某地铁工程地下水腐蚀性评价及对策研究

轩吉善 XUAN Ji-shan

（中化地质河南局集团有限公司，郑州 450000）

0 引言

当地下水中含有某些腐蚀成分时，会对混凝土构筑物的稳定性造成破坏，进而影响混凝土基础结构的耐久性与工程寿命[1]。若某工程建筑物需要经常与地下水接触时，在工程地质勘察中必须采取水样，进行水化学腐蚀性分析，评价地下水的侵蚀性，为工程的防腐设计提供依据[2]。近年来，越来越多的城市开始修建地铁，以缓解城市公共交通压力。由于地铁工程百年的耐久性使用年限要求，在各地城市轨道的工程建设中，混凝土结构的耐久性问题得到了广泛的重视。王慎堂等[3]（2001）研究了高强混凝土在南京地铁隧道衬砌管片中的应用，论文研究表明，高性能混凝土应用于盾构隧道管片中会产生良好的效果。同时也有一些学者对地铁混凝土设施的地下水腐蚀性进行评价，对地铁混凝土设施建设提供防治措施。本文以某地铁工程为例，采用一系列原位浸泡实验，对不同厂家的混凝土材料性能进行测试并比较，同时得到不同条件下混凝土的性能指标变化，针对试验结果及地下水腐蚀性评价结果，提出一些防腐措施，为轨道交通建设提供参考。

1 研究区概况

研究区总体呈东西走向，地形平坦，地面高程一般74.0～76.0m，局部较高。地形为长形河谷盆地，西起凤凰山，东至青秀山，向东开口，南、北、西三面环山，盆地中心为邕江宽广河谷，各河流聚集于此，组成向心水系。研究区属于亚热带季风气候，炎热潮湿，年平均气温在21.6度左右。研究区处于三个水文地质单元之间，对研究区造成主要影响的含水岩组是邕江冲积层孔隙含水岩组。孔隙水主要赋存于邕江河谷阶地冲积砂砾石层中，水位埋深一般大于5m。地下水位受季节变化影响较大，雨季（即4～10月）降雨充沛，地下水位明显上升，旱季地下水位因为雨量减少而下降。南宁市地下水补给主要有降雨入渗、地表水入渗及农业灌溉水入渗三个方面的来源，其中，降雨入渗、地表水入渗最为广泛。

2 地下水腐蚀性浸泡实验研究

本研究采取原位浸泡的方式，通过对当地3家混凝土生产厂家的C30和C50混凝土试件，在原位浸泡前后各项性能指标（立方体抗压强度、抗碳化能力、抗氯离子渗透能力等）的检测，评价研究区地下水侵蚀性，并分析其对不同厂家混凝土性能的影响。

2.1 立方体抗压强度试验

立方体抗压强度试验就是检验混凝土的强度是否能够满足实际要求[4]。本实验对不同厂家的混凝土试块分别养护到7天、28天和65天的龄期，并且经过6个月原位浸泡，通过对不同养护龄期以及浸泡前和浸泡后的抗压强度进行对比，以测定地下水长期腐蚀对不同混凝土的抗压强度的影响。

原位浸泡后，由于表面的腐蚀破坏，混凝土试件受压破坏前，均有非常明显的表面层状剥落现象。试验结果分析表明，原位浸泡后甲厂家C30、C50混凝土抗压强度均低于28天龄期强度，乙、丙厂家C30、C50抗压强度均高于28天龄期强度，但各厂家混凝土抗压强度都能达到设计要求（如图1-图4）。

图1 C30抗压强度的龄期—强度关系图

图4 C50抗压强度随龄期的变化规律

由于浸泡时间较短（6个月），地下水长期腐蚀对混凝土抗压强度的影响规律尚待进一步研究，实际工程应用时，必须加强对地下水腐蚀作用的重视。

2.2 混凝土碳化试验

CO2气体通过硬化混凝土细孔进入到混凝土内，与其碱性物质（Ca（OH）2）产生化学反应生成碳酸盐和水，这一过程称为混凝土碳化[5]。混凝土碳化使其碱性降低，强度下降，破坏混凝土耐久性。本实验采用快速碳化的方式，在碳化箱内进行碳化，调节阀门，使气体均匀的进入碳化箱。通过喷洒酚酞试剂对混凝土试块测试碳化深度，以比较混凝土抗碳化的能力（如表1）。

表1 各龄期的平均碳化深度

混凝土试件碳化试验表明，混凝土碳化深度也随着试验龄期的增加而增加，各厂家混凝土的碳化深度增长率则不同。试验结果表明：C50混凝土的碳化深度明显小于C30混凝土（如图5-图6）。

图2 C50抗压强度的龄期—强度关系图

图3 C30抗压强度随龄期的变化规律

图5 C30混凝土碳化深度

图6 C50混凝土碳化深度

2.3 抗氯离子渗透试验

混凝土的抗氯离子渗透性是混凝土耐久性的关键指标之一[6]。测试混凝土的抗氯离子渗透性能对测试混凝土工程质量具有重要作用。通过外加电场以及AgNO3溶液试剂，测试试块的氯离子渗透深度，原位浸泡前后采取的同样的试验方法，比较不同混凝土氯离子扩散系数。

浸泡前后各厂家C30、C50抗氯离子渗透变化对比如图7-图10所示。分析表明：由于浸泡时间较短，地下水的侵蚀未达到混凝土内部。而内部芯样处混凝土则因未受到地下水的侵蚀影响，随龄期的增长，密实性增加。

图7 C30混凝土氯离子扩散系数比较

图8 C50混凝土氯离子扩散系数比较

图9 C30混凝土氯离子扩散系数比较

图10 C50混凝土氯离子扩散系数比较

3 地下水腐蚀性评价

3.1 腐蚀性评价条件

按照《岩土工程勘察规范》（GB 50021-2001）（2009版）第12.2条及附录G有关规定，地下水对建筑材料的腐蚀性评价针对不同的含水层渗透性、浸水条件、环境类型、等有着不同的规定。根据本工程的特点，结合研究区地下水特征，地下水的腐蚀性评价具体条件如下：

研究区属湿润地区，含水量一般为20～30%。因此按Ⅱ类环境类型地下水对混凝土结构的腐蚀性；浸水条件：采用地下线，一般隧道处于长期浸水环境，因此地下水对钢筋混凝土腐蚀性评价按照长期浸水条件考虑。

3.2 腐蚀性评价指标

根据采取地下水水样水质分析结果资料，按照相应的评价条件，综合评价地下水对建筑材料的腐蚀性。

按照国家标准《岩土工程勘察规范》（GB50021-2001）（2009版）第12.2条规定，沿线地下水对混凝土结构腐蚀性及对钢筋混凝土结构中的钢筋腐蚀性的化学指标如表2。

表2 地下水腐蚀性化学指标

3.3 腐蚀性机理及其原因

通过对研究区水文地质条件、水质分析成果、地下水化学类型等的综合分析，对腐蚀性中等区域其腐蚀性介质主要为侵蚀性CO2。主要是对混凝土结构具有中等～强腐蚀性。对钢筋混凝土中的钢筋具有微腐蚀性。

造成腐蚀的原因可能仅是某一种因素，也可能是多种因素的共同作用。由于混凝土的腐蚀机理分类较为复杂，结合腐蚀性指标，根据地下水对混凝土的腐蚀性特征，分为以下三类[7]：

①分解性侵蚀。分解性侵蚀是指酸性水对水泥的氢氧化钙与碳酸钙进行溶滤和溶解，使得混凝土分解破坏的作用。当水中含有一定的H+离子时，会与水泥的氢氧化钙反应，使混凝土遭受溶蚀破坏，反应式为：Ca（OH）2+2H+=Ca2++2H2O；当水中含有较多侵蚀性CO2时，水的溶解能力增强，使碳酸钙溶解，混凝土结构遭受破坏，其反应式为：CaCO3+H2O+CO2→Ca2++2HCO3-。

②结晶性侵蚀。结晶性侵蚀是指水中过量的SO42-渗入混凝土体内，与水泥的某些分发生水化作用，形成易膨胀的结晶化合物，使混凝土胀裂破坏。如形成石膏和硫酸铝，其体积分别增大1.5倍和2.5倍。为了防止SO42-对混凝土的破坏作用，可采用抗硫酸盐的水泥。

③分解结晶复合性侵蚀。分解结晶复合性侵蚀是指水中Ca2+、Mg2+、Zn2+、Fe2+、Al3+等阳离子含量过高，而对混凝土的一种复合破坏作用。如MgCl2与混凝土中结晶的Ca（OH）2反应后，容易对混凝土造成破坏，其反应式为：MgCl2+Ca（OH）2→Mg（OH）2+CaCl2。对分解结晶复合性侵蚀的评价，一般使用于被工业废水污染的地下水。

根据研究区地下水腐蚀性指标的分析，研究区主要影响作用的是分解性侵蚀。由于研究区处于湿热多雨环境中，土层透气性差，厌氧的硫酸盐还原菌繁殖，将地下水中的硫酸盐还原为硫或硫化物；当旱季来临，土层透气性改善，硫及硫化物被氧化为硫酸，导致土层及地下水的pH值降低；在细菌生物化学作用下，有机质分解出大量CO2，当水中溶入的CO2超出与H+和HCO3-等平衡所需的量，多余的CO2即为侵蚀性CO2。

研究区地下水腐蚀机理为：地下水中游离的二氧化碳使CaCO3+H2O+CO2→Ca2++2HCO3-反应向右进行而侵蚀水泥浆体，进而加速硬化水泥浆体中氢氧化钙转变成可溶性重碳酸钙的过程。由于混凝土制作过程中难以避免的出现微裂隙和孔隙，水溶液中的侵蚀性CO2进入混凝土中，引起混凝土的碳化。检测表明，研究区中等腐蚀性区域的地下水CO2含量较高，进而引起第二反应，将中性化生成碳酸钙溶解，生成可溶性重碳酸钙。可溶性重碳酸钙被流动的地下水冲走，在冲刷掉混凝土腐蚀表层同时，进而向混凝土内部逐步腐蚀。综上分析，认为研究区地铁混凝土地下水腐蚀破坏是：在动态水溶液的作用下，使得第一反应和第二反应交替循环，逐步将混凝土侵蚀破坏，因此这一问题必须引起足够的重视，并采取措施加以控制和解决。

4 地下水防腐对策建议

针对不同混凝土原位浸泡试验以及地下水腐蚀性机理的分析，结合相关研究，在防腐设计，混凝土材料选择、以及耐久性指标方面，提出以下防腐措施。

4.1 防腐设计 该地铁沿线水文地质条件复杂，地下水中的侵蚀性CO2对结构混凝土具有很强的腐蚀性作用，因此在防腐设计中应遵循以下原则：①应重视地下主体结构迎水面混凝土的防腐蚀问题，在严重和非常严重的腐蚀性区段，应在混凝土表面加以保护措施，比如涂层覆盖。对于重要工程部位，应采取多重防护对策，以增加其耐久性。②在各腐蚀性区段，应正确使用矿物掺和料，尽量使用低水胶比混凝土，确保混凝土的质量控制标准和施工技术要求，保证混凝土有良好的均质性、耐久性和抗裂性。③在严重和非常严重的腐蚀性区段，地下结构混凝土可考虑采用全包防水设计，尽量减少或避免侵蚀性地下水与主体结构混凝土接触。在可能的条件下，应采取必要措施降低主体混凝土结构外围土层的地下水渗透性。④由于研究区沿线地下水的侵蚀性特点，应通过根据实际情况精选混凝土材料，进行合理的配比设计并注重施工养护，严格控制主体结构混凝土表面由于非荷载作用原因所产生的裂缝。⑤应适当增大主体结构混凝土保护层厚度，并应考虑保护层施工允许负偏差的影响。重视混凝土连接缝中钢筋结构的防锈措施。

4.2 混凝土原材料选择①配制混凝土的硅酸盐类水泥一般应为品质稳定的硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥或矿渣硅酸盐水泥，应尽可能避免使用早强水泥[8]。②配置混凝土时尽量使用品质稳定、来料均匀的优质混凝土矿物掺和料。③对于腐蚀环境下的结构混凝土，在满足结构安全性的前提要求下，首先应考虑控制混凝土的各项耐久性指标，以增加混凝土结构的使用寿命。

4.3 结构混凝土耐久性能控制指标

实际工程中，针对具体的环境类别，应重视测定抗碳化能力、抗压强度、氯离子扩散系数等具体量化耐久性的指标[9]。利用这些指标评测混凝土耐久性，以实现混凝土质量控制和检验。由于地下混凝土结构所受到的侵蚀作用程度与其所处的地下水环境有关，因此，应根据结构所处的地下水环境腐蚀性等级及结构的保护层厚度等来确定相应的耐久性控制指标参数。本文试验研究表明：室内快速碳化试验所测得的28d试验龄期的平均碳化深度与原位浸泡6个月后混凝土的平均中性化深度间具有很好的回归关系。因此，考虑到实际施工质量控制的可行性，可采用室内快速碳化试验所测得的28d试验龄期的平均碳化深度来反映主体结构混凝土的抗中性化能力。

5 结论

本文采取原位浸泡试验方法，对3家混凝土生产厂家的C30和C50混凝土试件的性能指标进行检测，分析地下水腐蚀对不同混凝土性能的影响，对研究区地下水腐蚀性进行评价，得出以下结论：①地下水环境的长期腐蚀作用对混凝土耐久性具有不利影响。混凝土试件抗压强度试验表明，由于表面的腐蚀破坏，混凝土试件受压破坏前，均有非常明显的表面层状剥落现象。混凝土试件碳化试验表明：混凝土试件碳化试验表明，混凝土碳化深度也随着试验龄期的增加而增加，不同厂家混凝土的碳化深度增长率不同。抗氯离子渗透试验结果表明地下水的侵蚀未达到混凝土内部。②通过对研究区地下水化学类型、水文地质条件、水质分析成果等的综合分析，其腐蚀性介质主要为侵蚀性CO2，主要影响作用的是分解性侵蚀。③研究区混凝土地下水腐蚀破坏是：在动态水溶液的作用下，使得第一反应和第二反应交替循环，逐步将混凝土侵蚀破坏，因此这一问题必须引起足够的重视，并采取措施加以控制和解决。④对地铁工程不同位置采取合理的防腐设计措施，保证地铁百年安全大计。