青藏高原地区混凝土的工程问题及对策

邓仙芝，李若然，王露，刘数华

（武汉大学水利水电学院，湖北 武汉 430072）

1 青藏高原地区的环境特点

青藏铁路起于青海省，进入西藏自治区，全长1956km，是重要的进藏路线，该铁路途经青藏高原，被誉为天路。青藏高原环境恶劣，光照时间久、昼夜温差较大，有很多常年冰冻的雪山坐落其中，有“世界屋脊”和“亚洲水塔”之称。因其处于亚欧板块与印度洋板块相挤压的地方，同时受到太平洋板块的影响，使其拥有复杂而独特的地质环境。大自然的鬼斧神工虽然给予了西藏独一无二的景色，但对于青藏铁路混凝土的耐久性却造成了极大的考验。要了解青藏铁路混凝土的劣化机制和相应的解决措施，必须先了解青藏高原的环境特点。

青藏高原主要环境特点为：一是高寒。平均海拔在4000m 以上，年平均气温在 -6～-1℃ 左右。因而青藏铁路位于海拔 4000m 以上的线路约有 960km，穿越连续多年冻土区的线路约有 550km。除格尔木和拉萨外，铁路沿线极端最高气温 25℃，极端最低气温 -45℃，年平均气温约 -6～-2℃[1]。二是光照时间长。当地年光照时间是内地的 1.5～2.5 倍。三是气候干燥、干湿交替快。年蒸发量是降雨量的 10～15 倍，相对湿度极低，氧分压低，一般在 0.5～0.7 个大气压之间。四是昼夜温差大。青藏高原地区的日均温差和年均温差都很大，年气温正负交替次数高达 180d 左右。五是风沙大，大风日多。很多地方植被稀少，5 级以上的风十分常见，并且携带沙尘，植被稀少，抵抗风沙能力较弱。六是紫外线辐射强。青藏高原海拔较高，空气稀薄，水汽含量少，故太阳能辐射作用极少被削弱，紫外光能极大，其辐射量是内地的 1.5～2.5 倍，且辐射作用强。七是多冰雪天气，有些地方全年冰冻。八是青藏高原地区有些河流和部分地区的地下水存在腐蚀性物质，如 SO42-和 Cl-等。九是极端天气特别多，大风、暴雪、暴雨、冰雹等现象频繁出现[11]。

总之，青藏高原多数地区环境极其恶劣，给青藏铁路的施工和维护带来极大困难。本文仅从混凝土工程出发，阐述青藏铁路沿线尤其是处于青藏高原地段恶劣环境对混凝土工程的劣化特性及破坏机制，同时提出混凝土性能的改善措施及机理。

2 不同环境特点对混凝土工程的劣化特性及机制

2.1 低温冻融作用劣化机制

青藏铁路途经高海拔地区，冻土面积广阔，平均气温低，每年平均约有 180 个高频率冻融循环，加之四季更替使得土体状况不同，混凝土的耐久性受到严重影响。目前关于冻融破坏的机制主要有两个假说：静水压理论和渗透压理论。静水压假说认为大孔隙中未结冰的水会流向小孔隙，对混凝土产生静水压作用力；而渗透压假说认为大孔隙中由于结冰，溶液浓度较高，大小孔隙溶液浓度差会产生渗透压，使得小孔隙的水流向大孔隙。两种假说理论都不无道理，但对于一些现象却不能很好地解释。在低温环境下，孔溶液结冰可被认为具有微集料填充效应[2]，尽管冰的强度较高，但在一次次冻融循环中冰产生的膨胀应力损害了微小孔隙内部结构，微小的裂纹逐渐发展成粗裂纹，表层剥落直至破坏，混凝土的抗拉、抗压等力学性能显著下降，最终导致其使用寿命大大降低。当水中含有盐类成分时，这种破坏作用会显著加强。

2.2 盐类作用劣化机制

青藏高原地区咸水湖较多，因而青藏铁路沿线部分地区存在较强的腐蚀性物质，表 1 是青藏铁路增建西宁—格尔木二线某段盐渍土含盐化学成分统计表[3]，可以看出盐类成分种类较多，其中主要成分为硫酸盐、氯盐和碱金属等。混凝土的抗侵蚀性主要取决于水泥的抗侵蚀性，而水泥的侵蚀性主要与土体和河流中含有的盐类离子有关，复杂的盐类成分会导致混凝土受侵蚀劣化。

表1 青藏铁路增建西宁—格尔木二线某段盐渍土含盐化学成分统计表[3] %

混凝土硫酸盐腐蚀的机理是一个十分复杂的物理化学过程。在混凝土配制过程中会混入硫酸盐成分，但随着时间推移其含量逐渐减少，因而内部腐蚀反应速度很慢。占主导地位的外部腐蚀机理主要是硫酸盐渗入混凝土内部，与石灰溶液溶质发生化学反应，最终生成石膏或钙矾石，固相体积显著增大，导致内部产生大裂缝，严重损坏混凝土内部结构。难溶的膨胀性物质还会在混凝土内部吸收大量的水分子结晶析出，体积增大，形成膨胀内应力，当超过混凝土的抗拉强度时，混凝土就会被损坏。硫酸盐溶液浓度较高时，一方面会产生石膏结晶，结晶产物会导致体积增大而破坏混凝土内部结构，结晶过程还消耗了混凝土中的水分，另一方面硬化水泥石中的 Ca(OH)2和 C-S-H 等组分通过硫酸盐的作用会溶出或分解，从而减小了混凝土的黏性和强度。在硫酸盐作用下，混凝土的表面会出现发白的现象，从棱角处逐渐有损伤现象，然后裂缝渐渐剥落，最终混凝土结构不仅易碎而且松散[4]。

氯盐对钢筋的腐蚀作用由钢筋脱钝和电化学反应两个过程构成。Cl-主要依靠混凝土表层的毛细管吸入作用和深层的扩散作用侵入混凝土[5]。一方面，Cl-的存在使局部钢筋钝化膜的破坏速度加快，与水泥石中的 Ca(OH)2反应使其溶解，生成的 CaCl2等盐类易溶于水析出，同时产生渗透压使混凝土结构破坏；另一方面，Cl-含量过高，容易引起电化学反应，加速钢筋的锈蚀。因此，Cl-的存在大大加快了钢筋锈蚀速度，而且可能导致危害性更为严重的点蚀现象，钢筋的延展性和承载力会大大减弱[6]。

2.3 碳化作用劣化机理

空气中的 CO2侵入混凝土与碱性物质反应，引起pH 下降的过程称为混凝土的碳化，碳化机制包含了复杂的物理化学作用。任何混凝土都存在孔隙，大气中的CO2是通过混凝土的孔隙向内部扩散并溶解，与水泥水化产物 Ca(OH)2反应生成碳酸钙，Ca(OH)2的持续消耗导致混凝土的 pH 值不断下降，达到一定程度将导致钢筋的脱钝现象。同时，通过碳化作用产生的碳酸钙堵塞在孔隙中，可降低混凝土的孔隙率并阻止 CO2的进一步侵入，适当的碳化可延缓混凝土的劣化。混凝土内固态的 Ca(OH)2会溶解并扩散至浓度低的区域[7]。碳化速度主要取决于混凝土结构保护层的厚度、混凝土的抗渗性、含气量、CO2浓度、水泥品种、水灰比、外加剂等多种因素。通常情况下，碳化深度与时间的二次方成正线性关系，当周围环境的相对湿度为 50% 左右时，混凝土会以最快的速度碳化，从而对混凝土造成最大的影响。

2.4 碱—骨料反应劣化机制

青藏铁路修建所用混凝土中的大多数骨料含有典型的碱活性矿物，水源中也含有较多碱性物质，极易发生碱—骨料反应而破坏混凝土结构。

碱—骨料反应（Alkali-Aggregate Reaction，简称AAR）是骨料中的活性氧化硅或硅酸盐、碳酸盐等与水泥、外加剂、掺合剂等中的碱性物质之间发生的化学作用。碱—骨料反应生成物吸水膨胀，在骨料—砂浆交界面积聚压力并在砂浆内产生细观拉应力，一旦应力超过材料的细观强度就会产生微裂缝，使细观拉应力得到释放。微裂缝是混凝土内部细观损伤的构成，可导致碱—骨料反应混凝土劣化[8]，造成弹性模量和强度等下降。碱—骨料反应分为三类：第一类是碱—硅酸反应（Alkali-Silica Reaction，简称 ASR），指碱和骨料中的活性 SiO2发生反应，生成碱硅胶，碱硅胶具有强烈吸水膨胀的特征，发生在骨料与水泥石界面处，导致混凝土产生不均匀膨胀而引起开裂；第二类是碱—硅酸盐反应，是指混凝土中的碱与骨料中某些层状结构的硅酸盐发生反应，使层状硅酸盐层间距增大，发生膨胀，而使混凝土膨胀开裂。但是这种反应速度非常缓慢，一般考虑较少；另一类是碱—碳酸盐反应（Alkali-Carbonate Reaction，简称 ACR），对于它目前有两种说法：一种为膨胀机理假说——碱与骨料中的微晶白云石反应生成水镁石和方解石晶体，使骨料膨胀，进而使混凝土膨胀开裂；另一种为硅胶化假说——碱与白云石质石灰岩骨料反应生成水镁石，水镁石又与溶液中的硅酸盐离子反应生成硅酸镁。而硅酸镁容易聚集在骨料界面部位，从而减弱混凝土强度的增长[9]。

2.5 电池反应劣化机制

一般情况下，钢筋混凝土中钢筋表面电位是不均匀的，一般都具有电势差。混凝土保护层由于碳化作用腐蚀后，空气中的氧会渗透抵达钢筋内部铁基体表面，发生电化学反应，进一步导致钢筋锈蚀，产生破坏。反应产物 Fe(OH)2的体积是原来被腐蚀铁基体体积的两倍甚至更大，其形成将对旁边的混凝土产生很大的膨胀压力。钢筋的锈蚀一般从局部点蚀开始，数量不断增多并慢慢地扩展开来，最后大片的钢筋被锈蚀，导致混凝土保护层脱落。一般情况下，环境相对湿度在 70%～80%之间最有利于电化学作用的进行。青藏铁路所处环境湿度较低，此种劣化作用相对较弱[10]。

2.6 多重作用劣化机制

青藏铁路所处环境复杂，混凝土往往同时受多方面作用。Mehta 曾经提出了混凝土受外界环境作用劣化的整体理论模型，结合西藏特点，可以得出图 1 所示的高寒严酷地区混凝土劣化模型[11]。从图中可以看出，混凝土首先经受干湿交替、冻融循环等因素的物理作用，当混凝土产生裂缝后，环境中的溶液、空气等通过裂缝渗透进入混凝土内部，进而发生碱—骨料反应、电化学反应等，由此产生的静水压、膨胀应力均可造成混凝土强度降低，最终导致混凝土开裂、剥落，造成混凝土整体劣化。在这个过程中，不同的环境因素之间相互影响。例如低温环境下混凝土产生的裂缝更易于盐类离子渗入，并且随着冻融循环更加频繁，渗透速度更快，因而两者耦合作用加剧了混凝土破坏程度。青藏高原干湿交替快，相对湿度低，在干湿循环过程中盐溶液在某一瞬间浓度达到最大，极大地提高了腐蚀速率。在干燥环境下，混凝土容易产生收缩裂缝，降低了混凝土的渗透性，使硫酸根离子更易渗透进入混凝土中。不仅如此，混凝土还经受矿化水的无机盐结晶应力、水流及砂石冲磨和撞击等，加速了混凝土表层的冻融破坏[12]。高原地带自然条件恶劣，生态脆弱，风砂强烈，混凝土极易失水而产生塑性裂缝。紫外线辐射对于混凝土的抗冻性也有一定影响，可能会对其表面砂浆造成不利影响，使之在冻融损伤早期就剥落，随着冻融循环次数的增加，紫外线辐射影响逐渐减弱。在青藏铁路所处的实际环境中，混凝土耐久性往往受多方面影响。

图1 高寒严酷地区混凝土劣化模型[11]

3 混凝土耐久性的改进措施与机理

混凝土的耐久性关系到结构、建筑物使用寿命的长短，针对上述多方面的劣化机制，笔者提出以下改进措施，分别从原材料、配合比、外加剂和保护层等方面提出改善混凝土耐久性的方法：

3.1 加强原材料研究和应用

要想改善混凝土耐久性，必须先从混凝土本身入手，加强研究新型胶凝材料和研制高强高耐久性的混凝土尤为重要。

3.1.1 选用高强度混凝土

混凝土强度与孔隙率密切相关，低强度的混凝土孔隙往往较多，极易受干湿循环和冻融循环等因素影响，产生的膨胀应力使表面产生裂缝；同时硫酸根离子、氯离子等盐类离子也更加容易通过裂缝渗入孔隙中腐蚀混凝土结构。水泥的矿物组成、细度和环境等与水泥强度的发展息息相关，因而选用高强度混凝土对于抵抗这些不利的环境因素有重要意义。

3.1.2 加强以耐久性为核心性能的混凝土新型胶凝材料的研究

水泥混凝土耐久性能的核心是胶凝材料的特性，因而，加强胶凝材料的研究有助于提高混凝土耐久性。现代钢筋混凝土使用寿命远小于设计寿命的根本原因在于，水泥中高活性矿物的含量逐渐增大、水泥细度不断增大，水泥干缩和温度收缩也不断增大，最终导致混凝土产生裂缝，裂缝与孔隙之间连通后为外部液体和气体渗入提供了通道，开始出现混凝土耐久性问题。现代工程中为了能快速施工，普遍使用早强混凝土也会导致结构过早劣化。因此，要解决在青藏高原地区这样严酷环境条件下混凝土材料耐久性问题，根本方法就是研制新型胶凝材料。武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室曾与某施工单位联合开展了高贝利特高性能水工混凝土的研究课题，以高贝利特水泥和矿物掺合料为新型胶凝材料进行了大量的试验研究[13]，研究结果表明这种材料具有优良的抗裂性能。因此，改善胶凝材料的性能，能大大提高混凝土材料的耐久性和使用寿命。

3.2 加强混凝土的外加剂和掺合料的研究和应用

在混凝土拌制过程中添加外加剂，能有效改善混凝土性能。不同类型的外加剂功能不同，针对提高混凝土耐久性，主要选择引气剂，并掺入粉煤灰等掺合料，按照国家标准添加，且要求无较大的副作用。

3.2.1 掺加优质粉煤灰和专用复合高性能外加剂

研究表明，掺入硅灰、粉煤灰等掺合料可以提高混凝土抗氯离子渗透性和抗硫酸盐腐蚀能力，抑制碱—硅酸反应，但会带来一些新问题，如低温下某些掺合料硬化较慢，抗冻能力有所下降。研究人员研制出的多功能复合外加剂-DZ 系列青藏铁路专用复合型外加剂，其主要成分是减水剂、增稠剂、引气剂等[1]，含有高效减水、保坍、引气、细化孔结构等功能组分，可以在提高抗冻性的同时，降低用水量，得到低水灰比、高耐久性的混凝土。掺合料与外加剂的混合使用，使得骨料与砂浆的膨胀率显著降低，进一步抑制了碱—硅酸反应，很好地改善了混凝土的性能。

3.2.2 加强引气剂的研究和应用

青藏高原严寒条件要求混凝土有较好的抗冻性，引气剂的使用能在结构内部引入一些分布均匀且封闭的气泡，有效改善混凝土和易性，因而要加强引气剂的研究，达到含气量大幅提升的目的。然而，有许多影响引气剂气泡性能及稳定性的复杂因素，不仅包括引气剂本身的内在因素，例如表面张力、溶液黏度等，还包括胶凝材料的细度、骨料、减水剂等外在因素。在青藏铁路高海拔高寒地区，由于空气稀薄气压低，以及施工过程中高频振捣的作用，混凝土结构中的气泡很不稳定。因此，如何大幅度提高混凝土中气泡的稳定性并优化气泡参数，研究新型适应高原低气压的引气剂是很必要的[11]。

3.3 加强新型混凝土保护涂层的研究和应用

保护涂层是混凝土抵抗环境破坏的第一道外部防线，牢牢守住第一道防线可以有效防治碱析出、水和空气渗入等问题，提高混凝土材料的耐久性，但青藏铁路严重的紫外线辐射常常导致混凝土保护层过早劣化，加强保护涂层研究是提高混凝土耐久性的重要措施之一。在高寒高海拔地区太阳辐射高、紫外线强、冻融循环和干湿循环频繁等典型特点条件下，有机涂层与混凝土之间的界面极易劣化，导致保护涂层过早失效。有机和无机材料的混合使用，具有很强的抗紫外线辐射能力，在涂层中大量引入气泡还能使其复合涂层具有保温保湿功能，并能封闭结构阻止水和有害物质的侵入。经测试表明，JHRF 氟碳涂料性能优异，涂装在外部后能封闭混凝土孔隙，缓解恶劣环境下混凝土受破坏程度，是一种创新有效的保护措施。

3.4 优化配合比设计

混凝土配合比是混凝土结构性能优异的关键因素，为了提高混凝土耐久性，合理设计配合比，显得尤为重要。青藏铁路所用混凝土为确保其耐久性，一般水泥用量较高，水泥水化过程中产生许多热量，可能导致混凝土受热不均开裂，因此要在保证耐久性的前提下降低水泥用量，并且选用低水化热、低碱以及低收缩率的水泥。经试验研究发现，水灰比越低的混凝土抗冻性能越强，因此在设计时要选择合适的水灰比。研究表明，水胶比对混凝土耐久性也有一定影响，主要表现在前期影响，在水胶比较小的前提下，混凝土孔隙率越小，内部越密实，抗冻性也越好。考虑到西藏高寒高海拔的特点，应降低水胶比并且提高含气量，减少物质渗入的通道。在合理选择骨料时，一定要注意碱活性的监测和控制。另外，开展新型混凝土配合比的研究，特别是高原型的再生混凝土技术等在高原地区应用的研究是非常有意义的[15]。

4 结论

青藏铁路地处青藏高原，青藏高原是个地理位置、地质条件、水文气象独特的地方，在海拔 4000m 以上的高寒严酷地区，环境对混凝土的劣化作用很强，严重影响了混凝土的耐久性。青藏铁路是世界海拔最高、线路最长的工程项目，研究其混凝土耐久性问题具有重要意义。针对冻融、盐腐蚀、碳化、碱—骨料反应、电池反应和多因素对混凝土的破坏作用，分析其劣化机理，并根据这些问题，提出了加强原材料、掺合料、外加剂、保护涂层等的研究和应用、优化配合比设计和研究新型混凝土等提高混凝土耐久性的有效途径和措施。