濱海地區(qū)氯鹽環(huán)境下橋墩裂縫原因與控制研究

王建強(qiáng)

摘要 橋墩作為橋梁的重要組成部分，在受到相關(guān)因素的影響下，橋墩易出現(xiàn)裂縫可能影響鐵路運營安全。文章以濱港鐵路二期工程施工二標(biāo)段濱海地區(qū)鐵路橋墩為例，深入分析橋墩出現(xiàn)裂縫的原因，從混凝土結(jié)構(gòu)本身防腐性能、附加防腐措施、材料性能、養(yǎng)護(hù)方式以及控制施工質(zhì)量的角度出發(fā)明確控制橋墩裂縫的措施，為類似鐵路橋墩建設(shè)提供借鑒。

關(guān)鍵詞 濱海地區(qū);橋墩裂縫;鹽類侵蝕

中圖分類號 U445.57 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）05-0147-03

0 引言

鹽堿地區(qū)環(huán)境下氯鹽侵蝕是濱海地區(qū)鐵路橋墩出現(xiàn)裂縫的主要原因，地表水、地下水中富含多種離子，這些離子接觸橋墩后會對混凝土橋墩進(jìn)行侵蝕，極易導(dǎo)致橋墩出現(xiàn)裂縫，長期不予以控制會影響鐵路橋梁的質(zhì)量。因此，在濱海氯鹽侵蝕環(huán)境下鐵路建設(shè)應(yīng)重視橋墩裂縫現(xiàn)象，明確裂縫出現(xiàn)的原因并積極采取措施應(yīng)對裂縫問題，從而保證鐵路運輸橋梁的安全性，為鐵路行業(yè)發(fā)展創(chuàng)造更多機(jī)遇。

1 橋墩裂縫原因

1.1 鋼筋銹蝕

氯離子對鋼筋的銹蝕影響極大。濱港項目二標(biāo)段，由于地處濱海地區(qū)，沿線水系豐富，標(biāo)段內(nèi)所有河流均與海水貫通（包括秦口河），大部分橋墩長期處于氯離子豐富的海水浸泡中。與此同時，水泥中的氧化鈣與水反應(yīng)會使鋼筋表面形成鈍化膜，氯離子聚集在鈍化膜周圍使附近海水呈酸性，加速鋼筋銹蝕，海水中鋼筋銹蝕流程如圖1所示。鋼筋銹蝕使鋼筋的體積增大，包裹在鋼筋外側(cè)成形的混凝土受到擠壓，最終導(dǎo)致橋墩表面出現(xiàn)裂縫。鋼筋銹蝕后體積膨脹最高可達(dá)原體積的六倍，如不對裂縫進(jìn)行控制，易造成嚴(yán)重的安全事故。

1.2 鎂鹽及硫酸鹽侵蝕

水泥是鐵路橋墩的主要原材料之一，其中的氫氧化鈣會與海水中鎂鹽或硫酸鹽反應(yīng)，生成不利于橋墩保護(hù)的物質(zhì)，生成的有害物質(zhì)有以下幾種：第一，氫氧化鎂，這種物質(zhì)極為松軟，嚴(yán)重破壞水泥的結(jié)構(gòu)，提升橋墩出現(xiàn)裂縫的可能性。第二，鈣礬石，這種物質(zhì)為針狀結(jié)晶體，處于海水中的橋墩內(nèi)部產(chǎn)生這種結(jié)晶會造成混凝土膨脹開裂。第三，硅酸鎂水化物，這類水化物會與混凝土發(fā)生取代反應(yīng)，影響混凝土的強(qiáng)度，導(dǎo)致混凝土表面出現(xiàn)裂縫的概率升高。

1.3 鹽類結(jié)晶壓力

由于混凝土結(jié)構(gòu)作為非均質(zhì)結(jié)構(gòu)，內(nèi)部形成的毛細(xì)孔在海水環(huán)境中為鹽分結(jié)晶提供了通道。海水含鹽量極高，當(dāng)鹽類在混凝土毛細(xì)孔結(jié)晶會向混凝土釋放壓力，嚴(yán)重時會造成混凝土開裂甚至從表皮脫落，鹽類結(jié)晶釋放壓力的流程如圖2所示。受混凝土毛細(xì)作用影響，海水會沿橋墩向上蔓延，最終蒸發(fā)形成結(jié)晶[1]。除此之外，混凝土振搗不密實，出現(xiàn)孔洞，以及混凝土表面不平整也是鹽類在橋墩處結(jié)晶的主要原因，因此施工過程中混凝土振搗不密實、表面平整度不夠也是橋墩裂縫的形成因素。

1.4 氣候條件

濱港二標(biāo)段位于山東省濱州市無棣縣北海新區(qū)，屬于暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，冬季寒冷干燥，夏季暖熱多雨。夏季高溫會加速海水對橋墩的腐蝕作用，使鋼筋鈍化反應(yīng)時間縮短，極容易造成橋墩裂縫。濱港二標(biāo)部分橋墩長期處于海水中，海水的保溫效果使橋墩所處環(huán)境溫度較高，為各類腐蝕反應(yīng)發(fā)生創(chuàng)造了條件，且反應(yīng)速度較快，導(dǎo)致濱海地區(qū)橋墩受海水腐蝕更加嚴(yán)重，出現(xiàn)裂縫的概率也相對較高，尤其在潮汐侵襲磨蝕環(huán)境下，由于反復(fù)干濕的物理作用，混凝土表面結(jié)晶積累加劇，在冬季低溫環(huán)境下混凝土表面易脫皮掉塊，也極易造成橋墩裂縫。

1.5 微生物腐蝕

海水中含有多種微生物，這些微生物也是引發(fā)橋墩裂縫的原因，海水中腐蝕橋墩的微生物有以下幾種：第一，海水中的硫桿菌會將含硫元素的化學(xué)物質(zhì)轉(zhuǎn)換為硫酸鹽，最終生成具有強(qiáng)腐蝕性的硫酸。第二，海水流動與波浪對橋墩的磨損與沖刷會破壞橋墩表面的保護(hù)層，降低海水中有害微生物接觸橋墩的難度。第三，海水中常有輪船等通過，難免對橋墩造成沖擊，為微生物入侵創(chuàng)造了便利條件，加快微生物對橋墩的腐蝕速度，造成橋墩開裂。

2 控制橋墩裂縫措施

2.1 提高混凝土抗腐蝕能力

混凝土包裹在鋼筋外部，可作為鋼筋結(jié)構(gòu)的保護(hù)層，因此混凝土的抗腐蝕能力就代表鋼筋的抗銹蝕能力。為提高混凝土的抗腐蝕能力，濱港鐵路二標(biāo)段橋墩建設(shè)遵循以下原則：第一，在混凝土表面噴涂無機(jī)溶膠型滲透結(jié)晶材料，對混凝土表面充分清理濕潤干燥后噴涂，至少兩遍，噴涂均勻，噴涂標(biāo)準(zhǔn)為每平方米不少于0.1 kg，保證涂刷厚度滿足海水氯鹽等侵蝕環(huán)境下建設(shè)橋墩的抗腐蝕性要求。無機(jī)溶膠型滲透結(jié)晶材料不同于普通水性溶液，是由超細(xì)粒子在分散介質(zhì)中分散形成，有明顯的分界面，且超細(xì)粒子具有剛性，是一種自動修補(bǔ)防水涂料，噴涂后混凝土表面會產(chǎn)生一些白色物質(zhì)，其疏水性大于親水性，通過混凝土毛細(xì)管在潮濕環(huán)境下形成不溶于水的結(jié)晶，形成一道抗?jié)B性能好的保護(hù)層，并且在后期成型后遇水后會產(chǎn)生二次結(jié)晶現(xiàn)象。無機(jī)溶膠型滲透結(jié)晶材料相較于傳統(tǒng)保護(hù)層材料滲透性強(qiáng)，防水效果良好，有自動修復(fù)微小裂紋等缺陷功能，并有耐堿的性能，且無毒、無污染，施工方便快捷，綠色環(huán)保，更能滿足目前鐵路行業(yè)對橋墩質(zhì)量的要求。第二，混凝土最低強(qiáng)度滿足環(huán)境作用等級，在氯鹽L1、L2、L3環(huán)境、化學(xué)侵蝕H1、H2環(huán)境、鹽類結(jié)晶破壞Y2、Y3環(huán)境等級下，以及凍融破壞D1、D2環(huán)境下，樁基混凝土標(biāo)號為C40，承臺為C50，墩臺設(shè)計水位線+1 m以下為C50，以上為C45，在素混凝土結(jié)構(gòu)中增加護(hù)面鋼筋防裂的措施，提高混凝土耐久性。

2.2 提高混凝土保護(hù)層厚度

混凝土在侵蝕環(huán)境下，為防止混凝土內(nèi)鋼筋銹蝕，可適當(dāng)提高混凝土保護(hù)層厚度，濱港鐵路二標(biāo)段樁基凈保護(hù)層厚度不小于75 mm，墩臺混凝土凈保護(hù)層厚度不小于65 mm，實際施工中各部位保護(hù)層墊塊一般較設(shè)計尺寸增加5～10 mm，延緩海水侵蝕速度，為一種比較直接的防護(hù)措施。

2.3 配合比優(yōu)化及選擇抗腐蝕能力強(qiáng)的水泥

混凝土配合比設(shè)計是混凝土結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，也是決定混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及耐久性的重要環(huán)節(jié)。項目進(jìn)場后，通過材料選型、試配、檢驗等，結(jié)合相關(guān)資料以及調(diào)查分析，確定最優(yōu)配比，且摻入適量的粉煤灰等礦物摻合料，改善混凝土性能，如表1為項目C50混凝土配比。配比根據(jù)原材料變化及時調(diào)整，確?；炷列阅軆?yōu)良、強(qiáng)度和耐久性滿足要求。

水泥作為混凝土的主要組成部分，在選擇水泥時應(yīng)將抗腐蝕能力作為選擇標(biāo)準(zhǔn)。具有高抗腐蝕能力的水泥具有以下特點，可作為水泥抗腐蝕性能力評判標(biāo)準(zhǔn)。第一，高抗腐蝕性能力的水泥一般為普通硅酸鹽水泥或其他耐腐蝕水泥，這類水泥相較于快硬硅酸鹽水泥抗腐蝕能力更強(qiáng)，可使混凝土的性能與橋墩質(zhì)量需求相符，控制出現(xiàn)裂縫的概率[2]。第二，水泥中含有活性成分，摻有高爐礦渣、火山灰、粉煤灰、硅藻土等活性熟料的水泥可起到保護(hù)橋墩的作用，將海水中的腐蝕性離子阻隔在橋墩以外，橋墩內(nèi)部不發(fā)生腐蝕，出現(xiàn)裂縫的可能性自然下降。

2.4 提高混凝土施工質(zhì)量和養(yǎng)護(hù)措施

混凝土施工過程中，由于工作人員振搗不密實或模板不密封造成漏漿等現(xiàn)象，混凝土表面易出現(xiàn)孔洞、麻面等，此類病害加大了混凝土裂縫現(xiàn)象產(chǎn)生，或由于混凝土養(yǎng)護(hù)不足、拆模時間過早、未做好防護(hù)措施等，在沿海地區(qū)受季風(fēng)等環(huán)境影響，極易產(chǎn)生裂紋，以及由于混凝土強(qiáng)度不足，托盤頂帽等異形模板位置偏差調(diào)整影響下部混凝土結(jié)構(gòu)也極易造成混凝土裂紋。濱港二標(biāo)段，在混凝土施工過程中，嚴(yán)格執(zhí)行“三檢”制度，強(qiáng)化施工管理，控制混凝土入模溫度，夏季選擇在夜間氣溫較低時澆筑，結(jié)合同條件試件養(yǎng)護(hù)記錄，嚴(yán)格控制拆模時間，墩臺立面包裹設(shè)兩層聚乙烯膜，里層保水鎖水，外層防風(fēng)等封閉措施，重點加固迎風(fēng)面和被風(fēng)面，即橋墩弧形位置或結(jié)構(gòu)物凸起位置，平面位置采用土工布，頂部設(shè)置養(yǎng)護(hù)桶，保證混凝土養(yǎng)護(hù)到位，防止因大風(fēng)天氣混凝土表面收縮過快出現(xiàn)干縮裂紋。

2.5 選用耐腐蝕性鋼材和涂刷防水保護(hù)層

在鐵路橋墩設(shè)計中，橋墩預(yù)埋件多與結(jié)構(gòu)鋼筋連接形成整體，由于預(yù)埋件本身防腐性能以及和混凝土粘結(jié)不好易出現(xiàn)的微小縫隙等現(xiàn)象，極易造成混凝土產(chǎn)生裂縫。為防止此類現(xiàn)象，首先應(yīng)選擇耐腐蝕性更強(qiáng)的鋼材。多元合金共滲+鈍化處理，結(jié)合強(qiáng)度比鍍鋅等工藝更高更好。與此同時，在預(yù)埋件周邊混凝土表面涂刷環(huán)氧樹脂、聚氨酯等，此類材料具有極強(qiáng)的防腐性、防水性，阻隔因鋼材與混凝土粘結(jié)不好形成縫隙造成結(jié)構(gòu)鋼筋銹蝕通道，防止混凝土裂縫產(chǎn)生。

2.6 外露鋼筋頭處理及鋼筋材料防護(hù)

鐵路部分異形墩臺一般多采用小型鋼模拼裝，常用鋼筋作為拉桿，施工中須對鋼筋頭外露部分進(jìn)行防腐處理，如圖3所示，防止鋼筋銹蝕后混凝土產(chǎn)生裂縫，濱港二標(biāo)段在實際操作中，首先對外露鋼筋頭打磨平整，表面清理干凈，其次準(zhǔn)備圓形空心模具，用以涂刷防腐材料，其孔洞直徑大于拉桿直徑20 mm以上，最后就是利用模具，模具與拉桿中心重合，在孔洞內(nèi)涂刷聚氨酯防水涂料，涂刷厚度不小于1.5 mm，涂刷均勻，保證施工質(zhì)量。

濱海地區(qū)由于濕潤氣候及環(huán)境原因，鋼筋原材料、成品或半成品存放不當(dāng)表面極易銹蝕，且鋼筋除銹不徹底，鐵銹膨脹可造成混凝土保護(hù)層破裂，同時降低鋼筋與混凝土握裹力，降低結(jié)構(gòu)耐久性，項目在施工中，鋼筋材料集中存放在半封閉式加工棚內(nèi)，加工棚通風(fēng)良好，底部距底保證0.4 m以上，上部嚴(yán)禁雜物覆蓋，且控制材料進(jìn)場數(shù)量及加工數(shù)量，鋼筋加工滿足施工進(jìn)度即可，減少材料的存放時間，降低鋼筋被銹蝕風(fēng)險。

3 結(jié)束語

混凝土與鋼筋是鐵路橋墩的主要材料，原材料性能難以滿足海水環(huán)境中的橋墩質(zhì)量需求是出現(xiàn)裂縫的關(guān)鍵因素，且實際操作中還應(yīng)注重混凝土的施工質(zhì)量、養(yǎng)護(hù)方式、表面防腐、各類易產(chǎn)生病害的預(yù)防與防治措施等，現(xiàn)場應(yīng)重視優(yōu)化原材料性能并保護(hù)橋墩周圍的環(huán)境。橋墩裂縫是濱海地區(qū)鐵路建設(shè)中一種常見問題，影響行車安全，因此在實際施工中應(yīng)將海水侵蝕環(huán)境下橋墩裂縫控制作為首要工作任務(wù)，提升橋墩的質(zhì)量，保證鐵路運營安全。

參考文獻(xiàn)

[1]劉俊秀.鐵路橋梁墩身混凝土裂縫成因及防治措施[J].工程機(jī)械與維修，2021（1）：128-129.

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