蘭新鐵路橋墩防風蝕措施及施工方法

王占國

(中鐵十六局集團第二工程有限公司，天津 300162)

1 工程概況

1.1 線路地理位置

LXTJ6標段起止里程為DK1679+000～DK1717+239，標段全部位于吐魯番市管轄內(nèi)，線路東起吐魯番北站西出站端(K1679+000)，向西北方向經(jīng)過新建蘭新鐵路大河沿站(DK1709+950)后，向西北上跨南疆二線后到達標段終點(DK1717+239)，全長34.445 km。

1.2 氣象條件

本文研究標段地處位置為中溫帶干旱大陸性氣候區(qū)。全年范圍內(nèi)氣候干燥，旱季時間相對長、雨季時間相對短，降雨量較少，全年平均降雨量不足20 mm，但是年蒸發(fā)量較大，年最大蒸發(fā)量達到3 608.2 mm。該地區(qū)多風，主要為春季和秋季，相對來說夏季和冬季風力減弱。該地區(qū)夏季時間相對較短并且炎熱，冬季時間相對較長并且寒冷，全年范圍內(nèi)氣溫變化較大，極端最高氣溫和最低氣溫分別為47.7 ℃和-28.0 ℃。

本標段位于大風區(qū)(DK1681之前為Ⅱ區(qū)、KD1681-DK1711為Ⅲ區(qū)、DK1711之后為Ⅴ區(qū))，年平均風速為1.6 m/s，主要為東風，最大風速超過40 m/s?；阼F路部門對該地區(qū)現(xiàn)場調(diào)查結果統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，鐵路沿線風區(qū)主要包括三個方面的大風主要特征：①風速高，該地區(qū)最大風速為60 m/s；②風期長，統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示該地區(qū)8級風及以上時間約為200天；③季節(jié)性強，大風時間主要集中在4、5月份；④風向穩(wěn)定，全年范圍內(nèi)大風的主要風向為北風和西北風。

2 風蝕現(xiàn)象和危害

對于混凝土結構來說，長時間的風蝕作用會對其耐久性產(chǎn)生非常不利的影響[1]。經(jīng)過長期的風蝕之后，混凝土橋墩會表現(xiàn)出不同程度的風蝕損傷，主要體現(xiàn)在混凝土橋墩表面會出現(xiàn)蜂窩以及龜裂，如圖1所示。如果對這種情況不及時采取有效地處理措施，讓這種風蝕破壞作用持續(xù)作用下去，將會嚴重影響混凝土橋墩的質(zhì)量，進而縮短其使用壽命。

圖1 混凝土橋墩表面風蝕狀態(tài)局部觀察

風蝕磨損對混凝土橋墩的破壞作用主要過程包括兩個方面：①含砂的氣流在長期對混凝土橋墩的作用過程中會逐漸將其表面的砂漿磨損掉，在失去砂漿的保護后粗集料會逐漸凸露出來，形成混凝土橋墩表層缺陷；②含砂的氣流繼續(xù)作用于凸露出來的粗集料，在長時間的作用過程中，混凝土橋墩表面的粗集料也逐漸被風蝕磨損，被帶離砂漿基體，導致混凝土橋墩表面出現(xiàn)很多小的孔洞。如此兩個過程反復循環(huán)，含砂氣流又將新暴露出現(xiàn)的砂漿磨損掉，繼而暴露出來新的粗集料，接著被含砂氣流剝離，導致混凝土橋墩的風蝕破壞程度越來越嚴重[2]。除此之外，對于在干旱風砂地區(qū)的混凝土橋梁來說，由于晝夜溫差的巨大變化以及風蝕效應的影響，會在很大程度上提高混凝土的收縮性以及脆性，進而導致混凝土表面出現(xiàn)不同程度的網(wǎng)狀裂紋，對其表面的保護層產(chǎn)生了破壞，進而降低了混凝土工程的質(zhì)量。進一步隨著風蝕磨損程度的不斷增加，將會逐漸降低混凝土表面的抗風蝕能力，進而對混凝土工程的耐久性產(chǎn)生嚴重影響。

3 防治措施

風蝕問題的處理是一項較為復雜的工程，既需要保障質(zhì)量的可靠性和穩(wěn)定性，還應該保障施工項目的經(jīng)濟性。因此，為了解決蘭新鐵路施工過程中的橋墩防風蝕問題，制定更加科學合理的解決方案，首先需要開展專項的試驗研究為方案的制定提供依據(jù)。最終試驗結果顯示，不同的混凝土基底處理方式對混凝土橋墩表面的耐磨性具有不同的影響，即不同混凝土基底處理方式的橋墩具有不同的耐風蝕能力。在對相同混凝土表面進行處理時，水性硅丙乳液處理的混凝土表面抗風蝕能力最差，環(huán)氧樹脂+聚氨酯涂料處理的混凝土表面抗風蝕能力最好，PPG處理的混凝土表面抗風蝕能力中等?；谠囼炑芯拷Y果，再結合施工項目經(jīng)濟性分析，最終確定蘭新鐵路混凝土橋墩防風蝕措施。

3.1 抗風蝕機理分析

混凝土橋墩表面的防風蝕材料包括柔性樹脂膠加不銹鋼絲網(wǎng)，柔性樹脂膠的主要成分包括聚合物乳液以及強化滲透組分。柔性樹脂膠加不銹鋼絲網(wǎng)這兩種材料經(jīng)過多道工藝加工最終形成混凝土橋墩表面的防風蝕保護層。柔性樹脂膠和不銹鋼絲網(wǎng)具有不同的性能特點，因此，其抗風蝕機理也不相同?；炷翗蚨毡砻娣里L蝕材料的抗風蝕機理為：抗風蝕表面處理材料在柔性樹脂膠強化滲透組分的作用影響下，可以沿著微小的裂隙向既有混凝土中進行滲透，隨著滲透的不斷深入其與混凝土中的游離鈣產(chǎn)生持續(xù)穩(wěn)定的化學反應，該化學反應會生成微膨脹的晶體結構，可以對混凝土表面已有的微孔以及微裂隙等進行充填堵塞，改善混凝土表面的質(zhì)量。同時柔性樹脂材料中的聚合物乳液與鋼絲網(wǎng)以及化學反應生成的微膨脹晶體，在化學和物理的共同作用下可以在混凝土橋墩表面共同形成致密疏水的空間網(wǎng)狀結構，這種空間網(wǎng)狀結構能夠?qū)炷翗蚨毡砻嫫鸬接行У谋Ｗo作用[3]。這時，當含砂的氣流再次作用到混凝土橋墩表面時，混凝土橋墩表面形成的致密疏水的空間網(wǎng)狀結構能夠在很大程度上削弱含砂氣流對混凝土表面的削切作用。除此之外，在混凝土橋墩表面致密疏水的空間網(wǎng)狀結構的保護下，其表面原本容易被含砂氣流磨損掉的砂漿也會提高其整體性，對于混凝土表面的粗集料起到有效的固定作用，使其難以凸露出來，進而不會遭受含砂氣流的磨損。有效保護混凝土橋墩表面不會形成微孔洞以及微裂縫，提高混凝土橋墩表面的抗風蝕磨損效果。

3.2 混凝土橋墩風蝕等級分類

混凝土橋墩風蝕等級分類有助于提高防風蝕處理的針對性?；陲L區(qū)調(diào)研結果，該標段整體上可以將混凝土橋墩風蝕等級主要分為兩大類：較嚴重風蝕以及嚴重風蝕。進而在施工過程中可以采取針對性的抗風蝕措施以及施工措施。較嚴重風蝕主要是指風速大于18 m/s，但是小于22 m/s，每年持續(xù)時間大于120天，混凝土結構施工區(qū)域附近有砂礫源；嚴重風蝕主要是指風速大于22 m/s，每年持續(xù)時間大于120天，混凝土結構施工區(qū)域附近有砂礫源。

3.3 混凝土橋墩風蝕保護范圍

基于對風區(qū)箱梁及T梁現(xiàn)場調(diào)查結果進行總結分析，認為風砂對混凝土橋墩的磨損主要在3 m之下，基于該認識在對該標段防風蝕處理過程中應該主要針對3 m之下的混凝土橋墩部分進行保護。不同于風區(qū)箱梁及T梁區(qū)域，基于百里風區(qū)槽型梁現(xiàn)場調(diào)查結果顯示，該施工區(qū)域由于地表砂礫源較多，風力較大，因此，風砂對混凝土橋墩的磨損范圍有所擴大，基本上可以達到5 m，因此，在該區(qū)域防風蝕處理應該對混凝土橋墩5 m之下的部分進行重點保護。

采用的主要防風蝕措施為在混凝土橋墩防護高度之內(nèi)，對混凝土橋墩涂抹涂層以及粘貼鋼絲網(wǎng)。出于鋼絲網(wǎng)受拉性能的考慮以及多層粘貼的需求，在具體施工過程中采用對橋墩四周進行全包的防護方式。

3.4 防風蝕材料的選擇

試驗研究表明環(huán)氧樹脂+聚氨酯是性能最佳的防風蝕材料，環(huán)氧樹脂具有較高的強度，聚氨酯具有較好的韌性，因此，環(huán)氧樹脂+聚氨酯可以有效提高防風蝕材料的強度和韌性，進而可以抵御含砂氣流的沖擊。該項目為了提高混凝土橋墩表面的抗風蝕能力，同時考慮到項目施工的經(jīng)濟性，最終確定了該路段混凝土橋墩防風蝕材料為柔性樹脂膠和不銹鋼絲網(wǎng)。通過對柔性樹脂膠和不銹鋼絲網(wǎng)進行有機結合，充分發(fā)揮兩種材料的優(yōu)勢，對混凝土橋墩進行有效保護。柔性樹脂膠和不銹鋼絲網(wǎng)結合的材料具有良好的壓縮與拉伸強度，具有良好的耐風蝕以及耐磨損性能，同時還具有良好的耐氣候性以及耐老化性能，可以為混凝土橋墩提供持久的抗風蝕保護。

柔性樹脂膠主要包括6個方面的特點：①具有強大的粘附力，由于柔性樹脂膠分子中含有極性羥基和醚鍵，因此，可以對多種物質(zhì)均高強度粘附；②同時具有較高的強度和韌性，通過柔性劑對環(huán)氧樹脂進行改造之后，既保留了環(huán)氧樹脂的強度，同時又使柔性樹脂膠具有良好的韌性、粘結性以及耐溫性，大大提高了其綜合性能；③化學性質(zhì)穩(wěn)定，柔性樹脂膠在長期暴露的環(huán)境下具有穩(wěn)定的化學性質(zhì)，不容易與其他物質(zhì)發(fā)生反應，因此，具有良好的耐酸堿性以及耐溶劑型[4]；④體積穩(wěn)定，柔性樹脂膠的生成是由環(huán)氧樹脂和固化劑通過直接加成反應或者聚合反應生成的，該過程中沒有水以及其他揮發(fā)性產(chǎn)物放出，因此，具有良好的體積穩(wěn)定性；⑤固化簡單方便，試驗數(shù)據(jù)顯示柔性樹脂膠在0～180 ℃均可以進行固化；⑥具有良好的耐老化性和耐氣候性，其主要原因在于柔性樹脂膠中的脂環(huán)族烯烴的雙鍵是經(jīng)過氧化生成的，這從分子結構上決定了柔性樹脂膠具有良好的耐老化型和耐氣候性。柔性樹脂膠的主要性能指標如表1所示。

表1 柔性樹脂膠性能指標分析

該路段混凝土橋墩防風蝕材料中的不銹鋼絲網(wǎng)規(guī)格為：目數(shù)50；絲徑0.203～0.229 mm；孔徑0.28～0.31 mm。不銹鋼絲網(wǎng)具有良好的耐酸堿腐蝕、耐磨損、耐拉伸以及耐高溫等特性。

4 混凝土橋墩防風蝕施工方法

4.1 施工準備工作

首先應該開展各項準備工作，包括材料的準備以及施工安全的準備等，基于現(xiàn)場施工安全要求搭建腳手架，并且通過安全檢查之后，才能夠進行施工。

4.2 基面處理

基面處理的主要目的是將混凝土橋墩表面的浮漿以及已經(jīng)松動的混凝土等去除干凈，便于后續(xù)在混凝土橋墩表面進行施工。在具體操作過程中，一是采用高強電動鋼絲刷將混凝土橋墩表面的灰塵、起皮以及松動的混凝土去除；二是采用合金鋼砂輪片將混凝土橋墩表面模板接縫處凸起的棱角磨平；三是采用高壓水槍對混凝土橋墩表面的浮塵進行清潔處理。

4.3 底層柔性稀膠輥涂

在基面清潔達到驗收標準之后便可以在混凝土橋墩的底層涂刷柔性稀膠。通過柔性稀膠可以有效增加混凝土自身與防風蝕材料之間的粘結強度。在底層柔性稀膠輥涂具體施工過程中，可以采用刷子進行涂刷，也可以采用噴涂的方式。

4.4 柔性稠膠修補

對于混凝土表面的不平、蜂窩以及麻面等問題采用柔性稠膠進行修補。

4.5 粘貼鋼絲網(wǎng)

在粘貼鋼絲網(wǎng)施工之前，需要在第四步的基礎上再刮一遍柔性稠膠。然后基于混凝土橋墩斷面的周長提前將鋼絲網(wǎng)尺寸剪裁好。在粘貼鋼絲網(wǎng)的過程中最好選擇背風面，鋼絲網(wǎng)面一定要拉緊展平。在粘貼完成之后需要采用塑料刮板對鋼絲網(wǎng)面進行均勻的慢刮，促使柔性稠膠從網(wǎng)孔中滲出。待到柔性稠膠初凝不粘手之后為了提高對鋼絲網(wǎng)面的保護力度，需要在上一輪的基礎上再刷一遍柔性稀膠。要求整個膠層平均厚度應該在3 mm左右。

4.6 現(xiàn)場清理

待所有環(huán)節(jié)均施工完成之后，按照施工要求對現(xiàn)場進行清理。圖2(a)為施工完成時的混凝土橋墩，圖2(b)為施工1年后的同一混凝土橋墩?？梢姺里L蝕處理對于混凝土橋墩起到了有效的保護作用。

(a)

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5 結束語

本文首先分析了風蝕現(xiàn)象和危害，在此基礎上基于混凝土橋墩防風蝕問題專項試驗研究成果和具體的施工情況，確定了該路段混凝土橋墩防風蝕材料為由柔性樹脂膠和不銹鋼絲網(wǎng)經(jīng)過多道工藝加工而成的防風蝕材料。這種材料具有良好的壓縮與拉伸強度，同時具有良好的耐風蝕以及耐磨損性能，還具有良好的耐氣候性以及耐老化性能。蘭新鐵路橋墩防風蝕實踐證明，這種防風蝕材料對混凝土橋墩起到了有效的保護作用。

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