铁路混凝土结构耐久性损伤及控制措施

摘要： 近年来铁路建设迅猛发展， 铁路混凝土结构的耐久性和服役寿命受到越来越多的关注。本文分析了铁路混凝土结构耐久性损伤的若干原因， 并提出了耐久性损伤的控制措施。

关键词：铁路混凝土；耐久性损伤；控制措施

中图分类号：TU37文献标识码： A 文章编号：

引言

混凝土的耐久性是指混凝土结构在自然环境、 使用环境及材料内部因素作用下保持其工作能力的性能,它的好坏决定着混凝土结构的使用寿命。 由于力学、 物理、化学等方面因素的影响,混凝土的耐久性问题十分复杂。 常见的影响因素有:冻融循环、 碳化、 碱-集料反应、 钢筋锈蚀、等多因素综合作用。

一、混凝土强度特征与耐久性

混凝土的强度取决于混凝土材料的力学性质，其实质就是混凝土中的水泥胶凝状晶体，粗、细集料的性能及界面的粘结力。胶凝状物质的结晶体积占有量是影响混凝土强度的主要因素。混凝土结构在生产及使用过程中其强度会受到各种因素的制约与影响 ，一般会出现横向、纵向、斜向等裂缝或缝隙。混凝土中受拉钢材的锈蚀、混凝土的腐蚀、使用环境、使用状态等都会对混凝土结构产生耐久性损伤 。

耐久性损伤分析

混凝土冻融。

混凝土作为由水泥砂浆组成的多孔体，当其中的水泥水化后，多余的水会在混凝土中形成很到连通的细孔，发生降雨或者其他原因将混凝土打湿后，外部的水汽可以通过细孔渗入到混凝土内部，当外界温度降低到零度以下时，混凝土中的水会结冰膨胀，使毛细孔胀大，经过上述反复冻融，孔隙的拉应力大到一定程度是，就会产生微裂缝，主要表现为混凝土表面砂浆剥落，由于混凝土的冻胀是由表及里的，所以长此以往，就会出现某些表面混凝土开裂的现象。

2、混凝土的碳化 混凝土中水泥石含有氢氧化钙(Ca(OH)2)呈碱性,其在钢筋表面形成碱性薄膜而保护了金属钢筋免遭酸性介质的侵蚀,起到了“钝化”保护作用。但大气中存在的酸性介质及水通过各种孔道、裂隙而渗入混凝土,可以中和这种碱性。例如,工业污染造成的酸雨;或大气中二氧化碳(CO2)与水(H2O)形成的碳酸(H2CO3),尽管其酸性很弱,但也能和氢氧化钙生成无碱性的盐———碳酸钙(CaCO3),这个过程称为“碳化”。混凝土的碳化是衡量钢筋混凝土结构物可靠度的重要指标。

3、氯盐侵蚀。

沿海地区及寒冷地区撒除冰盐的环境中， 混凝土受到氯盐的侵蚀作用。氯盐中的氯离子会中和凝胶体中的Ca(OH)2， 生成溶解度很大的CaCl2， 降低混凝土的碱性， 随后破坏钢筋钝化膜。

4、硫酸盐腐蚀。硫酸盐通过与水泥中的水化物作用， 生成膨胀性的钙矾石， 使硬化的混凝土开裂、 崩坏。在硫酸盐环境中应避免采用石灰石集料。

5、温湿度变化的影响 混凝土会热胀冷缩,也会在干燥失水时收缩而泡水浸润后膨胀,这种作用的交替进行,特别在骤然发生时,会因混凝土表层及内部体积变化不协调而产生裂缝,这些因胀缩不均匀而引起的损伤日积月累,导致混凝土内部组织的破坏,最终会削弱结构抗力。

6、材料因素 混凝土原材料中的碱与骨料中的活性成份在混凝土浇筑成型后若干年逐渐反应，生成物吸水膨胀使混凝土产生内部应力，膨胀开裂。由于活性骨料经搅拌后大体在混凝土内部呈均匀分布，一旦发生碱骨料反应,混凝土内各部分均产生膨胀应力，使混凝土开裂。而混凝土的开裂往往又会加剧钢筋的锈蚀、冻融破坏、碳化和侵蚀等腐蚀作用，导致混凝土结构耐久性的迅速下降，针对混凝土的碱骨料反应，目前尚无有效的阻止和修复方法，因此被称为“混凝土的癌症”。

三、耐久性损伤控制措施

1、提高混凝土品质

保证混凝土桥梁耐久性最基本的要求就是提高混凝土品质，为保证混凝土品质需要工程建设的各个环节共同努力。首先桥梁设计者应该提前考察桥梁结构的使用环境、使用条件等因素，并由投资者在最初的可行性研究合同文件中对桥梁结构的耐久性要求予以明确，可以根据使用条件，对混凝土的各项性能指标及结构的构造提出具体的要求，如设计使用寿命期间对可能受到的氯离子侵害可采纳的保护措施、保护层厚度要求、抗渗性能要求以及抗冻性能要求。其次，需要通过严格控制原材料质量和生产程序提高混凝土品质，减小混凝土性能上的变异，提高混凝土的整体质量。最后，建立混凝土桥梁结构耐久性规范，使各监理、管理、施工、设计、业主等各方有章可循，有法可依，根据环境和桥梁结构耐久性要求，采用不同的构造措施，材料配比，达到安全、经济、适用的要求。

2、采用高性能混凝土

高性能混凝土主要是指无论是从强度还是耐久性都优于一般概念的混凝土，其加入了比水泥颗粒小100倍的胶凝材料，如采用高效减水剂、优质粉煤灰、微硅粉是混凝土采用较低的水胶比，采用强度有保障的骨料以及良好的养护条件。高性能混凝土物理性能的优势主要表现在防碱-硅酸反应、抗碳化、抗氯离子侵蚀性、低渗透性、高密实性、易于浇筑、体积稳定性、长期力学性能稳定性等方面，例如其抗氯离子渗透能力能够将混凝土桥梁应用于海洋大气环境中。 3、针对除冰盐的腐蚀采取措施

据国外相关报道，使用除冰盐的混凝土桥梁结构一般8年左右就会出现混凝土胀裂、钢筋锈蚀等现象，同时国内北京地区由于冬季常采用除冰盐化除积雪，已经显著表明氯离子对混凝土的腐蚀破坏。因为目前还没有找到能够代替除冰盐的材料进行桥梁冬季除冰除雪，因此就有必要采取针对除冰盐腐蚀的防腐蚀措施。采取防腐蚀措施的重点部位是与桥面排水系统排水管对应的墩柱及桥台，伸缩缝所对应的主梁梁端及盖梁，防撞护栏，桥面系等，抵抗腐蚀的措施主要包括混凝土表面涂层封闭、阴极保护、环氧涂层钢圈、以及使用钢筋阻锈剂等。

4、钢筋混凝土结构的防腐 钢筋的防腐蚀主要是针对钢筋腐蚀的主要机理,采用了阻锈剂、环氧涂层钢筋、阴极保护、表面涂层、高性能防腐钢筋等。阻锈剂是在混凝土拌合物中加入硝酸钙作为阳极阻锈剂,其作用是降低氯离子激起的阳极反应。混凝土拌合物中加入阻锈剂是有一定限度的,环氧涂层技术也不够成熟,若在施工中局部涂层损伤而发生腐蚀,其腐蚀会加速发生,甚至产生断裂,该技术有待进一步研究。阴极保护技术,可在混凝土表面涂一层导电涂料与直流电源正极连接,形成新的电位差,使原钢筋骨架转化为阴极而抑制钢筋的锈蚀。另一种方法是通过施加反向电流的方法来消除钢筋间存在的电位差。阴极保护技术初期投入成本较高,但有一种较为有效的方法是表面涂层法,是在钢筋混凝土表面设防护材料的涂层,如环氧树脂砂浆、过氯乙烯涂料等。在一些不便维修的重要工程结构中,采用高性能防腐钢筋,从长期投入来看,是经济合理的。

5、铁路工程作用环境和受力状态的复杂性， 决定了其混凝土结构耐久性的特殊性和不确定性。为确保不同环境作用下铁路混凝土结构的耐久性， 工程人员应结合实际工程的重要性、 作用环境、 施工条件以及实践经验等， 进一步细化相应的技术要求。必要时， 可适当提高相关技术要求。

6、技术规范或标准不是法律文件， 所有技术规范的规定绝不能代替工程人员的专业分析判断能力。鼓励设计人员设计创新， 考虑到作为生命线铁路工程安全服役的重要性， 采用新材料、 新工艺和新方法时， 要按规定进行试验论证和评审

结束语

混凝土结构是当今铁路工程应用最广泛的结构形式，为使铁路混凝土结构耐久性更强，保证其在设计使用年限内安全服役，就要加强混凝土耐久性分析，对可能影响到耐久性的损伤问题及时发现并解决。此外，在强化混凝土耐久性研究的同时,不能忽视混凝土是一种脆性材料,现代混凝土的宏观、细观、微观性能有别于传统的混凝土,对施工、后处理养护也提出了更高的要求,同时材料的组成、结构、性能、设计与评价,又要求我们对服役中混凝土的性能在可预测的未来有一个清晰的把握。

参考文献

[1]中国人民共和国国家标准.混凝土结构设计规范（GB 50010-2010）[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[2]中华人民共和国铁道部.TB10005-2010 铁路混凝土结构耐久性设计规范 ［S］.北京:中国铁道出版社， 2010．

[3]王文铮.钢筋混凝土桥梁结构耐久性问题及对策[J].广州建筑，2006（1）.