怎樣提高高速鐵路混凝土的耐久性

程芳

[摘 要] 當今社會經(jīng)濟高速發(fā)展，交通運輸業(yè)備受關(guān)注，尤其是對鐵路運輸?shù)男枨罅恐饾u增大，鐵路運輸?shù)陌l(fā)展將偏向高速和重載運輸。根據(jù)UIC（國際鐵道聯(lián)盟）的定義，高速鐵路是指營運速率達每小時200公里的鐵路系統(tǒng)。目前，中國鐵路建設(shè)進入了規(guī)模最大、標準最高的發(fā)展時期。高速鐵路建設(shè)線下工程以混凝土結(jié)構(gòu)為主體，大噸位混凝土箱梁將與日俱增，眾所周知，重視基礎(chǔ)設(shè)施的耐久性是保證工程質(zhì)量的關(guān)鍵。因此，無論是設(shè)計者還是施工者，他們越來越重視結(jié)構(gòu)混凝土耐久性的問題研究。文章分析了影響混凝土壽命的因素，并提出了提高高速鐵路混凝土的耐久性的策略，以期與同行共勉。

[關(guān)鍵詞] 高速鐵路混凝土耐久性

混凝土的耐久性是指結(jié)構(gòu)在預(yù)定設(shè)計工作壽命期內(nèi)，在正常維護條件下，不需要進行大修和加固就可以滿足正常使用和安全功能要求的能力。即：不發(fā)生嚴重風(fēng)化、腐蝕、脫落，鋼筋不發(fā)生銹蝕等。由于混凝土的功能不同，設(shè)計壽命也不同，鐵路橋梁工程一般要求100年以上。增加混凝土的耐久性，可以保證高速鐵路運行的安全性；同時延長使用壽命，節(jié)約維護成本，是構(gòu)建節(jié)約行社會的根本要求。

一、混凝土結(jié)構(gòu)耐久性問題的分析

混凝土耐久性問題，是指結(jié)構(gòu)在所使用的環(huán)境下，由于內(nèi)部原因或外部原因引起結(jié)構(gòu)的演變，最終使混凝土耐久性失效，喪失使用能力。即所謂的耐久性失效的原因很多，水蝕、風(fēng)化、凍融、腐蝕、磨損、氣體等屬于外部環(huán)境原因；堿骨料反應(yīng)、體積變化、吸水性、滲透性等屬于內(nèi)部原因。只有通過對混凝土耐久性影響因素分析，才能有針對性地提出解決問題的方案，才能真正提高混凝土的耐久性。

1、混凝土的抗?jié)B性

混凝土的抗?jié)B性是反映混凝土耐久性的一個重要指標。由水、空氣和其它侵蝕性介質(zhì)滲透進入混凝土，造成混凝土耐久性失效。其滲透的速率與失效時間成正比。鋼筋銹蝕、堿-骨料反應(yīng)、硫酸鹽、海水和酸的侵蝕、碳化屬化學(xué)變化引起的；凍融、鹽結(jié)晶、火災(zāi)是物理變化引起的。水也是多數(shù)結(jié)構(gòu)混凝土出現(xiàn)耐久性問題的核心。不僅物理劣化過程與水有關(guān)；同時作為傳輸侵蝕性離子的介質(zhì)，水又是其化學(xué)劣化過程的一個根源。實驗室的數(shù)據(jù)表明：混凝土內(nèi)部存在孔隙通道是其滲水的根本原因。

2、混凝土的抗凍性

這里所說的混凝土的抗凍性是只在吸水飽和狀態(tài)下，混凝土能夠經(jīng)受多次凍融循環(huán)而不破壞，也不顯著降低其強度的性能。當外部環(huán)境處于零度以下時，混凝土內(nèi)孔隙中的水因結(jié)冰體積增大了9%，在結(jié)構(gòu)內(nèi)部，形成各種壓力，當壓力達到一定程度時，導(dǎo)致混凝土表面剝落、龜裂、分層等的外觀上的破壞。實驗室研究表明：混凝土的抗凍性能與混凝土內(nèi)部的孔結(jié)構(gòu)和氣泡含量多少密切相關(guān)。當然也離不開混凝土的飽和度，水灰比，混凝土的齡期，集料的孔隙率及其間的含水率等因素。

3、混凝土的硫酸鹽侵蝕

硫酸根離子與混凝土中水泥水化物之間的化學(xué)反應(yīng)，形成有害化合物，而導(dǎo)致混凝土組成和結(jié)構(gòu)的破壞、強度下降、表面剝離等是混凝土硫酸鹽侵蝕的原因。硫酸根離子主要來自海水、垃圾、污水、土壤、地下水、水泥熟料等。高速鐵路工程易受硫酸鹽侵蝕的部位主要有大壩、橋墩、地下基礎(chǔ)、水工設(shè)施等，侵蝕后的混凝土常常出現(xiàn)體積膨脹、開裂、表面剝落、外觀發(fā)白的性狀。

4、混凝土的堿－集料反應(yīng)

混凝土的堿-集料反應(yīng)，是指混凝土中的堿與骨料中活性成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，也是造成混凝土的膨脹，開裂的原因。因反應(yīng)的因素在混凝土內(nèi)部，往往是不能根冶的，是混凝土工程中的重大隱患。為了確保運輸安全，不得不拆除大壩，橋梁，帶來巨大的經(jīng)濟損失。其中堿硅反應(yīng) (ASR)，被譽為“混凝土的癌癥”。 堿金屬離子源于硅酸鹽水泥中，硅成分主要源于骨料中。他們在條件適宜的情況下，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，破壞鐵路軌枕，破壞橋墩，破壞防護板，并導(dǎo)致鋼筋銹蝕，常出現(xiàn)爆皮、裂縫等外觀性狀。

5、混凝土中鋼筋的銹蝕

銹蝕主要取決于氧氣通過混凝土保護層向鋼筋表面的陰極的擴散速度，而這種擴散速度主要取決于混凝土的密實度?；炷帘惶蓟?，由于水泥的高堿性，鋼筋表面形成一層致密的氧化膜，阻止了鋼筋銹蝕電化學(xué)過程；混凝土一旦被碳化，鋼筋表面的氧化膜被破壞，在有水份和氧氣的條件下，就會發(fā)生銹蝕的電化學(xué)反應(yīng)，最終使構(gòu)件失去承載力。實驗室資料表明：試驗表明，當混凝土周圍介質(zhì)的相對濕度為50%~75%時，混凝土碳化速度最快。鋼筋銹蝕后產(chǎn)生的鐵銹，體積比鐵增加2~6倍，擠裂保護層，出現(xiàn)裂縫，為氧氣和水份的進入打開方便之門，提高銹蝕速度，加快結(jié)構(gòu)的損壞。鋼筋銹蝕是影響鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的最關(guān)鍵問題。

二、提高混凝土耐久性的措施

1、加強混凝土的抗?jié)B性

工程實踐證明：水灰比是混凝土抗?jié)B性的重要影響因素！提高混凝土密實性是解決抗?jié)B性的關(guān)鍵。主要通過減小水灰比、保證水泥用量和恰當?shù)墓に嚥僮鞯霓k法來實現(xiàn)。采用適宜的原材料及科學(xué)的生產(chǎn)、澆筑與養(yǎng)護操作（當水泥用量為300～350Kg/m3、水灰比0.45～0.55，制備出28d抗壓強度為35～40MPa的混凝土），在大多數(shù)環(huán)境條件下可以呈現(xiàn)良好的滲透性和耐久性能。

2、提高混凝土的抗凍性

混凝土的凍融破壞問題是影響其耐久性的重要因素之一。混凝土的抗凍性能與混凝土內(nèi)部的孔結(jié)構(gòu)和氣泡含量多少密切相關(guān)?？自缴僭叫?，破壞作用越小，封閉氣泡越多，抗凍性越好。防止混凝土凍融破壞的主要措施是降低水灰比，減少混凝土中多余的水份。冬季施工時，應(yīng)加強混凝土良好的養(yǎng)護，防止早期受凍，選用抗凍骨料，并摻入防凍劑和引氣等。研究結(jié)果表明,水灰比越低,抗凍性能越好,低水灰比的高強混凝土即使不摻引氣劑,抗凍性能也非常優(yōu)良,對中高水灰比的混凝土,欲徹底改善其抗凍性,摻引氣劑是十分必要的。摻入硅灰抗凍性能有所改善,但摻入粉煤灰使其抗凍性能有所降低。

3、控制混凝土的堿－集料反應(yīng)

《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中對混凝土強度和堿含量的規(guī)定和《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中耐久性規(guī)定了最大水灰比、最小水泥用量、最低強度等級均有具體要求。在材料的選擇上，采用非活性骨料，摻加活性混合材，如：硅灰、粉煤灰等；盡量使用含堿量≤0.6％的水泥；提高混凝土的密實性，增加必要的排水或阻止水分滲入的設(shè)計，避免化冰鹽的積累。

4、防止混凝土中鋼筋的銹蝕

一是采用防腐蝕鋼筋。有人在鋼筋表面采用靜電噴涂環(huán)氧樹脂粉末工藝的辦法，形成一定厚度的防腐涂層，還有人選擇鍍鋅鋼筋、不銹鋼鋼筋作配筋等。二是借助鋼筋阻銹劑（如亞硝酸鈣）防止氯鹽的腐蝕。三是對鋼筋進行陰極保護，即外加電壓以保持鋼筋處于陰極區(qū)。四是采用覆蓋面層隔離混凝土表面與大氣環(huán)境的直接接觸，這是降低混凝土碳化的給力措施。目前被廣泛適用于不利或者惡劣的環(huán)境條件下，它可以有效防止水、二氧化碳、氯離子和氧氣的侵入，減少鋼筋銹蝕。

三、結(jié)束語

總之，為保證和提高混凝土結(jié)構(gòu)建筑的耐久性，必須對混凝土構(gòu)件進行正確的結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料選擇和嚴格的施工，配合必要的管理和維護，定期簡單修補，只有當嚴重超出正常維修費允許范圍時，結(jié)構(gòu)的使用壽命才終止。

參考文獻：

[1] 張勇,楊富民.我國高速鐵路高性能混凝土的應(yīng)用與展望；施工技術(shù);2009年第38卷第11期.

[2] 劉勇,張勇,龔增進,楊富民.鐵路混凝土的現(xiàn)狀、發(fā)展及思考 ;現(xiàn)代城市軌道交通;2009.5.

[3] 李全文.三十里風(fēng)區(qū)高速鐵路高性能混凝土施工養(yǎng)護技術(shù)的研究;鐵道建筑技術(shù); 2011.5.

[4] 王軍,徐芬蓮,劉中心,陳景,梅群,王峰.高速鐵路高性能混凝土原材料質(zhì)量管理與控制技術(shù) ;混凝土;2011.2.