城市地下结构污染腐蚀耐久性的若干问题简述

文/马远超 辽宁省交通规划设计院有限公司 辽宁沈阳 110000

城市地下结构污染腐蚀耐久性的若干问题简述

文/马远超 辽宁省交通规划设计院有限公司 辽宁沈阳 110000

污染腐蚀严重威胁着地铁结构的耐久性.通过分析地铁结构、外部环境、污染腐蚀机理，提出一种混凝土强度等级与保护层厚度相协调的应对地铁耐久性问题的办法.

污染腐蚀环境；耐久性；裂缝；水泥

1、城市地下结构污染腐蚀耐久性研究现状

城市地下结构主要涉及与城市建设密切相关的地下空间拓展及由其带来的系列设施营建，包括城市地下综合体、地下管线、贮藏室或填埋场、地铁工程、基坑工程等。埋置于地表以下的结构物服役过程，是一个长期的结构-土（水）相互作用过程，土体污染会使材料性能衰减劣化，最终诱发地下结构功能失效、服役寿命大幅缩短等病害。对于土体污染问题，西欧各国最先关注，并在土体污染机理及污染防治方面取得了一系列成果。通过室内制备酸碱污染土，研究了污染物浓度对土体有机物含量、土粒比重和液塑限的影响规律。依据室内对比模拟试验，阐释了酸性污染土的腐蚀过程。土的结构性和其粒度构成是影响地基土污染程度的决定因素。对污染土性质、评价方法、处理工艺及污染地基结构物耐久性进行了系统性研究。近年来各类城市地下结构污染腐蚀耐久性问题越来越突出，开展了地下工程水泥砂浆的污染腐蚀特性试验；模拟了砂浆锚固体内部腐蚀介质的传递规律，建立了以Fick定律为基础的砂浆内部腐蚀介质扩散模型；分别对地铁工程钢筋混凝土污染腐蚀因素及腐蚀规律进行研究，总结了其可靠性影响因素；引入模糊多属性决策理论对多因素下地铁工程混凝土耐久寿命进行了评价。当下，地下空间开发热潮给科研工作者创造了新的天地，也提出了巨大的挑战。

2、城市地下结构混凝土污染腐蚀

2.1混凝土污染腐蚀破坏机理

混凝土的污染腐蚀耐久性取决于污染介质在混凝土孔隙中的物理扩散和污染作用。混凝土作为结构材料，内部存在大量微裂缝，这些微裂缝为污染介质的

进入提供了天然通道。已有的研究表明，混凝土的抗污染腐蚀性能取决于自身微观结构，尤其是材料孔隙率，当有外界荷载施加时，混凝土的离子扩散系数会增大，侵蚀速率加快，抗腐蚀性能降低。

2.2介质扩散与耐久因素

现今混凝土内部介质扩散模型大都以Fick第二扩散定律为基础，在考虑多种机制影响情况下，对扩散模型进行推广与修正。对于钢筋混凝土结构，混凝土对内部钢筋起着包裹和免受污染物侵蚀的作用，混凝土一旦遭受破坏，整个工程结构使用寿命将大幅缩短。混凝土的性能通常受限于工作环境的污染和力学影响，包括污染离子扩散、碳化、机械裂缝影响等等。裂缝的出现为水、氧气和污染介质的快速扩散提供通道，加速钢筋混凝土的腐蚀速率。在不考虑机械裂缝情况下，列出了影响混凝土耐久性的几类因素，并在试验研究基础上归纳了水灰比、气含率、粗骨料、细骨料、矿物掺合料、水泥类型对混凝土抗腐蚀影响规律。

2.3 SO4和Cl-双侵蚀下混凝土污染腐蚀特征对于城市地下结构，氯盐和硫酸盐侵蚀是最常见的污染盐类侵蚀。文献调研显示，有关混凝土在单一盐类侵蚀下的耐久性研究较多，理论相对完备，而多种侵蚀因素共同作用下的耐久性问题研究不足。特别是多侵蚀耦合下的离子扩散规律、混凝土渗透性能变化、侵蚀劣化性状、微观结构特征等问题有待深入开展。曾针对广州某城市地下结构受2 SO4和Cl双侵蚀影响环境特点，开展过双侵蚀作用下的混凝土污染腐蚀试验研究。试验采用混凝土配合比，浓度3.5%NaCl+5%Na2SO4（体积比1∶1）的侵蚀溶液，采用喷淋和完全浸泡两种方式进行侵蚀环境的模拟。侵蚀时间为60，90，120，150d，喷淋试件每天喷淋2次，每次喷淋5mL。

3、存在的问题及今后研究趋势

3.1存在的问题

国内外对地下结构腐蚀耐久性研究已有较多成果，但由于试验方法、试验条件及选用材料的差异，研究成果还难于进行比较，城市地下结构耐久性的系统分析、评估、设计方法有待进一步研究。工程实际中，结构耐久性劣化一般是多种因素共同作用造成的，研究时应重视多种因素的综合叠加效应。现有地下结构污染腐蚀耐久性研究成果与工程设计和施工控制、结构残余寿命评估等行为脱节，无法在统一的结构安全可靠度基础上进行控制，相关技术规范及标准的制定也较落后，国内外在城市地下结构污染腐蚀耐久性方面尚无系统的、成文的规范或标准。已有研究成果多从室内缩尺、加速腐蚀试验中获取，对地下结构材料的污染腐蚀机理较难阐述清楚，加之缺少工程实测耐久性指标和统计资料，建立的耐久性预测模型可应用性不强，也不足以反映真实的地下结构服役寿命。对已有地下结构的残余寿命评估研究不够深入，对现役地下结构的腐蚀状态和耐久性能还不能给出很好的定量的评价，虽有很多研究成果，但已有的评价体系多为定性化或半定量化评价，研究层次和深度都有待进一步加强。

3.2建议与研究趋势

3.2.1城市地下结构与地上结构污染腐蚀耐久性研究有相通之处，因而在研究地下结构耐久性规律时充分借鉴已有地上结构的研究经验是可行的也是必要的。同时注意到城市地下结构污染腐蚀耐久性研究的特殊性，避免完全照搬地面结构耐久性的设计理论与方法。

3.2.2按照耐久寿命来设计地下结构将成为土木工程设计的必然选择，今后应发展以混凝土和钢筋污染腐蚀耐久性为控制目标的结构设计理论，建立钢筋混凝土材料的全生命周期优化预测模型。

3.2.3对于埋地混凝土在各单一因素下的耐久性劣化问题己进行了诸多研究，但对于多因素耦合作用下混凝土污染腐蚀耐久性评价至今未产生权威性的研究成果，这也是今后耐久性研究的方向之一。

3.2.4可以预计，今后很长一段时间内城市地下工程的大量返修都将是各国必须面对的严重问题，后期应加强地下结构污染腐蚀耐久性提升技术和耐久性修复加固技术，同时重视新材料（如FRP等）在增强地下结构抗腐蚀性方面的研究工作。

3.2.5继续加强加深对多场耦合作用下的城市地下结构耐久性研究工作，在已有的应力腐蚀耦合、腐蚀疲劳耦合研究基础上，适时开展污染腐蚀环境下的地下结构抗震性能评估并发展适于腐蚀结构的抗震设计理论方法。

结语：

随着我国地铁建设的蓬勃发展，各种复杂环境下的地铁结构越来越多的出现.地铁设计及施工受到周边建筑、城市交通、地下管线、地质水文条件等诸方面影响，比一般工程技术要求更高，难度更大.做好地铁结构需要满足百年结构安全性、适用性、耐久性等可靠性要求，是非常重要的项目。

[1]邵莹.盐渍环境地铁混凝土结构耐久性设计［J］.铁道标准设计，2013（9）：57-60.

[2]高红兵.关于地铁结构耐久性综合模拟试验站的构想［J］.现代隧道技术，2015（1）：33-37.

[3]唐扬.地铁混凝土结构在地下水环境下的抗侵蚀耐久性研究［J］.中国西部科技，2015，14（5）：65-66.