韩志超 亢景付 许杨健
(1.河北工程大学建筑工程学院，河北 邯郸 056038; 2.天津大学建筑工程学院，天津 300073)
某滨海地区地铁工程是国内第一条在强腐蚀地层中修建的地铁工程，属于国家级重大工程，设计使用寿命为100年。混凝土是地铁工程用量最大的建筑材料，其耐久性对保证工程的正常运行至关重要。据有关资料记载，深圳地铁[1]、香港地铁、广州地铁、天津地铁和天津大港发电厂等地下水都具有很强的腐蚀性，均引起混凝土结构尤其是混凝土中钢筋及埋地管线的腐蚀。混凝土及钢筋的腐蚀不仅会减少工程的使用寿命，增加其使用期间的维修费用，严重时会导致工程事故，给国家和社会带来严重的损失。因此，地铁工程的混凝土耐久性不容忽视。
邱宗新[2]对影响地下水腐蚀性评价的因素做了分析，认为当混凝土结构直接临水或处于强透水土层中的地下水时受到的侵蚀性更强，干湿交替或冻融交替也可使其侵蚀程度加剧。高怀志等[3]对天津地铁混凝土框架混凝土渗透性做了检测与分析，其渗透性偏高，混凝土会被外界有害介质迅速侵入其内部，使碳化速度加快，严重影响混凝土结构的耐久性。本研究对某滨海地区地铁工程沿线地下水中的有害离子进行调查，并分析了影响混凝土耐久性的主要因素，为滨海城市地铁混凝土耐久性设计提供参考。
1 混凝土的耐久性
2 工程沿线地下水中侵蚀性离子分布
2.1 Cl-分布特征
由图1可知，沿线地下水中Cl-含量变化较大，在0 mg/L～35 000 mg/L之间变化，多为10 000 mg/L～30 000 mg/L。由表1可见，Cl-含量在5 000 mg/L以下的测点仅占总数的14.3%，Cl-含量在5 000 mg/L以上的测点占总数的85.7%，有38.1%的测点Cl-含量超过了《岩土工程勘察规范》中的界限值20 000 mg/L。可见 Cl-含量高，分布在各个车站及区间，浓度梯度大，因此 Cl-是本工程的重点腐蚀离子之一。
表1 Cl-各含量分段测站数
表各含量分段测站数
2.3 Mg2+分布特征
由图1可知，沿线地下水中Mg2+的含量在100 mg/L～2 500 mg/L之间，其中1 000 mg/L以下的有11个测点，1 000 mg/L～2 000 mg/L的有7个测点，2 000 mg/L以上的仅有3个测点。
2.4 pH值及侵蚀性CO2分布特征
沿线地下水pH值多在7.5～8.5之间，呈弱碱性，个别几个测站达到10以上。沿线各测点的侵蚀性CO2含量都较小，只有3个测站有侵蚀性CO2数据大于零，且含量都在6.5以下，其余都为零，均小于岩土勘察规范中的下限15 mg/L。
3 该工程主要存在的耐久性问题
该工程属于滨海地区地下交通工程，为了保证100年设计使用寿命，首先要依据相关规程规范制定合理的混凝土耐久性控制指标。在相关现行规范中，GB/T 50476—2008混凝土结构耐久性设计规范是国标规范，也是各不同行业制定行业规范的重要基础。TB 10005—2010铁路混凝土结构耐久性设计规范是铁路行业规范，但铁路规范是基于高速铁路建设背景，该工程混凝土结构物的工作环境主要体现在地下、交通工程和隧道。因此，在制定混凝土耐久性控制指标时，以GB/T 50476—2008混凝土结构耐久性设计规范为依据，以TB 10005—2010铁路混凝土结构耐久性设计规范、TJT 275—2000海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范和JTG/T B07—01—2006公路工程混凝土结构防腐蚀技术规范等作为参考。
3.1 碳化腐蚀
该工程环境水勘查数据中，只有 3个测站含有侵蚀性 CO2，且含量都很低，因此对隧道盾构管片、车站基础和侧墙的外侧(与土体接触侧)来说，基本不存在碳化问题；但对这些混凝土结构与空气的接触侧来说，应当存在混凝土的碳化问题，但尚不足以成为影响本工程混凝土耐久性的制约条件，只需按照GB 50157—2013地铁设计规范的相关规定进行控制即可。因此，本工程不需单独考虑一般环境(碳化环境)作用问题。
3.2 氯盐腐蚀
根据《铁路混凝土结构耐久性设计规范》，当水中氯离子浓度在500 mg/L～5 000 mg/L或土中氯离子浓度在750 mg/kg～7 500 mg/kg并有干湿交替时，环境作用等级为L2，当水中氯离子浓度不小于5 000 mg/L或土中氯离子浓度在不小于7 500 mg/kg并有干湿交替时，环境作用等级为L3[5]。据此，本工程的氯盐环境作用等级为L2和L3。但这里存在如何定义“干湿交替”的问题。该工程属于地下工程，无冻融，无风吹日晒雨淋，隧道中虽有干湿循环问题，但变化频次和变化幅度都很低且只是局部存在，与海港工程的浪溅区和水位变化区的腐蚀破坏程度无法相提并论。
由于该工程是陆地上的地下工程，氯盐环境要弱于海底隧道，虽然环境水中的离子浓度和海水相差不多，但无大型货车通行，空气中无盐雾存在，并且该工程采用全包(不排水)方式，隧道衬砌外侧没有进入空气的可能。因此，可把该工程的环境作用等级定为比海底隧道低一个级别，即 Ⅲ-C级。但考虑到运行过程中不可避免地会出现渗漏现象，当渗漏水不能及时排出时，道床混凝土和位于隧道底部区域的盾构管片有可能被渗漏水浸泡，部分区段处于干湿交替工作环境，因此从安全考虑，本工程可根据混凝土结构物所处位置的不同确定氯盐环境的级别：车站底板混凝土、道床混凝土和盾构管片混凝土按Ⅲ-D级进行设计，其他混凝土按Ⅲ-C级进行结构设计。
当配筋混凝土结构的设计使用年限为100年，环境作用等级为Ⅲ-C和Ⅲ-D时，满足耐久性要求的混凝土最低强度等级为C45[6]。鉴于目前盾构管片混凝土的强度等级均不低于C50，建议本工程采用C45和C50两种强度等级的高性能混凝土。盾构管片选择C50混凝土，其余现浇混凝土的强度等级为C45。对于板、墙等面形构件，对应于Ⅲ-C和Ⅲ-D的最小保护层厚度分别为45 mm和55 mm，对于梁柱等条形构件，对应于Ⅲ-C和Ⅲ-D的最小保护层厚度分别为50 mm和60 mm。
根据《混凝土结构耐久性设计规范》，当设计使用年限为100年、环境作用等级为Ⅲ-D时，混凝土28 d氯离子扩散系数DRCM≤7×10-12m2/s；当环境作用等级为Ⅲ-C时，规范并未规定具体目标。但考虑到混凝土的密实性对保证混凝土耐久性尤其是氯盐腐蚀具有重要意义，且当混凝土的水胶比不大于0.40时，做到DRCM不大于5×10-12m2/s并无困难，并且国内已建海底隧道工程和盾构管片都要求DRCM不大于3×10-12m2/s。因此，建议对于该工程潜水中氯离子含量小于5 000 mg/L的地段，混凝土28 d氯离子扩散系数为DRCM≤7×10-12m2/s；对于氯离子含量在5 000 mg/L～20 000 mg/L范围内的地段，建议混凝土28 d氯离子扩散系数为DRCM≤5×10-12m2/s；对于氯离子含量在20 000 mg/L以上的地段，建议混凝土28 d氯离子扩散系数为DRCM≤3×10-12m2/s。
3.3 硫酸盐腐蚀
根据《铁路混凝土结构耐久性设计规范》4.3.4，确定盐类结晶环境作用等级的依据是水中或土中的硫酸根离子含量。《铁路混凝土结构耐久性设计规范》表4.3.4的注2明确指出，对于一面接触含盐环境水(或土)，而另一面临空且处于大气干燥或多风环境中的薄壁混凝土结构(如隧道衬砌)，接触含盐环境水(或土)的一侧按遭受化学侵蚀环境考虑，临空面的混凝土按遭受结晶腐蚀破坏环境考虑。按此条判断，该工程似乎存在盐类结晶腐蚀环境。
但若考虑到该工程属于近海地下工程，环境水与海水相差无几，可认定为近海氯化物环境。而铁路规范条文说明4.3.3又指出，关于海水环境对混凝土的影响，主要考虑了其中氯离子对钢筋的腐蚀作用。至于海水中硫酸根离子的化学作用，虽然硫酸根离子浓度已达到中度侵蚀的2 500 mg/L，但鉴于同时存在氯离子对硫酸盐侵蚀的减缓作用，将海水硫酸盐侵蚀程度降为轻度硫酸盐侵蚀。国内已建的厦门海底隧道、胶州湾海底隧道等工程，混凝土结构的工作环境要比本工程更为严酷，环境腐蚀等级应该高于本工程，但都没有考虑硫酸盐腐蚀破坏问题[7,8]。
基于以上分析论证，确定该工程属于海洋环境工程，不再考虑硫酸盐结晶腐蚀破坏。
4 结语
2)该工程主要的混凝土耐久性问题为氯盐腐蚀，应严格控制混凝土抗氯离子扩散系数及混凝土原材料中的氯离子含量。
[1] 曹权高,刘健炜.深圳地铁11号线地下水侵蚀性统计分析[J].上海应用技术学院学报(自然科学版),2016,16(2):147-150.
[2] 邱宗新.对地下水腐蚀性评价问题的几点认识[J].福建建筑,2006(2):60-62.
[3] 高怀志,李养平,郝挺宇,等.天津地铁钢筋混凝土框架混凝土渗透性检测与分析[J].混凝土,2005(9):94-96.
[4] 高 升.基于兰州地铁工程硫酸盐对混凝土耐久性的影响[J].甘肃科技,2017,33(6):97-100.
[5] TB 10005—2010，铁路混凝土结构耐久性设计规范[S].
[6] GB/T 50476—2008，混凝土结构耐久性设计规范[S].
[7] 孙富学.海底隧道衬砌结构寿命预测理论与试验研究[D].上海：同济大学,2007.
[8] 刘 伟.胶州湾隧道二次衬砌混凝土的耐久性研究[D].青岛：青岛理工大学,2008.
[9] 王柏源.环境水对水工混凝土硫酸盐侵蚀破坏的实例及研究[J].大坝观测与土工测试,1985(2):8-12，21.
