戈壁滩盐渍土地区桥涵结构物耐久性设计研究

黄继兴，樊小伟

（中交第二航务工程勘察设计院有限公司，湖北 武汉 430060）

0 引言

近年来，随着一带一路的提出，国家日益重视对西部地区交通基础设施的建设。盐渍土是我国西北部区域广泛分布的特殊性岩土，由于其特殊的物理性质和化学性质，在戈壁滩盐渍土地区修建的公路、铁路桥涵结构物经常发生腐蚀、病害。戈壁滩盐渍土地区的桥涵结构物如果不采取任何防腐蚀措施，其耐久性会减弱，使用寿命也会大大减小。因此，如何有效的提高戈壁滩盐渍土地区桥涵结构物的耐久性，确保桥涵结构物的使用寿命，成为戈壁滩盐渍土地区基础设施建设的关键性问题。

1 工程区盐渍土的成因及特性

G215线柳园至敦煌公路工程是古“丝绸之路”重要的路线，是敦煌及青海地区与新疆北部地区之间交通往来的主要通道，该项目位于河西走廊的戈壁滩地区，上游为疏勒河，工程区气候干燥多风，雨少严寒，日照长而辐射强，蒸发强烈。疏勒河中的水流流经上游出露含盐地层，将盐分带至下游冲积平原或洪积扇上，土壤长年处在积盐过程中，经蒸发和多次累积形成冲洪积盐渍土层。

工程区位于山前洪积扇地带，属于碱化、戈壁滩氯盐-硫酸盐盐渍土片区，沿线以细砂和粉质黏土为主，地表局部可见盐霜，局部土层开挖晾晒后可见泛白现象，土壤中盐分主要集中在近地表（0～2m）深度内，2m以下土层含盐量相对减少，地下水及地表水中含盐量较高。

2 戈壁滩盐渍土对桥涵结构物的影响分析

戈壁滩盐渍土中含有大量氯盐和硫酸盐，其对桥涵结构物的腐蚀可分为对混凝土的腐蚀和对钢筋的腐蚀。根据戈壁滩区严寒环境的特性，两种腐蚀分别有以下特点。

2.1 戈壁滩盐渍土对混凝土的腐蚀

戈壁滩盐渍土对混凝土的腐蚀又包含物理腐蚀和化学腐蚀两种。

物理腐蚀：戈壁滩地区地下水位变化频繁，混凝土构件位于干湿循环的环境中。当混凝土结构在水位以下时，混凝土通过毛细作用吸进了含有盐分的盐溶液，盐溶液慢慢侵入混凝土内部，当地下水位下降时，混凝土中的盐溶液会蒸发、结晶，同时产生很大的结晶压力，反复作用后易使混凝土内部产生裂缝，并随着裂缝的产生，更多的盐溶液进入混凝土结构内部，长期循环累积导致混凝土破坏，失去强度。该破坏形态为地面以上0.5m至地面以下1m范围内的混凝土结构混凝土石子外漏，易敲碎。

化学腐蚀：混凝土的化学腐蚀是硫酸盐盐渍土引起的，硫酸盐盐渍土对混凝土的化学腐蚀主要是硫酸盐盐渍土中的S O42-和Mg2+与混凝土中的成分发生化学反应，生成没有强度的化学物质或结晶体，使混凝土发生溃散破坏。其中S O42-可与混凝土中的水化铝酸钙发生化学反应，生成的结晶物体积增大两倍，产生较大的结晶压力；Mg2+可与混凝土的主要成分氢氧化钙发生化学反应，生成无粘结强度的化学物质，使得混凝土结构疏松甚至解体。该破坏形态为常水位以下的混凝土结构表面剥蚀，易敲碎。

2.2 壁滩盐渍土对钢筋的腐蚀

壁滩盐渍土对钢筋的腐蚀为化学腐蚀，主要是由于壁滩盐渍土中氯盐的腐蚀作用引起的。氯盐易溶于水，其溶于水后的Cl-渗透能力较强，能够通过混凝土中的缝隙进入到钢筋表面，破坏钢筋的钝化膜，然后形成“腐蚀电池”，使得渗入的Cl-和S O42-能够与钢筋发生化学反应，同时Cl-还能提高“腐蚀电池”的腐蚀效率，使得钢筋表面产生铁锈，大大降低钢筋与混凝土的粘结作用，使钢筋混凝土结构产生裂缝。该破坏形态为常水位以下的混凝土结构裂缝较多，结构物钢筋外漏且锈蚀严重。

3 工程区盐渍土分析评价

G215线柳园至敦煌公路工程位于戈壁滩盐渍土区域。根据相关规范，并结合工程经验，工程区化学腐蚀环境分类和作用等级可根据表1进行分类。

依据野外调查和室内取样测试分析，工程区大多地段盐渍土基本特征为：上部为冲洪积和湖沼沉积形成的盐渍土，以弱～中氯盐渍土为主，局部地段为硫酸盐渍土及亚硫酸盐渍土，盐渍化程度以弱～中为主。工程区盐渍土分布路段见表2。

表1 化学腐蚀环境分类及作用等级评定表

根据实验数据统计分析表面，土层对混凝土结构腐蚀等级为中等腐蚀，局部含盐量高地段为强腐蚀，对钢筋腐蚀等级为弱～中腐蚀，化学环境作用等级主要为C级和D级。

表2 工程区盐渍土分布表

4 戈壁滩盐渍土地区提高桥涵结构物耐久性的措施[1-8]

根据桥涵结构中混凝土和钢筋受腐蚀破坏的机理及部位，并结合工程区环境情况，采取了以下技术措施来提高桥涵结构的耐久性。

4.1 混凝土防腐蚀技术措施

4.1.1 控制原材料的质量及比例

混凝土选用了含碱量较低或者碱活性较弱的水泥、砂、石、水等材料，盐渍土地区的水腐蚀性较强，应对使用的水进行处理，水质符合要求方可使用。同时，严格控制混凝土水胶比，粉煤灰含量占总胶凝材料不大于30%，粉煤灰的含碳量不大于2%，硅灰占胶凝材料3%，在确保混凝土的坍落度同时，增加水泥的用量。为保证工程区桥涵结构物的耐久性，对全线桥涵构造混凝土的最低强度等级、最大水胶比和胶凝材料最小用量的要求见表3。

表3 最低强度等级、最大水胶比和胶凝材料最小用量表

4.1.2 采用高标号的防腐蚀混凝土

水泥的品质对盐渍土地区混凝土的抗腐蚀性能有着关键性的作用，根据工程区的环境作用等级，项目中桥涵结构物的基础及下部结构采用了C40高抗硫酸盐混凝土。盐渍土对混凝土的化学腐蚀主要是S O42-离子引起的，一般的硅酸盐水泥中的铝酸钙成分比例较大，与S O42-发生化学反应的速度快，混凝土耐久性较差。C40高抗硫混凝土具有高密实、低渗透性、含铝酸钙较少等优点，采用高标号的混凝土能够减少毛细水的渗入，降低S O42-与混凝土之间化学反应的速度，从而有效的减弱盐渍土对混凝土的腐蚀作用，提高混凝土的耐久性。

4.1.3 掺加混凝土外加剂

戈壁滩地区天气干燥，日晒较长，桥涵构造物位于冻融环境中，混凝在制作过程中易开裂，在制作混凝土时添加外加剂则能够显著的改善混凝土的性能。工程区的混凝土可适当的掺加减水剂和引气剂，其中减水剂可以降低水灰比，提高混凝土的早期强度和增强抗渗性能；引气剂则会在混凝土内部产生大量均匀分布的小气泡，可阻止毛细水的渗入，大大提高了混凝土抗冻性、抗渗性、耐腐蚀性及抗碱集料反应性能。

4.1.4 涂刷混凝土保护层

混凝土构件在拆模后，其表面存在着缺陷，裂缝，环境中的水可通过这些部位渗入到混凝土内部，涂刷混凝土保护层可有效的阻止环境中的水渗入混凝土。工程区的混凝土桥涵构造物的基础表面均涂刷了沥青，主要分布于常水位以上0.5m至地面以下1.0m范围内，不仅可以阻止S O42-离子的侵入，也可抵抗干湿交替环境作用。

4.2 钢筋防腐蚀技术措施

4.2.1 增加混凝土保护层厚度

混凝土中Cl-的主要是通过钢筋表层扩散，对于长期处于盐渍土侵蚀状态的混凝土构件，应适当的增加混凝土保护层的厚度，该措施可有效的阻止外部环境的Cl-与钢筋接触，防止钢筋的腐蚀。但混凝土保护层厚度过厚时，混凝土的收缩会导致表层出现裂缝，削弱混凝土保护层的作用，因此混凝土保护层的厚度应取规范中最小保护层厚度与保护层厚度施工误差之和。本项目对于直接接触土体浇筑的桩基混凝土保护层厚度取85mm，其他采用模板现浇混凝土的下部结构混凝土保护层厚度取50mm，钢筋的连接尽量采用焊接和机械连接，桩基的定位尽量采用混凝土定位块。

4.2.2 控制结构裂缝宽度

一般与盐渍土接触的桥涵结构为钢筋混凝土结构，在持久状况正常使用极限状态时允许出现裂缝，裂缝宽度的大小直接决定了盐溶液的渗入速度。设计时，基础和下部结构钢筋混凝土构件的裂缝宽度控制在0.2mm以内；基础及下部结构的普通钢筋全部采用H R B400钢筋，且受力钢筋的直径不宜小于16 mm；对于扩大基础、桥台台身、桥台承台等大体积的混凝土构件，在暴露面上均布置分布钢筋以减小混凝土表面裂缝宽度。

4.2.3 采用耐腐蚀的钢筋

本项目的桥涵基础混凝土钢筋均采用了环氧涂层钢筋，环氧涂层能够隔断Cl-与钢筋的接触，保护钢筋，减缓Cl-对钢筋的腐蚀。环氧涂层较脆弱，易损坏，施工前应检查环氧涂层钢筋的环氧涂层是否完整，施工时严禁破坏钢筋的环氧涂层。

4.3 其他技术措施

4.3.1 加强阻水设计

小跨径的桥涵结构采用了扩大基础，对于地下水位较高的区域，扩大基础底部采用天然砂砾和片石换填，换填后铺设防水土工布，隔绝盐溶液与混凝土构件的交互作用。

4.3.2 加强引排水设计

本项目的桥涵结构物下部结构的表面均设计了溜坡，该设计有利于排水，防止积水。桥涵结构物的进出口均设置了排水沟、导流堤和蒸发池，将地表水引流出去，减少地表水与桥涵结构的接触时间。

5 结语

戈壁滩盐渍土地区桥涵结构物的耐久性一直是工程中重点关注的问题，位于戈壁滩盐渍土地区的桥涵结构物容易发生盐胀、腐蚀等病害，病害一旦发生将对项目的后期运营管理造成较大的困难。本文结合G215线柳园至敦煌公路工程中桥涵设计的关键问题进行探讨，基于钢筋混凝土的腐蚀机理，概括分析了提高混凝土耐久性的措施。实际工程中，应根据项目所在区域的特定环境情况来采取针对性的防腐蚀措施，提高桥涵构造物的耐久性，保证桥涵构造物的使用寿命。