盐类环境下衬砌混凝土耐久性设计

颜士昊

摘 要：可溶性盐类物质对混凝土的侵蚀，是影响混凝土耐久性的重要因素之一。该文结合三棱山隧道设计和施工，认为隧道土壤环境里存在的盐类物质会对衬砌混凝土结构产生腐蚀，并提出了几项衬砌混凝土质量措施。

关键词：混凝土 腐蚀 耐久性设计

中图分类号：TK431 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）06（a）-0081-02

随着我国高速铁路相关技术的不断完善与发展，国内的各个省份都已经建成运营或者正在筹划修建高速铁路，在修建高铁隧道过程中，也会经常遇到隧道土壤地下水具有盐类腐蚀性。隧道土壤所含有的盐类物质会侵蚀混凝土结构，降低混凝土结构的耐久性，使工程未到设计年限就出现各种质量问题，增加后期运营成本。因此，在施工中采取措施避免衬砌混凝土受到地下水中的盐类物质的侵蚀显得格外重要。

1 工程实例

1.1 工程概况

中国路桥承建京沈客专辽宁段TJ-1标三棱山隧道位于辽宁省朝阳市、阜新市境内，隧道全长8 888 m，其中三棱山隧道出口段位于里程DK500+100～DK502+303处，全长2 203 m。该段内围岩情况复杂，其中Ⅱ级围岩段的长度为850 m，Ⅲ级围岩段的长度为350 m，Ⅳ级围岩段的长度为775 m，Ⅴ级围岩段的长度为228 m。Ⅱ级围岩和Ⅲ级围岩段均为大块状结构、弱风化的安山岩。Ⅳ级围岩段为强～弱风化的凝灰岩，碎石状镶嵌结构，节理发育，岩体较破碎。Ⅴ级围岩段为角砾碎石状松散结构、强风化的凝灰岩，岩体破碎，节理发育三棱山隧道出口段地下水具盐类结晶侵蚀性，环境作用等级为Y2，混凝土强度设计等级为C40。盐类对衬砌混凝土的侵蚀主要分为盐类物质对混凝土的化学侵蚀，主要为硫酸盐对衬砌混凝土的化学侵蚀和盐类结晶破坏。

1.2 衬砌混凝土腐蚀机理分析

根据隧道土壤含盐量分析报告可知，土壤环境中硫酸根离子的浓度最大为360 mg/kg，当外界环境里的SO通过毛细作用进入到混凝土内部后，与水泥石里的Ca（OH）2和水化铝酸钙发生化学反应生成水化铝酸三钙。生成的钙矾石会使混凝土体积增大，产生巨大的内应力。而影响硫酸盐对衬砌混凝土侵蚀危害程度取决于混混凝土的密实度、混凝土配合比中水泥的用量、所用水泥中C3A的含量、胶凝材料的抗蚀系数及衬砌混凝土的保护层厚度。

盐类结晶破坏是指那些位于干湿交界处的混凝土，通过毛细作用吸进各种可溶性盐溶液，当外界温度较高时，吸收的盐溶液经蒸发、浓缩进而结晶析出，该过程会使毛细管产生巨大的结晶压力从而导致混凝土破坏。溶解于盐碱土中环境水的盐类物质可以高达每升数万毫克。水质一般情况下呈碱性，pH值一般在8～12区间内波动。根据隧道土壤含盐量分析报告可以知道，隧道土壤的pH值最大9.1，土壤呈碱性。這种盐类结晶破坏属于盐类物质对混凝土的物理破坏，且主要集中于衬砌混凝土的干湿交界界面，其危害程度主要取决于衬砌混凝土和水的接触程度以及衬砌混凝土和空气接触时的干湿状态。

2 衬砌混凝土的质量控制措施

2.1 增加保护层厚度，减少可溶性盐类物质对混凝土的化学腐蚀

根据铁路混凝土结构耐久性设计规范有关隧道混凝土结构钢筋混凝土保护层最小厚度的部分可知，当隧道衬砌采用混凝土结构时，其保护层最小厚度应大于50 mm；当衬砌结构处于盐类结晶破坏和腐蚀严重的地方，其最小保护层厚度应适度增加。因此，将混凝土的保护层厚度由预先设计的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筋钢筋净保护层厚度为50 mm）调整到68 mm。

2.2 控制胶凝材料的抗蚀系数

如果胶凝材料的抗蚀系数过小，会增大膨胀率，从而导致混凝土抗硫酸盐能力变差。由铁路行业标准可知，当混凝土结构处于硫酸盐侵蚀环境时，应采用C3A的含量低于8的水泥，且胶凝材料的抗蚀系数应大于0.8，当骨料具有碱-硅酸反应时，水泥的碱含量不应超过0.6%；C40及以上混凝土用的水泥的碱含量不宜超过0.6%。因此，该工程采用辽宁恒威集团有限公司生产的低碱水泥，粉煤灰为阜新鑫源粉煤灰建筑材料有限责任公司生产的F类粉煤灰，矿渣粉为凌源富源矿业有限责任公司生产的S95级矿渣粉。通过增加自检、抽检频率，同时积极与厂家沟通，控制每一份胶凝材料的各项性能指标，从源头上控制胶凝材料的抗蚀系数，保证进场材料都满足规范要求。

2.3 控制骨料的含沙量，减少盐类结晶的作用空间

如果采用含沙量超标的骨料，会影响水化后的混凝土的密实度和强度，导致胶凝材料和骨料间的粘结力降低，引发混凝土开裂，加速硫酸盐对混凝土的腐蚀。因此，骨料入场后，增加自检含沙量的频率，在自检合格的基础上，由监理试验室进行抽检，合格后方可用于施工。

2.4 控制防水板的焊接质量，隔离围岩水和衬砌混凝土的接触

防水板的焊接宽度应大于15 cm，施工缝应该与搭接接缝错开100 cm以上的距离，每道焊缝都应该采取双重焊接，且每一个单焊缝的宽度都应大于15 cm。焊接时要保证焊接质量，确保不出现漏焊、假焊、焊焦和焊穿等现象，在出现焊接质量问题及外露的固定点的地方，应及时用同种材料进行覆盖焊接。每完成一道焊缝都要进行充气检查，检查合格且满足规范要求后，方可进行下一道焊缝焊接，检查时要注意过程控制，要符合监理程序，保证焊接的每一块防水板都会起到防水板应具备的作用，避免出现因在防水板焊接过程中出现施工质量问题，导致衬砌混凝土与围岩水接触，引发盐类物质对衬砌混凝土的侵蚀破坏。

2.5 严格控制混凝土入模含气量，保证混凝土的密实度

如果混凝土的含气量超过规范所规定的数值，会降低混凝土的强度、弹性模量、体积稳定性、密实度、表观密度，同时也会降低混凝土的抗渗性、抗氯离子渗透性等耐久性能指标。当混凝土进入现场后，需由技术人员测定其含气量，经检测合格后，方可进行混凝土浇筑。

3 结语

为了实现避免可溶性盐类物质对衬砌混凝土的侵蚀破坏，保证工程施工质量，该工程提出几项混凝土施工质量控制措施，在经过现场试验室验证，证明这几项措施的可行性后，将这几项措施应用到实际施工里，在实际施工里，发现这几项措施效果良好，所修建的衬砌结构表面无开裂情况。

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