2017, Vol. 50文章信息
- 王成, 葛广华, 侯建国, 黎亮, 万瑞霞
- WANG Cheng, GE Guanghua, HOU Jianguo, LI Liang, WAN Ruixia
- 南疆地区混凝土结构耐久性现状与影响因素研究
- Study of durability of concrete structures and its influencing factors in south region of Xinjiang
- 武汉大学学报(工学版), 2017, 50(3): 447-453
- Engineering Journal of Wuhan University, 2017, 50(3): 447-453
- http://dx.doi.org/10.14188/j.1671-8844.2017-03-020
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文章历史
- 收稿日期: 2016-06-11
2. 武汉大学土木建筑工程学院，湖北 武汉 430072;
3. 兰州资源环境职业技术学院水电工程系，甘肃 兰州 730021
2. School of Civil and Architectural Engineering, Wuhan University, Wuhan 430072, China;
3. Dept. of Water and Electricity Engineering, Lanzhou Resources & Environment Vocation Technology College, Lanzhou 730021, China
新疆南疆地区地处极端干旱沙漠性气候区，面积116万km2，气候干燥，年均降水量10~80 mm，年均蒸发量2 000~3 000 mm[1].冬季寒冷，夏季炙热，昼夜温差大(昼夜温差通常在12 ℃以上, 最大温差可达35.8 ℃).由于特殊的地形地貌、水文地质和气候环境等因素的影响，土壤盐渍化程度非常严重，形成了大面积分布的盐渍土[2]，致使大量混凝土建(构)筑物基础、钢筋混凝土挡土墙、桥梁和混凝土路面等出现了不同程度的腐蚀、开裂、鼓胀隆起和钢筋锈蚀等病害，严重制约了当地的工农业生产以及经济社会快速健康发展.
随着“对口援疆”政策的全面实施，南疆地区正在进行大规模的城镇与基础设施建设，盐渍土腐蚀、含盐环境水侵蚀、盐渍土地基的盐胀和冻胀作用等引起的混凝土结构耐久性病害，已成为当前工程建设中急需解决的重要问题.因此，深入开展南疆地区盐渍土环境下在役混凝土结构的耐久性现状调研，结合工程结构的耐久性病害特征，客观分析影响混凝土结构耐久性能损伤劣化的主要因素，因地制宜提出防治该地区混凝土结构耐久性病害的对策与措施，对揭示南疆地区盐渍土环境下混凝土结构耐久性的损伤机理与劣化规律，延长该地区混凝土结构的实际使用寿命，具有重要的理论意义和工程实用价值.
1 现状调查 1.1 调查概况根据南疆地区盐渍土环境下混凝土结构病害的分布状况，实地调查了南疆盐渍土地区服役期在10年以上的典型混凝土建(构)筑物，主要包括钢筋混凝土桥梁22座、建筑物(含水工建筑物)37座、混凝土路段36条、防渗渠21条、涵洞75个，并对以上混凝土(建)构筑物附近的水泥电线杆和混凝土路缘石也做了相应的调查.调查发现，南疆地区既有混凝土结构的耐久性病害，主要是由于盐渍土腐蚀和盐水侵蚀、盐渍土地基的盐胀和冻胀作用等引起的混凝土保护层开裂、剥蚀、鼓胀隆起和钢筋锈蚀等病害，严重的甚至已经危及结构安全，存在很大的安全隐患.
1.2 盐渍土腐蚀和盐水侵蚀引起的耐久性病害通过调查发现，南疆地区盐渍土腐蚀引起的耐久性病害主要发生在混凝土桥墩、涵洞、挡土墙和建筑物基础等直接与盐渍土壤接触的部位及附近区域，而盐水侵蚀引起的耐久性病害则在混凝土桥墩和水工建(构)筑物中比较常见.另外，由于南疆地区缺水严重，城市道路绿化带和路面清洁用水都是直接取自于含有大量易溶盐(硫酸盐和氯盐)的河水，这种含有侵蚀性介质的水对城市道路的路缘石、人行道路面彩砖和混凝土道路的腐蚀也非常严重.
以塔里木河一桥为例，钢筋混凝土桥墩和上部结构均存在不同程度的腐蚀、冻融破坏、保护层开裂剥落、钢筋锈蚀、混凝土表层风化剥蚀等病害(见图 1、2).
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| 图 1 塔里木河一桥桥墩受盐渍土腐蚀开裂、剥落 Figure 1 The bridge pier of Tarim River is subjected to corrosion cracking and peeling |
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| 图 2 塔里木河一桥桥梁上部结构表面积盐、保护层开裂、脱落、钢筋锈蚀 Figure 2 Surface salification, protective layer cracking, shedding, steel corrosion of the upper part in the Tarim River bridge structure |
经现场观察和检测，塔里木河一桥的混凝土桥墩与土壤接触部位，存在表面砂浆层腐蚀和混凝土保护层开裂、剥蚀现象，而且腐蚀最深处钢筋锈蚀明显，桥墩混凝土腐蚀深度最大达82 mm.河水沿桥墩混凝土毛细管上升至水面以上蒸发，盐分经浓缩后结晶，使桥墩距地面490 mm附近有结晶盐析出，宽度约60 mm(见图 3).由于南疆地区昼夜温差大，白天炎热，空气相对湿度很小，水分不易凝聚，但是，在晚上和清晨，气温下降非常明显，大气中的水分就吸附在混凝土构件表面，局部区域甚至凝成大片露珠，到白天气温回升时，吸附在构件表面的水分蒸发，原本含在吸附水分中的易溶盐就留在了构件表面.随着时间的推移，在桥梁上部结构构件表面就积聚了大量盐分，导致桥梁上部变形缝两侧的横梁表面出现积盐、腐蚀和保护层开裂及鼓胀现象，最大裂缝开展宽度已达9 mm.而且，桥梁上部两侧悬挑的钢筋混凝土人行道板保护层也已腐蚀脱落、板内受力钢筋外漏且锈蚀严重.
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| 图 3 桥墩下部结晶盐析出 Figure 3 Crystallization of salt precipitation at the lower part of the pier |
为使冬季雪后道路交通畅通，巴州北部某桥梁融化冰雪大量采用除冰盐.由于该地区冬季气候既寒冷又干燥，使用除冰盐后，盐水渗入混凝土内部并达到饱和，干燥的气候又使混凝土中的纯水分通过混凝土的毛细孔由内向外蒸发，而盐分却留在了混凝土内，致使混凝土内部的盐分浓度逐渐增加，并继续向深处扩散，形成恶性循环.最后，盐分在行车荷载等原因引起的裂缝位置处析出，同时还发现结晶盐表面泛着大片的棕红色锈迹(见图 4)，说明裂缝位置处的混凝土和钢筋均已遭到严重腐蚀.
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| 图 4 桥梁底部盐水侵蚀 Figure 4 Brine erosion at the bottom of the bridge grider |
阿克苏某地下停车场的钢筋混凝土剪力墙外侧直接与盐渍土壤接触，由于盐渍土中的盐水渗透侵蚀，墙体内表面析出了很厚的结晶盐，虽然维修人员在积盐区域重新抹了水泥砂浆，但仍未能有效阻挡含盐水由外向里继续侵入(见图 5).
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| 图 5 钢筋混凝土剪力墙盐水侵蚀 Figure 5 Brine erosion of reinforced concrete shear walls |
阿拉尔市军垦大道两侧的路缘石和人行道地面彩砖直接与盐渍土壤接触，由于道路两侧绿化带和路面清洁用水都是直接取自含有大量易溶盐(硫酸盐和氯盐)的河水，在干湿交替作用下，硫酸盐渗入路缘石和人行道路面彩砖引起混凝土表面腐蚀、酥松，并析出大量的结晶盐(见图 6).
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| 图 6 军垦大道路缘石和地面彩砖表面结晶盐腐蚀 Figure 6 Salt crystallization and corrosion on color brick surface on Junken avenue ground |
以上调查结果表明，盐渍土腐蚀和盐水侵蚀引起的混凝土结构耐久性病害主要表现在以下四个方面：① 混凝土结构表面水泥砂浆层腐蚀、起砂；② 混凝土表层石子外露，有的甚至用手就可轻易掰出；③ 混凝土表面凹凸不平，混凝土保护层开裂甚至剥落；④ 混凝土产生严重腐蚀，钢筋锈蚀.
1.3 盐渍土盐胀和冻胀作用引起的耐久性病害在南疆地区，盐渍土壤盐胀和冻胀作用引起的混凝土结构耐久性病害，主要表现为混凝土路面和防渗渠道混凝土衬砌鼓胀隆起及开裂.以阿拉尔市军垦大道(钢筋混凝土路面)为例，该道路于2003年通车运行，两侧都有绿化带.由于气温变化和绿化用水对路基土中含盐量及含水量变化的影响，盐渍土路基产生了严重的盐胀和冻胀，导致钢筋混凝土路面在伸缩缝两侧以及路面与路缘石之间产生了非常明显的鼓胀隆起变形，部分路段甚至出现了路面整体抬升现象，在行车荷载作用下，部分区段路面碎裂成块状而破坏(见图 7).通过现场观察和检测发现，路面与路缘石接缝之间的裂缝胀开宽度已达110~150 mm；路段伸缩缝两侧路面局部最大错位高差最大达156 mm，而且距离绿化带越近，渗入路基土中的含盐绿化水就越多，路基土因此而产生的盐胀和冻胀就越明显，导致其上部的混凝土路面鼓胀隆起变形就越严重.因此，此路段全长范围内都是靠近绿化带的路面比道路中间的路面明显抬高，裂缝发育更加明显，破损也更严重(见图 7).
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| 图 7 军垦大道路面抬升、开裂破坏 Figure 7 Pavement uplift, cracking damage on Junken avenue |
克州某防渗渠道采用弧形坡脚梯形断面，阳坡铺设50 mm苯板，底板和阴坡铺设60 mm苯板，苯板上铺设0.3 mm聚乙烯塑膜，渠底为现浇的C20混凝土弧形板，边坡为M15砂浆找平层上用M15砂浆砌筑的C20预制混凝土六棱块，封顶板采用M15砂浆砌筑的C20混凝土预制块.在交工后的第3年即在阴坡面出现混凝土衬砌与顶板衔接位置处大范围开裂，开裂宽度最大达62 mm，最长的一条裂缝长达17.5 m(见图 8).而距离该新建防渗渠不远处的另一防渗渠道混凝土衬砌则出现因盐渍土地基盐胀和冻胀引起的鼓胀隆起变形，凸起高度最高达87 mm(见图 9).
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| 图 8 防渗渠道开裂破坏 Figure 8 Cracking of seepage channel |
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| 图 9 防渗渠道鼓胀隆起破坏 Figure 9 Bulging and uplift damage of seepage channel |
混凝土结构耐久性是指混凝土结构及其构件在可预见的自然环境、使用环境及材料内部因素的作用下，在设计要求的目标使用年限内抵抗大气影响、化学侵蚀和其他劣化过程，而不需要花费大量资金加固处理也能保持其安全性和适用性功能的能力[3].由此可知，混凝土结构的耐久性不仅与材料自身特性有关，环境因素的影响也至关重要.
2.1 硫酸盐腐蚀和氯盐腐蚀对混凝土结构耐久性的影响木合塔尔·吐尔洪和王建等学者分别研究了新疆南部五地州典型盐渍化土壤的盐分组成和塔里木河流域水化学组成分布特征[4-5]，研究发现，南疆地区盐渍土和地下水(地表水)中的盐分都以硫酸盐和氯盐为主.硫酸盐腐蚀混凝土是通过物理作用和硫酸盐与混凝土中的不稳定成分发生化学反应，共同引起混凝土的组成和内部结构变化，导致其耐久性能劣化；氯盐腐蚀主要是通过破坏钢筋表面的钝化膜使钢筋锈蚀，使混凝土与钢筋粘结性能下降，导致结构耐久性降低.可见，前述南疆盐渍土地区既有混凝土结构的耐久性病害主要与硫酸盐腐蚀及氯盐腐蚀有关.
2.1.1 硫酸盐对混凝土的腐蚀由于南疆地区盐渍土和地下水(地表水)中富含硫酸盐，结合既有混凝土建(构)筑物的耐久性病害特征分析可知，当温度升高时，渗入混凝土孔隙中的硫酸盐溶解，温度降低时，Na2SO4和MgSO4结晶形成Na2SO4·10H2O和MgSO4·7H2O晶体[6]，体积膨胀，产生结晶拉应力，使混凝土产生微裂缝.在干湿交替条件下，硫酸盐交替进行溶解和结晶过程，如此循环反复，混凝土内部的微裂缝不断扩展、连通，导致混凝土内部结构损伤劣化.同时，当温度低至0 ℃以下时，混凝土毛细孔中可迁移的自由水结冰，体积又会膨胀，在混凝土内部产生冻胀拉应力，当冻胀拉应力大于混凝土的抗拉强度时，就会在混凝土内部形成微裂缝.当温度升高时，固态冰转化为液态水从毛细孔和微裂缝中由内向外不断蒸发.随着温度降低，更多的水分又进入毛细孔和微裂缝中，当温度再次降低至0 ℃以下时，毛细孔和微裂缝中冻结膨胀的冰会使原来的微裂缝进一步增大、扩展甚至相互连通，同时伴有新的微裂缝产生，如此冻融过程循环进行，使得混凝土发生冻融破坏.
另外，侵入混凝土内部的硫酸盐与水泥石中的Ca(OH)2作用生成硫酸钙，硫酸钙再与水泥石中的固态水化铝酸钙反应生成三硫型水化铝酸钙(3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O，又称钙矾石)[7]，由于钙矾石是溶解度极小的针状晶体矿物，其体积是水化铝酸钙的2.5倍[8]，在混凝土内会产生极大的拉应力，当这种拉应力超过混凝土的抗拉强度时，就会引起混凝土膨胀开裂和表面剥落.可见，前述钢筋混凝土桥梁的桥墩和上部结构产生的腐蚀、开裂、混凝土保护层脱落以及构件表面泛白霜、裂缝处有大片结晶盐析出等病害，主要就是由硫酸盐腐蚀所引起.
2.1.2 氯盐对钢筋的腐蚀由于南疆地区盐渍土和地下水(地表水)中的盐分以硫酸盐和氯盐为主，结合塔里木河一桥上部结构的耐久性病害特征分析可知，混凝土在硫酸盐的物理化学作用下产生膨胀拉应力而开裂后，土壤和环境水中更多的氯离子会加速侵入混凝土内部，当混凝土内钢筋表面的氯离子达到一定浓度时，钢筋原有的钝化膜即被溶解，导致钢筋脱钝.处于脱钝状态的钢筋在水和氧气的共同作用下锈蚀，锈蚀物的体积是相应钢筋体积的2~4倍[9]，并向周围膨胀，从而在混凝土与钢筋的交界面上产生锈胀应力，使混凝土沿锈蚀钢筋纵向开裂.构件一旦开裂，钢筋与外界环境的接触面积进一步加大，锈蚀速度加快，体积膨胀更加严重，产生更大的锈胀应力，造成恶性循环，引起混凝土保护层开裂剥落、钢筋与混凝土之间黏结性能降低、受力钢筋截面面积减小和结构耐久性能降低等一系列不良后果.可见，前述图 2和图 4中钢筋混凝土桥梁上部结构产生的钢筋锈蚀主要是由氯盐腐蚀所引起.
2.2 盐渍土盐胀和冻胀作用对混凝土结构耐久性的影响南疆地区盐渍土中的盐分以硫酸盐和氯化物盐为主，且都是易溶盐.当混凝土路面和防渗渠的地基土中硫酸钠含量超过2%时，随着每年深秋以后气温降低，无水Na2SO4吸水结晶成芒硝(Na2SO4·10H2O)，体积膨胀，膨胀率为311%[10]，促使土体体积相应增大.第二年开春气温回升时，芒硝脱水体积变小，土体体积相应地缩小，如此反复循环作用，使土体结构破坏、变松，产生盐胀.当温度低于0 ℃时，土体中部分自由水结冰，体积增大，引起土体产生冻胀，而冻胀又使土中液态水不断变成固态，硫酸钠浓度不断增大达到饱和，从而又析出晶体产生盐胀.在温度交替变化过程中盐渍土地基产生反复的盐胀和冻胀，引起混凝土路面、防渗渠道混凝土衬砌等发生隆起和下沉(图 7中军垦大道路面抬升、开裂以及图 8和图 9中防渗渠道开裂、鼓胀隆起)，最终使混凝土路面和防渗渠道混凝土衬砌产生变形破坏，严重影响工程的正常使用.
除以上影响因素外，南疆地区混凝土结构耐久性还与混凝土材料的自身特性(水胶比、水泥品种、级配、粗细集料中的有害杂质含量)、设计(抗冻等级、抗渗等级、抗腐蚀性等)和施工质量(振捣、养护、后期维护管理等)等因素有关，并且风化、冲刷等引起的混凝土表面砂浆层磨损也在随时间变化而不断加重.
3 对策及措施通过以上分析可知，南疆地区既有混凝土结构处于恶劣的自然环境中，其耐久性损伤往往是多因素综合作用的结果，只有结合结构所处的使用环境，最大限度地减小或者消除盐渍土腐蚀和盐水侵蚀以及盐渍土地基的盐胀和冻胀作用对混凝土建(构)筑物的威胁，才能切实有效地提高本地区混凝土结构的耐久性能.
3.1 防治盐渍土和环境水腐蚀的主要对策及措施由于南疆地区的盐渍土壤和环境水中富含硫酸盐和氯盐，所以防治盐渍土和环境水的腐蚀，主要是防治硫酸盐对混凝土的物理化学腐蚀以及氯盐对钢筋的腐蚀.
1) 混凝土结构设计时应根据《岩土工程勘察规范》[11]、《盐渍土地区建筑技术规范》[12]和《混凝土结构耐久性设计规范》[13]中的相关规定，测定盐渍土和环境水中的含盐种类及含盐量，对其腐蚀性进行评价，确定腐蚀等级，并结合建(构)筑物的重要性以及使用年限要求，确定防腐措施.
2) 本地区既有混凝土结构的防腐措施主要采用沥青胶泥防腐涂层，但是从实地调研中所发现的结构耐久性病害现状及特征来看，既有混凝土结构所采用的混凝土表面沥青胶泥防腐涂层厚度不能完全满足实际环境对结构耐久性的要求.因此，应通过试验进一步增厚混凝土表面沥青胶泥防腐涂层厚度.另外，建议在强盐渍土和超盐渍土[14]区域使用较沥青胶泥防腐涂层有更好抗温差、抗老化和抗渗透性能的环氧树脂防腐涂料(如沥青环氧树脂防腐涂料和无溶剂环氧树脂防腐涂料等).
3) 最大限度地提高混凝土的密实度，比如减小水胶比、使用高效减水剂等，可使混凝土密实度增大，减缓易溶盐的侵入速率，从而更加有效地阻止盐分对混凝土及混凝土内部钢筋的腐蚀.
4) 使用钢筋阻锈剂.应在试验研究的基础上，在混凝土中掺入一定比例的钢筋阻锈剂，则钢筋就不会锈蚀，或者即使开始锈蚀，阻锈剂的存在会使钢筋的腐蚀速率大大减缓，从而可有效提高本地区混凝土结构的耐久性能.
3.2 防治盐渍土盐胀和冻胀作用的主要对策及措施1) 应首先根据盐渍土的含盐种类、含量及土质特征，测定其膨胀量和膨胀压力，并对其盐胀性进行评价；然后，采用强夯法对盐渍土地基或路基进行夯实，使土体孔隙比减小并达到一定的压实度，从而有效减小盐渍土地基的盐胀作用对其上部混凝土结构耐久性的影响.
2) 由盐渍土的盐胀和冻胀机理可知[15]，盐渍土的盐胀和冻胀都与水有直接的关系.因此，应通过试验在防渗渠道的混凝土衬砌与盐渍土地基之间、城市道路绿化带与混凝土道路路基之间设置止水带或者敷设防渗膜，以阻止含盐渠水和绿化用水渗入盐渍土地基中，以减小地基中的水分随气温变化而引起的冻胀和盐胀等变形，从而减小对其上部混凝土结构耐久性的威胁.
4 结论通过对南疆地区盐渍土环境下混凝土结构的耐久性现状调研及其影响因素研究，可得以下主要结论：
1) 南疆地区在役混凝土结构耐久性现状不容乐观，混凝土腐蚀、保护层剥落、钢筋锈蚀、构件开裂和鼓胀隆起是主要的病害，使混凝土结构的耐久性及服役期间的安全性受到严重威胁.
2) 南疆地区混凝土结构耐久性损伤劣化主要是由恶劣的气候条件、盐渍土腐蚀和盐水侵蚀、冻融破坏、干湿循环、钢筋锈蚀和盐渍土地基的盐胀、冻胀作用等引起.
3) 通过采取增厚混凝土表面沥青胶泥防腐涂层厚度或使用环氧树脂防腐涂料、提高混凝土密实度、使用钢筋阻锈剂、采用强夯法、设置止水带或敷设防渗膜等工程措施，可最大限度地减小或者消除盐渍土腐蚀和盐水侵蚀以及盐渍土地基的盐胀和冻胀作用，切实提高本地区混凝土结构的耐久性能.
4) 南疆地区部分在役混凝土结构耐久性损伤已影响到结构安全性，开展混凝土结构耐久性损伤机理与防治技术研究刻不容缓.
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