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