铁道建筑 2016年第2期 Railway Engineering 文章编号:1003-1995(2016)02-0001-08 我国铁路混凝土结构耐久性研究的进展及发展趋势 李化建1,谢永江 (1.中国铁道科学研究院铁道建筑研究所,北京100081:2.高速铁路轨道技术国家重点实验室,北京100081) 摘要:阐述了铁路混凝土结构耐久性的特点,系统地总结了铁路混凝土结枃耐久性硏究的最新进展,分 析了我国高速铁路混凝土结枃耐久性存在的问题,指岀了我囯高速铁路混凝土结构耐久性技术的发展 趋势 关键词:铁路混凝土结构耐久性发展趋势 中图分类号:TU528文献标识码:ADO:10.3969/.isn.1003-1995.2016.02.01 我国铁路混凝土的发展历程经历了以小跨度梁为件、原材料品质以及施工技术水平,我国已经制定了一 代表的低强度普通混凝土、以混凝土轨枕为代表的低整套关于铁路混凝土工程的标准体系,包括《铁路混 塑性高强混凝土以及以青藏铁路为开端的高性能混凝凝土结构耐久性设计规范》TB100-2010、《铁路 土三个阶段。第一阶段:1953年前,东北地区有少量混凝土工程施工技术指南》(铁建设[2010]241号) 最小跨度的钢筋混凝土桥梁,跨度<20m的梁使用《铁路混凝土工程施工质量验收标准》(TB10424 C28的混凝土。除此之外,其他绝大多数桥梁为钢桥,2010)等,为控制铁路工程混凝土质量、确保铁路混凝 而轨枕、电杄、桩等结构采用木材或钢材。第二阶段:土结构耐久性起到了重要的作用 1953—2000年,铁路工程建设中寻求替代木材与钢材 本文在阐述我国铁路混凝土结构耐久性特点的基 的高强、高耐久材料。1953年采用干硬性C50混凝土础上,系统地总结了铁路混凝土结构耐久性研究的最 成功制备出我国第一根混凝土轨枕标志着我国铁路新进展,分析了我国铁路、特别是高速铁路混凝土结构 混凝土进入了低塑性高强度混凝土阶段口。第三阶耐久性存在的问题,指出了铁路混凝土耐久性技术的 段:2000年至今,鉴于青藏铁路沿途地质条件复杂且发展趋势。 环境恶劣,“以桥代路”的设计理念被引入,低温早强 1铁路混凝土结构耐久性的特点 耐腐蚀高性能混凝土被应用于青藏铁路的灌注桩、桥 梁、隧道、涵洞等结构中凹,从此我国铁路进入高性能 高性能混凝土是以环境作用和工程结构特点为前 混凝土的时代。 提、以耐久性设计为主要目标的混凝土。作为条形结 随着无砟轨道结构在高速铁路与客运专线的大规构的铁路,要穿越不同环境区域,客观上具有环境作用 模应用,混凝土在铁路工程中的应用范围已被大大拓的多样性和复杂性;同时,不同地域原材料性能差异 展。不过,由于铁路工程结构具有条带状分布、处于露大,就地取材,对铁路混凝土的耐久性影响显著。这就 天服役环境、承受疲劳荷载作用以及高运营安全性的决定了铁路混凝土结构耐久性具有环境依赖性、工程 特点,要求铁路混凝土结构必须具有优良的长期性能依赖性和时间依赖性的特点。 和耐久性能。长期以来,铁路工程技术人员为改善 )环境依赖性。众所周知,铁路工程需要跨越大 和提高铁路混凝土结构的耐久性,延长铁路工程的使江南北。一方面,铁路工程的基础必须与土壤、地下水 用寿命,在铁路混凝土结构耐久性方面开展了大量的或河水接触,环境土和环境水中的硫酸盐、镁盐、碱等 科学研究,取得了丰富的成果,并在实际铁路工程中得会对混凝土产生腐蚀作用,河流中的冰、泥砂也会对混 到了广泛应用。根据我国铁路混凝土所面临的环境条凝土产生磨蚀作用;另一方面,铁路工程的露天服役特 性决定了铁路混凝土结构必须经受恶劣气候环境(温 收稿日期:2015-12-02:修回日期:2016-01-16 度、湿度、风、霜、雨、雪)的腐蚀作用,沿海地区的混凝 基金项目:国家自然科学基金(51578545);中国铁路总公司科技研究开 土结构会遭受盐雾的侵蚀,西南地区的混凝土结构会 发计划项目(2013c014);中一日一韩国际交流项目 (2013YJ18) 遭受酸雨的侵蚀,东北地区的混凝土结构会遭受冻融 作者简介:李化建(1976—),男,副研究员,博士 破坏的侵蚀。此外,由于不同作用环境对混凝土的腐
书 2016 年第 2 期 铁 道 建 筑 Railway Engineering 文章编号: 1003-1995( 2016) 02-0001-08 我国铁路混凝土结构耐久性研究的进展及发展趋势 李化建1，2 ，谢永江1，2 ( 1． 中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京 100081; 2． 高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京 100081) 摘要: 阐述了铁路混凝土结构耐久性的特点，系统地总结了铁路混凝土结构耐久性研究的最新进展，分 析了我国高速铁路混凝土结构耐久性存在的问题，指出了我国高速铁路混凝土结构耐久性技术的发展 趋势。 关键词: 铁路 混凝土结构 耐久性 发展趋势 中图分类号: TU528 文献标识码: A DOI: 10． 3969 /j． issn． 1003-1995． 2016． 02． 01 收稿日期: 2015-12-02; 修回日期: 2016-01-16 基金项目: 国家自然科学基金( 51578545) ; 中国铁路总公司科技研究开 发 计 划 项 目 ( J2013C014 ) ; 中—日—韩 国 际 交 流 项 目 ( 2013YJ118) 作者简介: 李化建( 1976— ) ，男，副研究员，博士。 我国铁路混凝土的发展历程经历了以小跨度梁为 代表的低强度普通混凝土、以混凝土轨枕为代表的低 塑性高强混凝土以及以青藏铁路为开端的高性能混凝 土三个阶段。第一阶段: 1953 年前，东北地区有少量 最小跨度的钢筋混凝土桥梁，跨度 ＜ 20 m 的梁使用 C28 的混凝土。除此之外，其他绝大多数桥梁为钢桥， 而轨枕、电杆、桩等结构采用木材或钢材。第二阶段: 1953—2000 年，铁路工程建设中寻求替代木材与钢材 的高强、高耐久材料。1953 年采用干硬性 C50 混凝土 成功制备出我国第一根混凝土轨枕，标志着我国铁路 混凝土进入了低塑性高强度混凝土阶段［1-2］。第三阶 段: 2000 年至今，鉴于青藏铁路沿途地质条件复杂且 环境恶劣，“以桥代路”的设计理念被引入，低温早强 耐腐蚀高性能混凝土被应用于青藏铁路的灌注桩、桥 梁、隧道、涵洞等结构中［3］，从此我国铁路进入高性能 混凝土的时代。 随着无砟轨道结构在高速铁路与客运专线的大规 模应用，混凝土在铁路工程中的应用范围已被大大拓 展。不过，由于铁路工程结构具有条带状分布、处于露 天服役环境、承受疲劳荷载作用以及高运营安全性的 特点，要求铁路混凝土结构必须具有优良的长期性能 和耐久性能［4］。长期以来，铁路工程技术人员为改善 和提高铁路混凝土结构的耐久性，延长铁路工程的使 用寿命，在铁路混凝土结构耐久性方面开展了大量的 科学研究，取得了丰富的成果，并在实际铁路工程中得 到了广泛应用。根据我国铁路混凝土所面临的环境条 件、原材料品质以及施工技术水平，我国已经制定了一 整套关于铁路混凝土工程的标准体系，包括《铁路混 凝土结构耐久性设计规范》( TB 10005—2010) 、《铁路 混凝土工程施工技术指南》( 铁建设［2010］241 号) 、 《铁路混凝土工程施工质量验收标准》( TB 10424— 2010) 等，为控制铁路工程混凝土质量、确保铁路混凝 土结构耐久性起到了重要的作用。 本文在阐述我国铁路混凝土结构耐久性特点的基 础上，系统地总结了铁路混凝土结构耐久性研究的最 新进展，分析了我国铁路、特别是高速铁路混凝土结构 耐久性存在的问题，指出了铁路混凝土耐久性技术的 发展趋势。 1 铁路混凝土结构耐久性的特点 高性能混凝土是以环境作用和工程结构特点为前 提、以耐久性设计为主要目标的混凝土。作为条形结 构的铁路，要穿越不同环境区域，客观上具有环境作用 的多样性和复杂性; 同时，不同地域原材料性能差异 大，就地取材，对铁路混凝土的耐久性影响显著。这就 决定了铁路混凝土结构耐久性具有环境依赖性、工程 依赖性和时间依赖性的特点。 1) 环境依赖性。众所周知，铁路工程需要跨越大 江南北。一方面，铁路工程的基础必须与土壤、地下水 或河水接触，环境土和环境水中的硫酸盐、镁盐、碱等 会对混凝土产生腐蚀作用，河流中的冰、泥砂也会对混 凝土产生磨蚀作用; 另一方面，铁路工程的露天服役特 性决定了铁路混凝土结构必须经受恶劣气候环境( 温 度、湿度、风、霜、雨、雪) 的腐蚀作用，沿海地区的混凝 土结构会遭受盐雾的侵蚀，西南地区的混凝土结构会 遭受酸雨的侵蚀，东北地区的混凝土结构会遭受冻融 破坏的侵蚀。此外，由于不同作用环境对混凝土的腐 1
Febi 2016 蚀机理不同,同一条铁路不同地区的混凝土结构可能隙的曲折度,提高有害离子向混凝土内部扩散的位垒; 面临不同腐蚀环境作用。即使是同一作用环境,当其二是采用防腐蚀强化措施,阻断腐蚀介质向混凝土内 作用等级不同时,对混凝土性能的要求也不相同。 部的渗入。下面围绕着影响铁路混凝土结构耐久性的 2)工程依赖性。铁路工程大多处于交通不便的关键环节,介绍我国铁路混凝土结构耐久性研究进展。 露天环境,混凝土施工还可能处在荒无人烟或大风口2.Ⅰ铁路混凝土结构的设计使用年限 等恶劣环境的地方,因此,混凝土结构的施工除了要考 为铁路工程明确规定设计使用年限,不仅是业主 虑外界环境通常意义上的冬期施工或热期施工对混凝和用户的需要,也是使结构设计更为经济、合理的必要 土性能的影响外,还要考虑特殊环境下施工。例如,兰环节。以往铁路工程设计规范对混凝土结构没有明确 新铁路途径的百里风区,最大风速达60m/s,风区长提出设计使用年限要求。我国绲混凝土结构耐久性设 度约580km,这对施工期间如何预防混凝土的早期失计规范》(GB/T50476-2008)对结构的设计使用年限 水收缩开裂提出了严峻的挑战。与此同时,铁路工程分为两级:一级设计使用年限不低于100年,指城市快 些特殊地质条件或者一些特殊结构要求混凝土结构速路和主干道上的桥梁以及其他道路上的大型桥梁 施工应采用相配套的施工工艺和施工设备。如铁路路隧道,重要的市政设施等;二级设计使用年限不低于 基加固用CFG桩的桩体材料,设计强度仅为C15~50年,指城市次干道和一般道路上的中小型桥梁 C20,桩长可达32m,现场CFG桩桩体材料泵送距离般市政设施。实际上,该规范中环境作用下混凝土材 折换成水平距离达到300m1。这种长距离的泵送对料与钢筋的保护层最小厚度是按照三个使用年限级别 桩体材料的泵送性能提出了很高的要求 (100年、50年和30年)给出的。 3)时间依赖性。铁路工程的功能(耐久性、安全 欧洲规范规定了桥梁等主要土木工程结构物的设 性、适用性等)是其使用时间的多维函数,且二者之间计使用年限为100年。美国规定桥梁的设计使用年 般不呈线性关系,到某一时间点,某种功能会骤然下限为不小于75~100年。日本建筑学会规范明确提 降,导致混凝土结构失效。例如,铁路工程的大部分混出了建筑物3个等级的设计年限例:①长期等级,规定 凝土结构均承受疲劳荷载,无砟轨道更是如此,列车荷不需要大修的年限约为100年;②标准等级,指多数建 载是通过钢轨直接作用于轨道板上或轨枕上,而轨道筑物,如公寓、办公楼等,规定不需要大修的年限约为 板或轨枕的力又作用于铁路梁体上。这些铁路混凝土65年,使用年限为100年;③一般等级的低层私人住 结构长期承受的周期疲劳荷载远大于其他行业的混凝宅,规定不需要大修的年限约为30年,使用年限为65 土结构。由于混凝土结构在长期周期性疲劳荷载作用年。德国在《无砟轨道工程技术要求(AKFF第4版)》 下其受力性能随着时间的推移,可能在某一时刻发生规定0:“无砟轨道结构设计的使用寿命应至少为60 突然变化,导致其承载能力迅速下降,严重时会影响行年”。日本在混凝土结构设计时,原则上要根据结构 车安全,因此,相关铁路技术规范要求铁路混凝土结构所要求的使用期限及环境条件等设定设计基准期 应具有很高的抗长期疲劳作用的性能。 对于无砟轨道没有统一的设计规范,只是在相关技术资 2铁路混凝土结构耐久性研究进展 料中《板式轨道的设计与施工》有与轨道板使用年限 50年相关的描述:轨道板设计基于容许应力法,对于轨 决定混凝土结构耐久性的三要素为环境、材料和道板钢筋(SD35)容许应力,按轨道板使用年限50年来 介质通道。环境因素对混凝土耐久性的影响是由铁路确定。 Design of Monblock Concrete Sleepers( UIC CODE 工程途径地域所决定的,也是无法消除的,只能根据不713)规定轨枕的设计使用年限至少为40年1。 同环境制备与环境相容的混凝土。这也是目前铁路混 《铁路工程结构可靠度统一设计标准》(GB 凝土结构耐久性设计通常以作用环境为主要分类依据50216-1994)中1.0.4条规定:铁路工程结构可靠度 的原因。混凝土材料耐久性设计中要考虑混凝土本身设计应结合预期使用寿命规定适当的基准期,设计基 抵抗腐蚀的能力,如优选原材料、设计合理的配合比参准期宜为50年或100年。结合铁路工程实际情况,根 数、掺加矿物掺和料、适当引气等,这是混凝土耐久性据类别的原则,我国铁路工程规定铁路混凝土结构的 设计的关键。减少或消除腐蚀介质的作用通道是确保设计使用年限分为三个级别,即100年、60年和30 混凝土结构耐久性的另一关键环节。即使环境存在腐年。表1中列举了不同设计使用年限级别的适用 蚀作用介质,腐蚀介质如无法侵入到混凝土内部,也不范围示例 会腐蚀混凝土结构。减少或消除腐蚀介质作用通道的2.2铁路混凝土结构的环境类别及作用等级 技术途径有两大类:一是细化混凝土内部孔隙,增加孔 混凝土结构的耐久性与其经受的环境作用密切相
铁 道 建 筑 February，2016 蚀机理不同，同一条铁路不同地区的混凝土结构可能 面临不同腐蚀环境作用。即使是同一作用环境，当其 作用等级不同时，对混凝土性能的要求也不相同。 2) 工程依赖性。铁路工程大多处于交通不便的 露天环境，混凝土施工还可能处在荒无人烟或大风口 等恶劣环境的地方，因此，混凝土结构的施工除了要考 虑外界环境通常意义上的冬期施工或热期施工对混凝 土性能的影响外，还要考虑特殊环境下施工。例如，兰 新铁路途径的百里风区，最大风速达 60 m /s，风区长 度约 580 km，这对施工期间如何预防混凝土的早期失 水收缩开裂提出了严峻的挑战。与此同时，铁路工程 一些特殊地质条件或者一些特殊结构要求混凝土结构 施工应采用相配套的施工工艺和施工设备。如铁路路 基加固用 CFG 桩 的 桩 体 材 料，设 计 强 度 仅 为 C15 ～ C20，桩长可达 32 m，现场 CFG 桩桩体材料泵送距离 折换成水平距离达到 300 m［5］。这种长距离的泵送对 桩体材料的泵送性能提出了很高的要求。 3) 时间依赖性。铁路工程的功能( 耐久性、安全 性、适用性等) 是其使用时间的多维函数，且二者之间 一般不呈线性关系，到某一时间点，某种功能会骤然下 降，导致混凝土结构失效。例如，铁路工程的大部分混 凝土结构均承受疲劳荷载，无砟轨道更是如此，列车荷 载是通过钢轨直接作用于轨道板上或轨枕上，而轨道 板或轨枕的力又作用于铁路梁体上。这些铁路混凝土 结构长期承受的周期疲劳荷载远大于其他行业的混凝 土结构。由于混凝土结构在长期周期性疲劳荷载作用 下其受力性能随着时间的推移，可能在某一时刻发生 突然变化，导致其承载能力迅速下降，严重时会影响行 车安全，因此，相关铁路技术规范要求铁路混凝土结构 应具有很高的抗长期疲劳作用的性能。 2 铁路混凝土结构耐久性研究进展 决定混凝土结构耐久性的三要素为环境、材料和 介质通道。环境因素对混凝土耐久性的影响是由铁路 工程途径地域所决定的，也是无法消除的，只能根据不 同环境制备与环境相容的混凝土。这也是目前铁路混 凝土结构耐久性设计通常以作用环境为主要分类依据 的原因。混凝土材料耐久性设计中要考虑混凝土本身 抵抗腐蚀的能力，如优选原材料、设计合理的配合比参 数、掺加矿物掺和料、适当引气等，这是混凝土耐久性 设计的关键。减少或消除腐蚀介质的作用通道是确保 混凝土结构耐久性的另一关键环节。即使环境存在腐 蚀作用介质，腐蚀介质如无法侵入到混凝土内部，也不 会腐蚀混凝土结构。减少或消除腐蚀介质作用通道的 技术途径有两大类: 一是细化混凝土内部孔隙，增加孔 隙的曲折度，提高有害离子向混凝土内部扩散的位垒; 二是采用防腐蚀强化措施，阻断腐蚀介质向混凝土内 部的渗入。下面围绕着影响铁路混凝土结构耐久性的 关键环节，介绍我国铁路混凝土结构耐久性研究进展。 2. 1 铁路混凝土结构的设计使用年限 为铁路工程明确规定设计使用年限，不仅是业主 和用户的需要，也是使结构设计更为经济、合理的必要 环节。以往铁路工程设计规范对混凝土结构没有明确 提出设计使用年限要求。我国《混凝土结构耐久性设 计规范》( GB /T 50476—2008) 对结构的设计使用年限 分为两级: 一级设计使用年限不低于 100 年，指城市快 速路和主干道上的桥梁以及其他道路上的大型桥梁、 隧道，重要的市政设施等; 二级设计使用年限不低于 50 年，指城市次干道和一般道路上的中小型桥梁，一 般市政设施。实际上，该规范中环境作用下混凝土材 料与钢筋的保护层最小厚度是按照三个使用年限级别 ( 100 年、50 年和 30 年) 给出的［6］。 欧洲规范规定了桥梁等主要土木工程结构物的设 计使用年限为 100 年［7］。美国规定桥梁的设计使用年 限为不小于 75 ～ 100 年［8］。日本建筑学会规范明确提 出了建筑物 3 个等级的设计年限［9］: ①长期等级，规定 不需要大修的年限约为 100 年; ②标准等级，指多数建 筑物，如公寓、办公楼等，规定不需要大修的年限约为 65 年，使用年限为 100 年; ③一般等级的低层私人住 宅，规定不需要大修的年限约为 30 年，使用年限为 65 年。德国在《无砟轨道工程技术要求( AKFF 第 4 版) 》 规定［10］ : “无砟轨道结构设计的使用寿命应至少为 60 年”。日本在混凝土结构设计时，原则上要根据结构 所要求的使用期限及环境条件等设定设计基准期［11］。 对于无砟轨道没有统一的设计规范，只是在相关技术资 料中( 《板式轨道的设计与施工》) 有与轨道板使用年限 50 年相关的描述: 轨道板设计基于容许应力法，对于轨 道板钢筋( SD35) 容许应力，按轨道板使用年限 50 年来 确定。Design of Monblock Concrete Sleepers( UIC CODE 713) 规定轨枕的设计使用年限至少为 40 年［12］。 《铁 路 工 程 结 构 可 靠 度 统 一 设 计 标 准 》( GB 50216—1994) 中 1. 0. 4 条规定: 铁路工程结构可靠度 设计应结合预期使用寿命规定适当的基准期，设计基 准期宜为 50 年或 100 年。结合铁路工程实际情况，根 据类别的原则，我国铁路工程规定铁路混凝土结构的 设计使 用 年 限 分 为 三 个 级 别，即 100 年、60 年 和 30 年［13］。表 1 中列举了不同设计使用年限级别的适用 范围示例。 2. 2 铁路混凝土结构的环境类别及作用等级 混凝土结构的耐久性与其经受的环境作用密切相 2
2016年第2期 李化建等:我国铁路混凝土结构耐久性研究的进展及发展趋势 表1铁路混凝土结构设计使用年限 筋混凝土设计施工指南规定胶凝材料用量不应超过 设计使用设计使 450kg/m31。为了确保结构必要的力学性能,欧洲、 年限级别用年限 适用范围示例 日本、美国以及我国等都对混凝土胶凝材料最小用量 100年 桥梁、涵洞、隧道等主体结构,路基支挡 提出了要求;如日本规定普通混凝土胶凝材料用量不 及承载结构,无砟轨道道床板、底座板 宜小于290kg/m2,轻骨料混凝土不宜小于320kg/m3 60年 路基防护结构,200km/h及以上铁路 基排水结构,接触网支柱等 为了满足混凝土的施工工艺,泵送混凝土的最小水泥 用量宜为300kg/m3。自密实混凝土已经在路基段板 30年其他铁路路基排水结构,电缆槽、防护 砌块、栏杆等可更换小型构件 式无砟轨道道岔区、CRTSⅢ型板式无砟轨道充填层中 使用。振动成型和自密实成型混凝土用胶凝材料 关。如前所述,铁路工程的环境依赖性,决定了其混凝用量范围应不同,不同强度等级铁路混凝土胶凝材料 土结构必然经受我国东西南北各个地区、不同季节的的用量范围应符合表3的规定 不同环境的侵蚀作用。结合我国历史气候信息资料与 表3混凝土的胶凝材料用量限值kg/m3 地质资料,参考欧洲设计规范、我国《岩土工程勘察规 混凝土 成型方式 范》(GB50021-201)以及《混凝土结构耐久性设计 强度等级 振动成型 自密实成型 规范》等,对我国铁路混凝土结构的环境进行分类 260-360 根据铁路工程混凝土结构中钢筋锈蚀以及混凝土腐蚀 280-400 550 机理,综合考虑设计的方便性,将铁路混凝土环境类别 C40-C45 320-450 分为碳化环境、氯盐环境、化学侵蚀环境、盐类结晶破 360-480 坏环境、冻融破坏环境以及磨蚀环境6类。按其侵蚀 >C50 400~500 的严重程度,各自分为3~4个环境作用等级,如表2 2)矿物掺和料掺量 所示。其中L3,H4,Y4,D4和M3为严重腐蚀环境 以矿渣和粉煤灰为代表的矿物掺和料能够赋予混 等级 凝土高工作性能、高耐久性、高体积稳定性,因此,矿物 表2铁路混凝土结构的环境类别及作用等级 掺和料已经成为铁路混凝土的必要组分。考虑到矿物 环境类别 腐蚀机理 作用等级 掺和料对混凝土力学性能的影响,在碳化环境、冻融破 碳化环境保护层混凝土碳化导致钢筋锈蚀T1,T2,T 坏环境、盐类结晶破坏环境以及磨蚀环境下,规定了矿 物掺和料掺量最大值。粉煤灰、矿渣等矿物掺和料能 氯盐环境氯盐渗入混凝土内部导致钢筋锈蚀L,I,L3 够显著提高混凝土的抗氯离子渗透性和抗硫酸盐侵蚀 化学侵蚀硫酸盐等化学物质与水泥水化产物H1,H2 环境 发生化学反应导致混凝土损伤 性能,对于氯盐环境和化学侵蚀环境下的铁路混凝土 必须添加矿物掺和料,氯盐环境和化学侵蚀环境下矿 盐类结晶硫酸盐等在混凝土毛细孔中结晶Y1,Y2, 破坏环境膨胀导致混凝土损伤 Y3.Y4 物掺和料掺量应满足表4的规定 冻融破坏 表4不同环境下混凝土中矿物掺和料掺量% 环境 反复冻融作用导致混凝土损伤 矿物掺和料 水胶比 环境类别 磨蚀环培风沙、河水或泥砂在混凝土表面 ≤0.40 0.40 高速流动导致混凝土损伤 MI. M2. M3 粉煤灰 碳化环境 磨细矿渣粉 ≤40 2.3铁路混凝土配合比参数 粉煤灰 30-5020-40 1)胶凝材料用量 氯盐环境 磨细矿渣粉40~60 水泥是混凝土中必要的胶凝组分,但当水泥用量 粉煤灰 过大时,混凝土的水化放热与开裂趋势均会增加,对混化学侵蚀环境磨细矿渣粉40 用量,有于降低混凝士的渗性,陵少混凝土收着盐类结品破坏环境≤≤ 且经济性好。确定胶凝材料用量的原则是在满足混 粉煤灰 凝土的力学性能和工作性能的前提下,尽可能减少 冻融破坏环境 磨细矿渣粉 胶凝材料用量。美国 AASHtO规程规定混凝土胶凝 粉煤灰 材料的用量不应超过475kg/m3,日本高耐久性钢蚀环境 磨细矿渣粉
2016 年第 2 期 李化建等: 我国铁路混凝土结构耐久性研究的进展及发展趋势 表 1 铁路混凝土结构设计使用年限 设计使用 年限级别 设计使 用年限 适用范围示例 一 100 年 桥梁、涵洞、隧道等主体结构，路基支挡 及承载结构，无砟轨道道床板、底座板 二 60 年 路基防护结构，200 km / h 及 以 上 铁 路 路基排水结构，接触网支柱等 三 30 年 其他铁路路基排水结构，电缆槽、防护 砌块、栏杆等可更换小型构件 关。如前所述，铁路工程的环境依赖性，决定了其混凝 土结构必然经受我国东西南北各个地区、不同季节的 不同环境的侵蚀作用。结合我国历史气候信息资料与 地质资料，参考欧洲设计规范、我国《岩土工程勘察规 范》( GB 50021—2001) 以及《混凝土结构耐久性设计 规范》等，对我国铁路 混 凝 土 结 构 的 环 境 进 行 分 类。 根据铁路工程混凝土结构中钢筋锈蚀以及混凝土腐蚀 机理，综合考虑设计的方便性，将铁路混凝土环境类别 分为碳化环境、氯盐环境、化学侵蚀环境、盐类结晶破 坏环境、冻融破坏环境以及磨蚀环境 6 类。按其侵蚀 的严重程度，各自分为 3 ～ 4 个环境作用等级，如表 2 所示。其 中 L3，H4，Y4，D4 和 M3 为 严 重 腐 蚀 环 境 等级。 表 2 铁路混凝土结构的环境类别及作用等级 环境类别 腐蚀机理 作用等级 碳化环境 保护层混凝土碳化导致钢筋锈蚀 T1，T2，T3 氯盐环境 氯盐渗入混凝土内部导致钢筋锈蚀 L1，L2，L3 化学侵蚀 环境 硫酸盐等化学物质与水泥水化产物 发生化学反应导致混凝土损伤 H1，H2， H3，H4 盐类结晶 破坏环境 硫酸盐等在混凝土毛细孔中结晶 膨胀导致混凝土损伤 Y1，Y2， Y3，Y4 冻融破坏 环境 反复冻融作用导致混凝土损伤 D1，D2， D3，D4 磨蚀环境 风沙、河水或泥砂在混凝土表面 高速流动导致混凝土损伤 M1，M2，M3 2. 3 铁路混凝土配合比参数 1) 胶凝材料用量 水泥是混凝土中必要的胶凝组分，但当水泥用量 过大时，混凝土的水化放热与开裂趋势均会增加，对混 凝土耐久性反而不利。减少单方混凝土中胶凝 材 料 用量，有利于降低混凝土的渗透性，减少混凝土收缩 且经济性好。确定胶凝材料用量的原则是在满足混 凝土的力学 性 能 和 工 作 性 能 的 前 提 下，尽 可 能 减 少 胶凝材料用量。美国 AASHTO 规程规定混凝土胶凝 材料的用量不应超过 475 kg /m3［14］，日本高耐久性钢 筋混凝土设计施工指南规定胶凝材料用量不应超过 450 kg /m3［15］。为了确保结构必要的力学性能，欧洲、 日本、美国以及我国等都对混凝土胶凝材料最小用量 提出了要求; 如日本规定普通混凝土胶凝材料用量不 宜小于 290 kg /m3 ，轻骨料混凝土不宜小于 320 kg /m3 。 为了满足混凝土的施工工艺，泵送混凝土的最小水泥 用量宜为 300 kg /m3 。自密实混凝土已经在路基段板 式无砟轨道道岔区、CRTSⅢ型板式无砟轨道充填层中 使用［16］。振动成型和自密实成型混凝土用胶凝材料 用量范围应不同，不同强度等级铁路混凝土胶凝材料 的用量范围应符合表 3 的规定。 表 3 混凝土的胶凝材料用量限值 kg /m3 混凝土 强度等级 成型方式 振动成型 自密实成型 ＜ C30 260 ～ 360 C30 ～ C35 280 ～ 400 550 C40 ～ C45 320 ～ 450 600 C50 360 ～ 480 ＞ C50 400 ～ 500 2) 矿物掺和料掺量 以矿渣和粉煤灰为代表的矿物掺和料能够赋予混 凝土高工作性能、高耐久性、高体积稳定性，因此，矿物 掺和料已经成为铁路混凝土的必要组分。考虑到矿物 掺和料对混凝土力学性能的影响，在碳化环境、冻融破 坏环境、盐类结晶破坏环境以及磨蚀环境下，规定了矿 物掺和料掺量最大值。粉煤灰、矿渣等矿物掺和料能 够显著提高混凝土的抗氯离子渗透性和抗硫酸盐侵蚀 性能，对于氯盐环境和化学侵蚀环境下的铁路混凝土 必须添加矿物掺和料，氯盐环境和化学侵蚀环境下矿 物掺和料掺量应满足表 4 的规定。 表 4 不同环境下混凝土中矿物掺和料掺量 % 环境类别 矿物掺和料 种类 水胶比 ≤0. 40 ＞ 0. 40 碳化环境 粉煤灰 ≤40 ≤30 磨细矿渣粉 ≤50 ≤40 氯盐环境 粉煤灰 30 ～ 50 20 ～ 40 磨细矿渣粉 40 ～ 60 30 ～ 50 化学侵蚀环境 粉煤灰 30 ～ 50 20 ～ 40 磨细矿渣粉 40 ～ 60 30 ～ 50 盐类结晶破坏环境 粉煤灰 ≤40 ≤30 磨细矿渣粉 ≤50 ≤40 冻融破坏环境 粉煤灰 ≤30 ≤20 磨细矿渣粉 ≤40 ≤30 磨蚀环境 粉煤灰 ≤30 ≤20 磨细矿渣粉 ≤40 ≤30 3
Febi 2016 3)水胶比 境温度差异大,从技术经济性考虑,铁路混凝土工程在 水胶比会显著影响混凝土的强度、抗渗性和收缩冻融破坏环境下和严重盐类结晶破坏环境下必须使用 性能,限制最大水胶比是确保混凝土的耐久性和体积引气混凝土,混凝土的最小含气量应满足表6的规定。 稳定性的关键。事实上,将混凝土最大用水量作为控 表6不同环境下混凝土的最小含气量 制混凝土耐久性的指标要比最低水胶比更为适宜,依 靠控制水胶比无法解决混凝土中因浆体用量过大而引 环境类别环境作用等级100年60年30年 起收缩和水化热增加的负面影响。为了保证重要工程 盐类 的耐久性,应该对混凝土最大用水量给出规定,对于水 波坏环境 胶比较低的混凝土,混凝土用水量不宜超过150kg/m3。 日本规定混凝土最大用水量不得大于175kg/m313 传统配合比设计方法是用水胶比来确定混凝土的强度 冻融破坏 等级。受传统配合比设计方法的影响,再加上混凝土环境 5.0 用水量控制的工程经验和试验研究较少,铁路对混凝 土的最大水胶比作出规定,见表5。 2.4混凝土结构的施工技术 表5不同环境下混凝土最大水胶比 1)混凝土内外温差 环境类别环境作用等级100年60年 年 为减少温差引起混凝土开裂以及避免混凝土构件 芯部温度过高,铁路混凝土的人模温度宜控制在5~ 碳化环境 0. 30℃,混凝土与模板、邻接的硬化混凝土或岩土介质 0.45 0.50 间的温差不得大于15℃。混凝土预制梁芯部温度不 宜超过60℃,轨道板和双块式轨枕芯部温度不宜超过 氯盐环境 0.400.450.45 55℃。 2)混凝土养护技术 0.55 0.55 混凝土施工期性能是影响混凝土开裂以及混凝土 化学侵蚀 环境 0.40 0.450.45 结构耐久性的关键,而影响混凝土施工期性能的关键 0.36 因素是施工过程温度、湿度和风速等。从保温、保湿和 0.55 0.55 防风等方面提出影响混凝土开裂的养护最短时间,结 盐类结晶 合我国西北地区铁路(如兰新铁路等)的气候环境条 破坏环境 件,提出了包括极端干燥环境下混凝土养护时间的要 0.36 求,见表7。 0.50 0.55 0.55 2.5混凝土耐久性快速评价技术 冻融破坏 0.50 混凝土质量变异性的影响因素包括混凝土材料的 环境 0.400.450.45变异性、施工的变异性和试验的变异性。材料的变异 0.36 0.40 性会引起混凝土拌合物性能的变异性,因此,在保证原 0.500.550.55材料质量的前提下,通过检测混凝土拌合物性能就可 磨蚀环境 0.500.50 以确保混凝土的耐久性。这样可以实现对混凝土耐久 性的快速检测与评价。 4)含气量 《青藏铁路高原冻土地区耐久性混凝土目标管理 含气量是引气混凝土的关键参数。混凝土中引气措施》中提出了在混凝土出机时及在浇筑现场对混凝 不仅能够提高混凝土的抗冻性和抗盐类结晶破坏性土的坍落度及其损失、含气量及其损失、泌水率 能,而且能够改善混凝土的工作性能。美国铁路规范(0.5h)3项性能指标进行检测。只要现场检测的这3 ( AREMA)规定海水、硫酸盐侵蚀、水下等环境中的项指标满足设计要求,混凝土的耐久性就合格,混凝土 混凝土必须引气。日本将不引气的混凝土视为特殊混可浇注。以京津城际铁路和客运专线为工程背景 凝土,日本犒高耐久性钢筋混凝土设计施工指南》中规选择混凝土拌合物为研究对象,研究结构耐久性与混 定混凝土的含气量必须在5%以上。我国幅员辽阔,环凝土拌合物之间的相关关系。利用混凝土单位体积质
铁 道 建 筑 February，2016 3) 水胶比 水胶比会显著影响混凝土的强度、抗渗性和收缩 性能，限制最大水胶比是确保混凝土的耐久性和体积 稳定性的关键。事实上，将混凝土最大用水量作为控 制混凝土耐久性的指标要比最低水胶比更为适宜，依 靠控制水胶比无法解决混凝土中因浆体用量过大而引 起收缩和水化热增加的负面影响。为了保证重要工程 的耐久性，应该对混凝土最大用水量给出规定，对于水 胶比较低的混凝土，混凝土用水量不宜超过 150 kg /m3 。 日本规定混凝土最大用水量不得大于 175 kg /m3［15］。 传统配合比设计方法是用水胶比来确定混凝土的强度 等级。受传统配合比设计方法的影响，再加上混凝土 用水量控制的工程经验和试验研究较少，铁路对混凝 土的最大水胶比作出规定，见表 5。 表 5 不同环境下混凝土最大水胶比 环境类别 环境作用等级 100 年 60 年 30 年 T1 0. 55 0. 60 0. 60 碳化环境 T2 0. 50 0. 55 0. 55 T3 0. 45 0. 50 0. 50 L1 0. 45 0. 50 0. 50 氯盐环境 L2 0. 40 0. 45 0. 45 L3 0. 36 0. 40 0. 40 H1 0. 50 0. 55 0. 55 化学侵蚀 环境 H2 0. 45 0. 50 0. 50 H3 0. 40 0. 45 0. 45 H4 0. 36 0. 40 0. 40 Y1 0. 50 0. 55 0. 55 盐类结晶 破坏环境 Y2 0. 45 0. 50 0. 50 Y3 0. 40 0. 45 0. 45 Y4 0. 36 0. 40 0. 40 D1 0. 50 0. 55 0. 55 冻融破坏 环境 D2 0. 45 0. 50 0. 50 D3 0. 40 0. 45 0. 45 D4 0. 36 0. 40 0. 40 M1 0. 50 0. 55 0. 55 磨蚀环境 M2 0. 45 0. 50 0. 50 M3 0. 40 0. 45 0. 45 4) 含气量 含气量是引气混凝土的关键参数。混凝土中引气 不仅能够提高混凝土的抗冻性和抗盐类结晶破坏性 能，而且能够改善混凝土的工作性能。美国铁路规范 ( AREMA) ［17］规定海水、硫酸盐侵蚀、水下等环境中的 混凝土必须引气。日本将不引气的混凝土视为特殊混 凝土，日本《高耐久性钢筋混凝土设计施工指南》中规 定混凝土的含气量必须在 5% 以上。我国幅员辽阔，环 境温度差异大，从技术经济性考虑，铁路混凝土工程在 冻融破坏环境下和严重盐类结晶破坏环境下必须使用 引气混凝土，混凝土的最小含气量应满足表 6 的规定。 表 6 不同环境下混凝土的最小含气量 环境类别 环境作用等级 100 年 60 年 30 年 Y1 盐类结晶 破坏环境 Y2 Y3 Y4 4. 0 4. 0 4. 0 D1 4. 0 4. 0 4. 0 冻融破坏 环境 D2 5. 0 5. 0 5. 0 D3 5. 0 5. 0 5. 0 D4 6. 0 6. 0 6. 0 2. 4 混凝土结构的施工技术 1) 混凝土内外温差 为减少温差引起混凝土开裂以及避免混凝土构件 芯部温度过高，铁路混凝土的入模温度宜控制在 5 ～ 30 ℃ ，混凝土与模板、邻接的硬化混凝土或岩土介质 间的温差不得大于 15 ℃ 。混凝土预制梁芯部温度不 宜超过 60 ℃ ，轨道板和双块式轨枕芯部温度不宜超过 55 ℃ 。 2) 混凝土养护技术 混凝土施工期性能是影响混凝土开裂以及混凝土 结构耐久性的关键，而影响混凝土施工期性能的关键 因素是施工过程温度、湿度和风速等。从保温、保湿和 防风等方面提出影响混凝土开裂的养护最短时间，结 合我国西北地区铁路( 如兰新铁路等) 的气候环境条 件，提出了包括极端干燥环境下混凝土养护时间的要 求，见表 7。 2. 5 混凝土耐久性快速评价技术 混凝土质量变异性的影响因素包括混凝土材料的 变异性、施工的变异性和试验的变异性。材料的变异 性会引起混凝土拌合物性能的变异性，因此，在保证原 材料质量的前提下，通过检测混凝土拌合物性能就可 以确保混凝土的耐久性。这样可以实现对混凝土耐久 性的快速检测与评价。 《青藏铁路高原冻土地区耐久性混凝土目标管理 措施》中提出了在混凝土出机时及在浇筑现场对混凝 土的 坍 落 度 及 其 损 失、含 气 量 及 其 损 失、泌 水 率 ( 0. 5 h) 3 项性能指标进行检测。只要现场检测的这 3 项指标满足设计要求，混凝土的耐久性就合格，混凝土 可浇注［3］。以京津城际铁路和客运专线为工程背景， 选择混凝土拌合物为研究对象，研究结构耐久性与混 凝土拌合物之间的相关关系。利用混凝土单位体积质 4
2016年第2期 李化建等:我国铁路混凝土结构耐久性研究的进展及发展趋势 表7混凝土保温、保湿养护最短时间 大气潮湿(RH≥50%),无风, 大气干燥(20%≤RH<50%) 大气极端干燥(RH<20%) 无阳光直射 大风,大温差 水胶比 有风或阳光直射 日平均气温T 养护时间 日平均气温T/养护时间/日平均气温T/ 养护时间/ d 5≤T<10 5≤T<10 5≤T<10 0.45 10≤T<20 10≤T<20 T≥20 5≤T<10 0.45 10≤T<20 10≤T<20 T≥20 T≥20 T≥20 量、含气量、水胶比、原材料性能参数(原材料密度、粗性指标是混凝土耐久性设计的首要内容 骨料与细骨料饱和面干状态下的吸水率)以及混凝土 混凝土所有劣化机理的共同点是,都与环境中侵蚀 配合比参数与率值之间的内在规律,确定了混凝土拌介质向混凝土内部传输的难易程度有关,即与混凝土中 合物关键技术参数之间的关系函数,研究提出了混凝侵蚀介质的作用途径有关。反映混凝土中侵蚀介质传 土拌合物关键技术参数的检测技术途径,开发出混凝输难易程度的是混凝土的渗透性,提高混凝土的抗渗 土质量现场快速检测系统。该系统能够在30min内性,就是从作用途径方面来提高混凝土的耐久性。基于 同时检测混凝土单方用水量、含气量、水胶比、单位体此,确定混凝土耐久性评价指标体系建立的原则如下: 积质量和拌合物温度5个指标,实现了对混凝土耐久 1)混凝土耐久性评价指标体系的建立是基于我 性指标的现场快速检测1 国铁路工程常见的6大类作用环境。 在现场验证的基础上,通过理论分析、数理统计以 2)面向环境作用的混凝土耐久性评价指标仅考虑 及试验硏究等方法,并在借鉴国内外先进研究成果的由外界环境而引发混凝土的劣化,不考虑由原材料选择 基础上,提出了混凝土拌合物关键技术参数的评定指不当而引起的混凝土材料劣化,即混凝土的氯离子含 标,具体如下 量、碱含量、SO3含量以及有效预防碱一骨料反应技术 ①水胶比波动限值:+0.03 措施必须以满足铁路混凝土结构耐久性设计为前提 ②含气量波动限值:±1.5%; 3)混凝土耐久性影响因素和破坏机理相当复杂 ③单位体积质量波动限值:±35kg/m3。 但其共同点是:要有水、有害液体或气体向混凝土内部 为快速检测新拌混凝土的气泡参数,采用新拌混的作用途径。因此,所有环境下混凝土的耐久性在理 凝土气孔分析仪(AⅤA- Air Void analyzer)研究了坍落论上都应包括抗渗性 度、含气量、掺和料对新拌混凝土气泡参数的影响 4)耐久性指标的确立是建立在混凝土正确施工 图1为含气量与混凝土的气泡间距系数和比表面积的和养护的基础之上。 关系曲线,研究表明新拌混凝土气泡参数是快速评价 针对铁路工程混凝土结构可能面临的作用环境 引气混凝土以及引气剂质量较为有效的技术参数。 结合不同环境下混凝土腐蚀的机理,建立了如表8所 示的混凝土耐久性评价指标体系。 三0.45 表8混凝土耐久性评价指标体系 凝0 环境种类 耐久性指标 碳化环境 最低抗压强度 电通量 氯盐环境 氯离子扩散系数 电通量 0.25 化学侵蚀 56d胶凝材料 抗蚀系数 电通量 盐类结晶 盐类结晶破坏 图1含气量与新拌混凝土气泡参数的关系曲线 等级 电通量 2.6混凝土结构耐久性评价指标体系 冻融破坏 耐久性指数或 电通量 混凝土耐久性设计是确保混凝土结构安全的前 气泡间距系数 提,在混凝土耐久性设计中如何合理确定混凝土耐久 磨蚀环境 最低抗压强度 电通量
2016 年第 2 期 李化建等: 我国铁路混凝土结构耐久性研究的进展及发展趋势 表 7 混凝土保温、保湿养护最短时间 水胶比 大气潮湿( RH≥50% ) ，无风， 无阳光直射 大气干燥( 20% ≤RH ＜ 50% ) ， 有风或阳光直射 大气极端干燥( RH ＜ 20% ) ， 大风，大温差 日平均气温 T / ℃ 养护时间 / d 日平均气温 T / ℃ 养护时间 / d 日平均气温 T / ℃ 养护时间 / d 5≤T ＜ 10 21 5≤T ＜ 10 28 5≤T ＜ 10 56 ＞ 0. 45 10≤T ＜ 20 14 10≤T ＜ 20 21 10≤T ＜ 20 45 T≥20 10 T≥20 14 T≥20 35 5≤T ＜ 10 14 5≤T ＜ 10 21 5≤T ＜ 10 45 ≤0. 45 10≤T ＜ 20 10 10≤T ＜ 20 14 10≤T ＜ 20 35 T≥20 7 T≥20 10 T≥20 28 量、含气量、水胶比、原材料性能参数( 原材料密度、粗 骨料与细骨料饱和面干状态下的吸水率) 以及混凝土 配合比参数与率值之间的内在规律，确定了混凝土拌 合物关键技术参数之间的关系函数，研究提出了混凝 土拌合物关键技术参数的检测技术途径，开发出混凝 土质量现场快速检测系统。该系统能够在 30 min 内 同时检测混凝土单方用水量、含气量、水胶比、单位体 积质量和拌合物温度 5 个指标，实现了对混凝土耐久 性指标的现场快速检测［18］。 在现场验证的基础上，通过理论分析、数理统计以 及试验研究等方法，并在借鉴国内外先进研究成果的 基础上，提出了混凝土拌合物关键技术参数的评定指 标，具体如下: ①水胶比波动限值: + 0. 03; ②含气量波动限值: ± 1. 5% ; ③单位体积质量波动限值: ± 35 kg /m3 。 为快速检测新拌混凝土的气泡参数，采用新拌混 凝土气孔分析仪( AVA-Air Void Analyzer) 研究了坍落 度、含气量、掺和料对新拌混凝土气泡参数的影响［19］。 图 1 为含气量与混凝土的气泡间距系数和比表面积的 关系曲线，研究表明新拌混凝土气泡参数是快速评价 引气混凝土以及引气剂质量较为有效的技术参数。 图 1 含气量与新拌混凝土气泡参数的关系曲线 2. 6 混凝土结构耐久性评价指标体系 混凝土耐久性设计是确保混凝土结构安全的前 提，在混凝土耐久性设计中如何合理确定混凝土耐久 性指标是混凝土耐久性设计的首要内容。 混凝土所有劣化机理的共同点是，都与环境中侵蚀 介质向混凝土内部传输的难易程度有关，即与混凝土中 侵蚀介质的作用途径有关。反映混凝土中侵蚀介质传 输难易程度的是混凝土的渗透性，提高混凝土的抗渗 性，就是从作用途径方面来提高混凝土的耐久性。基于 此，确定混凝土耐久性评价指标体系建立的原则如下: 1) 混凝土耐久性评价指标体系的建立是基于我 国铁路工程常见的 6 大类作用环境。 2) 面向环境作用的混凝土耐久性评价指标仅考虑 由外界环境而引发混凝土的劣化，不考虑由原材料选择 不当而引起的混凝土材料劣化，即混凝土的氯离子含 量、碱含量、SO3 含量以及有效预防碱—骨料反应技术 措施必须以满足铁路混凝土结构耐久性设计为前提。 3) 混凝土耐久性影响因素和破坏机理相当复杂， 但其共同点是: 要有水、有害液体或气体向混凝土内部 的作用途径。因此，所有环境下混凝土的耐久性在理 论上都应包括抗渗性。 4) 耐久性指标的确立是建立在混凝土正确施工 和养护的基础之上。 针对铁路工程混凝土结构可能面临的作用环境， 结合不同环境下混凝土腐蚀的机理，建立了如表 8 所 示的混凝土耐久性评价指标体系。 表 8 混凝土耐久性评价指标体系 环境种类 耐久性指标 碳化环境 最低抗压强度 电通量 氯盐环境 氯离子扩散系数 电通量 化学侵蚀 环境 56 d 胶凝材料 抗蚀系数 电通量 盐类结晶 破坏 盐类结晶破坏 等级 电通量 冻融破坏 环境 耐久性指数或 气泡间距系数 电通量 磨蚀环境 最低抗压强度 电通量 5