某地鐵工程地下水腐蝕性評價及對策研究

軒吉善 XUAN Ji-shan

（中化地質河南局集團有限公司，鄭州 450000）

0 引言

當地下水中含有某些腐蝕成分時，會對混凝土構筑物的穩定性造成破壞，進而影響混凝土基礎結構的耐久性與工程壽命[1]。若某工程建筑物需要經常與地下水接觸時，在工程地質勘察中必須采取水樣，進行水化學腐蝕性分析，評價地下水的侵蝕性，為工程的防腐設計提供依據[2]。近年來，越來越多的城市開始修建地鐵，以緩解城市公共交通壓力。由于地鐵工程百年的耐久性使用年限要求，在各地城市軌道的工程建設中，混凝土結構的耐久性問題得到了廣泛的重視。王慎堂等[3]（2001）研究了高強混凝土在南京地鐵隧道襯砌管片中的應用，論文研究表明，高性能混凝土應用于盾構隧道管片中會產生良好的效果。同時也有一些學者對地鐵混凝土設施的地下水腐蝕性進行評價，對地鐵混凝土設施建設提供防治措施。本文以某地鐵工程為例，采用一系列原位浸泡實驗，對不同廠家的混凝土材料性能進行測試并比較，同時得到不同條件下混凝土的性能指標變化，針對試驗結果及地下水腐蝕性評價結果，提出一些防腐措施，為軌道交通建設提供參考。

1 研究區概況

研究區總體呈東西走向，地形平坦，地面高程一般74.0～76.0m，局部較高。地形為長形河谷盆地，西起鳳凰山，東至青秀山，向東開口，南、北、西三面環山，盆地中心為邕江寬廣河谷，各河流聚集于此，組成向心水系。研究區屬于亞熱帶季風氣候，炎熱潮濕，年平均氣溫在21.6度左右。研究區處于三個水文地質單元之間，對研究區造成主要影響的含水巖組是邕江沖積層孔隙含水巖組。孔隙水主要賦存于邕江河谷階地沖積砂礫石層中，水位埋深一般大于5m。地下水位受季節變化影響較大，雨季（即4～10月）降雨充沛，地下水位明顯上升，旱季地下水位因為雨量減少而下降。南寧市地下水補給主要有降雨入滲、地表水入滲及農業灌溉水入滲三個方面的來源，其中，降雨入滲、地表水入滲最為廣泛。

2 地下水腐蝕性浸泡實驗研究

本研究采取原位浸泡的方式，通過對當地3家混凝土生產廠家的C30和C50混凝土試件，在原位浸泡前后各項性能指標（立方體抗壓強度、抗碳化能力、抗氯離子滲透能力等）的檢測，評價研究區地下水侵蝕性，并分析其對不同廠家混凝土性能的影響。

2.1 立方體抗壓強度試驗

立方體抗壓強度試驗就是檢驗混凝土的強度是否能夠滿足實際要求[4]。本實驗對不同廠家的混凝土試塊分別養護到7天、28天和65天的齡期，并且經過6個月原位浸泡，通過對不同養護齡期以及浸泡前和浸泡后的抗壓強度進行對比，以測定地下水長期腐蝕對不同混凝土的抗壓強度的影響。

原位浸泡后，由于表面的腐蝕破壞，混凝土試件受壓破壞前，均有非常明顯的表面層狀剝落現象。試驗結果分析表明，原位浸泡后甲廠家C30、C50混凝土抗壓強度均低于28天齡期強度，乙、丙廠家C30、C50抗壓強度均高于28天齡期強度，但各廠家混凝土抗壓強度都能達到設計要求（如圖1-圖4）。

圖1 C30抗壓強度的齡期—強度關系圖

圖4 C50抗壓強度隨齡期的變化規律

由于浸泡時間較短（6個月），地下水長期腐蝕對混凝土抗壓強度的影響規律尚待進一步研究，實際工程應用時，必須加強對地下水腐蝕作用的重視。

2.2 混凝土碳化試驗

CO2氣體通過硬化混凝土細孔進入到混凝土內，與其堿性物質（Ca（OH）2）產生化學反應生成碳酸鹽和水，這一過程稱為混凝土碳化[5]。混凝土碳化使其堿性降低，強度下降，破壞混凝土耐久性。本實驗采用快速碳化的方式，在碳化箱內進行碳化，調節閥門，使氣體均勻的進入碳化箱。通過噴灑酚酞試劑對混凝土試塊測試碳化深度，以比較混凝土抗碳化的能力（如表1）。

表1 各齡期的平均碳化深度

混凝土試件碳化試驗表明，混凝土碳化深度也隨著試驗齡期的增加而增加，各廠家混凝土的碳化深度增長率則不同。試驗結果表明：C50混凝土的碳化深度明顯小于C30混凝土（如圖5-圖6）。

圖2 C50抗壓強度的齡期—強度關系圖

圖3 C30抗壓強度隨齡期的變化規律

圖5 C30混凝土碳化深度

圖6 C50混凝土碳化深度

2.3 抗氯離子滲透試驗

混凝土的抗氯離子滲透性是混凝土耐久性的關鍵指標之一[6]。測試混凝土的抗氯離子滲透性能對測試混凝土工程質量具有重要作用。通過外加電場以及AgNO3溶液試劑，測試試塊的氯離子滲透深度，原位浸泡前后采取的同樣的試驗方法，比較不同混凝土氯離子擴散系數。

浸泡前后各廠家C30、C50抗氯離子滲透變化對比如圖7-圖10所示。分析表明：由于浸泡時間較短，地下水的侵蝕未達到混凝土內部。而內部芯樣處混凝土則因未受到地下水的侵蝕影響，隨齡期的增長，密實性增加。

圖7 C30混凝土氯離子擴散系數比較

圖8 C50混凝土氯離子擴散系數比較

圖9 C30混凝土氯離子擴散系數比較

圖10 C50混凝土氯離子擴散系數比較

3 地下水腐蝕性評價

3.1 腐蝕性評價條件

按照《巖土工程勘察規范》（GB 50021-2001）（2009版）第12.2條及附錄G有關規定，地下水對建筑材料的腐蝕性評價針對不同的含水層滲透性、浸水條件、環境類型、等有著不同的規定。根據本工程的特點，結合研究區地下水特征，地下水的腐蝕性評價具體條件如下：

研究區屬濕潤地區，含水量一般為20～30%。因此按Ⅱ類環境類型地下水對混凝土結構的腐蝕性；浸水條件：采用地下線，一般隧道處于長期浸水環境，因此地下水對鋼筋混凝土腐蝕性評價按照長期浸水條件考慮。

3.2 腐蝕性評價指標

根據采取地下水水樣水質分析結果資料，按照相應的評價條件，綜合評價地下水對建筑材料的腐蝕性。

按照國家標準《巖土工程勘察規范》（GB50021-2001）（2009版）第12.2條規定，沿線地下水對混凝土結構腐蝕性及對鋼筋混凝土結構中的鋼筋腐蝕性的化學指標如表2。

表2 地下水腐蝕性化學指標

3.3 腐蝕性機理及其原因

通過對研究區水文地質條件、水質分析成果、地下水化學類型等的綜合分析，對腐蝕性中等區域其腐蝕性介質主要為侵蝕性CO2。主要是對混凝土結構具有中等～強腐蝕性。對鋼筋混凝土中的鋼筋具有微腐蝕性。

造成腐蝕的原因可能僅是某一種因素，也可能是多種因素的共同作用。由于混凝土的腐蝕機理分類較為復雜，結合腐蝕性指標，根據地下水對混凝土的腐蝕性特征，分為以下三類[7]：

①分解性侵蝕。分解性侵蝕是指酸性水對水泥的氫氧化鈣與碳酸鈣進行溶濾和溶解，使得混凝土分解破壞的作用。當水中含有一定的H+離子時，會與水泥的氫氧化鈣反應，使混凝土遭受溶蝕破壞，反應式為：Ca（OH）2+2H+=Ca2++2H2O；當水中含有較多侵蝕性CO2時，水的溶解能力增強，使碳酸鈣溶解，混凝土結構遭受破壞，其反應式為：CaCO3+H2O+CO2→Ca2++2HCO3-。

②結晶性侵蝕。結晶性侵蝕是指水中過量的SO42-滲入混凝土體內，與水泥的某些分發生水化作用，形成易膨脹的結晶化合物，使混凝土脹裂破壞。如形成石膏和硫酸鋁，其體積分別增大1.5倍和2.5倍。為了防止SO42-對混凝土的破壞作用，可采用抗硫酸鹽的水泥。

③分解結晶復合性侵蝕。分解結晶復合性侵蝕是指水中Ca2+、Mg2+、Zn2+、Fe2+、Al3+等陽離子含量過高，而對混凝土的一種復合破壞作用。如MgCl2與混凝土中結晶的Ca（OH）2反應后，容易對混凝土造成破壞，其反應式為：MgCl2+Ca（OH）2→Mg（OH）2+CaCl2。對分解結晶復合性侵蝕的評價，一般使用于被工業廢水污染的地下水。

根據研究區地下水腐蝕性指標的分析，研究區主要影響作用的是分解性侵蝕。由于研究區處于濕熱多雨環境中，土層透氣性差，厭氧的硫酸鹽還原菌繁殖，將地下水中的硫酸鹽還原為硫或硫化物；當旱季來臨，土層透氣性改善，硫及硫化物被氧化為硫酸，導致土層及地下水的pH值降低；在細菌生物化學作用下，有機質分解出大量CO2，當水中溶入的CO2超出與H+和HCO3-等平衡所需的量，多余的CO2即為侵蝕性CO2。

研究區地下水腐蝕機理為：地下水中游離的二氧化碳使CaCO3+H2O+CO2→Ca2++2HCO3-反應向右進行而侵蝕水泥漿體，進而加速硬化水泥漿體中氫氧化鈣轉變成可溶性重碳酸鈣的過程。由于混凝土制作過程中難以避免的出現微裂隙和孔隙，水溶液中的侵蝕性CO2進入混凝土中，引起混凝土的碳化。檢測表明，研究區中等腐蝕性區域的地下水CO2含量較高，進而引起第二反應，將中性化生成碳酸鈣溶解，生成可溶性重碳酸鈣。可溶性重碳酸鈣被流動的地下水沖走，在沖刷掉混凝土腐蝕表層同時，進而向混凝土內部逐步腐蝕。綜上分析，認為研究區地鐵混凝土地下水腐蝕破壞是：在動態水溶液的作用下，使得第一反應和第二反應交替循環，逐步將混凝土侵蝕破壞，因此這一問題必須引起足夠的重視，并采取措施加以控制和解決。

4 地下水防腐對策建議

針對不同混凝土原位浸泡試驗以及地下水腐蝕性機理的分析，結合相關研究，在防腐設計，混凝土材料選擇、以及耐久性指標方面，提出以下防腐措施。

4.1 防腐設計 該地鐵沿線水文地質條件復雜，地下水中的侵蝕性CO2對結構混凝土具有很強的腐蝕性作用，因此在防腐設計中應遵循以下原則：①應重視地下主體結構迎水面混凝土的防腐蝕問題，在嚴重和非常嚴重的腐蝕性區段，應在混凝土表面加以保護措施，比如涂層覆蓋。對于重要工程部位，應采取多重防護對策，以增加其耐久性。②在各腐蝕性區段，應正確使用礦物摻和料，盡量使用低水膠比混凝土，確保混凝土的質量控制標準和施工技術要求，保證混凝土有良好的均質性、耐久性和抗裂性。③在嚴重和非常嚴重的腐蝕性區段，地下結構混凝土可考慮采用全包防水設計，盡量減少或避免侵蝕性地下水與主體結構混凝土接觸。在可能的條件下，應采取必要措施降低主體混凝土結構外圍土層的地下水滲透性。④由于研究區沿線地下水的侵蝕性特點，應通過根據實際情況精選混凝土材料，進行合理的配比設計并注重施工養護，嚴格控制主體結構混凝土表面由于非荷載作用原因所產生的裂縫。⑤應適當增大主體結構混凝土保護層厚度，并應考慮保護層施工允許負偏差的影響。重視混凝土連接縫中鋼筋結構的防銹措施。

4.2 混凝土原材料選擇①配制混凝土的硅酸鹽類水泥一般應為品質穩定的硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥或礦渣硅酸鹽水泥，應盡可能避免使用早強水泥[8]。②配置混凝土時盡量使用品質穩定、來料均勻的優質混凝土礦物摻和料。③對于腐蝕環境下的結構混凝土，在滿足結構安全性的前提要求下，首先應考慮控制混凝土的各項耐久性指標，以增加混凝土結構的使用壽命。

4.3 結構混凝土耐久性能控制指標

實際工程中，針對具體的環境類別，應重視測定抗碳化能力、抗壓強度、氯離子擴散系數等具體量化耐久性的指標[9]。利用這些指標評測混凝土耐久性，以實現混凝土質量控制和檢驗。由于地下混凝土結構所受到的侵蝕作用程度與其所處的地下水環境有關，因此，應根據結構所處的地下水環境腐蝕性等級及結構的保護層厚度等來確定相應的耐久性控制指標參數。本文試驗研究表明：室內快速碳化試驗所測得的28d試驗齡期的平均碳化深度與原位浸泡6個月后混凝土的平均中性化深度間具有很好的回歸關系。因此，考慮到實際施工質量控制的可行性，可采用室內快速碳化試驗所測得的28d試驗齡期的平均碳化深度來反映主體結構混凝土的抗中性化能力。

5 結論

本文采取原位浸泡試驗方法，對3家混凝土生產廠家的C30和C50混凝土試件的性能指標進行檢測，分析地下水腐蝕對不同混凝土性能的影響，對研究區地下水腐蝕性進行評價，得出以下結論：①地下水環境的長期腐蝕作用對混凝土耐久性具有不利影響。混凝土試件抗壓強度試驗表明，由于表面的腐蝕破壞，混凝土試件受壓破壞前，均有非常明顯的表面層狀剝落現象。混凝土試件碳化試驗表明：混凝土試件碳化試驗表明，混凝土碳化深度也隨著試驗齡期的增加而增加，不同廠家混凝土的碳化深度增長率不同。抗氯離子滲透試驗結果表明地下水的侵蝕未達到混凝土內部。②通過對研究區地下水化學類型、水文地質條件、水質分析成果等的綜合分析，其腐蝕性介質主要為侵蝕性CO2，主要影響作用的是分解性侵蝕。③研究區混凝土地下水腐蝕破壞是：在動態水溶液的作用下，使得第一反應和第二反應交替循環，逐步將混凝土侵蝕破壞，因此這一問題必須引起足夠的重視，并采取措施加以控制和解決。④對地鐵工程不同位置采取合理的防腐設計措施，保證地鐵百年安全大計。