青藏高原地區混凝土的工程問題及對策

鄧仙芝，李若然，王露，劉數華

（武漢大學水利水電學院，湖北 武漢 430072）

1 青藏高原地區的環境特點

青藏鐵路起于青海省，進入西藏自治區，全長1956km，是重要的進藏路線，該鐵路途經青藏高原，被譽為天路。青藏高原環境惡劣，光照時間久、晝夜溫差較大，有很多常年冰凍的雪山坐落其中，有“世界屋脊”和“亞洲水塔”之稱。因其處于亞歐板塊與印度洋板塊相擠壓的地方，同時受到太平洋板塊的影響，使其擁有復雜而獨特的地質環境。大自然的鬼斧神工雖然給予了西藏獨一無二的景色，但對于青藏鐵路混凝土的耐久性卻造成了極大的考驗。要了解青藏鐵路混凝土的劣化機制和相應的解決措施，必須先了解青藏高原的環境特點。

青藏高原主要環境特點為：一是高寒。平均海拔在4000m 以上，年平均氣溫在 -6～-1℃ 左右。因而青藏鐵路位于海拔 4000m 以上的線路約有 960km，穿越連續多年凍土區的線路約有 550km。除格爾木和拉薩外，鐵路沿線極端最高氣溫 25℃，極端最低氣溫 -45℃，年平均氣溫約 -6～-2℃[1]。二是光照時間長。當地年光照時間是內地的 1.5～2.5 倍。三是氣候干燥、干濕交替快。年蒸發量是降雨量的 10～15 倍，相對濕度極低，氧分壓低，一般在 0.5～0.7 個大氣壓之間。四是晝夜溫差大。青藏高原地區的日均溫差和年均溫差都很大，年氣溫正負交替次數高達 180d 左右。五是風沙大，大風日多。很多地方植被稀少，5 級以上的風十分常見，并且攜帶沙塵，植被稀少，抵抗風沙能力較弱。六是紫外線輻射強。青藏高原海拔較高，空氣稀薄，水汽含量少，故太陽能輻射作用極少被削弱，紫外光能極大，其輻射量是內地的 1.5～2.5 倍，且輻射作用強。七是多冰雪天氣，有些地方全年冰凍。八是青藏高原地區有些河流和部分地區的地下水存在腐蝕性物質，如 SO42-和 Cl-等。九是極端天氣特別多，大風、暴雪、暴雨、冰雹等現象頻繁出現[11]。

總之，青藏高原多數地區環境極其惡劣，給青藏鐵路的施工和維護帶來極大困難。本文僅從混凝土工程出發，闡述青藏鐵路沿線尤其是處于青藏高原地段惡劣環境對混凝土工程的劣化特性及破壞機制，同時提出混凝土性能的改善措施及機理。

2 不同環境特點對混凝土工程的劣化特性及機制

2.1 低溫凍融作用劣化機制

青藏鐵路途經高海拔地區，凍土面積廣闊，平均氣溫低，每年平均約有 180 個高頻率凍融循環，加之四季更替使得土體狀況不同，混凝土的耐久性受到嚴重影響。目前關于凍融破壞的機制主要有兩個假說：靜水壓理論和滲透壓理論。靜水壓假說認為大孔隙中未結冰的水會流向小孔隙，對混凝土產生靜水壓作用力；而滲透壓假說認為大孔隙中由于結冰，溶液濃度較高，大小孔隙溶液濃度差會產生滲透壓，使得小孔隙的水流向大孔隙。兩種假說理論都不無道理，但對于一些現象卻不能很好地解釋。在低溫環境下，孔溶液結冰可被認為具有微集料填充效應[2]，盡管冰的強度較高，但在一次次凍融循環中冰產生的膨脹應力損害了微小孔隙內部結構，微小的裂紋逐漸發展成粗裂紋，表層剝落直至破壞，混凝土的抗拉、抗壓等力學性能顯著下降，最終導致其使用壽命大大降低。當水中含有鹽類成分時，這種破壞作用會顯著加強。

2.2 鹽類作用劣化機制

青藏高原地區咸水湖較多，因而青藏鐵路沿線部分地區存在較強的腐蝕性物質，表 1 是青藏鐵路增建西寧—格爾木二線某段鹽漬土含鹽化學成分統計表[3]，可以看出鹽類成分種類較多，其中主要成分為硫酸鹽、氯鹽和堿金屬等。混凝土的抗侵蝕性主要取決于水泥的抗侵蝕性，而水泥的侵蝕性主要與土體和河流中含有的鹽類離子有關，復雜的鹽類成分會導致混凝土受侵蝕劣化。

表1 青藏鐵路增建西寧—格爾木二線某段鹽漬土含鹽化學成分統計表[3] %

混凝土硫酸鹽腐蝕的機理是一個十分復雜的物理化學過程。在混凝土配制過程中會混入硫酸鹽成分，但隨著時間推移其含量逐漸減少，因而內部腐蝕反應速度很慢。占主導地位的外部腐蝕機理主要是硫酸鹽滲入混凝土內部，與石灰溶液溶質發生化學反應，最終生成石膏或鈣礬石，固相體積顯著增大，導致內部產生大裂縫，嚴重損壞混凝土內部結構。難溶的膨脹性物質還會在混凝土內部吸收大量的水分子結晶析出，體積增大，形成膨脹內應力，當超過混凝土的抗拉強度時，混凝土就會被損壞。硫酸鹽溶液濃度較高時，一方面會產生石膏結晶，結晶產物會導致體積增大而破壞混凝土內部結構，結晶過程還消耗了混凝土中的水分，另一方面硬化水泥石中的 Ca(OH)2和 C-S-H 等組分通過硫酸鹽的作用會溶出或分解，從而減小了混凝土的黏性和強度。在硫酸鹽作用下，混凝土的表面會出現發白的現象，從棱角處逐漸有損傷現象，然后裂縫漸漸剝落，最終混凝土結構不僅易碎而且松散[4]。

氯鹽對鋼筋的腐蝕作用由鋼筋脫鈍和電化學反應兩個過程構成。Cl-主要依靠混凝土表層的毛細管吸入作用和深層的擴散作用侵入混凝土[5]。一方面，Cl-的存在使局部鋼筋鈍化膜的破壞速度加快，與水泥石中的 Ca(OH)2反應使其溶解，生成的 CaCl2等鹽類易溶于水析出，同時產生滲透壓使混凝土結構破壞；另一方面，Cl-含量過高，容易引起電化學反應，加速鋼筋的銹蝕。因此，Cl-的存在大大加快了鋼筋銹蝕速度，而且可能導致危害性更為嚴重的點蝕現象，鋼筋的延展性和承載力會大大減弱[6]。

2.3 碳化作用劣化機理

空氣中的 CO2侵入混凝土與堿性物質反應，引起pH 下降的過程稱為混凝土的碳化，碳化機制包含了復雜的物理化學作用。任何混凝土都存在孔隙，大氣中的CO2是通過混凝土的孔隙向內部擴散并溶解，與水泥水化產物 Ca(OH)2反應生成碳酸鈣，Ca(OH)2的持續消耗導致混凝土的 pH 值不斷下降，達到一定程度將導致鋼筋的脫鈍現象。同時，通過碳化作用產生的碳酸鈣堵塞在孔隙中，可降低混凝土的孔隙率并阻止 CO2的進一步侵入，適當的碳化可延緩混凝土的劣化。混凝土內固態的 Ca(OH)2會溶解并擴散至濃度低的區域[7]。碳化速度主要取決于混凝土結構保護層的厚度、混凝土的抗滲性、含氣量、CO2濃度、水泥品種、水灰比、外加劑等多種因素。通常情況下，碳化深度與時間的二次方成正線性關系，當周圍環境的相對濕度為 50% 左右時，混凝土會以最快的速度碳化，從而對混凝土造成最大的影響。

2.4 堿—骨料反應劣化機制

青藏鐵路修建所用混凝土中的大多數骨料含有典型的堿活性礦物，水源中也含有較多堿性物質，極易發生堿—骨料反應而破壞混凝土結構。

堿—骨料反應（Alkali-Aggregate Reaction，簡稱AAR）是骨料中的活性氧化硅或硅酸鹽、碳酸鹽等與水泥、外加劑、摻合劑等中的堿性物質之間發生的化學作用。堿—骨料反應生成物吸水膨脹，在骨料—砂漿交界面積聚壓力并在砂漿內產生細觀拉應力，一旦應力超過材料的細觀強度就會產生微裂縫，使細觀拉應力得到釋放。微裂縫是混凝土內部細觀損傷的構成，可導致堿—骨料反應混凝土劣化[8]，造成彈性模量和強度等下降。堿—骨料反應分為三類：第一類是堿—硅酸反應（Alkali-Silica Reaction，簡稱 ASR），指堿和骨料中的活性 SiO2發生反應，生成堿硅膠，堿硅膠具有強烈吸水膨脹的特征，發生在骨料與水泥石界面處，導致混凝土產生不均勻膨脹而引起開裂；第二類是堿—硅酸鹽反應，是指混凝土中的堿與骨料中某些層狀結構的硅酸鹽發生反應，使層狀硅酸鹽層間距增大，發生膨脹，而使混凝土膨脹開裂。但是這種反應速度非常緩慢，一般考慮較少；另一類是堿—碳酸鹽反應（Alkali-Carbonate Reaction，簡稱 ACR），對于它目前有兩種說法：一種為膨脹機理假說——堿與骨料中的微晶白云石反應生成水鎂石和方解石晶體，使骨料膨脹，進而使混凝土膨脹開裂；另一種為硅膠化假說——堿與白云石質石灰巖骨料反應生成水鎂石，水鎂石又與溶液中的硅酸鹽離子反應生成硅酸鎂。而硅酸鎂容易聚集在骨料界面部位，從而減弱混凝土強度的增長[9]。

2.5 電池反應劣化機制

一般情況下，鋼筋混凝土中鋼筋表面電位是不均勻的，一般都具有電勢差。混凝土保護層由于碳化作用腐蝕后，空氣中的氧會滲透抵達鋼筋內部鐵基體表面，發生電化學反應，進一步導致鋼筋銹蝕，產生破壞。反應產物 Fe(OH)2的體積是原來被腐蝕鐵基體體積的兩倍甚至更大，其形成將對旁邊的混凝土產生很大的膨脹壓力。鋼筋的銹蝕一般從局部點蝕開始，數量不斷增多并慢慢地擴展開來，最后大片的鋼筋被銹蝕，導致混凝土保護層脫落。一般情況下，環境相對濕度在 70%～80%之間最有利于電化學作用的進行。青藏鐵路所處環境濕度較低，此種劣化作用相對較弱[10]。

2.6 多重作用劣化機制

青藏鐵路所處環境復雜，混凝土往往同時受多方面作用。Mehta 曾經提出了混凝土受外界環境作用劣化的整體理論模型，結合西藏特點，可以得出圖 1 所示的高寒嚴酷地區混凝土劣化模型[11]。從圖中可以看出，混凝土首先經受干濕交替、凍融循環等因素的物理作用，當混凝土產生裂縫后，環境中的溶液、空氣等通過裂縫滲透進入混凝土內部，進而發生堿—骨料反應、電化學反應等，由此產生的靜水壓、膨脹應力均可造成混凝土強度降低，最終導致混凝土開裂、剝落，造成混凝土整體劣化。在這個過程中，不同的環境因素之間相互影響。例如低溫環境下混凝土產生的裂縫更易于鹽類離子滲入，并且隨著凍融循環更加頻繁，滲透速度更快，因而兩者耦合作用加劇了混凝土破壞程度。青藏高原干濕交替快，相對濕度低，在干濕循環過程中鹽溶液在某一瞬間濃度達到最大，極大地提高了腐蝕速率。在干燥環境下，混凝土容易產生收縮裂縫，降低了混凝土的滲透性，使硫酸根離子更易滲透進入混凝土中。不僅如此，混凝土還經受礦化水的無機鹽結晶應力、水流及砂石沖磨和撞擊等，加速了混凝土表層的凍融破壞[12]。高原地帶自然條件惡劣，生態脆弱，風砂強烈，混凝土極易失水而產生塑性裂縫。紫外線輻射對于混凝土的抗凍性也有一定影響，可能會對其表面砂漿造成不利影響，使之在凍融損傷早期就剝落，隨著凍融循環次數的增加，紫外線輻射影響逐漸減弱。在青藏鐵路所處的實際環境中，混凝土耐久性往往受多方面影響。

圖1 高寒嚴酷地區混凝土劣化模型[11]

3 混凝土耐久性的改進措施與機理

混凝土的耐久性關系到結構、建筑物使用壽命的長短，針對上述多方面的劣化機制，筆者提出以下改進措施，分別從原材料、配合比、外加劑和保護層等方面提出改善混凝土耐久性的方法：

3.1 加強原材料研究和應用

要想改善混凝土耐久性，必須先從混凝土本身入手，加強研究新型膠凝材料和研制高強高耐久性的混凝土尤為重要。

3.1.1 選用高強度混凝土

混凝土強度與孔隙率密切相關，低強度的混凝土孔隙往往較多，極易受干濕循環和凍融循環等因素影響，產生的膨脹應力使表面產生裂縫；同時硫酸根離子、氯離子等鹽類離子也更加容易通過裂縫滲入孔隙中腐蝕混凝土結構。水泥的礦物組成、細度和環境等與水泥強度的發展息息相關，因而選用高強度混凝土對于抵抗這些不利的環境因素有重要意義。

3.1.2 加強以耐久性為核心性能的混凝土新型膠凝材料的研究

水泥混凝土耐久性能的核心是膠凝材料的特性，因而，加強膠凝材料的研究有助于提高混凝土耐久性。現代鋼筋混凝土使用壽命遠小于設計壽命的根本原因在于，水泥中高活性礦物的含量逐漸增大、水泥細度不斷增大，水泥干縮和溫度收縮也不斷增大，最終導致混凝土產生裂縫，裂縫與孔隙之間連通后為外部液體和氣體滲入提供了通道，開始出現混凝土耐久性問題。現代工程中為了能快速施工，普遍使用早強混凝土也會導致結構過早劣化。因此，要解決在青藏高原地區這樣嚴酷環境條件下混凝土材料耐久性問題，根本方法就是研制新型膠凝材料。武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室曾與某施工單位聯合開展了高貝利特高性能水工混凝土的研究課題，以高貝利特水泥和礦物摻合料為新型膠凝材料進行了大量的試驗研究[13]，研究結果表明這種材料具有優良的抗裂性能。因此，改善膠凝材料的性能，能大大提高混凝土材料的耐久性和使用壽命。

3.2 加強混凝土的外加劑和摻合料的研究和應用

在混凝土拌制過程中添加外加劑，能有效改善混凝土性能。不同類型的外加劑功能不同，針對提高混凝土耐久性，主要選擇引氣劑，并摻入粉煤灰等摻合料，按照國家標準添加，且要求無較大的副作用。

3.2.1 摻加優質粉煤灰和專用復合高性能外加劑

研究表明，摻入硅灰、粉煤灰等摻合料可以提高混凝土抗氯離子滲透性和抗硫酸鹽腐蝕能力，抑制堿—硅酸反應，但會帶來一些新問題，如低溫下某些摻合料硬化較慢，抗凍能力有所下降。研究人員研制出的多功能復合外加劑-DZ 系列青藏鐵路專用復合型外加劑，其主要成分是減水劑、增稠劑、引氣劑等[1]，含有高效減水、保坍、引氣、細化孔結構等功能組分，可以在提高抗凍性的同時，降低用水量，得到低水灰比、高耐久性的混凝土。摻合料與外加劑的混合使用，使得骨料與砂漿的膨脹率顯著降低，進一步抑制了堿—硅酸反應，很好地改善了混凝土的性能。

3.2.2 加強引氣劑的研究和應用

青藏高原嚴寒條件要求混凝土有較好的抗凍性，引氣劑的使用能在結構內部引入一些分布均勻且封閉的氣泡，有效改善混凝土和易性，因而要加強引氣劑的研究，達到含氣量大幅提升的目的。然而，有許多影響引氣劑氣泡性能及穩定性的復雜因素，不僅包括引氣劑本身的內在因素，例如表面張力、溶液黏度等，還包括膠凝材料的細度、骨料、減水劑等外在因素。在青藏鐵路高海拔高寒地區，由于空氣稀薄氣壓低，以及施工過程中高頻振搗的作用，混凝土結構中的氣泡很不穩定。因此，如何大幅度提高混凝土中氣泡的穩定性并優化氣泡參數，研究新型適應高原低氣壓的引氣劑是很必要的[11]。

3.3 加強新型混凝土保護涂層的研究和應用

保護涂層是混凝土抵抗環境破壞的第一道外部防線，牢牢守住第一道防線可以有效防治堿析出、水和空氣滲入等問題，提高混凝土材料的耐久性，但青藏鐵路嚴重的紫外線輻射常常導致混凝土保護層過早劣化，加強保護涂層研究是提高混凝土耐久性的重要措施之一。在高寒高海拔地區太陽輻射高、紫外線強、凍融循環和干濕循環頻繁等典型特點條件下，有機涂層與混凝土之間的界面極易劣化，導致保護涂層過早失效。有機和無機材料的混合使用，具有很強的抗紫外線輻射能力，在涂層中大量引入氣泡還能使其復合涂層具有保溫保濕功能，并能封閉結構阻止水和有害物質的侵入。經測試表明，JHRF 氟碳涂料性能優異，涂裝在外部后能封閉混凝土孔隙，緩解惡劣環境下混凝土受破壞程度，是一種創新有效的保護措施。

3.4 優化配合比設計

混凝土配合比是混凝土結構性能優異的關鍵因素，為了提高混凝土耐久性，合理設計配合比，顯得尤為重要。青藏鐵路所用混凝土為確保其耐久性，一般水泥用量較高，水泥水化過程中產生許多熱量，可能導致混凝土受熱不均開裂，因此要在保證耐久性的前提下降低水泥用量，并且選用低水化熱、低堿以及低收縮率的水泥。經試驗研究發現，水灰比越低的混凝土抗凍性能越強，因此在設計時要選擇合適的水灰比。研究表明，水膠比對混凝土耐久性也有一定影響，主要表現在前期影響，在水膠比較小的前提下，混凝土孔隙率越小，內部越密實，抗凍性也越好。考慮到西藏高寒高海拔的特點，應降低水膠比并且提高含氣量，減少物質滲入的通道。在合理選擇骨料時，一定要注意堿活性的監測和控制。另外，開展新型混凝土配合比的研究，特別是高原型的再生混凝土技術等在高原地區應用的研究是非常有意義的[15]。

4 結論

青藏鐵路地處青藏高原，青藏高原是個地理位置、地質條件、水文氣象獨特的地方，在海拔 4000m 以上的高寒嚴酷地區，環境對混凝土的劣化作用很強，嚴重影響了混凝土的耐久性。青藏鐵路是世界海拔最高、線路最長的工程項目，研究其混凝土耐久性問題具有重要意義。針對凍融、鹽腐蝕、碳化、堿—骨料反應、電池反應和多因素對混凝土的破壞作用，分析其劣化機理，并根據這些問題，提出了加強原材料、摻合料、外加劑、保護涂層等的研究和應用、優化配合比設計和研究新型混凝土等提高混凝土耐久性的有效途徑和措施。