关于杭州地铁混凝土耐久性的几点建议

刘臻一，李建明，史想亮，肖伟伟

(杭州申华混凝土有限公司，浙江 杭州 311108)



关于杭州地铁混凝土耐久性的几点建议

刘臻一，李建明，史想亮，肖伟伟

(杭州申华混凝土有限公司，浙江 杭州 311108)

根据杭州地区的情况，以商品混凝土企业的角度，从原材料选用、配合比设计、混凝土性能、对施工单位的要求等几方面，对杭州地铁混凝土的耐久性方面提出一些建议。

原材料；配合比设计；混凝土性能；施工；耐久性

杭州地铁建设与全国的地铁建设相比，在省会城市里是属于相对较慢的一个，与杭州经济发展的程度是不匹配的。慢的原因是杭州地区的地质条件不理想，建设的难度较大，建成后的维护成本较高，运营和使用时安全保障难度大。这些表明杭州地铁建设相对于其他地区，对各方面都提出了较高的要求。

混凝土的耐久性是考虑到混凝土在所使用的环境作用下，引起的材料性能的劣化对结构耐久性带来的影响。混凝土结构的耐久性不足，不仅会增加使用过程中的维修费用，影响工程的正常使用，而且会过早地结束结构的使用年限，造成资源的严重浪费。所以在建设时，考虑混凝土耐久性的意义重大，不但能确保结构的使用年限需要，也有利于节约资源，符合国家可持续发展的战略。又因为环境作用下的混凝土结构耐久性问题十分复杂，具有较多的影响因素，存在很大的不确定性，所以混凝土结构耐久是一个系统工程，根据工程的设计使用年限，所处环境作用的类别，从混凝土原材料、裂缝控制、构造措施、施工、混凝土防腐蚀强化措施以及检查与维修等多方面，提出相应的要求，以保障混凝土结构的耐久性。

本文从一个商品混凝土企业的角度，本着做好本职工作，为本地区建设负责的态度，从以下几个方面，谈谈如何提高杭州地铁所用混凝土耐久性，供各方相关从业者探讨。

1　原材料的选用

原材料质量保证是混凝土耐久性的最基础的一步，不具备符合要求的原材料，混凝土的耐久性就无从谈起。国家或行业在制定标准规范时，面对的是整个国家的所有地区，是为了控制原材料的匀质性、无毒性和无害性，只是产品标准。质量符合国家标准或行业标准的原材料，未必能满足本地区混凝土耐久性的需要，所以本地区应根据具体情况，结合现有的规范，制定出满足本地区地铁建设的原材料标准，供混凝土供应商参考执行，以保证混凝土的耐久性。

选用优质的原材料，结合本地区各种材料的状况，对商品混凝土企业来说，影响混凝土耐久性最关键的就是外加剂、粗细集料及粉煤灰的选用，这几种材料性能决定了本地区大多数商品混凝土的产品质量及耐久性。

1.1外加剂

地铁建设应全面选用聚羧酸减水剂。

聚羧酸减水剂作为最新一代的减水剂，其对混凝土耐久性的提高远远大于上一代萘系脂肪族系减水剂。目前在我国对混凝土性能要求较高的高铁、核电等建设项目中，已经完全使用聚羧酸减水剂。在美国、日本、欧洲等发达国家，聚羧酸减水剂已经作为最主导的减水剂在使用。我国北京、天津等城市主城区内的建设，已经要求完全使用聚羧酸，贵阳、广州、福州及浙江省的宁波地区聚羧酸使用的比例也较大。这些都表明聚羧酸作为最新型的减水剂，因其对混凝土性能的改善及生产和使用的绿色环保性，符合我国绿色建材的要求，必然成为未来减水剂的主要产品。

聚羧酸与萘系脂肪族相比，主要有以下优点。

1.1.1减水率高

比萘系脂肪族系更高的减水率，就意味着在混凝土配合比设计中可以使用更少的用水量。混凝土配合比设计中的用水量只有占胶材总量大约25%的水是参与水化的，其余多出的水是为了调节混凝土的工作性，并保证混凝土的施工。这些未参与水化的水最终都会从混凝土中析出，而析出的过程中就会在混凝土中形成很多毛细管道，这些管道还都是贯通的，从而降低了混凝土的抗渗透性，自然对耐久性不利。聚羧酸能减少混凝土的用水量，就是降低了自由水的数量，相当于减少了毛细孔的数量，从而提高了混凝土的耐久性。

1.1.2有害物质少

聚羧酸的绿色环保性就体现在其自身的有害物含量少上，这对混凝土的耐久性是非常重要的。

原材料的有害物质含量对混凝土耐久性影响巨大。聚羧酸在合成的过程中是没有排出物的，其参与合成的化合物也没有含有碱(Na2O、K2O)及氯离子的基团，所以聚羧酸具有极低的碱含量和氯离子含量，这些对控制混凝土的碱骨料反应和钢筋锈蚀都非常有利，并会提高混凝土的耐久性。这些都是萘系和脂肪族系减水剂产品所不能比拟的。

1.1.3强度增长好

国家规范《混凝土外加剂(GB 8076—2008)》[1]中在混凝土抗压强度比的规定上，聚羧酸减水剂各个时期的值都大于萘系脂肪族系减水剂的值，这就说明了聚羧酸在混凝土强度增长上，优于萘系脂肪族减水剂。强度是保证混凝土结构耐久性的必要条件，强度增长性能好的产品，对混凝土的耐久性自然有更好的保障。

1.1.4混凝土收缩小

聚羧酸与萘系脂肪族系相比，混凝土收缩要小很多。这一点也可以从《混凝土外加剂(GB 8076—2008)》[1]规范中显现出来。萘系脂肪族系28 d的收缩率比控制值是小于等于135，而聚羧酸的控制值是小于等于110。从这一点上，可以有效地减少混凝土的收缩裂缝数量，极大地提高混凝土的耐久性。

1.2粗细集料

1.2.1粗骨料

杭州周边地区多丘陵，各个区域的矿山的材质相差较大，又因为目前对环境的重视，各石矿企业对石子的处理能力不足，就造成不同区域石子质量偏差较大，泥粉含量较重，品质较乱。

粗骨料的粒形、级配和有害物质是影响混凝土耐久性的关键。为了确保混凝土骨料具有良好的级配，采用多级配石是一个既有效又易操作的技术措施。使用过程可通过对粗骨料实行分级采购、分级存贮、分级计量，配合比设计时再确定各级配石的具体用量，以使骨料具有尽可能小的孔隙率，从而可以降低混凝土胶凝材料用量，改善混凝土施工时的工作性和硬化后的密实度，以此提高混凝土的耐久性。

本地区粗骨料有害物质的含量主要是泥粉含量，这对混凝土的耐久性影响较大，这些指标控制值可以参考高铁规范，结合本地区的实际情况，对相应的指标作出具体要求。

1.2.2细骨料

细骨料应选用级配合理、质地坚固、吸水率低、空隙率小的洁净天然中砂。

本地区因各区域矿山的质地相差较大，生产出来的人工砂质量极为混乱，大多数企业使用的人工砂都会存在颗粒级配不合理、材质不一、坚固性差、泥粉含量较重等各种质量问题。甚至有部分企业所使用的人工砂就是石矿企业生产石子过筛后的废料，泥粉含量能达到30%以上，采用这样的细骨料生产出的混凝土来保证施工性，必须使用较高的用水量，从而造成混凝土硬化后形成较多的缺陷，根本无法保证地铁混凝土的耐久性。

使用天然中砂拌制的混凝土比人工砂拌制的混凝土耐久性高是一个不争的事实。因为天然中砂的细度模数易控制，颗粒级配比较合理，颗粒形态较好，质地比较坚固，含泥量小，配制出的混凝土施工性能好，混凝土比较密实，形成的缺陷相对较少，对混凝土的耐久性比较有利。在本地区周边大量的高铁建设中，为了保证高速铁路的耐久性，细集料全部选用了天然中砂，就表明了本地区的人工砂的性能还存在较大的缺陷，不足以满足高性能、耐久性混凝土的要求。

1.3粉煤灰

粉煤灰应用技术已经非常成熟，但由于本地区市场上供应的粉煤灰比较混乱，质量参差不齐，以及商品混凝土企业技术人员对粉煤灰质量重要性的认识不足，从而导致很多达不到Ⅱ级粉煤灰性能的Ⅲ级粉煤灰或原状灰，在市场上大量存在且在商品混凝土企业中普遍使用。

粉煤灰的质量性能对混凝土的耐久性影响是比较大的。品质优良的粉煤灰，其独有的玻璃微珠能改善混凝土的和易性，使混凝土显得更为松软且包裹性好。其二次水化反应能有效地吸收水泥水化产生的Ca(OH)2，其生成物能起到封孔固化，改善混凝土孔的结构，使混凝土更为致密，提高混凝土强度的同时也提高了混凝土的耐久性。又因为粉煤灰的波特兰效应消耗了Ca(OH)2，降低了混凝土的Ca(OH)2含量，提高了混凝土的抗碳化能力，有利于混凝土对碳化环境的抵抗，而杭州地质条件就是碳化环境，就更显出使用优质粉煤灰的重要性。大量研究还表明，优质粉煤灰的使用还能提高混凝土的抗裂性，而混凝土裂缝对混凝土耐久性的危害最大，这再次表明选用优质粉煤灰的重要性。

杭州地铁建设用混凝土的粉煤灰可以参考国家高速铁路建设对粉煤灰的要求，对粉煤灰指标，根据本地区的实际情况，作出具体的性能要求，要求各混凝土企业必须使用Ⅱ级及Ⅱ级以上的粉煤灰，坚决杜绝Ⅲ级粉煤灰应用到地铁建设中。

2　配合比设计

为了提高混凝土的耐久性，在配合比设计时就按照一定的要求，采用有利于提高混凝土耐久性的参数控制，是最有效的技术保障措施。

2.1水胶比

水胶比是控制混凝土强度的最为重要的参数，而合适的结构强度是耐久性保证的必要条件。根据现有的耐久性标准，对不同强度等级及不同环境作用下的混凝土设定最大水胶比来保证耐久性混凝土的强度，以提高混凝土抵抗环境侵蚀作用是十分必要的。又因为混凝土拌合时的用水量在其浇筑成型后被水化结合的很少，大量游离水蒸发后造成混凝土中的薄弱环节，给混凝土的开裂和耐久性带来不利影响。因此，控制混凝土的水胶比是保证混凝土质量的重要措施。

这一点可以参考《混凝土结构耐久性设计规范(GB/T 50476—2008)》[2]和《铁路混凝土结构耐久性设计规范(TB 10005—2010)》[3]等现有的耐久性规范标准，根据杭州的具体情况，作出相应的参数设定。

2.2胶凝材料用量

胶凝材料的使用量对混凝土的影响是很大的。合适胶凝材料的使用量不仅要保证混凝土的强度，而且还要满足混凝土在浇筑过程的施工性，及混凝土在强度发展过程中其水化生成物对环境侵蚀的抵抗力。

耐久性混凝土不同于普通结构的混凝土，它不但为了保证强度规定了在配合比设计时最少胶凝材料的使用量，而且考虑到过多的胶凝材料会增加水化放热量，加大混凝土收缩，使混凝土更容易开裂，还会造成混凝土泛浆分层等不利于混凝土耐久性的因素。为了提高混凝土的体积稳定性，所以在高强度等级混凝土配合比上，还规定了最大胶凝材料使用量。

2.3矿物掺和料用量

大量的研究表明，矿物掺合料的使用对提高混凝土的耐久性是非常有利的。矿物掺合料的波特兰效应能在较长的一段时间持续进行，对混凝土后期的强度增长贡献较大，有利于混凝土的耐久性。将其二次水化产物填充到混凝土的孔隙中，改善了混凝土的微观结构，使混凝土更为致密，提高了混凝土抵抗水、酸和盐类物质的腐蚀能力，而且还能降低氯离子在混凝土中的扩散系数，从而提高抵抗碱骨料反应的能力，自然也提高了混凝土的耐久性。其二次水化反应缓解了水泥水化反应集中放热，并降低了混凝土水化时期的温度梯度，减少了温度应力，降低了混凝土开裂的风险，对大体积混凝土的耐久性提高是非常有利的。

所以在高铁及核电等对混凝土要求较高的混凝土结构中，都推荐大掺量使用矿物掺合料，降低水泥使用量来提高混凝土的综合性能，而不是现在杭州地铁设计文件中对混凝土所要求的最低水泥使用量。

3　混凝土性能要求

混凝土耐久性控制在性能要求方面包括施工时的工作性，及硬化后对各种环境侵蚀的抵抗作用。从商品混凝土企业的角度，具有较大影响的包括施工时的坍落度控制值，浇筑时的混凝土含气量，硬化后混凝土的电通量。

3.1混凝土施工坍落度

混凝土施工时的坍落度控制值应是杭州地铁混凝土耐久性的一个重要的影响因素，因其不仅影响到混凝土自身，而且还影响到混凝土结构的施工难度及施工连续性。

目前杭州在建地铁混凝土设计图纸上，对坍落度的施工控制值大都是(140±20)mm或(120±20)mm，很多施工单位和监理单位在实际施工时，要求值比控制值还低，以致造成混凝土在施工时出现很多问题。本单位参与地铁建设多年，认为这里存在的问题不仅严重影响到混凝土的耐久性，甚至在很多时候连混凝土的基本强度都不能保证。

由于设计所用的规范滞后及新材料和新技术的应用过快，设计单位在设计时依据的规范仅考虑到坍落度大的混凝土的收缩大，从而忽略了混凝土在实际使用中的其他问题。地铁混凝土的很多结构部位，尤其是各种梁等重要的力的传递部位，由于结构中的配筋率很大，这样就造成钢筋间距比较小，坍落度小的混凝土在施工时存在较大的施工难度。由于不易振捣，就会出现振捣不实、漏振、局部过振、施工速度慢、工人施工时情绪大等不利因素，从而造成混凝土蜂窝麻面、不密实、匀质性差等问题。还有施工速度慢和施工时间过长形成的施工冷缝，工人情绪大时私自随意加水造成混凝土强度不能保证。杭州的早晚高峰时段混凝土企业为保障混凝土供应，集中发车造成的压车混凝土等待时间过长时混凝土坍落度损失等问题，形成一个恶性循环的怪圈。这些都因混凝土坍落度的设计值太小而形成，造成连混凝土的施工连续性和基本强度都无法保证，耐久性就更无从说起。

为了降低混凝土在这方面的风险，根据本公司在混凝土供应中所积累的经验，综合考虑质量、施工速度和难度、施工人员的情绪、杭州交通状况等各种因素，建议施工时的坍落度控制在(180±20)mm比较合适，从而能降低施工难度，规避掉许多风险因素，并可提高混凝土的综合质量和耐久性。

3.2混凝土含气量

合适的混凝土含气量是提高混凝土耐久性一个既简单又行之有效的控制指标，在实际操作中及经济上，都很容易实现。日本为了提高混凝土的耐久性，混凝土规范中定义的普通混凝土就是具有一定含气量的混凝土，而不加入引气组分的混凝土则称为特种混凝土。我国高铁建设中规定混凝土的含气量控制在2%～4%，水工混凝土要求含气量不低于4.5%，这些都体现在含气量对混凝土耐久性的贡献上。

混凝土掺入一定引气组分的外加剂后，能使每方混凝土中引入数千亿个微小气泡，这些微小气泡均匀地分布在混凝土体系中，能起到改善混凝土的工作性，减少混凝土的用水量，降低混凝土的泌水率，使混凝土的悬浮状态更加稳定，并能减少混凝土中粗骨料底部浆体泌水和沉陷等不良现象，从而可以提高混凝土的匀质性。又因为混凝土存有合适的含气量，改善了混凝土的孔结构，能有效地隔断未参与水化的自由水的泌水通道，减少贯通毛细孔的形成，从而可以提高混凝土抵抗环境侵蚀的能力。混凝土含有一定的含气量，能一定程度地降低混凝土的脆性，提高混凝土的韧性。以上这些对混凝土的耐久性都是有利的。

3.3混凝土的电通量

混凝土的密实性是其抵抗环境中水、气以及溶解于水中的各种盐等有害物质侵入混凝土的第一道防线，并直接影响到混凝土的抗渗、抗碳化、护筋、抗硫酸盐腐蚀、抗冻等耐久性能。传统方法上采用混凝土抗高压水渗透能力(抗渗性能)来表示混凝土的密实性能。研究发现，对于强度等级高于C30的混凝土，单靠抗渗标号已难以表征高强度混凝土的密实性。而目前比较通用的评价高强度混凝土抵抗外界各种有害离子侵蚀能力的检测方法，就是电通量法。所以，为了更为直观的评价杭州地铁混凝土的耐久性，杭州地铁混凝土应引进混凝土电通量控制值，可以对不同等级的混凝土电通量作出相应的要求，以此来保障混凝土对各种有害物质的抗侵蚀性。

4　对施工单位的要求

符合技术要求的混凝土从商品混凝土企业生产出及运输到工地，只能算完成混凝土质量保证的一半，余下的质量保证就要靠施工单位来完成，所以说施工单位的施工对混凝土的质量保证及耐久性影响占有很大的比重。

笔者所在企业在杭州地铁建设中，发现在以下几个方面对混凝土的性能影响比较大。

4.1必要的施工条件

目前杭州地铁的建设很多都在主城区内，周边建筑已经建设完善、地下管线比较复杂、道路宽度受限，为保证地铁施工时交通的有效通行，很多站点的施工作业面是很狭小的，甚至出现汽车泵都无法安全支撑的情况；还有很多站点建设采用局部盖挖施工法，需要在盖板下面作业施工，使施工难度增大，施工速度非常缓慢，容易导致混凝土在施工中出现问题。

为了保证混凝土的质量及耐久性，施工单位要根据施工平面图，合理地安排施工现场平面布置，来尽力满足施工条件，以利于施工的连续作业性，保证混凝土质量。这里需要特别注意的是，施工单位在盖板上预留施工孔洞时，应征求混凝土供应企业意见，尽量按混凝土企业的泵车类型，设置能满足更多施工方法的预留洞口。

4.2施工部署和施工方案

作为施工部署的最主要部分，施工安排和施工前的准备工作的合理及完成程度直接决定了施工能否有效顺利的实施。本企业在混凝土的供应中，经常出现施工时施工工人不能满足施工需要，交接班及吃饭时间人员缺失，还有重要的施工设备出现故障不能及时修复等因素，中断了施工连续性。这些因素使已到现场的混凝土不能及时浇筑，由于时间等待过长造成混凝土损失过大，已浇筑的混凝土已开始凝结造成施工冷缝，这些都影响到混凝土质量和耐久性。

4.3施工方案的实施及应急预案

合理的施工方案及施工方案的严格实施，是施工中保证混凝土质量及耐久性最重要的环节。杭州主城区的地铁建设作业面狭小，交通状况也不是很理想，这些不利因素在制定施工方案时都要充分考虑，在实施时严格操作，尽量避免意外情况的发生。

同时还要制定施工应急预案，因影响混凝土原因太多且复杂，总有一些意外情况发生，为了防范出现意外情况时对混凝土质量的影响，根据各个在建地铁站的具体情况，针对性地制定施工应急预案还是十分必要的。

5　结　语

地铁混凝土的耐久性，担负着地铁使用的寿命、安全性、舒适性，及后期维护的经济性，从多方面考虑都是很有必要的。耐久性作为一个系统工程，需要每个地铁建设者与后期的维护参与者，从多方面及各个时间段来共同完成。本文仅从商品混凝土企业的角度对混凝土耐久性提出一些看法，以供相关从业者探讨。

杭州作为中国最具有幸福感的城市之一，地铁建设会使杭州人民的幸福感指数进一步提升。杭州地铁的建设，对本地区人民的今后数代人的生活都具有较大的影响。所以作为地铁建设参与者的一分子，本着做好本职工作，为子孙后代谋福利的原则，希望杭州地铁作为杭州公共交通的名片，给每一个生活在这里和来过这里的人，都留下一个美好的印象。

[1]中国建筑材料科学研究总院.GB 8076—2008混凝土外加剂[S].北京：中国标准出版社,2009.

[2]清华大学.GB/T 50476—2008混凝土结构耐久性设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社,2009.

[3]铁道科学研究院.TB 10005—2010铁路混凝土结构耐久性设计规范[S].北京：中国铁道出版社,2011.

Proposals about the Durability of the Metro Concrete in Hangzhou

LIU Zhenyi, LI Jianming, SHI Xiangliang, XIAO Weiwei

1008-3707(2016)01-0049-05

2015-10-29

刘臻一(1982—)，男，河南郸城人，工程师，从事混凝土和外加剂方面的应用工作。

TU528.04

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