排水管道是城市重要的基础设施,承担着城市污水、雨水有序收集、运输和治理,维护城市日常运行的重要作用。截止到2016年,上海全市直径大于1.5 m的特大排水管道长490.42 km,其中内径大于2 m的钢筋混凝土特大箱涵,主要为20世纪70年代修建的南干线、西干线,到20世纪90年代开始建设的合流污水治理一期、污水二期及三期等一系列工程,承担的污水总量约占上海污水处理的68.8%,是管涵中的重中之重^[1]。目前,这些大型箱涵管龄普遍在10～30多年,已进入或接近设计年限中期,早期建设的箱涵已经出现严重的混凝土腐蚀情况^[2,3]。本文以上海市工程实例为背景,研究大型箱涵的混凝土结构腐蚀规律,供今后类似工程参考。

根据搜集的相关设计资料,早期箱涵分单孔箱涵、双孔箱涵和三孔箱涵,板厚250～550 mm,在角部采用加腋设计,加腋宽度200～350 mm,混凝土设计强度250#(相当于现在的强度等级C23),抗渗标号S6,钢筋采用Ⅱ级钢,保护层设计厚度为30 mm。典型的箱涵断面图及断面尺寸详见图1和表1。

目前,上海市的排水箱涵顶覆土厚度绝大部分为1～3 m,沿线经过绿化、道路,甚至出现临时房屋侵占的现象。箱涵所处的环境与原设计条件已发生较大的变化。

箱涵混凝土结构的腐蚀主要表现为混凝土粗骨料外露、保护层剥落、钢筋显露或完全腐蚀而缺失。从箱涵混凝土腐蚀部位来看,箱涵顶板腐蚀最严重,其次是顶板两侧与侧壁的加腋处,再次是侧壁和底板(如果有常年暴露于水上部分,则该部分腐蚀较为明显)。

箱涵的顶板一般是腐蚀最严重的,尤其是对非满管的重力流。在对实际使用已近40年某非满管重力流的的箱涵进行检测,箱涵顶板因腐蚀而厚度严重不足,混凝土保护层全部剥落,钢筋严重甚至完全腐蚀,只留钢筋槽;腋角腐蚀相对顶板腐蚀较轻,从粗骨料外露的轻微腐蚀到保护层缺失钢筋裸露的严重腐蚀;其他部位腐蚀尚不明显。因为混凝土腐蚀,箱涵顶板厚度严重不足,腐蚀严重部位剩余厚度仅为理论设计厚度的58%。该项目中5个断面抽检结果详见表2。

另外抽查一条建于1993年左右的箱涵,混凝土强度等级约为C23(原为250#),满管压力流,尚未发现普遍的严重腐蚀情况,但局部发现个别测点混凝土腐蚀严重,厚度不足,这些测点区域往往和箱涵漏水结合在一起,可能因为漏水引起水气交流加快腐蚀。

现场按照《回弹法检测混凝土抗压强度技术规程》(JGJ/T 23-2011)^[4]4],采用回弹及取芯修正的方法对箱涵混凝土强度进行测试。限于条件,在箱涵降压运行期间对箱涵顶板进行回弹法测试和钻芯,通过混凝土芯样的抗压强度试验结果对回弹法所得混凝土强度进行修正,综合评价箱涵混凝土强度等级。抽检建于20世纪80年代、90年代2个箱涵10余个断面,检测结果表明,箱涵顶板残留非腐蚀部分的混凝土强度均大于原设计强度,考虑到当初的施工工艺混凝土主要是工地现场人工拌制现浇,建造时混凝土强度不会有太多富裕,可以推断混凝土强度随时间的发展有一定增加。混凝土抗压强度检测结果见表3。

为检测出混凝土碳化对钢筋锈蚀的影响,特对混凝土碳化深度进行检测。碳化深度主要针对箱涵顶板外表面和钻孔取芯的芯样采用酚酞试剂检测,检测结果表明碳化深度均小于0.5 mm,基本可以忽略不计。

按照《建筑结构检测技术标准》(GB/T 50344-2004)^[5]5]要求,采用电化学测定方法中的半电池电位法,对钢筋锈蚀状况进行检测。在测区上布置测试网格,网格节点为测点,网格间距为20 mm×20 mm。检测结果表明,每个测区超过半数的测点电位水平小于-350 mV,根据《建筑结构检测技术标准》钢筋发生锈蚀的概率为95%;但现场凿开检测,钢筋状况基本完好,没有明显锈蚀情况。

根据上海市科学技术委员会科研计划项目的研究报告《特大排水管涵安全评估及健康管理关键技术研究》,顶板损伤最为严重,一方面,由于H₂S等气体在顶部聚集,通过反应转化为硫酸,进而腐蚀顶板。另一方面,顶板发生“应力-腐蚀”耦合效应,即顶板跨中承受正弯矩,内壁为受拉侧,使混凝土微裂隙有张开的趋势,加速了腐蚀介质渗入,易造成钢筋锈胀及混凝土剥落,而侧板和腋角处的箱涵内壁为受压侧,微裂隙被压密,在一定程度上阻止了腐蚀及冲刷的发生。从本工程实例的研究基本可以证明上述腐蚀机理在箱涵腐蚀中的合理性。

大口径排水箱涵混凝土结构腐蚀是一个复杂的过程。对非满管流箱涵,顶板是一个易受腐蚀的部位,严重腐蚀后,混凝土保护层完全缺失、钢筋锈断,顶板厚度严重减小导致结构失效,而残余部分的混凝土强度有所提高;对满管流箱涵,其腐蚀现状和机理尚待进一步研究。