蘭新二線橋墩防風(fēng)蝕措施及施工方法

公彥良

(中鐵十六局集團(tuán)第四工程有限公司，北京　101400)

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蘭新二線橋墩防風(fēng)蝕措施及施工方法

公彥良

(中鐵十六局集團(tuán)第四工程有限公司，北京101400)

摘要:蘭新鐵路第二雙線新疆段穿越新疆風(fēng)力最強(qiáng)的五大風(fēng)區(qū)，為了解決風(fēng)蝕對蘭新鐵路橋墩混凝土結(jié)構(gòu)的磨蝕問題，經(jīng)過試驗(yàn)研究蘭新鐵路第二雙線采取了剛?cè)峤Y(jié)合的防風(fēng)蝕措施。由柔性樹脂膠加不銹鋼絲網(wǎng)經(jīng)過多道工序施工，在橋墩表面形成具有較高的壓縮與拉伸強(qiáng)度、優(yōu)良的耐風(fēng)蝕和磨蝕性能、良好的耐紫外光老化性能及耐氣候性的一種剛?cè)峤Y(jié)合復(fù)合體，從而實(shí)現(xiàn)了橋墩抗風(fēng)蝕的目標(biāo)。

關(guān)鍵詞:大風(fēng)區(qū)橋墩防風(fēng)蝕柔性樹脂膠鋼絲網(wǎng)剛?cè)釓?fù)合體

1　風(fēng)蝕現(xiàn)象和危害

蘭新鐵路第二雙線新疆段(簡稱蘭新二線)由于處于大風(fēng)沙、大溫差等惡劣自然環(huán)境下，戈壁灘夏季氣候炎熱、冬季氣候寒冷，混凝土結(jié)構(gòu)面臨溫差大、干濕循環(huán)、風(fēng)蝕等多種自然因素的作用，對混凝土結(jié)構(gòu)耐久性帶來非常不利的影響。

蘭新二線橋梁設(shè)計(jì)中對位于強(qiáng)風(fēng)區(qū)的橋墩適當(dāng)擴(kuò)大了范圍。位于強(qiáng)風(fēng)區(qū)的橋墩均按照標(biāo)準(zhǔn)［1］規(guī)定，碳化環(huán)境取T2，磨蝕環(huán)境大風(fēng)區(qū)按M2、強(qiáng)風(fēng)區(qū)按M3環(huán)境作用等級考慮。墩身混凝土強(qiáng)度等級為C40，保護(hù)層厚度為45 mm。在蘭新二線橋墩施工過程中，混凝土原材料選取、配合比設(shè)計(jì)和施工工藝控制均考慮了干燥、大風(fēng)、大溫差的戈壁環(huán)境條件［2］，采取了內(nèi)包保濕土工布外包橡塑板的保溫保濕混凝土養(yǎng)護(hù)措施［3-6］。在建設(shè)期間，發(fā)現(xiàn)三十里風(fēng)區(qū)、百里風(fēng)區(qū)等大風(fēng)區(qū)部分橋墩迎風(fēng)側(cè)混凝土表面受大風(fēng)沙及溫差變化影響仍然發(fā)生了嚴(yán)重的風(fēng)蝕現(xiàn)象。

截至2014年6月份，蘭新鐵路第二雙線全線橋梁施工完成接近三年，橋墩已經(jīng)經(jīng)受了六個風(fēng)季的考驗(yàn)。通過現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)部分地處風(fēng)區(qū)的橋墩迎風(fēng)面已出現(xiàn)不同程度的風(fēng)蝕損傷，表面多處出現(xiàn)蜂窩并龜裂，已嚴(yán)重影響橋墩使用壽命。

混凝土的風(fēng)蝕磨損首先是混凝土表層的砂漿被含砂氣流磨損掉，形成表層小缺陷，粗集料因而漸漸凸露出來。凸出的粗集料經(jīng)沖蝕、磨損，最終被帶離砂漿基體或被磨蝕，形成小的空洞，接著砂漿又被磨損掉，下層的粗集料露出，如此反復(fù)進(jìn)行，混凝土不斷被磨損。另一方面，在干旱風(fēng)沙地區(qū)施工的混凝土橋梁，在強(qiáng)烈的溫差變化和風(fēng)效應(yīng)影響下，混凝土的收縮和脆性明顯增加，造成混凝土表面出現(xiàn)網(wǎng)狀裂紋［7］。風(fēng)蝕磨損的結(jié)果是導(dǎo)致混凝土表面抗侵蝕能力變差，加之護(hù)筋厚度不夠從而影響了混凝土工程的耐久性。大風(fēng)區(qū)橋墩表面風(fēng)蝕狀態(tài)見圖1。

圖1橋墩表面局部風(fēng)蝕狀態(tài)( DK1716 + 940三個泉特大橋)

2　防治措施

為解決蘭新鐵路第二雙線大風(fēng)區(qū)橋墩防風(fēng)蝕問題，有關(guān)科研單位開展了專項(xiàng)的試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明:混凝土的基底處理均在一定程度上提高了其表面耐磨性;在處理同種表面時，環(huán)氧樹脂+聚氨酯涂料的抗沖蝕性能最好，PPG涂料次之，水性硅丙乳液最差［8-9］。通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，確定了蘭新鐵路第二雙線橋墩防風(fēng)蝕材料。

2. 1抗風(fēng)蝕機(jī)理

橋墩防風(fēng)蝕材料是由柔性樹脂膠加不銹鋼絲網(wǎng)經(jīng)過多道工序組合而成，柔性樹脂膠由聚合物乳液和強(qiáng)化滲透組分構(gòu)成。主要抗風(fēng)蝕機(jī)理:在強(qiáng)化滲透組分的影響下，抗風(fēng)蝕界面處理材料能深入滲透到既有混凝土中并與混凝土中的游離鈣發(fā)生持續(xù)反應(yīng)，形成微膨脹的晶體結(jié)構(gòu)，堵塞混凝土表面的微孔隙、微裂隙等微觀缺陷。聚合物乳液則與形成的微膨脹晶體以及鋼絲網(wǎng)，共同在混凝土表面形成致密疏水的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。當(dāng)風(fēng)夾雜著砂粒被吹至混凝土表面時，形成的對混凝土表面的切削作用被混凝土表面的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)有效阻隔。另外，混凝土表層易被磨損掉的砂漿因聚合物網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的作用，其整體性增強(qiáng)，使表面粗集料得到有效保護(hù)，難于凸露，并進(jìn)一步阻止表層砂漿基體形成空洞，達(dá)到混凝土表層的抗風(fēng)蝕磨損效果。

2. 2風(fēng)蝕等級分類

根據(jù)風(fēng)區(qū)調(diào)研及現(xiàn)場高性能混凝土橋墩風(fēng)蝕情況，將風(fēng)蝕分為風(fēng)蝕較嚴(yán)重、風(fēng)蝕嚴(yán)重兩類進(jìn)行風(fēng)蝕防護(hù)。風(fēng)蝕較嚴(yán)重:風(fēng)速為＞18 m /s，持續(xù)時間＞120 d/年，混凝土結(jié)構(gòu)區(qū)域有砂礫源。風(fēng)蝕嚴(yán)重:風(fēng)速為＞22 m/s，持續(xù)時間＞120 d/年，混凝土結(jié)構(gòu)區(qū)域有砂礫源。

2. 3風(fēng)蝕防護(hù)范圍

處理范圍:根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查研究，決定對風(fēng)蝕嚴(yán)重和風(fēng)蝕較嚴(yán)重的橋墩進(jìn)行風(fēng)蝕防護(hù)。防護(hù)高度:

1)根據(jù)風(fēng)區(qū)箱梁及T梁的現(xiàn)場調(diào)查情況，風(fēng)沙的主要影響范圍在3 m以下，防風(fēng)蝕處理范圍主要在墩身高度的3 m以下部分。

2)根據(jù)百里風(fēng)區(qū)槽形梁橋墩的現(xiàn)場調(diào)查情況，由于該地區(qū)風(fēng)速較大，同時地表砂源較多，風(fēng)沙的主要影響范圍有所提高，防風(fēng)蝕處理范圍主要在墩身高度的5 m以下部分。

防護(hù)方法:防護(hù)高度內(nèi)，采用橋墩表面涂層并貼鋼絲網(wǎng)的防護(hù)措施，考慮充分發(fā)揮鋼絲網(wǎng)受拉性能，同時適應(yīng)多層粘貼的需要，應(yīng)采用墩身四周全包的防護(hù)形式。

2. 4材料選擇

新疆風(fēng)力資源豐富，著名的三十里風(fēng)區(qū)設(shè)置了大量的風(fēng)力發(fā)電設(shè)施。為防止風(fēng)沙磨蝕風(fēng)車立柱和風(fēng)葉，在風(fēng)力發(fā)電設(shè)備外側(cè)涂刷了溶劑型風(fēng)電涂料。溶劑型風(fēng)電涂料［10-11］以環(huán)氧樹脂作為底層，聚氨酯作為面層，因環(huán)氧樹脂強(qiáng)度高，而聚氨酯韌性好，這種強(qiáng)韌結(jié)合的涂層可以吸收大部分的砂粒沖擊能量［12］。因此，具有強(qiáng)的抗沖蝕能力，適合于正面迎風(fēng)區(qū)的風(fēng)蝕防護(hù)。這對蘭新二線橋墩抗風(fēng)蝕防護(hù)措施選用材料有較好的借鑒作用。

為提高混凝土結(jié)構(gòu)表層的抗風(fēng)蝕能力，經(jīng)過現(xiàn)場試驗(yàn)，確定了適合蘭新鐵路第二雙線強(qiáng)風(fēng)區(qū)橋墩防風(fēng)蝕材料。橋墩防風(fēng)蝕材料是由柔性樹脂膠加不銹鋼絲網(wǎng)經(jīng)過多道工序施工，而形成的具有較高的壓縮與拉伸強(qiáng)度、優(yōu)良的耐風(fēng)蝕和磨蝕性能、良好的耐紫外光老化性能及耐氣候性的一種復(fù)合體。

2. 4. 1柔性樹脂膠性能

1)柔性樹脂膠是由脂肪族環(huán)氧樹脂及其高性能固化劑、柔性改性劑和不同功能的填料，通過特殊工藝技術(shù)生產(chǎn)而成的。

2)柔性樹脂特點(diǎn):①粘附力強(qiáng)。分子中含有極性羥基和醚鍵，對各種物質(zhì)具有很高的粘附力。②強(qiáng)度高且柔韌性好，環(huán)氧樹脂本身強(qiáng)度高，加之添加柔性改性劑使其具有良好的綜合力學(xué)性能，固化后的強(qiáng)度、韌性、粘接性、耐正負(fù)溫度性能都良好。③化學(xué)穩(wěn)定性好，具有優(yōu)良的耐堿性、耐酸性和耐溶劑性。④體積穩(wěn)定性好。環(huán)氧樹脂和所用的固化劑的反應(yīng)是通過直接加成反應(yīng)或聚合反應(yīng)來進(jìn)行的，沒有水或其它揮發(fā)性副產(chǎn)物放出，具有突出的尺寸穩(wěn)定性和耐久性。⑤固化方便，幾乎可以在0～180℃溫度范圍內(nèi)固化。⑥耐紫外光老化性能及耐氣候性好。由于脂環(huán)族烯烴的雙鍵經(jīng)環(huán)氧化而制得，它們的分子結(jié)構(gòu)是環(huán)氧基直接連接在脂環(huán)上，故其具有良好的耐紫外光老化性能。

粘結(jié)膠性能指標(biāo)見表1。

表1 WN粘結(jié)膠性能指標(biāo)

2. 4. 2不銹鋼絲網(wǎng)規(guī)格及性能

不銹鋼絲網(wǎng)規(guī)格:目數(shù)50，絲徑0. 203～0. 229 mm，孔徑0. 28～0. 31 mm。其耐酸、耐堿、耐高溫、耐拉和耐磨性強(qiáng)。

3　施工方法

工藝流程:施工準(zhǔn)備→基面清理→柔性稀膠輥涂→柔性稠膠修補(bǔ)→貼鋼絲網(wǎng)(共3層)→清理現(xiàn)場。

3. 1施工準(zhǔn)備

現(xiàn)場按照安全施工技術(shù)交底搭設(shè)腳手架，經(jīng)安全檢查合格后方可進(jìn)行防風(fēng)蝕施工。

3. 2基面處理

清除混凝土表面油漬、淤泥、浮漿，鑿去表面脹裂或松動的混凝土，用高強(qiáng)電動鋼絲刷除去混凝土結(jié)構(gòu)表面灰塵、起皮、松砂，再用合金鋼砂輪片把模板接縫處凸起棱角磨平，然后用高壓水槍或濕毛巾清潔混凝土表面浮塵。處理后混凝土表面應(yīng)潔凈、牢固密實(shí)無松動。

3. 3底層柔性稀膠輥涂

基面清理完成，經(jīng)過報(bào)檢驗(yàn)收合格后即進(jìn)行底層柔性稀膠涂刷。在混凝土表面涂刷一層滲透力強(qiáng)的柔性稀膠以增強(qiáng)混凝土與防風(fēng)材料之間的粘結(jié)強(qiáng)度，施工亦可采用刷子涂刷或噴涂，施工現(xiàn)場配備計(jì)量設(shè)備，嚴(yán)格按照配合比進(jìn)行。

3. 4柔性稠膠修補(bǔ)

用柔性稠膠修補(bǔ)橋墩因施工缺陷引起的混凝土表面不平、蜂窩、麻面。

3. 5貼鋼絲網(wǎng)

在橋墩表面修補(bǔ)后，刮一遍柔性稠膠，將膠刮勻、刮平，鋼絲網(wǎng)要根據(jù)所貼橋墩斷面周長預(yù)先裁好，遇到變截面的位置可根據(jù)具體情況把鋼絲網(wǎng)剪成Λ型口。貼網(wǎng)時起始位置最好選在背風(fēng)面及橋墩平面位置為宜。貼鋼絲網(wǎng)時，鋼絲網(wǎng)面一定要拉緊展平，貼上后用塑料刮板慢慢刮勻鋼絲網(wǎng)面，使膠均勻從網(wǎng)孔內(nèi)滲出。鋼絲網(wǎng)貼完后，待初凝不粘手后再刷一遍柔性稀膠，起到罩面作用。粘貼3層鋼絲網(wǎng)需用7層膠。防護(hù)層厚度＞2. 5 mm，平均厚度3 mm。

3. 6現(xiàn)場清理

施工完畢后，清理施工現(xiàn)場，將剩余材料按照相關(guān)規(guī)定處理，以免造成環(huán)境污染。圖2為橋墩防風(fēng)蝕處理完成與1年后對照圖。

圖2防風(fēng)蝕措施實(shí)施效果對照

4　結(jié)語

蘭新鐵路第二雙線橋墩風(fēng)蝕防護(hù)于2014年6月份開始施工，2014年7月份施工完成。施工完成一年后經(jīng)現(xiàn)場觀察，按此方案防護(hù)后的橋墩均未再發(fā)生風(fēng)蝕現(xiàn)象。實(shí)踐證明，采用柔性樹脂膠加不銹鋼絲網(wǎng)剛?cè)峤Y(jié)合的復(fù)合防護(hù)措施是強(qiáng)風(fēng)蝕地區(qū)混凝土結(jié)構(gòu)防護(hù)的有效方法。

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(責(zé)任審編趙其文)

Method and measure of wind-erosion prevention for bridge piers on Lanzhou-Xinjiang second railway

GONG Yanliang

( The 4th Engineering Co．，Ltd．of China Railway 16th Bureau Group，Beijing 101400，China)

Abstract:T he second double-track rail line in Xinjiang of Lanzhou-Xinjiang railway crosses five strong wind areas．In order to solve the wind-erosion problem of bridge concrete piers，the measure of rigid-flexible combination of wind-erosion prevention was adopted by test．T he technology is a multistep process，using flexible polyester resin and steel wire webs to make a rigid-flexible composite on the surface of piers．It has high compressive and tensile strength，corrosion and erosion resistance，satisfactory anti-ultraviolet aging and durability，then contribute to winderosion prevention of bridge piers．

Key words:Strong wind areas; Bridge pier; W ind-erosion control; Flexible unsaturated polyester resin; Steel wire web; Rigid-flexible composited body

文章編號:1003-1995( 2016) 02-0043-04

作者簡介:公彥良( 1971—)，男，高級工程師。

基金項(xiàng)目:中國鐵道建筑總公司科研基金項(xiàng)目( 11-05B)

收稿日期:2015-07-16;修回日期: 2015-11-03

中圖分類號:U443．22

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

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