐蝕機理分析

根據隧道土壤含鹽量分析報告可知，土壤環境中硫酸根離子的濃度最大為360 mg/kg，當外界環境里的SO通過毛細作用進入到混凝土內部后，與水泥石里的Ca（OH）2和水化鋁酸鈣發生化學反應生成水化鋁酸三鈣。生成的鈣礬石會使混凝土體積增大，產生巨大的內應力。而影響硫酸鹽對襯砌混凝土侵蝕危害程度取決于混混凝土的密實度、混凝土配合比中水泥的用量、所用水泥中C3A的含量、膠凝材料的抗蝕系數及襯砌混凝土的保護層厚度。

鹽類結晶破壞是指那些位于干濕交界處的混凝土，通過毛細作用吸進各種可溶性鹽溶液，當外界溫度較高時，吸收的鹽溶液經蒸發、濃縮進而結晶析出，該過程會使毛細管產生巨大的結晶壓力從而導致混凝土破壞。溶解于鹽堿土中環境水的鹽類物質可以高達每升數萬毫克。水質一般情況下呈堿性，pH值一般在8～12區間內波動。根據隧道土壤含鹽量分析報告可以知道，隧道土壤的pH值最大9.1，土壤呈堿性。這種鹽類結晶破壞屬于鹽類物質對混凝土的物理破壞，且主要集中于襯砌混凝土的干濕交界界面，其危害程度主要取決于襯砌混凝土和水的接觸程度以及襯砌混凝土和空氣接觸時的干濕狀態。

2 襯砌混凝土的質量控制措施

2.1 增加保護層厚度，減少可溶性鹽類物質對混凝土的化學腐蝕

根據鐵路混凝土結構耐久性設計規范有關隧道混凝土結構鋼筋混凝土保護層最小厚度的部分可知，當隧道襯砌采用混凝土結構時，其保護層最小厚度應大于50 mm；當襯砌結構處于鹽類結晶破壞和腐蝕嚴重的地方，其最小保護層厚度應適度增加。因此，將混凝土的保護層厚度由預先設計的58 mm（混凝土表面到主筋Φ22中心69 mm，混凝土表面到主筋Φ22表面58 mm，除去Φ8筋鋼筋凈保護層厚度為50 mm）調整到68 mm。

2.2 控制膠凝材料的抗蝕系數

如果膠凝材料的抗蝕系數過小，會增大膨脹率，從而導致混凝土抗硫酸鹽能力變差。由鐵路行業標準可知，當混凝土結構處于硫酸鹽侵蝕環境時，應采用C3A的含量低于8的水泥，且膠凝材料的抗蝕系數應大于0.8，當骨料具有堿-硅酸反應時，水泥的堿含量不應超過0.6%；C40及以上混凝土用的水泥的堿含量不宜超過0.6%。因此，該工程采用遼寧恒威集團有限公司生產的低堿水泥，粉煤灰為阜新鑫源粉煤灰建筑材料有限責任公司生產的F類粉煤灰，礦渣粉為凌源富源礦業有限責任公司生產的S95級礦渣粉。通過增加自檢、抽檢頻率，同時積極與廠家溝通，控制每一份膠凝材料的各項性能指標，從源頭上控制膠凝材料的抗蝕系數，保證進場材料都滿足規范要求。

2.3 控制骨料的含沙量，減少鹽類結晶的作用空間

如果采用含沙量超標的骨料，會影響水化后的混凝土的密實度和強度，導致膠凝材料和骨料間的粘結力降低，引發混凝土開裂，加速硫酸鹽對混凝土的腐蝕。因此，骨料入場后，增加自檢含沙量的頻率，在自檢合格的基礎上，由監理試驗室進行抽檢，合格后方可用于施工。

2.4 控制防水板的焊接質量，隔離圍巖水和襯砌混凝土的接觸

防水板的焊接寬度應大于15 cm，施工縫應該與搭接接縫錯開100 cm以上的距離，每道焊縫都應該采取雙重焊接，且每一個單焊縫的寬度都應大于15 cm。焊接時要保證焊接質量，確保不出現漏焊、假焊、焊焦和焊穿等現象，在出現焊接質量問題及外露的固定點的地方，應及時用同種材料進行覆蓋焊接。每完成一道焊縫都要進行充氣檢查，檢查合格且滿足規范要求后，方可進行下一道焊縫焊接，檢查時要注意過程控制，要符合監理程序，保證焊接的每一塊防水板都會起到防水板應具備的作用，避免出現因在防水板焊接過程中出現施工質量問題，導致襯砌混凝土與圍巖水接觸，引發鹽類物質對襯砌混凝土的侵蝕破壞。

2.5 嚴格控制混凝土入模含氣量，保證混凝土的密實度

如果混凝土的含氣量超過規范所規定的數值，會降低混凝土的強度、彈性模量、體積穩定性、密實度、表觀密度，同時也會降低混凝土的抗滲性、抗氯離子滲透性等耐久性能指標。當混凝土進入現場后，需由技術人員測定其含氣量，經檢測合格后，方可進行混凝土澆筑。

3 結語

為了實現避免可溶性鹽類物質對襯砌混凝土的侵蝕破壞，保證工程施工質量，該工程提出幾項混凝土施工質量控制措施，在經過現場試驗室驗證，證明這幾項措施的可行性后，將這幾項措施應用到實際施工里，在實際施工里，發現這幾項措施效果良好，所修建的襯砌結構表面無開裂情況。

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