防腐混凝土在海底隧道施工中的质量控制

防腐混凝土在海底隧道施工中的质量控制
朱兆定
重庆中宇工程咨询监理有限责任公司 重庆 400067
摘 要：在海底隧道衬砌混凝土工程施工中，为了提高混凝土抗海水有害介质侵蚀的能力，要求配制具有高性能的混凝土拌合物，其核心是提高混凝土耐久性，保证拌合物易于浇筑和密实成型，控制温度和收缩产生的裂缝，使之确保隧道衬砌混凝土的施工质量和满足结构使用功能的要求。
关键词：混凝土 耐久性 质量控制
第一章 前言
厦门东通道（翔安隧道）工程是厦门岛内穿越海底连接岛外陆地的一条重要交通通道，兼具高等级公路和城市道路双重功能，是我国第一座海底隧道，设计使用寿命100年。隧道跨海部分地质处于微风化花岗岩地段，局部穿越多处风化深槽和风化囊带，浅滩及陆地基本处于全、强风化花岗岩地带，地质相对较差，地下水由海水垂直渗透补给，受海水压力的影响，地下水具承压性，在极端地质条件下，存在发生渗透破坏的可能性。根据地质勘探设计厦门沿海海水每升含[SO42- ]=2140 mg，[Mg2+]=1172mg，[C1-]=15440mg，其中PH=8。海域地下水在Ⅲ类环境下对混凝土具有弱结晶类、弱结晶分解复合类腐蚀作用，对钢筋混凝土结构中钢筋具弱腐蚀性，对钢结构具中等腐蚀性。
1.1海水对混凝土的腐蚀机理
1.1.1浸析作用
在流动水中，特别有水压作用，混凝土的渗透性较大，则水流不断将Ca(OH)2溶出物带走，一方面增加了孔隙率，使水更易渗透。同时易溶解的反应产物CaCl2和CaSO4都是易溶化合物，海水中的NaCl还会提高它们的溶解度，将它们浸出，使混凝土的抗渗性降低，结构被削弱。另一方面液相中Ca(OH)2浓度降低，水泥水化生成的水化硅酸钙、铝酸钙都需要一定的CaO液相中才能稳定，在Ca(OH)2 不断溶出后，还会使其他水化产物分解，导致混凝土的劣化。
1.1．2硫酸盐侵蚀
海水中存在的SO42-渗入混凝土内部与混凝土的某些成份反应，生成物吸水产生膨胀应力，应力达到一定程度引起混凝土内部裂缝产生，导致混凝土的劣化。如Na2SO4和MgSO4从水中结晶分别形成Na2SO4•10H2O和MgSO4•7H2O晶体，其体积将膨胀4-5倍，产生结晶压力。其反应式：
Na2SO4+10H2O→NaSO4•10H2O
MgSO4+7H2O→MgSO4•7H2O
CaSO4与水泥熟料产物C3A水化生成的水化铝酸钙C4AH19和单硫型铝酸钙3CaO•AL2O3•CaSO4•18H2O都能反应生成三硫铝酸钙（钙矾石）
3CaO•AL2O3•3CaSO4•32H2O ，
钙矾石的溶解度极低，沉淀结晶出来，钙矾石晶体长大造成的结晶使混凝土膨胀而开裂。
1.1.3镁离子侵蚀
因海水中有大量的Mg2+存在。Mg2+可与混凝土浆体中的Ca（OH）2生成溶解度极小的Mg（OH）2和可溶性钙盐，可直接导致C-S-H凝胶发生分解，使硅酸盐凝胶的胶结性能下降，造成溶蚀性破坏。
1.1.4氯离子侵蚀
氯离子侵蚀主要表现在对钢筋的腐蚀。钢筋表面的钝化膜只有在高碱性环境中才是稳定的，当PH＜11.5时，钝化膜就开始不稳定，海水中存在大量的氯离子进入混凝土中并到达钢筋表面，当它吸附于局部钝化膜处时，可使该处的PH值迅速降低（Cl-被称为“酸根”）。有微观测试表明，Cl-的局部酸化作用，可使钢筋表面PH值降到4以下（酸性），从而使钢筋保护膜破坏；另一方面，由于Cl-活性大，容易渗入钝化膜，与铁离子结合为易溶的Fe2+与氯化物的复合物（绿锈），因此，即使钢筋周围的混凝土孔溶液仍具有高碱性，钝化膜也会被破坏。绿锈可以向外渗出钝化膜，遇到含氧较多的介质时，又分解为铁的氢氧化物（褐锈）再放出C1-，而重新放出的C1-又渗入到钝化膜中，所以氯盐促使钢筋去钝化和腐蚀，只起催化作用，并没有被消耗。其反应如下：
Fe2+ +2Cl- +2H2O → Fe（OH）2 + 2HCL
4Fe（OH）2+ O2+ 2H2O → 4Fe（OH）3
2Fe（OH）3 → Fe2O3 + 3H2O
Fe（OH）3 氧化不完全变成Fe3O4 由于铁锈成多孔从而伴随着较大体积的膨胀，因此很容易在混凝土中出现顺筋裂缝。同时有氯盐还可以和混凝土中的Ca(OH)2、3CaO•2Al2O3• 3H2O等反应生成易溶的CaCl2 和带大量结晶水的，比反应物体积大几倍的固相化合物，造成筋混凝土膨胀破坏。
第二章 施工设计及材料质量控制
2.1工艺设计
厦门东通道（翔安隧道）工程是福建省重大基础设施建设工程之一，设计使用寿命100年。由于海底隧道混凝土结构将受到海水垂直渗透的影响，因此在结构设计中必须采取有效的提高抗侵蚀能力的技术措施，确保隧道使用功能和运转周期的要求。针对本工程处于海洋环境Ｅ级严重的腐蚀等级，钢筋混凝土侵蚀破坏主要以氯离子侵入为主，因此设计要求隧道初期支护钢构件都应采取防腐措施；喷射混凝土采用低水灰比（W/C≤0.40），并在混合料中掺一定量的粉煤灰，设计强度等级C25，抗渗等级大于S8。隧道二次衬砌选择具备高抗海水侵蚀能力的防腐混凝土，设计强度等级C45，抗渗等级大于S12，混凝土90天氯离子扩散系数小于2.0×10-12m2/s。其设计理念是提高混凝土结构耐久性和抵抗抗化学腐蚀的能力。
2.2材料选择
2.1.1水泥
在其他条件相同的情况下，水泥细度及颗粒组成对水泥石孔结构产生很大影响，使用粗颗粒含量多的水泥，水化后其主要含胶凝孔的大毛细孔具有较高的渗透性，而采用细颗粒含量较多的水泥，除了凝胶孔外，毛细孔体积大大减少，从而提高了水泥石的抗渗性。所以优选了福建建福水泥厂生产的“建福牌水泥，强度等级为P.Ⅱ42.5MPa硅酸盐水泥，碱含量小于0.6%。
2.2.2细集料
选用级配良好、细度模数在2.6~3.0之间的漳州河砂，其性能指标见表1
河砂物理性能指标 表1
检测项目 检验结果 检测项目 检验结果
表观密度，g/cm3 2.590 坚固性，% 2
堆积密度，g/cm3 1.426 氯离子含量，% /
紧密密度，g/cm3 1.594 有机质含量，% 浅于标准色
含泥量，% 1.2 云母含量，% /
泥块含量，% 0.4 轻物质含量，% /
细度模数 2.8 硫化物及硫酸盐含量（折算成SO3），% /
级配区 Ⅱ / /

2.2.3粗集料
粗集料采用厦门海沧顺明石场碎石，要求压碎值不大于10%，针片状含量不大于7%，选用5～25mm粒级反击破碎石，其物理性能指标见表2。
碎石物理性能指标 表2
检测项目 检验结果 检测项目 检验结果
表观密度，g/cm3 2.632 针片状，% 4.2
堆积密度，g/cm3 1.46 坚固性，% /
紧密密度，g/cm3 1.59 硫化物及硫酸盐含量（折算成SO3），% /
含泥量，% 0.2 有机质含量，% 浅于标准色
泥块含量，% 0 碱活性 无
吸水率，% 1.5 级配 符合5~25mm连续级配
压碎指标值，% 6.8 / /

2.2.4减水剂
选用质量符合《混凝土外加剂》（GB8076-1997）与水泥适应性好的意大利马贝X414缓凝高效减水剂，减水率大于20%，氯离子含量小于0.02%，对钢筋无锈蚀作用。
2.2.5矿物掺合料
选用S95级磨细粒化高炉矿渣粉和Ⅰ级粉煤灰。其中磨细矿渣粉的物理性能指标见表4。
矿渣粉物理性能指标 表4
检测项目 检验结果 检测项目 检验结果
密度，g/cm3 2.93 SO3含量，% 0.3
比表面积，m2/kg 412 烧失量，% 0.3
28天活性指数，% 107 Cl-含量，% 0.01
含水率，% 0.2 流动度比，% 105

2.2.6拌合水
采用生活饮用水。
2.3混凝土配合比设计及原则
各种原材料经检验，均符合相关质量要求。根据《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ 55-2000）及《公路工程砼结构防腐蚀技术规范》（JTG/TB07-01-2006）等相关技术规程的要求。并按设计强度等级为C45、抗渗等级大于S12，抗氯离子扩散系数2.0×10-12m2/s的技术要求，对配合比进行设计、试配、调整。
2.3.1配合比设计原则：
2.3.1.1要求水胶比不大于0.4；
2.3.1.2掺适量优质高效减水剂；
2.3.1.3大掺量优质高活性的掺合料（粉煤灰、磨细矿渣粉）取代部分水泥。在保证混凝土强度与施工和易性前提下，可以显著提高混凝土的可泵性、抗渗性和抗氯离子扩散等耐久性能，增强了对钢筋的保护作用。
2.3.2配合比试配结果及优选：
根据各配合比试验结果分析，下表配比3的各项性能满足设计和施工要求，确定选择该配合比作为隧道衬砌施工配合比。见表5

混凝土配合比 表5
项目

编号 材料用量（kg/m3） 强度（MPa） 水胶比 抗渗
等级 90天氯离子
扩散系数（10-12m2/s）
水泥 拌和水 细骨料 粗骨料 粉煤灰 粒化高炉矿渣 减水剂 7天 28天
配比1 257 164 696 1043 70 140 3.27 45.5 68.8 0.35 S14 3.12
配比2 234 160 721 1039 78 156 3.74 34.9 65.8 0.34 S14 2.55
配比3 246 155 713 1020 82 164 3.91 44.2 65.4 0.32 S14 1.38

配比3各项性能指标见表6。
表6

龄期

检测项目 3天 5天 7天 28天 90天
抗压强度（MPa） 26.4 / 39.2 61.7 /
轴心抗压强度
（104MPa） 25.9 29.8 35.2 58.7 /
弹性模量（MPa） / 3.01 3.42 3.73 /
抗渗等级 / / / ＞14 /
90天氯离子扩散系数（10-12m2/s） / / / 3.31 1.35

第三章 混凝土拌制工艺质量控制
3.1加强原材料质量管理：
选用优质的原材料，对料源进行考察和认真筛选，是确保混凝土质量的基础。进入拌合站的砂、石材料按品种、规格分仓堆放，对隧道二衬混凝土用砂、石材料标识隧道专用，避免与其它材料混用或错用的现象。特别对水泥、粉煤灰、矿渣粉等粉料筒仓采取防潮、防湿措施，并分别对各种原材料进行挂牌标识。
3.2强化生产过程质量控制：
3.2.1混凝土搅拌采用计算机自动控制系统，搅拌设备经当地计量部门检定合格，并定期进行计量校验，确保设备计量精度；
3.2.2确定合理的搅拌时间，由于混凝土中掺入大量的矿物活性掺合料和减水剂，再根据搅拌机型、运输时间和实际搅拌效果，确定搅拌时间不少于120s；
3.2.3加强过程检验，包括生产检验、交货检验及施工单位自检和监理抽检。生产检验——混凝土生产前，试验检测人员对使用的砂、石材料进行含水量测试，调整施工配合比，并对外加剂，配合比进行检查，确保混凝土质量和强度等级与的工程部位要求相符。混凝土在出厂前，要对拌合物进行坍落度及和易性测试，符合要求后才允许出站，并抽取混凝土强度试件，作为生产质量控制的依据。交货检验——混凝土运输到施工现场后，在浇注前，商品混凝土供应商应在监理旁站下，要对混凝土拌合物性能进行测试，符合要求后才允许入模浇注，并抽取强度试件，作为交货检验的依据。施工单位自检—施工单位复核商品混凝土供应商提供的相关资料，查看是否与工程部位的要求相符，并按每工作班抽取强度试件，作为检验混凝土结构强度的依据。监理抽检——监理对同部位、同配合比、同强度等级的混凝土，在施工单位自检的基础上按不少于20%的频率进行独立抽样检验。在正常检验情况下，若对混凝土质量有怀疑，随时进行抽检，如发现混凝土拌合物性能有变化时做到立即通知混凝土供应商及时纠正调整。要求抽样检验频率，在同结构、同强度等级每100m3或每一工作班至少抽取两组混凝土强度试件。通过多层次严格把关和各个环节的质量控制，大大提高了商品混凝土的质量，从而也保证了隧道混凝土结构工程质量。
第四章 混凝土浇筑现场质量控制：
4.1浇筑混凝土前，全部支架、模板和钢筋预埋件应按图纸要求进行检查，并清理干净模板内杂物，不得有滞水、锯末、施工碎屑和其他附着物质。混凝土采用泵送的方式浇筑，混凝土泵应连续运转；输送管道宜直，转弯宜缓，接头应严密；泵送前用砂浆润滑管道。混凝土应分层灌注，每层灌注的高度、次序、方向应根据搅拌能力、运输距离、灌注速度、洞内气温和振捣等因素确定。混凝土运到施工浇筑地点，首先由试验检测人员测试混凝土拌合物的坍落度和温度，确保混凝土拌合物的流动性及入模温度满足技术要求，并详细填写施工记录。
4.2混凝土入模后，应立即采用振捣棒（每分钟不少于4500脉冲的频率）捣实，使之形成密实、均匀的整体，并尽可能降低混凝土中的气泡。使用插入式振捣器振捣时尽可能避免与钢筋和预埋件相接触，以免造成钢构件尺寸变形。在插入式振捣器不能到达的地方，采用附着式振捣器振捣，保证混凝土结构内实外光。
4.3加强混凝土早期养护至关重要，混凝土初凝至达到拆模强度之前，模板不得振动，伸出的钢筋不得承受外力，二衬混凝土强度达到2.5MPa时，方可拆模，拆模后采用自动喷水系统养护14天。在养护操作过程中，不得使混凝土结构表面受到污染和损伤，养护期内随时保持混凝土表面湿润，使混凝土处在有利于硬化及强度增长的温度和湿度环境中。
第五章 结论
在海底隧道衬砌混凝土施工中使用高性能防腐混凝土，不仅有利地提高混凝土在海洋环境中的耐久性能，而且其大流动性混凝土拌合物也为各种条件下的施工提供了便利。决定防腐混凝土施工控制质量的关键因素主要有：原材料的质量控制、混凝土的生产过程控制、现场浇注施工质量控制及混凝土拌合物的温升和养护条件等。

参考文献
1、《公路工程混凝土结构防腐蚀技术规范》（JTG/T B07-01—2006）
2、《公路隧道施工技术规范》（JTJ042-94）