大连某工程地下水对混凝土腐蚀性的研究

董福琳 王 瓒

（1、大连新大地建筑设计研究院有限公司，辽宁 大连 116021 2、大连海昌集团，辽宁 大连 116020）

1 问题的提出

混凝土的耐久性问题十分复杂，不仅环境作用本身多变，带有很大的不确定与不确知性，而且结构材料在环境作用下的劣化机理也有诸多问题有待进一步明确。实际工作中就遇到过较为特殊的工程情况，对混凝土的耐久性设计提出了较高的要求。例如本工程位于大连花园口经济区河入海口处，经钻探揭露，本场区第四系地层自上而下依次为素填土、淤泥质粉质粘土或淤泥等，下部基岩中全风化片麻岩、强风化片麻岩。地下水属第四系孔隙潜水，补给来源为大气降水、河水及海水。稳定水位标高为2.28m～2.50m之间。值得注意的是，地下水的腐蚀性比较强，具体指标如下:PH=6.71；SO42-=6087.0mg/L；Mg2+=4433.7mg/L；Cl-=48240.3mg/L

综合评价，场地地下水对混凝土结构具强腐蚀性；对钢筋混凝土结构中钢筋在干湿交替情况下具强腐蚀性。应该说这个地下水对基础的腐蚀性是非常强的，以往的工程中没有遇到过，笔者对于这个工程情况做了专门的研究和比较。

2 腐蚀作用机理

各种离子对混凝土的腐蚀作用，都分内、外两种，内因主要是混凝土自身的性质，可以通过控制混凝土原料选用、配合比及施工质量来满足，规范也对此有明确的要求。下面主要说一下外因的作用机理。

2.1 Cl-侵蚀机理

一般包裹在混凝土中的钢筋是不会生锈的，因为钢筋本身带有氧化膜，是稳定的，而且混凝土中PH值高，能大幅度抑制钢筋的锈蚀。而氯离子侵入混凝土内部后，会降低混凝土的PH值，产生电化学反应，加快了钢筋的锈蚀。锈蚀的钢筋体积显著膨胀（最大可达原体积的6倍），导致混凝土开裂，受力钢筋锈蚀后截面减小，对结构造成安全隐患。[1]

2.2 SO42-侵蚀机理

硫酸盐溶液与含有铝酸三钙的水泥反应主要生成钙矾石（SO42-浓度较低）或石膏（SO42-浓度较高），钙矾石体积膨胀导致混凝土内部产生应力而产生裂缝。有研究表明 在 观 测 受10%硫酸钠溶液（硫酸根含量相当于73000mg/L）侵蚀1年的混凝土时 ,也仅观测到少量石膏生成[2]。

2.3 Mg2+的侵蚀机理

Bonen和 Cohen曾调查过硫酸镁溶液对水泥浆的影响，提出Mg2+最初在暴露面上形成一层氢氧化镁沉淀。因为其溶解度低，Mg2+不易通过这层膜深入其内部，但是，氢氧化镁的形成消耗了大量的Ca(OH)2，其浓度的下降使得溶液的PH值下降，为了保持稳定性，C-S-H凝胶释放出大量的 Ca(OH)2到周围的溶液中，增加 PH值，这最终导致 C-S-H凝胶的分解，在侵蚀的高级阶段，C-S-H凝胶中的 Ca2+能够完全被Mg2+完全替代，形成不具有胶结性的糊状物。[3]

2.4 各种离子的共同作用

虽然各种离子对混凝土都有一定的侵蚀性，但其相互的作用并不是简单的叠加，甚至有的还是相互制约的。例如Cl-的渗透速度大于SO42-，可以先行渗人较深层的混凝土中，在C-H的作用下与水化铝酸钙反应生成单氯铝酸钙和三氯铝酸钙，从而减少了硫铝酸钙（钙矾石）的生成。混凝土结构耐久性设计规范也提出了相同的概念，混凝土结构耐久性设计规范GB/T 50476-2008[4]中7.2.2条注3，对含有较高浓度氯盐的地下水、土，可不单独考虑硫酸盐的作用。本工程的水样PH值会抑制Mg2+的腐蚀作用，所以主要考虑Cl-腐蚀作用。

3 新规范的要求

混凝土结构耐久性设计规范GB/T 50476-2008从2009年5月1日开始实施，其中对混凝土耐久性做了要求。按照规范，本工程属于IV类环境类别（除冰盐等其他氯化物环境）中的IV-E类环境作用等级（接触高浓度氯离子水体，其中水中氯离子浓度>5000mg/l，有干湿交替）。对混凝土材料的要求:设计使用年限为50年的，板、墙混凝土强度等级应大于C55，保护层厚度50mm；梁、柱混凝土强度等级应大于C50，保护层厚度55mm。如果使用预制构件，保护层可分别减小5mm。而且，应避免表面的凹凸变化，构件的棱角宜做成圆角。

4 问题的解决

本工程基础可以采用两种方案:方案一、碎石桩+独立柱基础；方案二、高强度预应力管桩。

这两种方案都能够解决混凝土耐久性的要求，但是实际工程中，方案一的基础沉降量不能满足设计要求，采用了方案二。采用某桩厂生产的桩头部分为整体性好的尖头预应力高强（C80）混凝土管桩，型号 PHC-500-100(AB)，持力层为全风化片麻岩，并且要求采用整根桩，不允许接桩，实际桩长7m～8m，这样就避免了在桩头及接桩的部分产生问题，这样主要的防腐就转变成桩身的抗腐蚀性研究，而实际工程中，桩身的防腐比较好实现。前面的腐蚀性机理分析表明，本工程主要的腐蚀来自氯离子的腐蚀，目前国家的抗氯离子渗透性的检测主要通过电通量检测，其实验的机理是测量氯离子扩散系数，本工程桩身为C80高强混凝土，设计中要求厂家针对本工程水样做专门的配合比研究，使其提供的产品结构致密，减少混凝土中的孔隙，使管桩的抗渗性得到较大的提高，同时，抗冻性及抗硫酸盐侵蚀性也能够满足相关的规定。

5 还需要解决的问题

目前管桩的规范还没有结合新的混凝土结构耐久性设计规范做相应的修订，在设计过程中，还有矛盾的地方，执行起来也有一定的难度，希望能够尽快解决这方面的问题。另外，截止发稿日期，施工后的效果还比较好，在今后的使用过程中应定期做检测，便于数据的收集和对工程的指导。

[1]许红男,傅淑娟,等.氯离子对混凝土构件的侵蚀及防治.深圳土木与建筑.2009年3月,第6卷第1期.

[2]高润东,赵顺波,李庆斌.复合因素作用下混凝土硫酸盐侵蚀劣化机理.建筑材料学报,2009年2月,第12卷第1期.

[3]巩鑫,赵尚传,巩金鑫.混凝土硫酸盐侵蚀影响因素和测试方法现状与发展.桥隧工程.2009年第05期.

[4]混凝土结构耐久性设计规范GB/T 50476-2008.