鐵路混凝土耐久性理論與提升方法

穆 松，李化建，王育江，周 瑩

(1.高性能土木工程材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210008；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081；3.高速鐵路軌道技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081)

1 鐵路混凝土耐久性新需求

混凝土是鐵路建設(shè)的關(guān)鍵材料?；炷翉V泛應(yīng)用于鐵路軌道、隧道、橋梁等主要結(jié)構(gòu)，承受列車高速運(yùn)行產(chǎn)生的荷載與外部服役環(huán)境的綜合作用。我國最早從1953年開始鐵路混凝土的應(yīng)用，其發(fā)展歷程經(jīng)歷了3個(gè)階段[1]。第1階段：1953年前，絕大多數(shù)橋梁使用鋼橋，軌枕、電桿、樁等結(jié)構(gòu)使用木材或鋼材，僅東北地區(qū)有少量最小跨鋼筋混凝土橋梁使用C28混凝土。第2階段：1953—2000年，干硬性C50鋼筋混凝土替代木材與鋼材成為軌枕材料，我國鐵路混凝土進(jìn)入了低塑性高強(qiáng)度混凝土階段。第3階段：2000年至今，低溫早強(qiáng)耐腐蝕高性能混凝土被應(yīng)用于青藏鐵路結(jié)構(gòu)中，我國鐵路從此開始了高性能混凝土的廣泛應(yīng)用。近年來，在高速鐵路與客運(yùn)專線中大規(guī)模應(yīng)用無砟軌道結(jié)構(gòu)，使得混凝土在鐵路工程中的應(yīng)用范圍大大拓展。高性能混凝土的應(yīng)用始于青藏鐵路工程，推廣于高速鐵路工程，已經(jīng)形成了以TB 10005—2010《鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》、TB/T 3275—2011《鐵路混凝土》等為代表的，涵蓋設(shè)計(jì)、材料、施工、驗(yàn)收的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。鐵路工程結(jié)構(gòu)的條帶狀分布、露天服役環(huán)境、承受疲勞荷載等特征，決定了鐵路工程結(jié)構(gòu)耐久性的特殊性與復(fù)雜性。

鐵路混凝土的耐久性是決定鐵路結(jié)構(gòu)混凝土壽命的關(guān)鍵因素?，F(xiàn)有規(guī)范中新建高速鐵路線路的最高設(shè)計(jì)速度為350 km /h，結(jié)構(gòu)混凝土的最高設(shè)計(jì)使用年限為100年。然而，值得注意的是，中國鐵路總公司已經(jīng)在京滬、鄭徐高速鐵路上開展了累計(jì)行車?yán)锍?.7萬km、行車速度400 km/h的運(yùn)行綜合試驗(yàn)，同時(shí)在京張高速鐵路建設(shè)中已明確提出高速鐵路混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限≥150年的需求，超過當(dāng)前港珠澳大橋與深中通道的120年設(shè)計(jì)使用年限?？紤]到服役工況的特殊性，為適應(yīng)更高要求，需解決如下2方面關(guān)鍵問題：①滿足現(xiàn)有規(guī)范的混凝土能否在相應(yīng)服役條件下長(zhǎng)期保持狀態(tài)穩(wěn)定；②如何建立適用于更高運(yùn)營(yíng)速度和更長(zhǎng)設(shè)計(jì)使用年限的混凝土設(shè)計(jì)理論與方法。因此，發(fā)展面向更嚴(yán)酷復(fù)雜環(huán)境、更高運(yùn)營(yíng)速度和更長(zhǎng)服役壽命的鐵路混凝土耐久性理論與提升方法具有重要的實(shí)用價(jià)值。

鐵路混凝土實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)壽命的首要前提在于根據(jù)服役環(huán)境、設(shè)計(jì)壽命及結(jié)構(gòu)形式、施工工藝等進(jìn)行混凝土的抗裂性、耐久性設(shè)計(jì)，提升其性能。其中，抗裂性設(shè)計(jì)是有效保障混凝土長(zhǎng)壽命的基礎(chǔ)，能最大程度避免或降低混凝土開裂風(fēng)險(xiǎn)。通過抗裂性與耐久性提升將顯著地降低侵蝕性離子和水分在混凝土內(nèi)部的傳輸速率，從而有效延長(zhǎng)鐵路混凝土的實(shí)際使用壽命。

2 混凝土裂縫形成與控制

混凝土是有生命的，施工期混凝土非常脆弱，最為常見的表現(xiàn)形式是開裂。施工期混凝土的裂縫將加劇腐蝕介質(zhì)對(duì)硬化混凝土結(jié)構(gòu)的損害，降低混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，影響其正常服役年限。鐵路現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)大體可分為大體積結(jié)構(gòu)(墩身、承臺(tái)、梁體等)、長(zhǎng)線澆筑平面結(jié)構(gòu)(無砟軌道)、曲面結(jié)構(gòu)(山體隧道)。部分結(jié)構(gòu)如無砟軌道、山體隧道等的開裂問題已成為共性問題。

裂縫是鐵路工程中最為常見的病害，在鐵路隧道、無砟軌道等結(jié)構(gòu)中該問題十分突出。我國鐵路隧道襯砌典型裂縫包括縱向裂縫、斜向裂縫、環(huán)向裂縫、月牙形裂縫、十字形裂縫等。裂縫引起滲漏水進(jìn)而引起凍融破壞，加劇了鹽類腐蝕。對(duì)我國運(yùn)營(yíng)的 5 000 座普速鐵路隧道調(diào)研結(jié)果表明，有水害的隧道約占70%，水害嚴(yán)重導(dǎo)致狀態(tài)失格的隧道占30%以上[2]。

滲漏水發(fā)生在施工過程中的施工縫、沉降縫、伸縮縫、襯砌質(zhì)量不良處以及發(fā)生裂損的薄弱部位。裂縫附近襯砌的剛度退化，影響承載力和行車安全性。由于隧道襯砌受地層壓力、地下水壓力、圍巖膨脹性或凍脹性壓力、腐蝕性介質(zhì)和溫度的作用以及施工不良因素的影響，致使隧道襯砌在運(yùn)營(yíng)中產(chǎn)生裂損變形、開裂、掉塊等病害。日本和我國均出現(xiàn)過拱部襯砌剝落而導(dǎo)致的行車事故。

隨著無砟軌道技術(shù)的推廣應(yīng)用，無砟軌道結(jié)構(gòu)混凝土材料的開裂現(xiàn)象已經(jīng)顯現(xiàn)，并以長(zhǎng)線澆筑的混凝土開裂為主。道床板混凝土的開裂形式主要有2種：①出現(xiàn)在軌枕的4個(gè)角上，道床板混凝土與軌枕角的交接處形成八字形裂縫。這種裂縫極為普遍，在水平對(duì)應(yīng)的2個(gè)軌枕，相對(duì)著的2個(gè)角上的八字形裂縫相接，形成橫跨整個(gè)道床板的裂縫。②道床板中間的橫向或斜向裂縫，有的在伸縮縫附近。橫向裂縫沿著道床板的鋪設(shè)方向，以一定間隔產(chǎn)生。道床板裂縫多發(fā)生在混凝土初凝后2～3 d，隨著時(shí)間的推移裂縫的寬度有所發(fā)展。各國對(duì)無砟軌道結(jié)構(gòu)混凝土的裂縫寬度提出了限值。以日本技術(shù)為代表的板式軌道結(jié)構(gòu)對(duì)軌道板的保養(yǎng)補(bǔ)修提出了嚴(yán)格的要求。德國工程實(shí)踐表明，在雙塊式軌枕周圍易出現(xiàn)寬度大于0.5 mm的環(huán)繞裂紋，尤其是Rheda型無砟軌道結(jié)構(gòu)。因此，德國AKFF規(guī)定，混凝土允許裂紋寬度為0.5 mm，在鋼軌扣件范圍內(nèi)不允許出現(xiàn)裂紋。由于我國雙塊式無砟軌道道床板設(shè)計(jì)與德國不同(采用雙層配筋形式)，混凝土允許裂縫寬度定為0.2 mm。

在開裂機(jī)理方面國內(nèi)外的研究很多，但多集中在對(duì)裂縫形成機(jī)理的研究，且偏重于從材料角度出發(fā)定性地進(jìn)行分析，而對(duì)于定量的開裂預(yù)測(cè)卻不多。Springenschmid指出“避免混凝土早齡期裂縫是當(dāng)前混凝土技術(shù)的主要問題之一，應(yīng)采用現(xiàn)代的概念預(yù)測(cè)混凝土早齡期的應(yīng)力及其影響，來代替單純依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)的方法”[3]。針對(duì)混凝土材料收縮開裂的共性問題，將混凝土材料和工程相結(jié)合也成為國內(nèi)外共同努力的方向。在測(cè)試技術(shù)上，由單一的收縮測(cè)試不斷向抗裂性綜合評(píng)價(jià)方向發(fā)展，如在Springenschmid提出的開裂試驗(yàn)架裝置基礎(chǔ)上發(fā)展出的溫度應(yīng)力試驗(yàn)機(jī)，可以綜合評(píng)價(jià)混凝土溫度、收縮、徐變、力學(xué)性能對(duì)開裂的影響。

在收縮機(jī)理模型方面，考慮材料-環(huán)境-結(jié)構(gòu)尺寸多因素耦合的本質(zhì)成為最新的發(fā)展趨勢(shì)。從20世紀(jì)90年代最初的“水化-溫度”的耦合，到目前綜合考慮“水化-溫度-濕度-約束”多因素耦合[4-7]，并用于預(yù)測(cè)混凝土水化、收縮、應(yīng)力等性能。在抗裂性評(píng)價(jià)方面，應(yīng)力準(zhǔn)則是裂縫控制的重要依據(jù)。在計(jì)算過程中，針對(duì)材料性能、環(huán)境作用存在的隨機(jī)性，目前通過概率方法分析影響混凝土早齡期開裂的安全系數(shù)[8-9]。

合理選擇原材料、優(yōu)化配合比并使用功能性抗裂材料，從源頭上減小混凝土的溫降收縮、自收縮和干燥收縮，提升混凝土的韌性，是目前提升結(jié)構(gòu)混凝土抗裂性能的主要措施。具體措施包括：采用纖維增韌提高混凝土的抗裂性，如曹擎宇等[10]研究了纖維素纖維對(duì)隧道二襯抗裂性的提升效果；采取補(bǔ)償收縮措施減少混凝土收縮，如趙政等[11]研究了新型鎂質(zhì)膨脹材料對(duì)襯砌混凝土開裂的影響；采取溫控措施降低襯砌混凝土的水化溫升，如吳家冠等[12]通過通水冷卻措施提升水電站導(dǎo)流洞邊墻襯砌混凝土抗裂性能。

3 嚴(yán)酷環(huán)境下混凝土耐久性提升

對(duì)于嚴(yán)酷環(huán)境中的工程建筑物，環(huán)境中的水、硫酸根離子由于擴(kuò)散、滲透等作用會(huì)逐漸遷移至具有多孔特性的混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部。水分進(jìn)入混凝土內(nèi)部，在北方低溫環(huán)境中將發(fā)生冰晶膨脹，引起凍融破壞。硫酸根離子與水泥水化產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)生成膨脹性產(chǎn)物或自身過飽和形成結(jié)晶產(chǎn)物，引起膨脹性破壞。因此，鐵路工程結(jié)構(gòu)混凝土耐久性所面臨的凍融與硫酸鹽腐蝕破壞存在共性的結(jié)晶破壞機(jī)制。嚴(yán)酷環(huán)境中侵蝕性介質(zhì)結(jié)晶破壞問題已成為制約鐵路工程安全與發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸。

3.1 隧道襯砌硫酸鹽結(jié)晶破壞

西部地區(qū)鐵路工程中隧道襯砌受硫酸鹽腐蝕破壞十分嚴(yán)重。西部地區(qū)鐵路隧道絕大部分為山體隧道，服役環(huán)境復(fù)雜多變，混凝土結(jié)構(gòu)存在腐蝕破壞風(fēng)險(xiǎn)，維修難度和費(fèi)用巨大。修建于20世紀(jì)60，70 年代的成昆鐵路，沿線大部分的隧道都出現(xiàn)了硫酸鹽侵蝕性病害，部分隧道病害非常嚴(yán)重[13]，如碧雞關(guān)隧道、法拉隧道等，需要每年進(jìn)行維修加固才能保證正常運(yùn)營(yíng)。這不僅耗費(fèi)了大量的人力物力，對(duì)線路的正常運(yùn)營(yíng)也造成了一定的干擾。因此，從鐵路隧道結(jié)構(gòu)混凝土的特點(diǎn)出發(fā)，分析其施工期和服役過程劣化機(jī)制，進(jìn)而采取有效的技術(shù)提升耐久性，是保證鐵路山體隧道百年安全服役壽命的關(guān)鍵。

鹽溶液作用下混凝土材料的物理結(jié)晶是造成鐵路工程破壞的主要機(jī)制。隧道是埋置于巖土層中的工程建筑物，巖土層中的水及其中的硫酸根離子由于擴(kuò)散、滲透等作用會(huì)逐漸遷移至具有多孔特性的混凝土結(jié)構(gòu)中，由于蒸發(fā)作用，特別是在運(yùn)營(yíng)過程中，列車通過隧道時(shí)列車風(fēng)作用使得蒸發(fā)作用加快，硫酸鹽類介質(zhì)在隧道臨空面表層很容易產(chǎn)生物理結(jié)晶作用。硫酸鹽結(jié)晶體產(chǎn)生膨脹力導(dǎo)致了混凝土表層剝落。

硫酸鹽侵蝕破壞是一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)過程，在1892年就被發(fā)現(xiàn)，此后國內(nèi)外學(xué)者對(duì)其侵蝕機(jī)理進(jìn)行了大量的研究[14]。硫酸鹽侵蝕破壞作用是由于環(huán)境中的硫酸鹽或SO42-侵入混凝土內(nèi)部形成鹽晶體，或者與水泥石的一些固相組分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成一些難溶的鹽類，而形成的鹽類結(jié)晶體或難溶的鹽類吸收大量水分產(chǎn)生體積膨脹，形成膨脹內(nèi)應(yīng)力，當(dāng)膨脹內(nèi)應(yīng)力超過混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致混凝土的破壞。另外，發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)也可使硬化水泥中的Ca(OH)2和C-S-H等組分溶出或分解，導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度和黏結(jié)性能的損失。

物理結(jié)晶的破壞機(jī)制包括硫酸鈉結(jié)晶、石膏結(jié)晶與鈣礬石結(jié)晶3類。當(dāng)混凝土經(jīng)歷干濕循環(huán)的水分蒸發(fā)后硫酸鹽溶液的濃度升高，導(dǎo)致硫酸鈉溶液在混凝土孔隙中結(jié)晶且體積增大產(chǎn)生膨脹應(yīng)力，導(dǎo)致混凝土破壞。石膏侵蝕破壞是由于溶液中硫酸鹽與水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成難溶性鹽CaSO4·2H2O并沉積于混凝土孔隙中。由于它的體積是參加反應(yīng)的Ca(OH)2的2倍，導(dǎo)致混凝土膨脹破壞，表現(xiàn)為沒有粗大裂紋但遍體酥散。鈣礬石結(jié)晶是水泥水化產(chǎn)物水化鋁酸鈣及水化單硫型鋁酸鈣與石膏化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)物。由于鈣礬石是溶解度極小的鹽類礦物且結(jié)合了大量的結(jié)晶水，在濃度很低的石灰溶液中其也能穩(wěn)定存在，故使得混凝土的固相體積顯著增大，表現(xiàn)為混凝土試件表面出現(xiàn)少數(shù)較粗大的裂縫。此外，除上述物理結(jié)晶破壞之外，碳硫鈣硅石侵蝕破壞是近幾十年來被發(fā)現(xiàn)的混凝土硫酸鹽腐蝕新形式。在濕冷的環(huán)境下(環(huán)境溫度低于15 ℃)，如果硫酸根和碳酸根離子都存在，C-S-H凝膠會(huì)劣化生成膨脹性產(chǎn)物碳硫鈣硅石。雖然生成碳硫鈣硅石的侵蝕過程非常緩慢，但其直接將水泥石中的主要膠結(jié)材料C-S-H相轉(zhuǎn)變?yōu)闊o膠結(jié)能力的泥狀物，因而其破壞性更強(qiáng)。

通過優(yōu)化膠凝材料體系以提升混凝土基體致密性來提高混凝土抗硫酸鹽結(jié)晶侵蝕的傳統(tǒng)思路具有負(fù)面影響。已有研究表明，降低水泥中的C3A和C3S含量是提升混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能的關(guān)鍵。資料顯示：3%濃度Na2SO4浸泡條件下，熟料礦物組成為10% C3A和50% C3S的硅酸鹽水泥砂漿在浸泡3個(gè)月即出現(xiàn)膨脹破壞，而熟料礦物組成為3 % C3A和60 % C3S的抗硫酸鹽水泥砂漿在浸泡3個(gè)月線膨脹率僅為0.18 %。但是，抗硫酸鹽水泥在具備良好的抵抗硫酸鈉溶液靜態(tài)浸泡腐蝕的同時(shí)也存在弊端。

Arya等[15]將普通硅酸鹽水泥(OPC)與抗硫酸鹽水泥(SRPC)試件浸入 20 g /L NaCl溶液中，發(fā)現(xiàn)SRPC由于C3A含量較低導(dǎo)致氯離子結(jié)合能力低。因此，對(duì)于用C3A含量較低的抗硫酸鹽水泥制備的混凝土而言，其內(nèi)部鋼筋銹蝕的風(fēng)險(xiǎn)將增大，尤其在干濕交變環(huán)境中，硫酸鹽結(jié)晶以及碳化將加速混凝土與內(nèi)部鋼筋的劣化失效。Karatasios等[16]認(rèn)為粗骨料含量較高的混凝土具有較好的抵抗鹽結(jié)晶侵蝕的性能，而朱冬生等[17]則認(rèn)為在混凝土中摻入適量的粉煤灰與硅灰可以提高其抵抗硫酸鈉溶液物理結(jié)晶侵蝕的性能。綜上所述，關(guān)于礦物摻合料在混凝土抗硫酸鹽中的作用，大部分的研究結(jié)果表明礦物摻合料能顯著提高混凝土抗硫酸鹽性能。盡管如此，近年來已有研究表明使用礦物摻合料對(duì)混凝土抗硫酸鹽侵蝕產(chǎn)生不利影響。Nehdi等[18]認(rèn)為不能忽視礦物摻合料對(duì)硫酸鹽物理侵蝕的影響，并分析了礦物摻合料對(duì)部分浸入硫酸鹽溶液中并暴露于循環(huán)溫度和相對(duì)濕度下的混凝土抗硫酸鹽性能的影響。結(jié)果表明：盡管用礦物摻合料部分替代水泥降低了孔隙體積，但由于小直徑孔隙比例的增加以及毛細(xì)吸力和蒸發(fā)表面積的增長(zhǎng)，表面剝落增加。Suleiman,Zhutovsky等[19-20]也得出了相同的結(jié)論，并建議在有助于物理硫酸鹽侵蝕的環(huán)境中應(yīng)該謹(jǐn)慎使用礦物摻合料。鑒于上述單獨(dú)使用礦物摻合料抗硫酸鹽侵蝕結(jié)果的差異性，姜騫等[21]建議從混凝土原材料組成優(yōu)選、配合比設(shè)計(jì)、施工養(yǎng)護(hù)、表層防護(hù)等多方面來提高隧道襯砌混凝土抗硫酸鹽侵蝕破壞能力。

3.2 平面結(jié)構(gòu)冰晶凍融破壞

哈大、哈齊等高速鐵路的修建與運(yùn)營(yíng)，標(biāo)志著我國已初步形成嚴(yán)寒地區(qū)高速鐵路混凝土整套技術(shù)。但實(shí)踐表明：嚴(yán)寒地區(qū)無砟道床混凝土極易出現(xiàn)凍融破壞現(xiàn)象，現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)混凝土尤為突出。混凝土是無砟軌道結(jié)構(gòu)的重要組成部分，其受凍后的破壞必然對(duì)軌道結(jié)構(gòu)的耐久性和安全性有重大負(fù)面影響。作為我國高速鐵路“走出去”戰(zhàn)略的成果之一，我國向俄羅斯出口高速鐵路技術(shù)已基本確定，為其修建的莫斯科—喀山高速鐵路處在超低溫的嚴(yán)寒地區(qū)。俄羅斯高速鐵路的服役溫度要比我國嚴(yán)寒地區(qū)哈大高速鐵路服役溫度還要低，對(duì)無砟道床混凝土抗凍性要求更高。

混凝土的凍融破壞是比較復(fù)雜的物理變化過程。為了獲得澆筑混凝土所必需的和易性，拌和水總量多于水泥水化所需的水量，多余的水就滯留在混凝土中，形成占有一定體積的連通毛細(xì)孔。于是常溫下硬化混凝土就是由水泥水化產(chǎn)物、未水化的水泥、水、集料和空氣共同組成的氣-液-固三相平衡體系。當(dāng)混凝土處于負(fù)溫時(shí)，其內(nèi)部孔隙中的水分將從液相轉(zhuǎn)變?yōu)楣滔?，因此那些連通的毛細(xì)孔就是導(dǎo)致混凝土遭受凍害的主要因素。目前，學(xué)術(shù)界提出的混凝土凍融破壞理論大致有6種:水的離析層理論、膨脹壓理論、滲透壓理論、充水系數(shù)理論、臨界飽水值理論和孔結(jié)構(gòu)理論。

對(duì)于海洋環(huán)境中混凝土鹽凍破壞的耐久性設(shè)計(jì)亟需開展針對(duì)性研究。目前，國內(nèi)外針對(duì)耐久性設(shè)計(jì)指標(biāo)開展了大量研究，分析水灰比、礦物摻合料、含氣量等因素對(duì)混凝土抗鹽凍性的影響，以評(píng)價(jià)混凝土耐久性。

1)水灰比。作為混凝土性能設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，水灰比不僅影響混凝土強(qiáng)度，而且能較大程度地改變混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的密實(shí)程度，影響混凝土材料抗鹽凍性。楊全兵等[22]研究表明我國北方道橋混凝土的水灰比不大于 0.45，含氣量不低于 4%。熊劍平等[23]認(rèn)為不同的降低水灰比方法均可以改善道路混凝土的抗鹽凍性。陳迅捷等[24]提出為滿足混凝土在海洋環(huán)境中的抗凍性要求，混凝土氣泡間隔應(yīng)低于300 μm，并且混凝土水膠比不宜大于0.40。

2)含氣量?；炷量果}凍性能與內(nèi)部孔隙特征有關(guān)，減少連通孔隙，保證適度的氣泡間距與含氣量對(duì)增強(qiáng)抗鹽凍性能均有利。江蘇省建筑科學(xué)研究院等科研院所對(duì)粉煤灰高性能混凝土抗凍耐久性的研究表明[25]：水膠比在一定范圍內(nèi)，不摻引氣劑，混凝土抗凍耐久性隨粉煤灰摻量的增加而增加;摻引氣劑后，混凝土抗凍耐久性呈先升后降的趨勢(shì)。江蘇省建筑科學(xué)研究院及東南大學(xué)研究了摻入硅灰、超細(xì)粉煤灰及兩者的復(fù)合物對(duì)抗凍耐久性的影響以及鋼纖維的阻裂效應(yīng)對(duì)混凝土抗凍耐久性的作用[26]。結(jié)果表明：當(dāng)超細(xì)粉煤灰與硅灰相摻時(shí)，提高抗凍耐久性的效果尤為顯著，若再摻入鋼纖維則更有利于提高混凝土抗凍耐久性。Valenza等[27]的研究表明，當(dāng)氣泡間距為250～300 μm時(shí)，各類型混凝土均具有良好的抗鹽凍性能；當(dāng)氣泡間距大于臨界值時(shí)，凍融損傷與氣泡間距成比例。Triolo等[28]研究認(rèn)為氣泡間隔為250～300 μm時(shí)混凝土有良好的抗鹽凍性能，并建議將氣泡間隔200～250 μm作為混凝土抗鹽凍性能的安全設(shè)計(jì)值。余紅發(fā)等[29]研究表明：鹽凍環(huán)境下具有較高抗凍性能的混凝土臨界含氣量為4.5%～5.0%，具有較高抗鹽凍性能混凝土的含氣量應(yīng)提高至5.0%以上；對(duì)于摻礦物摻合料的混凝土，具有良好抗鹽凍性能所要求的氣泡間距與強(qiáng)度等級(jí)有關(guān)，當(dāng)強(qiáng)度等級(jí)低于C50時(shí)，平均氣泡間距必須小于250 μm，當(dāng)強(qiáng)度等級(jí)提高到C60以上時(shí)，平均氣泡間距可以增大到700 μm。

3)礦物摻合料。礦物摻合料的使用由來已久，主要包括粉煤灰、磨細(xì)礦渣、硅灰等。粉煤灰的摻入將會(huì)降低混凝土的抗鹽凍性能，為了保證混凝土的耐久性，粉煤灰摻量應(yīng)限制在20%左右。周茗如等[30]研究表明：粉煤灰摻入對(duì)混凝土抗鹽凍性有利，隨粉煤灰摻量增大，混凝土抗鹽凍耐久性有上升趨勢(shì)，未引氣時(shí)摻量25%粉煤灰混凝土有較好的抗鹽凍性能。胡蝶等[31]認(rèn)為粉煤灰摻量為20%的C50粉煤灰引氣混凝土試件及其構(gòu)件，具有比硅灰引氣混凝土更好的抗鹽凍性能，因?yàn)楣杌一炷磷允湛s較大導(dǎo)致了微裂縫的存在，進(jìn)而加快了鹽凍破壞。

4 展望

4.1 鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)估考慮疲勞和環(huán)境耦合影響

高速鐵路無砟軌道結(jié)構(gòu)的露天服役環(huán)境、承受周期高頻動(dòng)荷載和層狀相互約束的結(jié)構(gòu)形式，決定了其混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)估與壽命預(yù)測(cè)的復(fù)雜性和不確定性。無砟軌道混凝土結(jié)構(gòu)的服役耐久性評(píng)估與壽命預(yù)測(cè)技術(shù)能在一定程度上借鑒已有的混凝土材料與結(jié)構(gòu)耐久性研究成果，但是尚需針對(duì)無砟軌道結(jié)構(gòu)的自身特點(diǎn)進(jìn)行深入研究。盡管如此，無砟軌道結(jié)構(gòu)高耐久性的研究目前多集中在混凝土材料自身的耐久性研究，很少考慮荷載與環(huán)境的綜合作用，尤其是疲勞荷載與環(huán)境的綜合作用。具體而言，有3個(gè)方面的問題尚待研究：①無砟軌道在服役期內(nèi)長(zhǎng)期承受疲勞荷載作用，如何界定長(zhǎng)期疲勞荷載的影響是耐久性研究的一個(gè)新課題；②無砟軌道結(jié)構(gòu)是預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，對(duì)預(yù)應(yīng)力鋼筋在混凝土中高應(yīng)力狀態(tài)下的耐久性目前仍然缺乏系統(tǒng)的研究；③露天服役無砟軌道的環(huán)境與無砟軌道層狀結(jié)構(gòu)相互約束的綜合作用問題，它使得無砟軌道結(jié)構(gòu)應(yīng)力極為復(fù)雜。

4.2 現(xiàn)澆鐵路結(jié)構(gòu)混凝土開裂機(jī)理

現(xiàn)有國內(nèi)外研究高速鐵路現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)裂縫成因的定量分析較少。雖然國內(nèi)外針對(duì)混凝土材料收縮開裂的共性問題(不針對(duì)高速鐵路具體工程)，目前已開始考慮混凝土材料、環(huán)境、結(jié)構(gòu)特征交互作用，多因素、多尺度混凝土收縮開裂機(jī)理研究成為熱點(diǎn)及發(fā)展趨勢(shì)，但已有的研究主要局限在理論或?qū)嶒?yàn)室層面。與此同時(shí)，上述開裂機(jī)理研究存在諸多問題，即雖然溫度的影響及溫度變形機(jī)理相對(duì)較為明確，但和濕度相關(guān)的耦合機(jī)制尚不清楚，變形預(yù)測(cè)理論研究結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果尚存在較大差異。以高強(qiáng)混凝土早期自收縮為例，基于目前應(yīng)用最廣的經(jīng)典毛細(xì)管張力理論預(yù)測(cè)的收縮結(jié)果與實(shí)測(cè)值可相差數(shù)倍。高速鐵路現(xiàn)澆混凝土材料、服役環(huán)境、結(jié)構(gòu)形式方面有其自身特點(diǎn)，特別是隨著“一帶一路”倡議、高速鐵路“走出去”戰(zhàn)略的實(shí)施，面臨新的理論及應(yīng)用研究方面的需求：①原材料復(fù)雜，“一帶一路”沿線國家原材料差異極大，優(yōu)質(zhì)材料特別是礦物摻合料等資源匱乏，材料變化導(dǎo)致的裂縫控制方面的需求凸顯。②服役環(huán)境嚴(yán)酷，高速鐵路沿線處于低濕、干燥、大溫差等嚴(yán)酷服役環(huán)境，而低濕條件下混凝土收縮機(jī)理和普通環(huán)境存在顯著不同，同時(shí)，大溫差下的溫度疲勞等作用引起的開裂問題同樣不容忽視。③約束條件復(fù)雜，現(xiàn)澆無砟軌道的道床不僅在下部受到約束，同時(shí)受到軌枕約束；山體隧道二次襯砌收縮受底板和仰拱約束，還受到初襯約束，這些約束和隧道所處的圍巖壓力密切相關(guān)，而外荷載的引入導(dǎo)致開裂問題復(fù)雜性顯著增加。