鐵路橋梁工程耐久性-氯鹽侵蝕環(huán)境防腐措施設(shè)計(jì)理念

賈劍山（中鐵一院集團(tuán)新疆鐵道勘察設(shè)計(jì)院有限公司，新疆 烏魯木齊 郵編：830011）

1 概述

1.1 前言

我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展跨入21世紀(jì)，鐵路也進(jìn)行了大規(guī)模的建設(shè)，如何在這種大規(guī)模、建設(shè)工期緊的條件下，更好的保證各項(xiàng)鐵路橋梁工程的安全、耐久性，就顯得極為重要。

1.2 背景

根據(jù)歐美國(guó)家橋梁的發(fā)展表明，如果在橋梁的設(shè)計(jì)和建造時(shí)期對(duì)安全與耐久性考慮不足，將會(huì)在橋梁的運(yùn)營(yíng)和維護(hù)中付出慘重的經(jīng)濟(jì)代價(jià)。在我國(guó)，也已經(jīng)出現(xiàn)了許多因耐久性不良而過(guò)早報(bào)廢的橋梁，如北京西直門(mén)立交橋使用僅19年，就因嚴(yán)重剝蝕和鋼筋銹蝕破壞等原因于1999年報(bào)廢重建。

目前，由于忽視耐久性，在橋梁運(yùn)營(yíng)時(shí)用于維修將可能耗費(fèi)數(shù)倍于當(dāng)初這些工程施工建設(shè)時(shí)的投資。作為一個(gè)橋梁工作者，這些教訓(xùn)應(yīng)該值得我們借鑒，當(dāng)下在鐵路大規(guī)模的建設(shè)中，我們應(yīng)該思考這樣一個(gè)問(wèn)題：“我國(guó)橋梁的發(fā)展應(yīng)該走向何方并采取哪些措施才能盡量避免上述已有的慘重教訓(xùn)?”

2 鐵路橋梁混凝土的耐久性

鐵路混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用年限、環(huán)境類別及其作用等級(jí)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.1 根據(jù)設(shè)計(jì)使用年限級(jí)別可劃分

表1 使用年限級(jí)別劃分

2.2 環(huán)境類別及作用等級(jí)

鐵路混凝土結(jié)構(gòu)所處環(huán)境類別分為碳化、氯鹽、化學(xué)侵蝕、鹽類結(jié)晶破壞、凍融破壞和磨蝕環(huán)境。不同的環(huán)境類別又可根據(jù)不同的環(huán)境程度分為不同的作用等級(jí)。

氯鹽侵蝕原理：鹽漬土或巖鹽地區(qū)，由于地基土、地下水中含有大量氯離子，離子的滲透會(huì)極大地加劇混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕：

1）氯離子的侵入：在水分浸透的同時(shí)，由于碳酸氣、氯離子的滲透引起混凝土中性化。

2）鋼筋的腐蝕：由于浸入的水、氣、氯離子等，鋼筋被腐蝕。即使不中性化，鋼筋表層所含磷分，也會(huì)使鋼筋發(fā)生腐蝕。

3）裂紋的產(chǎn)生：由于鋼筋被腐蝕、體積膨脹（2.5倍），混凝土產(chǎn)生裂紋。

4）強(qiáng)度降低：腐蝕物質(zhì)從裂紋處進(jìn)一步浸入，加速鋼筋的腐蝕、體積膨脹，從而降低混凝土強(qiáng)度。

總之，腐蝕會(huì)造成混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度降低，大大縮短橋梁的使用壽命。因此采取必要、合理的防腐措施，將制約結(jié)構(gòu)的安全、耐久性使用年限。

3 鐵路橋梁工程耐久性防腐措施

鐵路橋梁工程中，耐久性工程措施主要涉及混凝土原材料的選擇、配合比、結(jié)構(gòu)構(gòu)造措施及附加防腐措施等：

1）侵蝕原理

研究防腐技術(shù)的目的，在于使結(jié)構(gòu)物從投入使用，到內(nèi)部鋼筋開(kāi)始銹蝕的時(shí)間盡可能的接近設(shè)計(jì)壽命。完全保證混凝土與氯鹽環(huán)境的Cl－隔絕是不可能的。重要的是如何有效控制氯鹽總量限定在規(guī)定的范圍之內(nèi)。依據(jù)鋼筋在氯鹽環(huán)境中的電化學(xué)和腐蝕機(jī)理：凡是能有效阻止混凝土PH值下降、保證鋼筋界面上的鈍化膜不活化、維持界面雙電層的電位恒定、避免鋼筋表面去極化的發(fā)生，就能夠有效地控制腐蝕的發(fā)生，也即防腐技術(shù)。

2）防腐措施

（1）增厚結(jié)構(gòu)鋼筋凈保護(hù)層

根據(jù)環(huán)境氯鹽侵蝕程度，合理選用保護(hù)層厚度。施工中，選用原材料中所含氯鹽總量控制在限定值之內(nèi)。大量工程實(shí)踐和試驗(yàn)表明，處于氯鹽環(huán)境中的混凝土表面12mm深度內(nèi)的氯離子濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于25～50mm深度范圍。因此混凝土鋼筋凈保護(hù)層的設(shè)計(jì)厚度應(yīng)不小于45mm。

（2）優(yōu)選原材料和阻銹劑

水泥宜選用硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥。這些水泥中的水泥石Ca（OH）2含量低，能夠預(yù)防氯鹽對(duì)水泥石的溶解和溶出，并防止氯鹽與水泥石發(fā)生堿集料反應(yīng)，以及由此產(chǎn)生的混凝土松散、露骨和脫落。粗骨料應(yīng)盡量選擇高堿性的碳酸巖碎石（與水泥有高強(qiáng)度的膠結(jié)力；形成高堿性的環(huán)境，使鋼筋界面的鈍化膜長(zhǎng)期處于鈍化態(tài)）。細(xì)骨料盡量采用級(jí)配合理、質(zhì)地均勻堅(jiān)固、吸水率低、孔隙率小的天然中粗河砂，以防止海砂帶入氯鹽。同時(shí)優(yōu)選適合本工程的鋼筋阻銹劑，阻止Cl－離子對(duì)鋼筋的腐蝕。

（3）采用三組分膠結(jié)材料及涂層

降低腐蝕介質(zhì)對(duì)混凝土的滲透性，是防止Cl－進(jìn)入鋼筋表面最直接的方法之一。通常采用在混凝土中摻加一定量的微硅粉、粉煤灰或磨細(xì)礦渣。水泥、微硅粉、粉煤灰稱為三組分膠結(jié)材料。由此制成的混凝土，具有極低的滲透性和很高的抗Cl－滲透能力，同時(shí)具有低熱、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)。微硅粉可以提高混凝土的耐磨性，和粉煤灰能有效降低活性集料含量及總堿量，避免堿集料反應(yīng)發(fā)生。此外混凝土表面涂層是防止鋼筋銹蝕的第一道防線，涂層能在一定時(shí)期內(nèi)有效防止腐蝕介質(zhì)浸入，但因其使用壽命的限制而不能廣泛使用。目前與混凝土壽命匹配的水泥基聚合物涂層、砂漿層成為混凝土表面保護(hù)層的首選。

（4）鋼筋保護(hù)處理

對(duì)鋼筋保護(hù)最有效的即為涂刷鋼筋保護(hù)模。在氯鹽環(huán)境侵蝕程度較為嚴(yán)重的地區(qū)，往往采用環(huán)氧涂層鋼筋：即在普通鋼筋表面制作一層環(huán)氧樹(shù)脂薄膜保護(hù)層的鋼筋，涂層厚度一般在0.15mm-0.30mm。用環(huán)氧樹(shù)脂粉末以靜電噴涂方法制作：將普通鋼筋表面進(jìn)行除銹、打毛等處理后加熱到230多攝氏度的高溫，再將帶電的環(huán)氧樹(shù)脂粉末噴射到鋼筋表面，粉末顆粒吸附在鋼筋表面，并與其熔融結(jié)合，經(jīng)過(guò)一定養(yǎng)護(hù)固化后便形成一層完整、連續(xù)、包裹住整個(gè)鋼筋表面的環(huán)氧樹(shù)脂薄膜保護(hù)層。涂層以其不與酸、堿等反應(yīng)，具有極高的化學(xué)穩(wěn)定性和延性大、干縮小，與金屬表面具有極佳的粘著性的特點(diǎn)，在鋼筋表面形成阻隔其與水分、氧、氯化物或侵蝕性介質(zhì)接觸的物理屏障，同時(shí)，還因其具有阻隔鋼筋與外界電流接觸的功能而被認(rèn)為是化學(xué)電離子防腐屏障。涂層鋼筋目前大多應(yīng)用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，施工技術(shù)成熟，同時(shí)可大大提高結(jié)構(gòu)的耐久性，當(dāng)然工程造價(jià)會(huì)有所增加，但從成本效益分析來(lái)看，是十分值得的。

4 工程實(shí)例

哈羅鐵路位于新疆維吾爾自治區(qū)哈密地區(qū)、吐魯番地區(qū)和巴音郭楞蒙古自治州境內(nèi)。本項(xiàng)目北起哈密貨車南環(huán)線的哈密南車站，向西上跨南環(huán)線后折向南穿哈密盆地，經(jīng)哈密工業(yè)園區(qū)、大南湖煤田，沿哈羅公路穿越庫(kù)魯塔格低山丘陵區(qū)，經(jīng)羅布泊平原區(qū)的羅北區(qū)，向西南到達(dá)羅中站（羅布泊鎮(zhèn)）。

羅布泊湖積平原區(qū)屬第四系晶間孔隙潛水及淺層承壓水，水質(zhì)極差，主要離子含量為：CL－：16023.4～170248mg/l，PH值：5.90～6.75；多為飽和鹵水，對(duì)混凝土工程具有超氯鹽侵蝕性，環(huán)境作用等級(jí)為L(zhǎng)3。 鐵路橋梁在本段落設(shè)置時(shí)，為保證結(jié)構(gòu)安全、耐久性的實(shí)施，需要在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中增加附加防腐措施：

（1）增大結(jié)構(gòu)鋼筋凈保護(hù)層厚度。

（2）對(duì)所有裸露在外的鋼構(gòu)件均采用“防腐涂裝體系”；混凝土表面涂刷防腐涂層。以避免地下毛細(xì)上升及雨后鹽霧造成結(jié)構(gòu)外露面及各種鋼構(gòu)件的損壞。

（3）混凝土中添加部分多功能復(fù)合外加劑，如：鋼筋阻銹劑，格雷絲纖維等，以增強(qiáng)混凝土自身的抗腐蝕性，增大混凝土的致密性，從而減小施工后混凝土表面的裂縫，降低結(jié)構(gòu)混凝土表面的滲透性。同時(shí)澆筑混凝土?xí)r，采用透水模板襯里，提高表面混凝土的密實(shí)度。

（4）基坑采用浸漬瀝青磚護(hù)壁、基底設(shè)置隔離層防滲、注漿填塞巖鹽空洞等措施，將基礎(chǔ)與地基土巖鹽隔離從而降低巖鹽和地下鹵水的侵蝕；同時(shí)嚴(yán)格施工中的工序控制與質(zhì)量。

該項(xiàng)目2012年11月建成投入使用。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)施工，證明了設(shè)計(jì)中采用的防腐措施切實(shí)可行、有效，具有較好的可操作性，滿足結(jié)構(gòu)安全、耐久性的要求，達(dá)到了預(yù)期的目的，為確保鐵路實(shí)際生產(chǎn)效率達(dá)到設(shè)計(jì)能力，使其社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)效益顯著。設(shè)計(jì)方案以前瞻性的思維、規(guī)劃、措施開(kāi)展設(shè)計(jì)，為橋涵工程創(chuàng)造有效的措施保障。

目前在工程界，針對(duì)鹽湖區(qū)的防腐經(jīng)驗(yàn)并不很成熟，各種處理措施亦未得到時(shí)間上準(zhǔn)確的驗(yàn)證，隨著科技的進(jìn)步，各種試驗(yàn)成果的實(shí)際應(yīng)用，必將會(huì)日趨完善，以保障結(jié)構(gòu)耐久性的實(shí)施。

5 結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)階段是整個(gè)建設(shè)過(guò)程中技術(shù)含量最高，難度最大，最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。設(shè)計(jì)方法、理論的選取將直接關(guān)系到鐵路橋梁的建造和使用的安全和耐久(重要工程，其設(shè)計(jì)使用年限在100年以上。從橋梁全生命周期的綜合造價(jià)考慮，應(yīng)該使設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)、維護(hù)、維修乃至拆除的綜合費(fèi)用最低，并且考慮橋梁在使用過(guò)程中可能遇到的各種意外事件，使用階段的風(fēng)險(xiǎn)在設(shè)計(jì)階段就有充分的考慮，能夠更大程度上保證結(jié)構(gòu)的安全和耐久)。

結(jié)構(gòu)各部件的壽命不是完全相同的，因而結(jié)構(gòu)壽命期內(nèi)功能的保證，必須從設(shè)計(jì)、施工、材料、檢測(cè)、維修、加固整個(gè)過(guò)程來(lái)考慮，保障結(jié)構(gòu)在生命期內(nèi)的結(jié)構(gòu)可檢性、可換性、可修性、可控、可強(qiáng)性和可持續(xù)性。

文章內(nèi)容并不新鮮，作者只是從目前國(guó)內(nèi)橋梁建設(shè)中，對(duì)于工程耐久性的部分實(shí)施措施做了進(jìn)一步的剖析，使鐵路工程建設(shè)各個(gè)部門(mén)、單位都來(lái)關(guān)心工程建設(shè)百年大計(jì)中的新問(wèn)題。文中的理解可能偏頗，期望大家討論指正。

[1]《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)

[2]《環(huán)氧樹(shù)脂涂層鋼筋》JG3042-1997

[3]《橋梁工程安全性與耐久性－展望設(shè)計(jì)理念進(jìn)展》范立礎(chǔ) 上海公路,2004,01