桥梁混凝土抗冻性能分析和防护措施.pdf

桥 粱 桥梁混凝土抗冻性能分析和防护措施 王 晓 黎 ( 中铁第一勘察设计院集团有限公司 ，西安7 1 0 0 4 3 ) 摘要 ： 从 严 寒 地 区桥 梁 混 凝 土 所 处 的 自然 环 境 入 手 ， 调 研 了 国内外混凝土存在的现状和研 究， 对混凝土在严寒 地区存在 的 冻融剥蚀现 象， 分析研 究混 凝土冻 融剥蚀原 因和影 响 因素 ， 提 出 了混 凝 土抗 冻 融 的 耐 久 性设 计 和 过 程 防 止措 施 设 计 ， 并在 多 条铁路桥 梁设计 中得到 了应用。 关 键词 ： 混 凝 土 ；抗 冻 性 ；剥 蚀 ； 耐 久性 中图分类号 ： U 4 4 4 文献标识 码 ： B 文章编号 ： 1 0 0 4— 2 9 5 4 ( 2 0 1 0 ) 0 6 —0 0 8 2 —0 2 1 概述 随着我 国基 础建 设 的快 速 发 展 ， 混凝 土 工 程 耐久 性 问题 也越来越 受到 重 视 ， 这是 由于 它 直接 影 响到 工 程的使用 寿命 和安全 性 ， 关 切到 工 程 的经 济 和社 会 效 益 。尤其 近几年来 ， 铁 路 、 公 路 工程 快 速 发展 ， 对 社 会 经济的发展承担着重要的服务角色， 因此混凝土的耐 久性显得格外重要。而混凝土的耐久性又是众多因素 影 响的复杂 系统 ， 如 混 凝 土 的碳 化 、 抗侵 蚀 性 、 抗 冻融 性 以及碱 骨料反 应 等 。在我 国寒 冷地 区 ， 从 以往 的过 程调查 中发现 ， 混 凝土 不同程度 的发 生冻融 剥蚀病 害 ， 削弱了混凝土结构尺寸， 给工程的耐久性和安全带来 隐患 。 对寒冷地 区部 分桥 梁 墩 台 的调 查 发现 ， 跨 越 河 流 的水 中墩在冬 季积 冰面 处 混凝 土 出现剥 蚀 现 象 ， 即墩 台混凝 土 向阳面冰水 面附 近 2 0 c m左右 表层 混凝 土有 局部脱 落现 象 。 尤 其 是 严 寒 地 区水 中 墩 施 工 完 1～ 2年后 就会 出现混凝 土剥蚀 ( 图 1 ) 。为 此寒 冷地 区 的 混凝土工程在设计 中， 应考虑混凝土的抗冻性 。 图 1 桥 墩 剥 蚀 现 象 照 片 度 严重 。桥墩 混凝土 剥蚀 的范 围及 深度 各工点 也不尽 相 同 ， 大 部 分 深 度 2 ～3 m m， 个 别 桥 墩 深 度 达 到 1 0 mm 。 对河水 水 样 进 行 了水 质分 析 ， 按 照 《 铁 路 混 凝 土 与砌体工程施工质量验收标准》中环境水对混凝土侵 蚀性 的判定 ， 河水 均无 侵蚀 。混 凝 土表 面 剥蚀 与 环境 水的腐 蚀性关 系不 大 。经 过初 步调查 以及调研 国 内外 有关混凝土剥蚀的资料 ， 经初步分析， 造成混凝土表层 剥 蚀 的主要原 因是该 部 分 混凝 土 冻 融交 换 剧 烈所 致 。 但是导致混凝土剥蚀发生与设计 、 施工中的各种条件 ， 比如早期受 冻 ( 即混凝 土 在未 达 到 临界抗 冻 强度 而受 冻 ) 、 水 胶 比过 大 、 混 凝 土 含 气 量 不 够 、 未 能 按 照不 同 部 位 的要 求 配制混凝 土等 因素有 关系 。 综 上所述 ， 混凝 土 表 面剥 蚀从 桥 墩结 构 本 身力 学 性能上讲 ， 结构强度等方面可以满足受力要求 ， 但是从 工 程长期 耐久性上 看 ， 将影 响结构 的耐久性 ， 对于 已出 现 的桥墩 混凝土剥 蚀 问题 应 及 时采 取 补 救措 施 ， 防 止 混凝 土进一 步冻融 破坏 。因此应 采取 可靠措施 对混凝 土剥蚀 进行 整治 ， 以确保桥 梁工 程的耐 久性 。 2桥墩 混凝土剥 蚀状况 及认识 3 国 内外 混凝土 抗冻性研 究及 现状 根 据调查 的具体 数 字统 计 出 ， 发 生剥 蚀 的桥 墩 占 跨 河桥梁 桥墩 总数 的 2 0 ％ 。混凝 土剥 蚀 的桥 梁 工 点 绝 大部分 出现在桥 墩 积冰 面 处 ， 向阳 面 比阴 面剥 蚀 程 收稿 日期 ： 2 0 1 0— 0 3—2 3 作者简 介： 王晓黎( 1 9 6 9 一 ) ， 男 ， 高级 工程师 ， 1 9 9 5年 毕业 于长沙铁 道 学院， 工学学士。 混凝 土建筑 物所 处环 境 凡 是有 正 负 温交 替 、 混凝 土 内部 含有 较多水 的情况 ， 混凝 土都会 发生 冻融循环 ， 以至疲 劳破 坏 。为此 ， 国内外 众 多学 者 在 混凝 土 冻融 性能上 ， 从宏 观到亚 微观 ( 气泡 参 数等 ) 均 作 了大 量 的 研究 ， 制 订 了混 凝土 建筑 物 在 不 同环 境 运行 条 件下 的 抗冻耐久性设计要求。美国、 日本等国在混凝土抗冻 ◆●●●●●●●●●●●●◆●●●●●◆●●●◆●●●●●◆ ● ● 参考文 献 ： [ 1 ] J T G 8 0 1 --2 0 0 3， 公路工程技术标准[ S ] ． [ 2 ] J T G D 6 0 --2 0 0 4， 公路桥涵设计通用规范[ S ] ． [ 3 ] J T G 13 6 2 --2 0 0 4 ， 公 路钢筋混凝土及预应力混凝 土桥 涵设计 规范 [ S ] ． 82 [ 4 ] 李松， t# ／- 存 ， 赵启仁 ， 等． 高速 铁路 刚构桥施工 控制线形敏感 度研究[ J ] ． 铁道标准设计 ， 2 0 0 8 ( 1 1 )： 4 9— 5 1 ． [ 5 ] 李培安． 韩 安店 特大桥 主桥高墩大跨 度连续刚 构施工 技术 [ J ] ． 铁 道 标 准设 计 ， 2 0 0 6 ( 6 ) ： 4 0— 4 2 铁道标准设计R A I L W AY S T A ND A R D D E S I G N 2 0 1 0 ( 6 ) 王 晓黎 一 桥 梁 混 凝 土 抗 冻 性 能 分 析 和 防 护措 施 性设计 上 ， 实行 了统 一 模 式 制 ， 即无 论 环 境 条 件 如 何 ， 混 凝土 耐 久性 的要 求 就 是 3 0 0次 冻 融 循 环 ， 相 对 耐 久 性 指数 > 8 0 ％ 。欧 洲 和我 国等都 是 根据 建 筑 物所 处 的 环境条 件设 立不 同抗 冻 等级 的设计 要 求 。 半个世纪的实践表 明， 我国混凝 土整体耐久性偏 低 ， 现有 的抗 冻 等级 不 能 满 足混 凝 土 结 构 长 期 耐 久 安 全运行 的要 求 ， 混凝 土 工 程 中凡 是 出现 正 负 温 交 替 的 地 区 ， 均存 在有 混凝 土 的冻 融 破 坏 问题 ， 而 且 以 东北 、 华 北 、 西 北 地 区较 为 严 重 。工 程 类 别 中 又 以 水 工 、 港 工 、 路 桥较 为突 出 。因此 ， 如何 从 整体 上提 高我 国建 筑 物混凝 土 的抗冻 安全 性 ， 已成 为迫 切需 要解 决 的 问题 。 3 ． 1 混凝 土 冻融破 坏原 因 研 究混 凝土 冻 融破 坏 原 因很 重 要 ， 只 有 充 分 了解 引起混 凝 土冻融 破 坏 的原 因 ， 才 能正 确 选 择 混 凝 土 的 抗冻措 施 。混凝 土 冻融破 坏 的主要 原 因有 。 ( 1 ) 水 、 负温 、 冻融 循 环 是混 凝 土 冻 融破 坏 的首 要 原 因 众 所 周知 ， 有 了负温 、 水 才能 产生 冰冻 。在 负 温条 件下混 凝 土 内部 孔 隙水 冻结 ， 在 正温下 水融 化 ， 一 冻一 融 ， 使 混凝 土遭 到破 坏 。形成 冻融 的条 件有 两种 ， 一 是 气温 正负 交替 ； 另一 种是 冬季 水位 涨落 ， 使 混凝 土表 面 出现 冻融 。反 复冻融 循 环次 数越 多 、 越 频 繁 ， 混 凝 土再 生能 力 的恢 复 期 越 短 ， 则 混 凝 土 的冻 融 破 坏 越 严 重 。 而且 负温 和冻 融循 环次 数 比较起来 ， 后 者影 响较 大 ， 因 为 即使温 度很 低 ， 但 冰冻 了后 不 融化或 很少 融 化 ， 破 坏 作用次数减少 ， 危害相对轻 ； 反之若冻融次数多 ， 则破 坏严 重 。 ( 2 ) 混 凝 土干湿 状 态的影 响 水完全结冰后可产生 9 ％ 的体积膨胀 ， 如果混凝 土孔 隙 中完全 充满 水 ， 这 么 大 的 膨 胀 足 以使 混 凝 土 开 裂破 坏 。理论 上 当混 凝 土 中 的孔 隙饱 水 度 小 于 9 1 ％ 时 ， 混凝 土就 不会 受冻 破坏 。所 以混凝 土 是干 是湿 ， 其 干 湿程度 、 饱 和状 态对 混凝 土 的冻融 破坏 影 响很 大 。 ( 3 ) 施 工 质量 施工 质 量对混 凝 土 抗 冻性 起 决定 性 的影 响 ， 许 多 在 室 内试 验 达到要 求 的混 凝 土 ， 现 场 施 工 却 常 常 满 足 不 了要求 ， 施 工质 量越 差 ， 问题 越严 重 。 3 ． 2影响 混凝 土抗冻 性 的主 要 因素 混 凝 土 的抗 冻 性 与 气 泡 问 距 、 冻 结 温度 、 冻 融 速 率 、 孔 隙 中水 的含量 、 材料 的渗 透 系数 以及抵 抗破 坏 的 能 力等 因素 有关 。主 要影 响 因素是 水灰 比 、 含气 量 、 平 均 气 泡间距 、 掺 和料 、 施工 质量 等 。 ( 1 ) 混凝 土 的水灰 比 混 凝 土 的水 灰 比愈 大 ， 其 毛 细 管 越 多 ， 吸 水 率 越 大 ， 其 在冻 融过程 中产 生 的膨 胀 压 力 和渗 透 压 力 也 越 大 ， 其抗 冻 性亦越 差 。 铁道标准设 计R A I L WAY S T A ND A R D DE S I G N 2 0 1 0( 6 ) 桥 梁 ( 2 ) 混 凝 土的含 气量 混 凝 土 中掺 用 引 气剂 ， 其 所 产生 的无 数 微 小 和互 不连续 的气 泡具 有 缓解 冻融 过程 中产 生膨胀 压力 和渗 透压力 的作用 ， 由于混凝 土 中有无 数 不连续 的小 气泡 ， 使 混凝 土 中孔 隙饱 水度 难 以达 到 9 l ％ ， 因而 混 凝 土具 有 较 高的抗 冻性 。 ( 3 ) 掺 和料 对混 凝土 抗冻 性 的影 响 目前许 多 工程 都采 用诸 如粉 煤灰 、 硅粉 、 磨 细矿碴 粉 等混 合材 料 ， 研 究 表 明 ， 采 用 优 质 粉 煤 灰 ， 并 维持 一 定 含气 量 可 以提高 抗冻性 。掺硅 粉 的混凝 土显 著改变 了孔结 构 ， 使混 凝 土结构 致 密 ， 有 利于 改善 气泡 参数提 高混凝 土抗 冻性 。 3 ． 3混凝 土 抗冻性 措 施 从 大 量 的资料 中了解到 混凝 土抗 冻 国内外 主要采 取 调 制高 性能 混凝 土 来 满 足环 境 造 成 的混 凝 土 劣化 。 在 抗冻 性 方 面 ， 根 据 环 境 设 定 混 凝 土 抗 冻 指 标 、 水 胶 比、 含 气量 、 气 泡 间距 、 掺 和 料 等 以抵 消环 境 对 混凝 土 的劣化 。 4严寒 地 区铁路 桥 梁混 凝土 耐久性 设计 在 恶 劣 的 自然 环 境 下建 设 铁 路 工 程 ， 混 凝 土 材料 面临着严峻的挑战。在设计前期 ， 对} 昆 凝土首先考虑 从耐 久性 人手 ， 研 制高性 能 混凝 土 。 考虑 恶劣 的 自然 环 境 多方 面影 响 因素 ， 混 凝 土必 须具 有七 方 面高性 能 的耐 久性 指标 ， 首先 混 凝 土 的抗 冻融 循 环 性 能应 不 小 于 3 0 0次 。然 后从 抗 渗 性 、 护筋 性、 抗氯离子渗透性、 抗裂性 、 耐腐蚀性、 抗碱 一 骨料反 应性 能 、 耐风 蚀性 能 ， 并 在原 材料 、 配 合 比 、 混凝 土 的拌 制 、 养 护 等方 面控 制 质 量 ， 而 且 根 据不 同 的结 构 ， 以及 同一 结构 不 同部 位 的 混 凝 土 配 合 比均 应 有 不 同 的要 求 ， 特别 在水 位变 动 区混凝 土 的最大 水胶 比、 最 小胶 凝 材料用量等项要求 。 外加剂宜选用具有早强 、 减水 、 防冻 、 引气 、 能细化 孔结构等功能的复合型产品 ， 不宜选用液体类产品。 养 护 ： 应 严格 控 制 混凝 土 的养 护 温 度 不低 于混 凝 土 外加剂 规 定 的最低 适用 温度 。当养护 温度低 于 0 c c 时 ， 应采 取 临时保 温措 施 ， 直 至混凝 土 的强度 达到 临界 抗 冻强 度 。 5 防止 混凝 土剥蚀 设 计方 案 通 过 国 内公 路 、 水 工 等 工程 对 混 凝 土 剥 蚀 的研 究 和处理 措施 的调研 ， 无论 采取 何种 方法 ， 都 是对 已损坏 的混凝土表面进行修补或补强。因此 ， 对剥蚀的墩身 进行修补或采取 隔离措 施使冰( 水 ) 不直接与墩 身接 触 ， 即可保 证桥 墩表 面不 再继 续 发生剥 蚀 。 通过对 国内资料的研究和方案 比较 ， 提出工艺可 83 隧道／ 地 下 工 程 广深港客运专线益田路隧道软硬不均地段 盾构管片力学分析 薛光桥 ( 中铁第四勘察设计院集团有限公司 ，武 汉4 3 0 0 6 3 ) 摘要 ： 近年 来， 盾构 法隧道特 别是 大直径盾 构隧道得 到 了迅 猛发展 ， 并且隧道所穿越 的地层也越 来越 复杂。益田路隧道盾 构段就是穿越 复杂地层的一个 实例 ， 其部分盾构段位 于全风化 与 中、 弱风化地层交界的软硬 不均地 层 ， 由于软硬 不均地 层特 殊 的 地层 特 性 。 造成 处 于 该 段 的 盾 构 隧 道 受 力 特 征 发 生 变化 ， 从 而 影 响 结构 安 全 。 通 过 对 不 同基 岩 厚 度 的 盾 构 隧 道 进 行 力 学分析 ， 研 究软硬不 均地 层对 隧道结构 的受 力影响规律 ， 从 而 可以准确界定该地层隧道 的力 学特 征 ， 指 导设计 ， 也 为降低 ．Y - 程造价 、 减 少工程浪 费提供依据 。 关键词 ： 铁路 隧道：盾构 法；软硬 不均 地层；盾 构管 片；力学 分 析 中图分类号： U 4 5 5 ． 4 3 文献标识码 ： A 收稿 日期 ： 2 0 1 0 —0 3一 O 8 作者简介 ： 薛光桥 ( 1 9 7 9 一 ) ， 男 ， 工程 师， 2 0 0 2年 毕业 于中 国地 质大学 地下建筑专业 ， 工学学士 ； 2 0 0 5年 毕业于武汉理工 大学工程力学专 业， 工学 硕 士 。 文 章 编 号 ： 1 0 0 4—2 9 5 4( 2 0 1 0) 0 6—0 0 8 4—0 3 1 益 田路 隧道概况 益 田路 隧道属 于广深港 客运专 线新深圳 站 ( 不含 ) 至深港分界段 ， 包括深圳福 田站及相关工程， 设计速度 目标值 2 0 0 k m ／ h 。全线包括 2 座隧道 ， 车站北端的益田 路 隧道 ， 长6 2 3 6 m； 车站南 端的皇岗隧道 ， 深圳段全长为 3 9 3 2 ． 2 9 1 "／ 1 。全线隧道按单孔双线 隧道 断面设 计。 益 田路 隧道进 口里程 为 D K 1 0 4 + 7 3 0 ， 出 口里程 为 D K 1 1 0 + 9 6 6， 隧道全 长6 2 3 6 I T I ， 其 中盾 构 段 长2 4 4 4 m， 盾构 隧 道 外 径 1 2 ． 8 I l l ， 管 片 幅 宽 2 ． 0 n l ， 采 用 8+1 ( 1 ／ 3封 顶 ) 分块 方案 ， 隧道施工 总工期 3 8个月 。 益 田路 隧道盾 构段 穿越 的地层 主要有全 、 中、 弱风 化花 岗岩地 层 ， 并 且部分盾 构段 位于全 风化 与中 、 弱风 ● ◆◆●◆●●●●●◆●●◆●●◆●◆●●●◆●●●● ●●● 行 ， 现场操作方便 ， 且技术较为成熟 ， 安全可靠的方案。 外包 高抗 冻性 混凝 土 和 钢板 ： 采 取 在 桥墩 上 外 包 高性能 C 3 0混凝土 ， 外包钢板 。钢板厚 5 m m( 采用耐 候钢板 ) 。防腐 措 施 采 用液 态 环 氧 树脂 涂 抹 2 m m 厚 或 I C 5 3 1防护体系。具体方案见图 2 。 图2 外包高抗冻性混凝土和钢板 { 单位 ： e m) 施工 要求 ： 混 凝 土耐 久性 好 ， 抗 冻性 强 ， 抗 渗性 能 强 ， 密实度好。抗冻性满足 F 3 0 0以上 ， 耐久性指数 D F 大 于 8 5 ％ ， 最 小 胶 凝 材 料 用 量 4 5 0 k g ／ m ， 水 灰 比 0 ． 3 5 ， 含气 量 6 ％ ， 气 泡问距 小于 3 0 0／x m。 注 意混凝土 保温 、 保湿 ， 特 别要保 证混凝 土 的临界 抗 冻强度 ， 以避免 混凝 土早 期受 冻 。 6 结语 近年来随着我国工程建设在严寒地区桥梁混凝土 8 4 所处的自然环境恶劣， 出现 了不少病害 ， 人们对混凝土 的冻融剥 蚀现 象 ， 有 了进一 步的认 识 ， 基本 掌握 了混凝 土冻融剥 蚀原 因和影 响 因 素 ， 提 出 了混 凝 土 耐久 性设 计 ， 并制 定 了相应 规范 。但是 ， 在实 践 中单从 混凝土材 料上提高了要求 ， 还不能够对一些极端 的情况彻底消 除 ， 为此还必须采取工程措施进行防止， 方能达到好的 效果 ， 因此对 混凝 土冰水 交接面 上下采取 工程措施 ， 并 在今年 多条铁 路线桥 梁工 程 中得 到应用 。 参考文 献 ： [ 1 ] 中国工程院土木水利与建筑学 部工程结构安全 性与耐久性研究 咨询项 目组． 混凝土结构耐久性设计与施工指南 [ M] ． 北京 ： 中国 建筑工业 出版社 ， 2 0 0 4 ． [ 2 ] 吴 中伟 ， 廉 惠珍 ． 高 性 能 混 凝 土 [M] ．北 京 ： 中 国 铁 道 出 版 社 ， 1 9 9 9 ． [ 3 ] 李金玉， 曹建 国 水工混凝土耐久性 的研 究和应用 [ M] ． 北 京： 中 国电力出版社 ， 2 0 0 4 ． [ 4 ] 杨文渊， 徐 舞． 桥梁 维 修 与加 固 [ M] ． 北京 ： 人 民交 通 出版 社 ． 1 9 9 5． [ 5] 混凝土结构耐久性概论 [ M] ． 上海 ： 上海科学技术 出版社 ， 2 0 0 3 ． [ 6 ] 陈肇元． 土建结构工程的安全性 与耐久性[ M] ． 北京 ： 中国建筑工 业 出 版 社 ， 2 0 0 3 ． [ 7 ] D L T 5 0 8 2 --1 9 9 8 ， 水工建筑物抗冰设计规范[ S ] ． [ 8 ] J T J 2 7 0 --9 8 ， 水运工程混凝土试验规程[ S ] ． [ 9 ] 中国土木工程学会 高强混凝土委员会 ． 高强混凝土结 构设计 与施 工指南 [ S ] ． 北京 ： 中国建筑工业 出版社 ， 1 9 9 5 ． [ 1 0 ] 冯乃谦． 高性能混凝土结构[ M] ． 北京 ： 机械工业 出版社 ， 2 0 0 4 ． 铁道 标准 设计R AI L W AY S T A N D A RD D E S I G N 2 0 1 0 ( 6 )