提升新疆轨道交通工程混凝土耐久性关键技术的必要性分析--中国期刊网

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提升新疆轨道交通工程混凝土耐久性关键技术的必要性分析

发表时间：2020/8/24 来源：《基层建设》2020年第10期作者：程亚军

[导读] 摘要：本文围绕乌鲁木齐城市轨道交通工程硫酸盐侵蚀环境下混凝土劣化这个核心问题，以实现混凝土结构长寿命为导向，提出在硫酸盐侵蚀环境下提升轨道交通工程混凝土耐久性关键技术的必要性分析，旨在推动新疆地区高性能混凝土制备及混凝土防腐技术的发展，切实保障乌鲁木齐城市轨道交通工程在硫酸盐侵蚀环境下的耐久性。

        新疆维吾尔自治区产品质量监督检验研究院新疆乌鲁木齐 830013
        摘要：本文围绕乌鲁木齐城市轨道交通工程硫酸盐侵蚀环境下混凝土劣化这个核心问题，以实现混凝土结构长寿命为导向，提出在硫酸盐侵蚀环境下提升轨道交通工程混凝土耐久性关键技术的必要性分析，旨在推动新疆地区高性能混凝土制备及混凝土防腐技术的发展，切实保障乌鲁木齐城市轨道交通工程在硫酸盐侵蚀环境下的耐久性。
        关键词：轨道交通工程；混凝土；耐久性；硫酸盐侵蚀；
        0引言
        西部大开发是我国未来发展的重要任务，交通工程是西部大开发基础设施建设过程中最为重要的环节。东部经济发展较为活跃的北京、上海、南京等城市均发展了成熟的轨道交通工程，江苏、山东等省份也正在极力推进城市轨道交通的建设，新疆乌鲁木齐市作为第二座亚欧大陆桥中国西部桥头堡和向西开放的重要门户，城市主要区域的协调发展十分关键，城市轨道交通是实现城市内各区域快速沟通的重要手段。发展城市轨道交通是满足乌鲁木齐市发展，引导和带动区域经济腾飞的重大任务。
        1概述
        根据乌鲁木齐市城市发展规划的现实需要，乌鲁木齐市的城市轨道交通工程量也在逐年增大，乌鲁木齐市的城市轨道交通建设规划远景线网就由7条放射线路组成，7条线路贯通南北，横跨东西，规划线网全长211.9km，共设车站121座，其中换乘站18座。根据规划，到2020年，由1号线和2号线一期2条轨道交通线路组成，总长48km。线网基本构架形成后，2020年轨道交通客运量占公交出行总量的比例达到10%-14%。但城市轨道交通建设所处地下环境侵蚀相对严重，地勘资料表明，部分地区混凝土结构服役环境的侵蚀等级为V-C（中度侵蚀）和V-D（严重侵蚀），混凝土结构在硫酸盐侵蚀环境下极易发生腐蚀破坏而提前退出服役，并且会造成严重的经济损失和资源浪费。因此，尽快提升硫酸盐侵蚀环境下轨道交通工程混凝土耐久性的关键技术，研究开发出新技术和新材料，将对促进乌鲁木齐高性能混凝土的技术发展，保证轨道交通工程质量有着显著的经济和社会效益。
        2必要性分析
        2.1混凝土结构是轨道交通建设的关键主体
        城市轨道交通工程是一个庞大而复杂的系统，包含隧道、桥梁、车站等具体结构形式，混凝土是轨道交通工程的主要结构材料，随着城市发展需求的日益增大，混凝土材料的用量也逐年递增。据不完全统计，2013年我国混凝土产量完成21.96亿立方米，较2012年同期增长了18.77%。其中，西北地区的产量达到了1.43亿立方米，较2012年增长了27.44%，是增幅最大的地区，新疆的产量为4970万立方米，较2012年增长了32.46%，对于乌鲁木齐而言，城市轨道交通建设的长期规划离不开混凝土材料的大量供给。
        2.2硫酸盐侵蚀环境对混凝土结构的服役寿命带来严峻挑战
        城市轨道交通工程混凝土结构以不同深浅埋于地下，受地下水环境影响较大，乌鲁木齐地下水中硫酸盐含量较高，硫酸盐侵蚀是造成混凝土结构耐久性劣化的重要诱因。国内外因硫酸盐侵蚀造成混凝土结构破坏案例不胜枚举，20世纪初，美国和加拿大就有硫酸盐环境下混凝土基础、涵洞等结构破坏的报道，青海湖周围环境中的混凝土结构，新疆某市内的立交桥、市政建筑等建筑物，到处可见由于硫酸盐侵蚀引起的混凝土开裂、钢筋外露病害，这些地区的混凝土建筑物遭受硫酸盐侵蚀严重的即出现“一年粉化，三年坍塌”现象。深入研究硫酸盐侵蚀环境条件下混凝土材料的腐蚀规律，探索具有时变性的硫酸盐侵蚀环境多场耦合作用下损伤演化机理，有针对性的开发抗硫酸盐侵蚀技术并在实际工程中进行推广应用，切实提高乌鲁木齐城市轨道交通工程混凝土结构耐久性及服役寿命是急需解决的重大问题。
        2.3硫酸盐侵蚀环境下混凝土结构服役寿命的预测研究
        国内外对硫酸盐侵蚀环境下混凝土材料的损伤劣化规律进行了广泛的研究，并取得了诸多可借鉴的成果。

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美国Life-365和欧洲Duracete均提出了相对成熟的可用于混凝土结构服役寿命预测的数学模型，但以上模型均是针对氯盐侵蚀环境开发，在涉及硫酸盐侵蚀环境下的寿命预测方面，美国核监管委员会（NRC）提出了一种混凝土性能劣化预测模型。纵观国内外对提高和评估各环境条件下混凝土耐久性的研究依然沿用过去的经验，逐个单一损伤因素孤立地进行，没有系统考虑诸因素耦合作用下的损伤叠加及正负效应的交互作用，这与实际工程所处环境条件不相符合，从而导致寿命预测的不科学与不安全。因此，多因素耦合作用下结构混凝土耐久性研究及寿命预测应运而生。但有针对性地考虑城市轨道交通工程硫酸盐等多种介质侵蚀环境的混凝土结构服役寿命预测研究还未见报道。
        3研究现状和发展趋势
        3.1硫酸盐侵蚀环境下混凝土劣化机理的研究现状
        硫酸盐侵蚀环境下混凝土结构劣化已引起国内外混凝土工程界的高度关注。美国波特兰水泥协会（PCA）开展了大量的混凝土硫酸盐侵蚀试验研究，我国863项目“青藏高原严酷环境中高性能水泥基材料的研究与应用”等对严酷环境下混凝土硫酸盐侵蚀破坏进行了研究。这些工作都为我国西部硫酸盐侵蚀环境下重要基础工程耐久性提高，服役寿命的延长提供了坚实的基础。
        硫酸盐侵蚀破坏是一个复杂的物理化学过程，其在1892年就被发现，此后国内外学者对其侵蚀机理进行了大量的研究。硫酸盐侵蚀破坏作用是由于环境中的硫酸盐或SO42-侵入混凝土内部形成盐晶体，或者与水泥石的一些固相组分发生化学反应而生成一些难溶的盐类。而形成的盐类结晶体或难溶的盐类吸收大量水分产生体积膨胀，形成膨胀内应力，当膨胀内应力超过混凝土的抗拉强度时，就会导致混凝土的破坏；另外，发生的化学反应也可使硬化水泥中的CH和C-S-H等组分溶出或分解，导致混凝土强度和粘结性能的损失。此外，外部氯盐对于硫酸盐侵蚀也存在影响，Cl-的渗透速度大于SO42-，表层混凝土以硫酸盐侵蚀破坏为主，但对于内部混凝土而言，当Cl-的浓度较高时，水泥石中生成Friedel盐，减少了水化铝酸钙的量，进而抑制了钙矾石的生成，同时钙矾石在氯盐中的溶解度是在水中的3倍，这降低了在氯盐环境中钙矾石析出的可能性，延缓了硫酸盐的侵蚀。对于乌鲁木齐城市轨道交通混凝土结构而言，地下水中硫酸盐含量较高，此外还存在一定的氯盐溶解，外界侵蚀离子、环境温度耦合作用下混凝土材料的劣化规律，常规强度等级C30~C60混凝土内部微结构与耦合作用下宏观侵蚀破坏的关系现阶段还未明确，多因素耦合硫酸盐侵蚀环境下混凝土材料劣化损伤机理是急需研究的首要问题。
        3.2混凝土抗硫酸盐侵蚀技术发展趋势
        从混凝土硫酸盐侵蚀破坏机理出发进行分析，导致混凝土硫酸盐侵蚀的主要因素有水泥石中水化硫铝酸钙、Ca（OH）2的含量、混凝土的密实度以及溶液中SO42-浓度等。已有研究表明，降低水泥中的C3A和C3S含量是提升混凝土抗硫酸盐侵蚀性能的关键，但对于用C3A含量较低的抗硫酸盐水泥制备的混凝土而言，其内部钢筋锈蚀的风险将增大，尤其在干湿交变情况下，硫酸盐结晶以及碳化将加速混凝土与内部钢筋的劣化失效。除使用抗硫酸盐水泥外，掺入矿物掺合料及混凝土防腐剂也是提升混凝土抗硫酸盐侵蚀性能的技术途径。矿物掺合料因其二次火山灰反应，消耗混凝土内部多余的CH，提升混凝土密实程度，降低了外界SO42-的侵入，提升混凝土抗硫酸盐侵蚀性能，但随着研究的深入，人们发现矿物掺合料在半暴露环境下反而会加剧混凝土的破坏。防腐剂可以通过调节混凝土的矿物组成，提升混凝土的密实程度达到提升结构防腐蚀的目的，我国现阶段防腐剂多以超细矿物掺合料（如硅灰等）为载体，掺入混凝土中使混凝土密实程度显著提升，但由于超细粉体的引入，导致混凝土拌合物需水量增大，工作性下降较为明显，且大量硅灰的使用会增大混凝土收缩开裂的风险，结构一旦出现裂缝，则所有的防腐措施都将失效。有国外的专家指出，当混凝土全浸泡在硫酸盐溶液中时，改善混凝土抗渗性比调整胶凝材料化学组成更能有效提高混凝土抗硫酸盐侵蚀性能。但对于乌鲁木齐城市轨道交通混凝土结构而言，大部分混凝土强度等级在C40左右，通过降低水胶比方式实现抗渗性提升并不可取。针对以上问题，从化学角度出发，提出一种新型抗硫酸盐防腐技术，在保障混凝土施工与抗裂性能的基础上，实现轨道交通用量最大的C40左右中等强度与抗渗性混凝土抗硫酸盐侵蚀性能大幅提升是需要攻克的技术难题。
        4结束语
        综上所述，国内外工程界已经认识到硫酸盐侵蚀环境下混凝土劣化机理、性能提升及耐久性能评估的重大意义。但考虑到乌鲁木齐严重的硫酸盐侵蚀环境，城市轨道交通工程服役过程所承受的环境荷载，以及其对安全性和耐久性的高要求，有必要组织强大的科研队伍，对乌鲁木齐硫酸盐侵蚀环境条件下混凝土耐久性关键技术的提升问题进行攻关，大幅度提升乌鲁木齐硫酸盐侵蚀环境下城市轨道交通工程的耐久性，确保服役寿命。