地下工程结构混凝土的耐久性分析与研究

【摘要】地下工程结构混凝土的作用巨大，但是，混凝土的特性又使得我们要不断的提高其耐久性，对于耐久性的问题，我们首先要分析其特性，然后再提出有针对性的措施。本文将从以下几个方面来分析

【关键词】地下工程；混凝土；耐久性；分析

中图分类号：TU375 文献标识码：A

一、前言

地下工程的混凝土施工和地面工程有所不同，这就使得混凝土的耐久度需要经受更大的考验，研究使用何种施工方式来提高混凝土耐久度是很有意义的。

二、地下结构耐久性研究概况

国内外对混凝土材料的耐久性已有了较长时间的研究，在理论和实践两方面均取得了很多有价值的成果，如混凝土碳化、氯离子侵蚀、钢筋锈蚀等方面，但该类成果主要集中在地面混凝土结构及海港、水工结构方面，而针对地下结构耐久性的研究文献却较少。20世纪60年代以来，美国、法国、德国等国为提高地下管道、停车场、料储藏库的耐久性而进行了一系列的研究工作，主要集中在材料性能和构造措方面。1984年Clarke和William研究超细微耐久性混凝土在地下工程的应用。1986年日本研究开发港口、码头用高性能水泥混凝土，并于1994年寻求建立地下混凝土结构的水密性（抗渗性）耐久性评价模式。1987年Escalante对土壤中钢筋腐蚀进行了测试研究。在地下侵蚀性环境中混凝土材料耐久性试验方面，美、英、韩等国也做了相应的研究工作。日本曾建立雨水渗流系统对地下管线、U型沟、路基等的渗透性进行了20年的观察研究。我国土壤腐蚀试验研究工作开始于1958年，在国家科委领导下，于1959年至1964年期间，在全国各类土壤中建立一批研究混凝土及钢筋混凝土材料腐蚀情况的试验站。“七五”期间，全国土壤腐蚀网站分别在沿海地区、酸性土壤地区和西部地区建立了一批新的试验站，“九五”期间又在一些典型严酷土壤中新建一批重点实验站。通过分期开挖和分析研究，取得了宝贵的腐蚀数据，了解了重要的腐蚀规律。1994年关宝树、高波总结了日本在隧道剩余寿命研究中引入“健康度”的概念及方法，以及美国在工程结构损伤评估中引入“结构损伤度”的概念。但这种“健康度”或“损伤度”是以隧道破坏、劣化现象的严重程度进行等级划分作为评定依据的，具有一定的粗糙性和主观性，有待进一步完善。1999年，蔺安林等进行了地铁杂散电流对混凝土中钢筋的腐蚀及混凝土强度影响的试验研究。同年周晓军等根据地铁杂散电流分布对地铁衬砌耐久性进行了探讨。2002年同济大学刘宗光对软土地层中钢筋混凝土排水管道结构的耐久性进行了研究，重点讨论了各因素对耐久性的影响，并对上海市排水管道耐久性进行了评估。2003年李永和提出了钢筋锈蚀性状和裂纹扩展轨迹。2004年同济大学黄慷对水底盾构隧道结构的耐久性问题进行了研究，并提出了对策。2006年在中国同济大学召开“首届地下结构服务寿命国际专题研讨会”，孙钧对海底隧道耐久性及服务寿命设计预测进行了研究，提出了进行耐久性设计和试验的新方法。

目前，上部结构的耐久性问题已经在材料、构件和结构3个层次上展开，而且很多成果已经得到了实际应用。但国内外对地下结构耐久性的研究，多数是按照上部结构耐久性研究的思路进行，研究过程中只考虑了地下结构内部（大气环境）耐久性劣化状况，而很少研究结构接触土壤和地下水一侧的耐久性劣化状况。因此，地下环境因素对混凝土结构的侵蚀将成为日后研究的一项重要工作。

三、混凝土耐久性的概述

1、混凝土耐久性概念

混凝土的耐久性指的是混凝土在设计年限内抵抗各种破坏因素的能力，并能使其体积的稳定性和良好的使用性能得到长期的保持，进而保持混凝土外观的整体性和结构安全的能力。

2、混凝土耐久性的主要内容

混凝土自身质量、安全使用期和环境介质的侵蚀作用是混凝耐久性的主要的三个方面。根据建筑物的性质，混凝土安全使用期一般在五十年到一百年之间。而影响混凝土的使用年限的因素中就有环境介质的侵蚀，介质包括化学、物理、气体、水溶液和大气等的侵蚀作用，也包括钢筋锈蚀、混凝土碳化、固体的碰撞磨损、气蚀和高速流水冲刷等。混凝土以自身质量依据，钢筋混凝土有无裂缝、充分湿养护、低水灰比、振捣密实等，其耐久性较高。

3、混凝土耐久性的重要性

在工程建设中，混凝土的耐久性具有重大的意义。如果混凝土的耐久性不足就会使混凝土的性能下降，给工程的建设带来严重的后果，进而带来不利的经济效益和社会效益。目前在我国社会经济飞速发展的形势下，扩大了其基础设施建设工程的规模，一旦工程进入维修期，就需要巨大的重建费用和维修费用。因此，混凝土耐久性的提高，具有促使工程重建费用和维修费用降低的重要作用。

四、工程条件对结构耐久性的影响分析

1、工程地质条件。在软土地层中修建隧道,无论在施工期间和隧道建成后的耐久性都与地质有着不可分割的关系。土层从上至下往往会出现欠固结、正常固结、超固结(主要在⑥层以下)。如果是欠固结土,在土体受扰动后,土体会重新固结,强度再逐渐恢复。但是在固结过程中地层的物理性能会发生很大的变化,会对地铁隧道的耐久性产生一定的影响。

2、土层的排水固结。混凝土是一个透水性的建筑材料。管片采用了地下工程防水混凝土的级配后,虽大大降低了它的渗透系数,但是并没有从根本上改变混凝土的性质。隧道周边的土体,会随着超孔隙水压力的消散,重新固结。这个固结的过程是漫长的,将会对地层带来一定的负面影响。

3、列车振动荷载下的土体振陷。地铁列车在隧道里运行,其振动会引起隧道周边软土的振陷,并会逐渐影响到隧道的使用寿命。

4、小曲率半径的影响。地铁列车在曲线段运行时会对隧道产生水平向的离心力,离心力又会对隧道两侧的土体产生影响。在转弯时降低车速,固然可以减少离心力,但是会影响运行的效率。曲线半径的设定应尽量避免小曲率的方案,但是有时受到区间,空间等限制,很难取得理想的方案,隧道不得不采用小曲率半径。

五、提高混凝土耐久性的技术途径

1、掺入高效减水剂

在保证混凝土拌和物所需流动性的同时，尽可能降低用水量，减小水灰比，使混凝土的总孔隙，特别是毛细管孔隙率大幅度降低。

水泥在加水搅拌后，会产生一种絮凝状结构。在这些絮凝状结构中，包裹着许多拌和水，从而降低了新拌混凝土的工作性。施工中为了保持混凝土拌和物所需的工作性，就必须在拌和时相应地增加用水量，这样就会促使水泥石结构中形成过多的孔隙。当加入减水剂后，减水剂的定向排列，使水泥质点表面均带有相同电荷。在电性斥力的作用下，不但使水泥体系处于相对稳定的悬浮状态，还在水泥颗粒表面形成一层溶剂化水膜，同时使水泥絮凝状的絮凝体内的游离水释放出来，因而达到减水的目的。

2、掺入高效活性矿物掺料

普通水泥混凝土的水泥石中水化物稳定性的不足，是混凝土不能超耐久的另一主要因素。在普通混凝土中掺入活性矿物的目的，在于改善混凝土中水泥石的胶凝物质的组成。活性矿物掺料(矽灰、矿渣、粉煤灰等)中含有大量活性SiO2及活性Al2O3，它们能和水泥水化过程中产生的游离石灰及高碱性水化矽酸钙产生二次反应，生成强度更高，稳定性更优的低碱性水化矽酸钙，从而达到改善水化胶凝物质的组成，消除游离石灰的目的。有些超细矿物掺料，其平均粒径小于水泥粒子的平均粒径，能填充于水泥粒子之间的空隙中，使水泥石结构更为致密，并阻断可能形成的渗透路。

3、消除混凝土自身的结构破坏因素

除了环境因素引起的混凝土结构破坏以外，混凝土本身的一些物理化学因素，也可能引起混凝土结构的严重破坏，致使混凝土失效。例如，混凝土的化学收缩和干缩过大引起的开裂，水化热过性过高引起的温度裂缝，硫酸铝的延迟生成，以及混凝土的碱集料反应等。因此，要提高混凝土的耐久性，就必须减小或消除这些结构破坏因素。限制或消除从原材料引入的碱、SO3等可以引起结构破坏和钢筋蚀物质的含量，加强施工控制环节，避免收缩及温度裂缝产生，提高混凝土的耐久性。

六、结束语

地下工程结构混凝土施工未来的发展需要我们严格掌握施工的方法，严格控制施工质量，只有使用科学的方法，提高了施工的质量才能够提高混凝土的耐久度。

【参考文献】

[1]黄炳德.地铁结构耐久性影响因素及其寿命预测研究[D].上海：同济大学，2007.

[2]牛荻涛.混凝土结构耐久性与寿命预测[M].北京：科学出版社，2003.

[3]陈改新.混凝土耐久性的研究、应用和发展趋势[J].中国水利水电科学研究院学报，2009(6）.