《鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》內(nèi)容簡介

李化建，謝永江

(1.中國鐵道科學(xué)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081)

混凝土結(jié)構(gòu)是當(dāng)今鐵路工程應(yīng)用最廣泛的結(jié)構(gòu)形式。過去，混凝土結(jié)構(gòu)主要被應(yīng)用于鐵路橋梁、涵洞和隧道工程。隨著“以橋代路”設(shè)計(jì)理念在青藏鐵路多年凍土工程中的成功實(shí)踐［1］，以及無砟軌道結(jié)構(gòu)在高速鐵路與客運(yùn)專線的大規(guī)模應(yīng)用，混凝土結(jié)構(gòu)在鐵路工程中的應(yīng)用范圍已被大大拓展了。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要求高運(yùn)營安全性的特點(diǎn)，決定了鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的特殊性和復(fù)雜性［2］。為規(guī)范鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)，保證鐵路混凝土結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)安全服役，鐵道部頒布了《鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》(鐵建設(shè)［2005］157號(hào))［3］，該暫行規(guī)定的實(shí)施標(biāo)志著我國鐵路混凝土工程進(jìn)入了按使用壽命的設(shè)計(jì)時(shí)代。該規(guī)范的實(shí)施對(duì)指導(dǎo)鐵路各專業(yè)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、確保鐵路工程質(zhì)量起到了重要的指導(dǎo)作用。但隨著新材料、新技術(shù)、新工藝在高速鐵路工程中的不斷出現(xiàn)，以及與混凝土結(jié)構(gòu)耐久性相關(guān)規(guī)范的修改，《鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》有些條文無法滿足鐵路工程的需要。根據(jù)鐵道部《2009年鐵路工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)編制計(jì)劃》(鐵建設(shè)函［2009］34號(hào))的要求，在對(duì)《鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》進(jìn)行全面修訂的基礎(chǔ)上，鐵科院主持編制了《鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10005—2010)［4］，現(xiàn)已頒布實(shí)施。本文主要介紹《鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》的定位、編制原則、主要內(nèi)容。

1 標(biāo)準(zhǔn)定位

《鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》適用于鐵路混凝土結(jié)構(gòu)在碳化環(huán)境、氯鹽環(huán)境、化學(xué)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)境等環(huán)境作用下的耐久性設(shè)計(jì)，確定了鐵路混凝土結(jié)構(gòu)物耐久性設(shè)計(jì)應(yīng)遵循的原則，包括了橋涵、隧道、路基支擋、無砟軌道和小型構(gòu)件等。因此，該規(guī)范的定位為統(tǒng)領(lǐng)和指導(dǎo)鐵路各專業(yè)結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計(jì)。圍繞該規(guī)范的定位，《鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》立足于實(shí)現(xiàn)鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范與各專業(yè)規(guī)范的有機(jī)銜接，在滿足結(jié)構(gòu)耐久性的前提下兼顧混凝土結(jié)構(gòu)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。

2 編制原則

在《鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》的編制過程中始終貫徹“繼承性、創(chuàng)新性、適用性和經(jīng)濟(jì)性”的原則。

2.1 繼承性

《鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》的編制是以《鐵路混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》、《客運(yùn)專線高性能混凝土技術(shù)條件》(科技基［2005］101號(hào))、《鐵路混凝土工程施工技術(shù)指南》(TZ210—2005)以及各標(biāo)準(zhǔn)局部修訂條文為藍(lán)圖，合理吸納鐵路各專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中與結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)相關(guān)的內(nèi)容，綜合我國鐵路工程混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)方面的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

2.2 創(chuàng)新性

《鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》吸納了《高性能混凝土耐久性現(xiàn)場快速檢測技術(shù)》、《高速鐵路高性能混凝土耐久性技術(shù)措施及檢測評(píng)定技術(shù)研究》、《寒區(qū)鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性技術(shù)研究》等最新研究成果;借鑒了國內(nèi)外鐵路建設(shè)的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)以及最新標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，如《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB/T 50476—2008)、《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50082—2009)、《Guide to Durable Concrete 》(ACI 208.2R—2008)、《Concrete-Part 1:Specification，performance，production and conformity》(DIN EN 206—1—2001)、《Proposed recommendation on durability design for concrete structure》(JCSE—1990)、Durability design of concrete structure(RILEM)等。該規(guī)范的創(chuàng)新性主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

(1)以結(jié)構(gòu)耐久性為主線，以設(shè)計(jì)主要內(nèi)容為框架，涵蓋了設(shè)計(jì)使用年限、環(huán)境、混凝土、裂縫、構(gòu)造措施、防腐蝕強(qiáng)化措施以及檢測與維修等。每部分內(nèi)容獨(dú)立成章，方便設(shè)計(jì)者選擇。

(2)以作用環(huán)境作為分類依據(jù)，提出基于環(huán)境作用的混凝土耐久性評(píng)價(jià)指標(biāo)、原材料要求、混凝土要求、基于裂縫的施工過程關(guān)鍵參數(shù)以及裂縫寬度控制要求等。

(3)以結(jié)構(gòu)部位為分類依據(jù)，提出了不同結(jié)構(gòu)與耐久性相關(guān)的構(gòu)造措施要求。

(4)選擇更能客觀評(píng)價(jià)混凝土耐久性的指標(biāo)，如氯鹽環(huán)境下選擇氯離子滲透系數(shù)、化學(xué)侵蝕環(huán)境下選擇膠凝材料56 d抗蝕系數(shù)、鹽類結(jié)晶破壞環(huán)境下選擇抗硫酸鹽干濕循環(huán)次數(shù)、凍融破壞環(huán)境下增加了氣泡間距系數(shù)。

(5)引入鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)全過程控制理念，即源頭把關(guān)(原材料、配合比設(shè)計(jì))、過程控制(施工、澆筑與養(yǎng)護(hù)等)以及檢查與維修等。

(6)拓展了配合比參數(shù)的內(nèi)涵，增加了自密實(shí)混凝土的膠凝材料最大用量要求、不同環(huán)境下礦物摻和料種類及摻量要求、凍融破壞環(huán)境下和嚴(yán)重鹽類結(jié)晶破壞環(huán)境下混凝土的含氣量要求等。

(7)增加了無砟軌道結(jié)構(gòu)和小型構(gòu)件方面的內(nèi)容，如CRTSⅠ/Ⅱ型軌道板、雙塊式軌枕、道床板和底座等與耐久性相關(guān)的構(gòu)造內(nèi)容。

(8)明確了嚴(yán)重腐蝕環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)可選擇的防腐蝕強(qiáng)化措施。

2.3 適用性

《鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》是在廣泛征求路內(nèi)外設(shè)計(jì)院、施工單位、監(jiān)理單位、研究院所以及高校意見的基礎(chǔ)上，綜合考慮鐵路建設(shè)過程中突出的共性問題以及特殊結(jié)構(gòu)的個(gè)別問題編制而成，更能有效地指導(dǎo)鐵路混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

(1)從鐵路工程現(xiàn)場所遇到的實(shí)際問題出發(fā)，該規(guī)范能有效地解決現(xiàn)場問題，如為了考慮可操作性，將灌注樁和隧道襯砌混凝土的最低抗壓強(qiáng)度等級(jí)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

(2)以鐵路目前技術(shù)水平為基礎(chǔ)，在原材料要求以及混凝土材料指標(biāo)方面采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法來科學(xué)確定。

(3)兼顧了鐵路混凝土結(jié)構(gòu)的通用性以及特殊鐵路的特殊性。在設(shè)計(jì)使用年限級(jí)別中規(guī)定了“有特殊要求的鐵路混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用年限可結(jié)合實(shí)際情況確定”的條文。

(4)不同作用環(huán)境以及作用等級(jí)選擇了不同的耐久性評(píng)價(jià)指標(biāo)，提出了原材料、混凝土材料等特殊要求。

2.4 經(jīng)濟(jì)性

《鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》在滿足結(jié)構(gòu)耐久性的前提下，在設(shè)計(jì)適用年限、原材料選擇、配合比參數(shù)確定以及構(gòu)造措施等方面力求鐵路工程的經(jīng)濟(jì)性。

(1)設(shè)計(jì)使用年限要兼顧鐵路工程特點(diǎn)，對(duì)于廠區(qū)鐵路、地方鐵路以及特別重要的鐵路應(yīng)區(qū)別對(duì)待。

(2)原材料選擇力求基于地方資源，盡量做到物盡其用。如增加了對(duì)于無抗拉和疲勞要求的C40以下強(qiáng)度等級(jí)混凝土可采用卵石的條文。

3 主要內(nèi)容

本規(guī)范共分9章，主要內(nèi)容包括:總則、術(shù)語、基本規(guī)定、環(huán)境、混凝土、裂縫控制、構(gòu)造措施、防腐蝕強(qiáng)化措施和檢查與維修，另有3個(gè)附錄，即水泥或膠凝材料抗硫酸鹽侵蝕性能快速檢測方法、礦物摻和料及外加劑抑制堿-骨料反應(yīng)有效性檢測方法以及硬化混凝土氣泡間距系數(shù)檢測方法(直線導(dǎo)線法)。

(1)適用范圍

本規(guī)范的適用范圍限定于由普通混凝土施工而成的鐵路混凝土結(jié)構(gòu)在常見環(huán)境作用下的耐久性設(shè)計(jì)。其原因?yàn)椋胤N混凝土(輕骨料混凝土、纖維混凝土、壓蒸混凝土等)在環(huán)境作用下的劣化機(jī)理、劣化速度和配合比設(shè)計(jì)不同于普通混凝土，其結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)應(yīng)參考相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。常見環(huán)境是指鐵路工程會(huì)經(jīng)常遇到的，且能夠形成區(qū)域性的氣候、土壤以及環(huán)境水等環(huán)境，常見環(huán)境不包括極端惡劣自然環(huán)境和有機(jī)污水、微生物腐蝕等環(huán)境。

(2)設(shè)計(jì)原則

鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)原則應(yīng)充分考慮鐵路混凝土行業(yè)特點(diǎn)以及高性能混凝土所暴露出的問題，確定了結(jié)構(gòu)具有足夠的承載能力和良好的抗裂性為耐久性設(shè)計(jì)的前提?？紤]到鐵路混凝土結(jié)構(gòu)承受疲勞荷載，耐久性設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮混凝土的收縮和徐變對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)(如預(yù)應(yīng)力梁、軌道板、軌枕、接觸網(wǎng)支柱等)的預(yù)應(yīng)力(度)的影響。

(3)設(shè)計(jì)使用年限

設(shè)計(jì)使用年限分為100年、60年和30年3個(gè)級(jí)別，并對(duì)有特殊要求的鐵路和鐵路房屋建筑結(jié)構(gòu)提出了單獨(dú)的要求，如表1所示。

表1 鐵路混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限

(4)環(huán)境類別

鐵路工程作用環(huán)境由五類環(huán)境變化為六類環(huán)境，即碳化環(huán)境、氯鹽環(huán)境、化學(xué)侵蝕環(huán)境、鹽類結(jié)晶破壞環(huán)境、凍融破壞環(huán)境和磨蝕環(huán)境，增加了鹽類結(jié)晶破壞環(huán)境。其原因?yàn)辂}類結(jié)晶破壞速度快、破壞程度嚴(yán)重，應(yīng)引起特別關(guān)注。鹽類結(jié)晶破壞腐蝕機(jī)理不同于化學(xué)侵蝕破壞，主要由鹽類結(jié)晶力所導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的物理破壞，而化學(xué)侵蝕是由于硫酸鹽與水泥水化產(chǎn)物發(fā)生體積膨脹、或無粘結(jié)作用的物質(zhì)，使混凝土結(jié)構(gòu)破壞。另外，提高鹽類結(jié)晶破壞技術(shù)措施與其他侵蝕環(huán)境不同。因此，增加“鹽類結(jié)晶破壞環(huán)境”。

(5)混凝土

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?？紤]到礦物摻和料對(duì)混凝土力學(xué)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(duì)于氯鹽環(huán)境和化學(xué)侵蝕環(huán)境下的鐵路混凝土必須添加礦物摻和料，因此，規(guī)定了氯鹽環(huán)境和化學(xué)侵蝕環(huán)境下礦物摻和料的適宜范圍，如表2所示。

針對(duì)鐵路工程混凝土結(jié)構(gòu)可能面臨作用環(huán)境，結(jié)合不同環(huán)境下混凝土腐蝕機(jī)理，提出了如表3所示的混凝土耐久性評(píng)價(jià)指標(biāo)。

(6)裂縫

表2 不同環(huán)境下混凝土中礦物摻和料摻量范圍%

表3 混凝土耐久性評(píng)價(jià)指標(biāo)

在結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)中強(qiáng)調(diào)混凝土抗裂性是結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，提出了全過程(表面裂縫寬度計(jì)算、施工過程)實(shí)現(xiàn)對(duì)混凝土裂縫進(jìn)行控制，將裂縫控制單獨(dú)一章。分環(huán)境類別和作用等級(jí)，提出了混凝土結(jié)構(gòu)表面裂縫計(jì)算寬度限值要求。完善了預(yù)防混凝土開裂的施工過程控制關(guān)鍵參數(shù)，增加了大風(fēng)極端干燥環(huán)境下混凝土養(yǎng)護(hù)時(shí)間要求。

(7)構(gòu)造措施

為有針對(duì)性地指導(dǎo)鐵路工程不同結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范與各專業(yè)規(guī)范的有機(jī)銜接，細(xì)化了橋涵、隧道和路基與耐久性相關(guān)的構(gòu)造措施。為適應(yīng)無砟軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的需要以及確保小型構(gòu)件的質(zhì)量，增加從抗疲勞、絕緣措施、保護(hù)層厚度等方面對(duì)軌道結(jié)構(gòu)提出了要求。

(8)防腐蝕強(qiáng)化措施

在嚴(yán)重腐蝕環(huán)境下，僅靠提高混凝土保護(hù)層材料的質(zhì)量與厚度，無法保證結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)安全服役，必須采取一種或多種防腐蝕強(qiáng)化措施。當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)處于嚴(yán)重腐蝕環(huán)境(L3、H4、Y4、D4、M3)時(shí)，應(yīng)根據(jù)工程的具體情況，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)采取一種或多種防腐蝕強(qiáng)化措施。不同環(huán)境下鐵路混凝土結(jié)構(gòu)防腐蝕強(qiáng)化措施可按表4選擇。

表4 不同環(huán)境下混凝土的防腐蝕強(qiáng)化措施

4 結(jié)論

《鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》的頒布實(shí)施將有效指導(dǎo)鐵路工程各專業(yè)混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計(jì)，對(duì)確保鐵路工程在設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)安全服役起到重要的指導(dǎo)作用。鑒于該規(guī)范的特殊性，執(zhí)行該規(guī)范時(shí)應(yīng)注意以下問題。

(1)鐵路工程作用環(huán)境和受力狀態(tài)的復(fù)雜性，決定了其混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的特殊性和不確定性。為確保不同環(huán)境作用下鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性，設(shè)計(jì)人員應(yīng)結(jié)合實(shí)際工程的重要性、作用環(huán)境、施工條件以及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)等，進(jìn)一步細(xì)化相應(yīng)的技術(shù)要求。必要時(shí)，可適當(dāng)提高相關(guān)技術(shù)要求。

(2)技術(shù)規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)不是法律文件，所有技術(shù)規(guī)范的規(guī)定決不能代替工程人員的專業(yè)分析判斷能力。

(3)鼓勵(lì)設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)創(chuàng)新，考慮到作為生命線鐵路工程安全服役的重要性，采用新材料、新工藝和新方法時(shí)，要按規(guī)定進(jìn)行試驗(yàn)論證和評(píng)審。

［1］謝永江.青藏鐵路低溫早強(qiáng)耐腐蝕高性能混凝土應(yīng)用試驗(yàn)研究［R］.北京:中國鐵道科學(xué)研究院，2006.

［2］趙國堂，李化建.高速鐵路高性能混凝土應(yīng)用管理技術(shù)［M］.北京:中國鐵道出版社，2009.

［3］中華人民共和國鐵道部.鐵建設(shè)［2005］157號(hào) 鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)暫行規(guī)定［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.

［4］中華人民共和國鐵道部.TB10005—2010 鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國鐵道出版社，2010.