我國鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究的進展及發(fā)展趨勢

李化建，謝永江

( 1．中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，北京　100081; 2．高速鐵路軌道技術(shù)國家重點實驗室，北京　100081)

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我國鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究的進展及發(fā)展趨勢

李化建1，2，謝永江1，2

( 1．中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，北京100081; 2．高速鐵路軌道技術(shù)國家重點實驗室，北京100081)

摘要:闡述了鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的特點，系統(tǒng)地總結(jié)了鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究的最新進展，分析了我國高速鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性存在的問題，指出了我國高速鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性技術(shù)的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞:鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性發(fā)展趨勢

我國鐵路混凝土的發(fā)展歷程經(jīng)歷了以小跨度梁為代表的低強度普通混凝土、以混凝土軌枕為代表的低塑性高強混凝土以及以青藏鐵路為開端的高性能混凝土三個階段。第一階段: 1953年前，東北地區(qū)有少量最小跨度的鋼筋混凝土橋梁，跨度＜20 m的梁使用C28的混凝土。除此之外，其他絕大多數(shù)橋梁為鋼橋，而軌枕、電桿、樁等結(jié)構(gòu)采用木材或鋼材。第二階段: 1953—2000年，鐵路工程建設(shè)中尋求替代木材與鋼材的高強、高耐久材料。1953年采用干硬性C50混凝土成功制備出我國第一根混凝土軌枕，標志著我國鐵路混凝土進入了低塑性高強度混凝土階段［1-2］。第三階段: 2000年至今，鑒于青藏鐵路沿途地質(zhì)條件復(fù)雜且環(huán)境惡劣，“以橋代路”的設(shè)計理念被引入，低溫早強耐腐蝕高性能混凝土被應(yīng)用于青藏鐵路的灌注樁、橋梁、隧道、涵洞等結(jié)構(gòu)中［3］，從此我國鐵路進入高性能混凝土的時代。

隨著無砟軌道結(jié)構(gòu)在高速鐵路與客運專線的大規(guī)模應(yīng)用，混凝土在鐵路工程中的應(yīng)用范圍已被大大拓展。不過，由于鐵路工程結(jié)構(gòu)具有條帶狀分布、處于露天服役環(huán)境、承受疲勞荷載作用以及高運營安全性的特點，要求鐵路混凝土結(jié)構(gòu)必須具有優(yōu)良的長期性能和耐久性能［4］。長期以來，鐵路工程技術(shù)人員為改善和提高鐵路混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，延長鐵路工程的使用壽命，在鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性方面開展了大量的科學研究，取得了豐富的成果，并在實際鐵路工程中得到了廣泛應(yīng)用。根據(jù)我國鐵路混凝土所面臨的環(huán)境條件、原材料品質(zhì)以及施工技術(shù)水平，我國已經(jīng)制定了一整套關(guān)于鐵路混凝土工程的標準體系，包括《鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計規(guī)范》( TB 10005—2010)、《鐵路混凝土工程施工技術(shù)指南》(鐵建設(shè)［2010］241號)、《鐵路混凝土工程施工質(zhì)量驗收標準》( TB 10424—2010)等，為控制鐵路工程混凝土質(zhì)量、確保鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性起到了重要的作用。

本文在闡述我國鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性特點的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)地總結(jié)了鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究的最新進展，分析了我國鐵路、特別是高速鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性存在的問題，指出了鐵路混凝土耐久性技術(shù)的發(fā)展趨勢。

1鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的特點

高性能混凝土是以環(huán)境作用和工程結(jié)構(gòu)特點為前提、以耐久性設(shè)計為主要目標的混凝土。作為條形結(jié)構(gòu)的鐵路，要穿越不同環(huán)境區(qū)域，客觀上具有環(huán)境作用的多樣性和復(fù)雜性;同時，不同地域原材料性能差異大，就地取材，對鐵路混凝土的耐久性影響顯著。這就決定了鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性具有環(huán)境依賴性、工程依賴性和時間依賴性的特點。

1)環(huán)境依賴性。眾所周知，鐵路工程需要跨越大江南北。一方面，鐵路工程的基礎(chǔ)必須與土壤、地下水或河水接觸，環(huán)境土和環(huán)境水中的硫酸鹽、鎂鹽、堿等會對混凝土產(chǎn)生腐蝕作用，河流中的冰、泥砂也會對混凝土產(chǎn)生磨蝕作用;另一方面，鐵路工程的露天服役特性決定了鐵路混凝土結(jié)構(gòu)必須經(jīng)受惡劣氣候環(huán)境(溫度、濕度、風、霜、雨、雪)的腐蝕作用，沿海地區(qū)的混凝土結(jié)構(gòu)會遭受鹽霧的侵蝕，西南地區(qū)的混凝土結(jié)構(gòu)會遭受酸雨的侵蝕，東北地區(qū)的混凝土結(jié)構(gòu)會遭受凍融破壞的侵蝕。此外，由于不同作用環(huán)境對混凝土的腐蝕機理不同，同一條鐵路不同地區(qū)的混凝土結(jié)構(gòu)可能面臨不同腐蝕環(huán)境作用。即使是同一作用環(huán)境，當其作用等級不同時，對混凝土性能的要求也不相同。

2)工程依賴性。鐵路工程大多處于交通不便的露天環(huán)境，混凝土施工還可能處在荒無人煙或大風口等惡劣環(huán)境的地方，因此，混凝土結(jié)構(gòu)的施工除了要考慮外界環(huán)境通常意義上的冬期施工或熱期施工對混凝土性能的影響外，還要考慮特殊環(huán)境下施工。例如，蘭新鐵路途徑的百里風區(qū)，最大風速達60 m/s，風區(qū)長度約580 km，這對施工期間如何預(yù)防混凝土的早期失水收縮開裂提出了嚴峻的挑戰(zhàn)。與此同時，鐵路工程一些特殊地質(zhì)條件或者一些特殊結(jié)構(gòu)要求混凝土結(jié)構(gòu)施工應(yīng)采用相配套的施工工藝和施工設(shè)備。如鐵路路基加固用CFG樁的樁體材料，設(shè)計強度僅為C15～C20，樁長可達32 m，現(xiàn)場CFG樁樁體材料泵送距離折換成水平距離達到300 m［5］。這種長距離的泵送對樁體材料的泵送性能提出了很高的要求。

3)時間依賴性。鐵路工程的功能(耐久性、安全性、適用性等)是其使用時間的多維函數(shù)，且二者之間一般不呈線性關(guān)系，到某一時間點，某種功能會驟然下降，導致混凝土結(jié)構(gòu)失效。例如，鐵路工程的大部分混凝土結(jié)構(gòu)均承受疲勞荷載，無砟軌道更是如此，列車荷載是通過鋼軌直接作用于軌道板上或軌枕上，而軌道板或軌枕的力又作用于鐵路梁體上。這些鐵路混凝土結(jié)構(gòu)長期承受的周期疲勞荷載遠大于其他行業(yè)的混凝土結(jié)構(gòu)。由于混凝土結(jié)構(gòu)在長期周期性疲勞荷載作用下其受力性能隨著時間的推移，可能在某一時刻發(fā)生突然變化，導致其承載能力迅速下降，嚴重時會影響行車安全，因此，相關(guān)鐵路技術(shù)規(guī)范要求鐵路混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)具有很高的抗長期疲勞作用的性能。

2鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究進展

決定混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的三要素為環(huán)境、材料和介質(zhì)通道。環(huán)境因素對混凝土耐久性的影響是由鐵路工程途徑地域所決定的，也是無法消除的，只能根據(jù)不同環(huán)境制備與環(huán)境相容的混凝土。這也是目前鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計通常以作用環(huán)境為主要分類依據(jù)的原因。混凝土材料耐久性設(shè)計中要考慮混凝土本身抵抗腐蝕的能力，如優(yōu)選原材料、設(shè)計合理的配合比參數(shù)、摻加礦物摻和料、適當引氣等，這是混凝土耐久性設(shè)計的關(guān)鍵。減少或消除腐蝕介質(zhì)的作用通道是確?；炷两Y(jié)構(gòu)耐久性的另一關(guān)鍵環(huán)節(jié)。即使環(huán)境存在腐蝕作用介質(zhì)，腐蝕介質(zhì)如無法侵入到混凝土內(nèi)部，也不會腐蝕混凝土結(jié)構(gòu)。減少或消除腐蝕介質(zhì)作用通道的技術(shù)途徑有兩大類:一是細化混凝土內(nèi)部孔隙，增加孔隙的曲折度，提高有害離子向混凝土內(nèi)部擴散的位壘;二是采用防腐蝕強化措施，阻斷腐蝕介質(zhì)向混凝土內(nèi)部的滲入。下面圍繞著影響鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，介紹我國鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究進展。

2. 1鐵路混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計使用年限

為鐵路工程明確規(guī)定設(shè)計使用年限，不僅是業(yè)主和用戶的需要，也是使結(jié)構(gòu)設(shè)計更為經(jīng)濟、合理的必要環(huán)節(jié)。以往鐵路工程設(shè)計規(guī)范對混凝土結(jié)構(gòu)沒有明確提出設(shè)計使用年限要求。我國《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計規(guī)范》( GB /T 50476—2008)對結(jié)構(gòu)的設(shè)計使用年限分為兩級:一級設(shè)計使用年限不低于100年，指城市快速路和主干道上的橋梁以及其他道路上的大型橋梁、隧道，重要的市政設(shè)施等;二級設(shè)計使用年限不低于50年，指城市次干道和一般道路上的中小型橋梁，一般市政設(shè)施。實際上，該規(guī)范中環(huán)境作用下混凝土材料與鋼筋的保護層最小厚度是按照三個使用年限級別( 100年、50年和30年)給出的［6］。

歐洲規(guī)范規(guī)定了橋梁等主要土木工程結(jié)構(gòu)物的設(shè)計使用年限為100年［7］。美國規(guī)定橋梁的設(shè)計使用年限為不小于75～100年［8］。日本建筑學會規(guī)范明確提出了建筑物3個等級的設(shè)計年限［9］:①長期等級，規(guī)定不需要大修的年限約為100年;②標準等級，指多數(shù)建筑物，如公寓、辦公樓等，規(guī)定不需要大修的年限約為65年，使用年限為100年;③一般等級的低層私人住宅，規(guī)定不需要大修的年限約為30年，使用年限為65年。德國在《無砟軌道工程技術(shù)要求( AKFF第4版)》規(guī)定［10］:“無砟軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計的使用壽命應(yīng)至少為60年”。日本在混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計時，原則上要根據(jù)結(jié)構(gòu)所要求的使用期限及環(huán)境條件等設(shè)定設(shè)計基準期［11］。對于無砟軌道沒有統(tǒng)一的設(shè)計規(guī)范，只是在相關(guān)技術(shù)資料中(《板式軌道的設(shè)計與施工》)有與軌道板使用年限50年相關(guān)的描述:軌道板設(shè)計基于容許應(yīng)力法，對于軌道板鋼筋( SD35)容許應(yīng)力，按軌道板使用年限50年來確定。Design of Monblock Concrete Sleepers( UIC CODE 713)規(guī)定軌枕的設(shè)計使用年限至少為40年［12］。

《鐵路工程結(jié)構(gòu)可靠度統(tǒng)一設(shè)計標準》( GB 50216—1994)中1. 0. 4條規(guī)定:鐵路工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計應(yīng)結(jié)合預(yù)期使用壽命規(guī)定適當?shù)幕鶞势冢O(shè)計基準期宜為50年或100年。結(jié)合鐵路工程實際情況，根據(jù)類別的原則，我國鐵路工程規(guī)定鐵路混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計使用年限分為三個級別，即100年、60年和30年［13］。表1中列舉了不同設(shè)計使用年限級別的適用范圍示例。

2. 2鐵路混凝土結(jié)構(gòu)的環(huán)境類別及作用等級

混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性與其經(jīng)受的環(huán)境作用密切相關(guān)。如前所述，鐵路工程的環(huán)境依賴性，決定了其混凝土結(jié)構(gòu)必然經(jīng)受我國東西南北各個地區(qū)、不同季節(jié)的不同環(huán)境的侵蝕作用。結(jié)合我國歷史氣候信息資料與地質(zhì)資料，參考歐洲設(shè)計規(guī)范、我國《巖土工程勘察規(guī)范》( GB 50021—2001)以及《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計規(guī)范》等，對我國鐵路混凝土結(jié)構(gòu)的環(huán)境進行分類。根據(jù)鐵路工程混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋銹蝕以及混凝土腐蝕機理，綜合考慮設(shè)計的方便性，將鐵路混凝土環(huán)境類別分為碳化環(huán)境、氯鹽環(huán)境、化學侵蝕環(huán)境、鹽類結(jié)晶破壞環(huán)境、凍融破壞環(huán)境以及磨蝕環(huán)境6類。按其侵蝕的嚴重程度，各自分為3～4個環(huán)境作用等級，如表2所示。其中L3，H4，Y4，D4和M3為嚴重腐蝕環(huán)境等級。

表1鐵路混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限

表2鐵路混凝土結(jié)構(gòu)的環(huán)境類別及作用等級

2. 3鐵路混凝土配合比參數(shù)

1)膠凝材料用量

水泥是混凝土中必要的膠凝組分，但當水泥用量過大時，混凝土的水化放熱與開裂趨勢均會增加，對混凝土耐久性反而不利。減少單方混凝土中膠凝材料用量，有利于降低混凝土的滲透性，減少混凝土收縮且經(jīng)濟性好。確定膠凝材料用量的原則是在滿足混凝土的力學性能和工作性能的前提下，盡可能減少膠凝材料用量。美國AASHTO規(guī)程規(guī)定混凝土膠凝材料的用量不應(yīng)超過475 kg/m3［14］，日本高耐久性鋼筋混凝土設(shè)計施工指南規(guī)定膠凝材料用量不應(yīng)超過450 kg/m3［15］。為了確保結(jié)構(gòu)必要的力學性能，歐洲、日本、美國以及我國等都對混凝土膠凝材料最小用量提出了要求;如日本規(guī)定普通混凝土膠凝材料用量不宜小于290 kg/m3，輕骨料混凝土不宜小于320 kg/m3。為了滿足混凝土的施工工藝，泵送混凝土的最小水泥用量宜為300 kg/m3。自密實混凝土已經(jīng)在路基段板式無砟軌道道岔區(qū)、CRTSⅢ型板式無砟軌道充填層中使用［16］。振動成型和自密實成型混凝土用膠凝材料用量范圍應(yīng)不同，不同強度等級鐵路混凝土膠凝材料的用量范圍應(yīng)符合表3的規(guī)定。

表3混凝土的膠凝材料用量限值　kg/m3

2)礦物摻和料摻量

以礦渣和粉煤灰為代表的礦物摻和料能夠賦予混凝土高工作性能、高耐久性、高體積穩(wěn)定性，因此，礦物摻和料已經(jīng)成為鐵路混凝土的必要組分。考慮到礦物摻和料對混凝土力學性能的影響，在碳化環(huán)境、凍融破壞環(huán)境、鹽類結(jié)晶破壞環(huán)境以及磨蝕環(huán)境下，規(guī)定了礦物摻和料摻量最大值。粉煤灰、礦渣等礦物摻和料能夠顯著提高混凝土的抗氯離子滲透性和抗硫酸鹽侵蝕性能，對于氯鹽環(huán)境和化學侵蝕環(huán)境下的鐵路混凝土必須添加礦物摻和料，氯鹽環(huán)境和化學侵蝕環(huán)境下礦物摻和料摻量應(yīng)滿足表4的規(guī)定。

表4不同環(huán)境下混凝土中礦物摻和料摻量　%

3)水膠比

水膠比會顯著影響混凝土的強度、抗?jié)B性和收縮性能，限制最大水膠比是確?；炷恋哪途眯院腕w積穩(wěn)定性的關(guān)鍵。事實上，將混凝土最大用水量作為控制混凝土耐久性的指標要比最低水膠比更為適宜，依靠控制水膠比無法解決混凝土中因漿體用量過大而引起收縮和水化熱增加的負面影響。為了保證重要工程的耐久性，應(yīng)該對混凝土最大用水量給出規(guī)定，對于水膠比較低的混凝土，混凝土用水量不宜超過150 kg/m3。日本規(guī)定混凝土最大用水量不得大于175 kg/m3［15］。傳統(tǒng)配合比設(shè)計方法是用水膠比來確定混凝土的強度等級。受傳統(tǒng)配合比設(shè)計方法的影響，再加上混凝土用水量控制的工程經(jīng)驗和試驗研究較少，鐵路對混凝土的最大水膠比作出規(guī)定，見表5。

表5不同環(huán)境下混凝土最大水膠比

4)含氣量

含氣量是引氣混凝土的關(guān)鍵參數(shù)?；炷林幸龤獠粌H能夠提高混凝土的抗凍性和抗鹽類結(jié)晶破壞性能，而且能夠改善混凝土的工作性能。美國鐵路規(guī)范( AREMA)［17］規(guī)定海水、硫酸鹽侵蝕、水下等環(huán)境中的混凝土必須引氣。日本將不引氣的混凝土視為特殊混凝土，日本《高耐久性鋼筋混凝土設(shè)計施工指南》中規(guī)定混凝土的含氣量必須在5%以上。我國幅員遼闊，環(huán)境溫度差異大，從技術(shù)經(jīng)濟性考慮，鐵路混凝土工程在凍融破壞環(huán)境下和嚴重鹽類結(jié)晶破壞環(huán)境下必須使用引氣混凝土，混凝土的最小含氣量應(yīng)滿足表6的規(guī)定。

表6不同環(huán)境下混凝土的最小含氣量

2. 4混凝土結(jié)構(gòu)的施工技術(shù)

1)混凝土內(nèi)外溫差

為減少溫差引起混凝土開裂以及避免混凝土構(gòu)件芯部溫度過高，鐵路混凝土的入模溫度宜控制在5～30℃，混凝土與模板、鄰接的硬化混凝土或巖土介質(zhì)間的溫差不得大于15℃。混凝土預(yù)制梁芯部溫度不宜超過60℃，軌道板和雙塊式軌枕芯部溫度不宜超過55℃。

2)混凝土養(yǎng)護技術(shù)

混凝土施工期性能是影響混凝土開裂以及混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的關(guān)鍵，而影響混凝土施工期性能的關(guān)鍵因素是施工過程溫度、濕度和風速等。從保溫、保濕和防風等方面提出影響混凝土開裂的養(yǎng)護最短時間，結(jié)合我國西北地區(qū)鐵路(如蘭新鐵路等)的氣候環(huán)境條件，提出了包括極端干燥環(huán)境下混凝土養(yǎng)護時間的要求，見表7。

2. 5混凝土耐久性快速評價技術(shù)

混凝土質(zhì)量變異性的影響因素包括混凝土材料的變異性、施工的變異性和試驗的變異性。材料的變異性會引起混凝土拌合物性能的變異性，因此，在保證原材料質(zhì)量的前提下，通過檢測混凝土拌合物性能就可以確?；炷恋哪途眯?。這樣可以實現(xiàn)對混凝土耐久性的快速檢測與評價。

《青藏鐵路高原凍土地區(qū)耐久性混凝土目標管理措施》中提出了在混凝土出機時及在澆筑現(xiàn)場對混凝土的坍落度及其損失、含氣量及其損失、泌水率( 0. 5 h) 3項性能指標進行檢測。只要現(xiàn)場檢測的這3項指標滿足設(shè)計要求，混凝土的耐久性就合格，混凝土可澆注［3］。以京津城際鐵路和客運專線為工程背景，選擇混凝土拌合物為研究對象，研究結(jié)構(gòu)耐久性與混凝土拌合物之間的相關(guān)關(guān)系。利用混凝土單位體積質(zhì)量、含氣量、水膠比、原材料性能參數(shù)(原材料密度、粗骨料與細骨料飽和面干狀態(tài)下的吸水率)以及混凝土配合比參數(shù)與率值之間的內(nèi)在規(guī)律，確定了混凝土拌合物關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)之間的關(guān)系函數(shù)，研究提出了混凝土拌合物關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)的檢測技術(shù)途徑，開發(fā)出混凝土質(zhì)量現(xiàn)場快速檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠在30 min內(nèi)同時檢測混凝土單方用水量、含氣量、水膠比、單位體積質(zhì)量和拌合物溫度5個指標，實現(xiàn)了對混凝土耐久性指標的現(xiàn)場快速檢測［18］。

表7混凝土保溫、保濕養(yǎng)護最短時間

在現(xiàn)場驗證的基礎(chǔ)上，通過理論分析、數(shù)理統(tǒng)計以及試驗研究等方法，并在借鑒國內(nèi)外先進研究成果的基礎(chǔ)上，提出了混凝土拌合物關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)的評定指標，具體如下:

①水膠比波動限值: + 0. 03;

②含氣量波動限值:±1. 5% ;

③單位體積質(zhì)量波動限值:±35 kg/m3。

為快速檢測新拌混凝土的氣泡參數(shù)，采用新拌混凝土氣孔分析儀( AVA-Air Void Analyzer)研究了坍落度、含氣量、摻和料對新拌混凝土氣泡參數(shù)的影響［19］。圖1為含氣量與混凝土的氣泡間距系數(shù)和比表面積的關(guān)系曲線，研究表明新拌混凝土氣泡參數(shù)是快速評價引氣混凝土以及引氣劑質(zhì)量較為有效的技術(shù)參數(shù)。

圖1含氣量與新拌混凝土氣泡參數(shù)的關(guān)系曲線

2. 6混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評價指標體系

混凝土耐久性設(shè)計是確?；炷两Y(jié)構(gòu)安全的前提，在混凝土耐久性設(shè)計中如何合理確定混凝土耐久性指標是混凝土耐久性設(shè)計的首要內(nèi)容。

混凝土所有劣化機理的共同點是，都與環(huán)境中侵蝕介質(zhì)向混凝土內(nèi)部傳輸?shù)碾y易程度有關(guān)，即與混凝土中侵蝕介質(zhì)的作用途徑有關(guān)。反映混凝土中侵蝕介質(zhì)傳輸難易程度的是混凝土的滲透性，提高混凝土的抗?jié)B性，就是從作用途徑方面來提高混凝土的耐久性?；诖耍_定混凝土耐久性評價指標體系建立的原則如下:

1)混凝土耐久性評價指標體系的建立是基于我國鐵路工程常見的6大類作用環(huán)境。

2)面向環(huán)境作用的混凝土耐久性評價指標僅考慮由外界環(huán)境而引發(fā)混凝土的劣化，不考慮由原材料選擇不當而引起的混凝土材料劣化，即混凝土的氯離子含量、堿含量、SO3含量以及有效預(yù)防堿—骨料反應(yīng)技術(shù)措施必須以滿足鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計為前提。

3)混凝土耐久性影響因素和破壞機理相當復(fù)雜，但其共同點是:要有水、有害液體或氣體向混凝土內(nèi)部的作用途徑。因此，所有環(huán)境下混凝土的耐久性在理論上都應(yīng)包括抗?jié)B性。

4)耐久性指標的確立是建立在混凝土正確施工和養(yǎng)護的基礎(chǔ)之上。

針對鐵路工程混凝土結(jié)構(gòu)可能面臨的作用環(huán)境，結(jié)合不同環(huán)境下混凝土腐蝕的機理，建立了如表8所示的混凝土耐久性評價指標體系。

表8混凝土耐久性評價指標體系

表8所列混凝土耐久性評價指標體系是對實驗室標準試件的評價。而事實上，對混凝土實體結(jié)構(gòu)的耐久性的評價更為重要。實體結(jié)構(gòu)混凝土保護層是混凝土免受侵蝕的第一道防線，通常情況最外層的箍筋或分布筋會最早受到侵蝕，箍筋的銹蝕可引起沿箍筋的環(huán)形開裂，在箍筋的密布區(qū)域，還可能會發(fā)生保護層的成片剝落，因此，在一定程度上保護層性能決定了混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。采用基于穩(wěn)態(tài)電遷移試驗原理的Permit ion migration test儀(簡稱permit儀)對不同的配合比、養(yǎng)護措施、模板措施和防腐蝕措施的試驗墩進行了檢測［20］。圖2為采用透水模板和普通剛模板實體試驗墩電導率隨時間變化曲線。經(jīng)過計算可知，采用普通模板澆筑混凝土的氯離子擴散系數(shù)為2. 09× 10－12m2/s;而采用透水模板澆筑混凝土的氯離子擴散系數(shù)僅為0. 38×10－12m2/s，表明通過采用透水模板可大大降低混凝土表面的滲透性［21］。Permit儀是表征實體結(jié)構(gòu)抗氯離子滲透性較為有效的檢測手段。

圖2不同模板試驗墩電導率隨時間變化曲線

2. 7混凝土結(jié)構(gòu)耐腐蝕強化措施

當混凝土結(jié)構(gòu)處于嚴重腐蝕環(huán)境( L3，H4，Y4，D4，M3)時，僅靠提高混凝土保護層材料的質(zhì)量與厚度，無法保證結(jié)構(gòu)在設(shè)計使用年限內(nèi)安全服役，須根據(jù)工程的具體情況，對混凝土結(jié)構(gòu)采取一種或多種防腐蝕強化措施，可按表9選擇。

表9不同環(huán)境下混凝土的防腐蝕強化措施

3鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性存在的問題

1)無砟軌道混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性問題

國內(nèi)外高速鐵路工程實踐表明，無砟軌道結(jié)構(gòu)混凝土的開裂現(xiàn)象較為普遍。無砟軌道結(jié)構(gòu)混凝土開裂的危害主要體現(xiàn)在兩方面:①影響軌道結(jié)構(gòu)的耐久性和行車的安全性;②造成絕緣節(jié)點的絕緣失效，影響信號傳輸［22-23］。

軌道板和道床板裂縫將成為侵蝕介質(zhì)進入混凝土內(nèi)部的作用途徑，在Cl－或CO2存在的情況下，將導致軌道板和道床板中鋼筋銹蝕，銹蝕產(chǎn)物膨脹加劇混凝土開裂，從而降低混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性能。對于雙塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)，由于預(yù)制軌枕和新澆注混凝土的收縮變形性能不同步，連接處的混凝土黏合性比較差，動荷載作用下易發(fā)生無砟軌道道床板混凝土碎裂以及軌枕松動，影響行車安全。底座混凝土和水硬性支承層的裂縫會成為滲水的通道，長期水浸泡會加速路基基礎(chǔ)的下沉，影響無砟軌道整體的平穩(wěn)性，降低道床耐久性和承載力。另外，水硬性支承層裂縫還會成為反射裂縫，加劇道床混凝土的開裂。

道床板和軌道板的鋼筋上均設(shè)有絕緣卡子，如果道床板和軌道板結(jié)構(gòu)混凝土中存在裂縫，水就很容易進入無砟軌道結(jié)構(gòu)混凝土內(nèi)部，并且裂縫中的水分蒸發(fā)較慢，在雨季的時候，裂縫中會積存大量的水分，這樣會使絕緣卡子逐漸失效，絕緣性能逐步下降，勢必影響電氣化列車的行車安全［23］。

2)極端惡劣環(huán)境中混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性問題

鐵路混凝土作用環(huán)境分為常見環(huán)境和極端惡劣環(huán)境。常見環(huán)境是指鐵路工程會經(jīng)常遇到的且能夠形成區(qū)域性的氣候、土壤以及環(huán)境水等。普通混凝土結(jié)構(gòu)很難抵抗在極端惡劣自然環(huán)境(如鹽湖、酸池等)下的腐蝕作用，要保證其結(jié)構(gòu)的安全性，需要特殊的膠凝材料或防護技術(shù)措施。表10給出了新建運城—三門峽鐵路部分路段的氯離子和硫酸根離子濃度。該地區(qū)氯離子與硫酸根離子濃度分別達L3和H4嚴重腐蝕環(huán)境最低限值的20倍之多，且該鹽池地區(qū)無交通工程實例資料可以參考。在現(xiàn)有的高性能混凝土技術(shù)水平下，采用傳統(tǒng)膠凝材料制備的混凝土很難長時間承受這種腐蝕破壞，尤其是對于無法采用防腐蝕措施的樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。

表10運三鐵路部分路段的氯離子和硫酸根離子濃度

3)噴射混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性問題

我國山區(qū)分布較廣，尤其是在西南地區(qū)四川、貴州、廣西等省(自治區(qū))，隧道占據(jù)了鐵路工程很大的比例。噴射混凝土在隧道襯砌上大量使用，但目前噴射混凝土孔隙率大、勻質(zhì)性差，在鹽類結(jié)晶破壞環(huán)境下，隧道襯砌破壞相當嚴重，隧道滲漏水現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生。另外，噴射混凝土使用的速凝劑含堿量較高，對混凝土耐久性，尤其是對堿骨料反應(yīng)不利。因此，隧道噴射混凝土的耐久性有待提高，高環(huán)保、低模壓、自充填噴射混凝土制備技術(shù)急待研究。

4鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究的發(fā)展趨勢

作為生命線的鐵路工程，其混凝土結(jié)構(gòu)耐久性尤為重要。針對我國鐵路混凝土耐久性技術(shù)現(xiàn)狀及存在的問題，提出鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性發(fā)展趨勢如下:

1)耐久性設(shè)計從定性化向半定量化、定量化轉(zhuǎn)變

按照使用壽命設(shè)計鐵路工程尤其是高速鐵路工程是當前結(jié)構(gòu)工程設(shè)計的重要發(fā)展方向，“百年設(shè)計使用壽命”已經(jīng)納入到鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計規(guī)范。但遺憾的是，國內(nèi)外混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究多是處于定性的階段，其量化的指標多是基于傳統(tǒng)的經(jīng)驗或同類工程的類比。目前，能夠量化并得到普遍認可的混凝土耐久性指標模型是基于鋼筋銹蝕的作用，如基于碳化理論與氯離子擴散的模型，而針對混凝土凍融破壞和腐蝕的模型雖然也有人提出，但尚未得到普遍認可，更沒有得到應(yīng)用。事實上，由于設(shè)計采用較高強度等級的混凝土，碳化引起鋼筋銹蝕速度很慢，采用碳化理論預(yù)測結(jié)構(gòu)的使用壽命都在幾千年甚至幾萬年以上，嚴重脫離實際。對于一般條件下的混凝土結(jié)構(gòu)，其功能失效的標志并非鋼筋銹蝕，而是凍融或腐蝕等損傷引起混凝土自身的耐久性破壞，對這類混凝土結(jié)構(gòu)工程進行耐久性設(shè)計，需要探索新的方法?；炷聊途眯韵蛄炕芯康霓D(zhuǎn)變，對混凝土耐久性的設(shè)計以及結(jié)構(gòu)使用壽命的預(yù)測具有重要的指導作用。

2)耐久性檢測技術(shù)從實驗室環(huán)境向?qū)嶋H工程環(huán)境轉(zhuǎn)變

用于檢測混凝土耐久性試塊的成型方法和養(yǎng)護條件與實際施工過程差異很大，所以實驗室混凝土試塊的性能并不能完全代表實際工程中混凝土的性能，因此，實驗室中所測混凝土的耐久性能只能在一定程度上反映實際工程中混凝土的質(zhì)量及其耐久性能。目前混凝土耐久性的檢測要經(jīng)過長時間的養(yǎng)護，這樣顯然無法適應(yīng)于現(xiàn)場快速施工的要求，無法達到混凝土質(zhì)量預(yù)控的目的，無法適用于在施工現(xiàn)場進行檢測?；炷聊途眯灾笜硕嗍怯糜谂浜媳鹊倪x定，而配合比的選定是基于實驗室固定溫度、固定試件以及固定試驗條件。這雖然對優(yōu)選混凝土配合比可以起到一定的指導作用，但很難真實反映工程實際情況，因此，根據(jù)實驗室數(shù)據(jù)而進行的壽命預(yù)測也會與實際不符。其原因有兩方面:①現(xiàn)場環(huán)境較為復(fù)雜，很少有單一的作用環(huán)境，如新疆地區(qū)鹽湖有碳酸鹽、硫酸鹽和氯鹽，青海地區(qū)有碳酸鹽、硫酸鹽和鎂鹽，內(nèi)蒙古地區(qū)有碳酸鹽、硫酸鹽、鎂鹽和氯鹽，西藏地區(qū)有碳酸鹽和硫酸鹽等腐蝕反應(yīng)［24］。②實驗室的耐久性試驗并沒有模擬實際服役的狀態(tài)，如鐵路混凝土結(jié)構(gòu)在經(jīng)受腐蝕環(huán)境的同時，還經(jīng)受列車疲勞的作用。因此，關(guān)于混凝土耐久性檢測應(yīng)該走出實驗室，針對具體工程，開展模擬工程環(huán)境的耐久性試驗。

3)耐久性評價從事后控制向事前預(yù)控轉(zhuǎn)變

預(yù)留的混凝土試塊經(jīng)過一定時間養(yǎng)護，現(xiàn)場澆注的混凝土結(jié)構(gòu)物已經(jīng)硬化，如果此時發(fā)現(xiàn)混凝土的性能達不到設(shè)計要求，很難采取挽救措施。這樣勢必影響混凝土結(jié)構(gòu)物的安全性和適用性，又會造成巨大的經(jīng)濟損失。針對混凝土耐久性試驗周期長與現(xiàn)場快速施工之間的突出矛盾，解決混凝土耐久性從事后控制向事前預(yù)控的技術(shù)路線有兩方面:①基于混凝土拌合物關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)的混凝土耐久性控制技術(shù);②基于使用壽命理論模型的混凝土耐久性預(yù)測技術(shù)。

4)開發(fā)基于計算機模擬及預(yù)測的混凝土耐久性和開裂的預(yù)測技術(shù)

SPRINGENSCHMID［25］曾說:“避免混凝土早齡期裂縫是當前混凝土技術(shù)的主要問題之一，應(yīng)采用現(xiàn)代的概念預(yù)測混凝土早齡期的應(yīng)力及其影響，來代替單純依據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗的方法?！盋ZERNY等［26］利用概率方法分析了避免混凝土早齡期開裂的安全系數(shù)。王甲春等［27］基于結(jié)構(gòu)的可靠度理論，通過考慮混凝土材料特性(自收縮和水化放熱)，以及結(jié)構(gòu)約束程度等影響因素的隨機性，建立了混凝土結(jié)構(gòu)早齡期開裂的預(yù)測模型，模擬結(jié)果可以為混凝土材料的選取提供依據(jù)，并以某地鐵110 m擋土墻為例，驗證了模型的適用性。無砟軌道不同結(jié)構(gòu)層的相互約束以及溫度應(yīng)力作用，增加了混凝土開裂的趨勢。目前尚缺少針對鐵路混凝土結(jié)構(gòu)基于計算機模擬的混凝土耐久性及開裂的預(yù)測技術(shù)。結(jié)合鐵路工程實際情況，研究鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性及混凝土開裂的預(yù)測技術(shù)，對于提高鐵路工程結(jié)構(gòu)的耐久性、抑制或預(yù)防鐵路混凝土開裂、確保鐵路工程的安全服役具有重要的意義。這也必將成為鐵路混凝土研究的新熱點。

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(責任審編李付軍)

Progress and development trend of research on concrete structure durability in railway of China

LI Huajian1，2，XIE Yongjiang1，2
( 1．Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China; 2．State Key Laboratory for Track Technology of High-speed Railway，Beijing 100081，China)

Abstract:Characteristics of concrete structure durability of railway were introduced．Research progress of concrete structure durability of railway was systematically summarized．Existing problems of concrete structure of high speed railway in China were analyzed．Development trend of concrete structure durability technology of railway was put forward．

Key words:Railway; Concrete Structure; Durability; Development trend

文章編號:1003-1995( 2016) 02-0001-08

作者簡介:李化建( 1976—)，男，副研究員，博士。

基金項目:國家自然科學基金( 51578545) ;中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計劃項目( J2013C014 ) ;中—日—韓國際交流項目( 2013YJ118)

收稿日期:2015-12-02;修回日期: 2016-01-16

中圖分類號:TU528

文獻標識碼:A

DOI:10．3969 /j．issn．1003-1995．2016．02．01