連新奇

面向結(jié)構(gòu)部位的鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究

連新奇

(海南鐵路有限公司，海南 ?？?570125)

基于多種腐蝕離子共存海洋腐蝕環(huán)境下的混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕機理，研制耐強腐蝕海洋環(huán)境混凝土。結(jié)合其結(jié)構(gòu)特點與現(xiàn)實問題，對海南環(huán)島高鐵西段鐵路橋梁混凝土腐蝕環(huán)境進行測試并對其作用等級分級。解釋多種腐蝕離子共存海洋腐蝕環(huán)境下的混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕機理，提出該特殊工況下的混凝土耐久性評價指標體系。針對高溫高濕強腐蝕海洋環(huán)境混凝土結(jié)構(gòu)提出耐久性提升技術(shù)，確定面向結(jié)構(gòu)部位高溫高濕強腐蝕海洋環(huán)境混凝土結(jié)構(gòu)防腐蝕強化措施。

海洋環(huán)境；橋梁混凝土；耐久性；防腐蝕強化措施

1 耐強腐蝕海洋環(huán)境混凝土研制

1.1 確定海南環(huán)島高鐵西段鐵路橋梁混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕環(huán)境作用等級

經(jīng)水文、地質(zhì)、氣象資料調(diào)研，以及實地勘察和取樣分析，參考《鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設計規(guī)范》(TB1005—2010)，確定了海南環(huán)島高鐵西段鐵路橋梁混凝土結(jié)構(gòu)所處的腐蝕環(huán)境作用等級。海南環(huán)島高鐵西段鐵路橋梁普遍處于化學侵蝕環(huán)境中，酸性水作用等級為H1，水中侵蝕性CO2作用等級為H1~H2，侵蝕離子含量及相應的環(huán)境作用等級劃分見表1。

有部分地段受海水倒灌影響，氯鹽環(huán)境和硫酸鹽環(huán)境成為主要作用環(huán)境。其中，氯鹽環(huán)境的環(huán)境類別為L1~L3，硫酸鹽侵蝕環(huán)境的環(huán)境類別為H1~H4，鎂鹽侵蝕環(huán)境的環(huán)境類別為H1~H2，鹽類結(jié)晶破壞環(huán)境的環(huán)境類別為Y2~Y3，部分橋墩鹽類結(jié)晶破壞作用的環(huán)境類別高于Y4。海南西環(huán)鐵路2座典型橋梁處于嚴重腐蝕區(qū)域，根據(jù)現(xiàn)場海水成分分析結(jié)果，其環(huán)境作用等級見表2。

表1 侵蝕離子含量及環(huán)境作用等級劃分

表2 海南環(huán)島高鐵西段鐵路嚴重腐蝕區(qū)域環(huán)境作用等級

1.2 多種腐蝕離子共存海洋腐蝕環(huán)境下的混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕機理

1) 確認處于多種腐蝕離子共存的水位變動區(qū)混凝土內(nèi)部進入氯離子，并銹蝕鋼筋的劣化機制 影響[1]。

各類腐蝕離子的擴散機制在動力學上均遵守Fick第二定律[2]：

式中：為經(jīng)時間后距混凝土表面處的腐蝕離子濃度；為氯離子擴散系數(shù)；為距混凝土表面的深度；為擴散時間。

2) 硫酸鹽和鎂鹽對混凝土的化學腐蝕主要表現(xiàn)為硫酸鹽和鎂鹽對混凝土材料的破壞[4]，而氯離子滲透加速與銹蝕鋼筋會疊加混凝土材料的損 傷[5]。其發(fā)生的化學反應主要包括：

3) 氯鹽的存在會延緩硫酸鹽對混凝土的損傷速度[6]。混凝土在多離子共存干濕循環(huán)中，其相對動彈性模量變化包括4個階段[7]。與濃度為5%的Na2SO4腐蝕相比，氯鹽雖然不會影響下降段，但卻會明顯延長線性增加段、緩慢下降段和加速下降段的時間，同時也延緩Na2SO4對混凝土的破壞速度。

1.3 面向結(jié)構(gòu)部位的耐強腐蝕海洋環(huán)境混凝土評價指標體系

1.3.1 灌注樁混凝土

針對灌注樁混凝土施工過程無法采取附加振搗措施，必須依靠混凝土自身流動性來密實成型，為真實模擬灌注樁混凝土的施工性能，采用Ormit儀[8]和倒坍落度筒等研究灌注樁混凝土工作性能(如圖1)，建立能夠客觀評價灌注樁混凝土工作性能的指標體系；結(jié)合我國《鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設計規(guī)范》以及海南環(huán)島高鐵西段鐵路橋梁勘測設計資料，提出包括工作性能、力學性能和耐久性能的灌注樁混凝土評價指標，如表3。

采取降低混凝土單方用水量、粉煤灰與礦渣粉復摻和適當引氣的混凝土制備技術(shù)途徑[9]，制備出高工作性能(坍落擴展度550 mm)、高抗腐蝕性能的大摻量礦物摻和料灌注樁混凝土，并實現(xiàn)了該類大摻量礦物摻和料灌注樁混凝土的實際工程應用。

表3 灌注混凝土性能評價體系

圖1 Orimet示意圖

1.3.2 墩身承臺混凝土

針對墩身承臺所面臨作用環(huán)境復雜惡劣(L3和Y4嚴重腐蝕環(huán)境)、墩身承臺體積大易產(chǎn)生由水化溫升而造成的裂縫，結(jié)合我國《鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設計規(guī)范》以及海南環(huán)島高鐵西段鐵路橋梁勘測設計資料，建立了包括工作性能、力學性能和耐久性能的墩身承臺混凝土性能評價指標，如表4 所示。

研究提出處于嚴重腐蝕環(huán)境的低水化熱墩身承臺混凝土制備原則和配合比參數(shù)，采用降低膠凝材料用量來降低水化熱和水化溫升、低坍落度來減少混凝土用水量、適當引氣來提升混凝土工作性能的技術(shù)途徑，研制出低膠凝材料用量、低坍落度、適當含氣量的墩身承臺混凝土，并在海南環(huán)島高鐵西段鐵路的實際工程中實現(xiàn)了低膠材混凝土的 應用。

表4 墩身承臺混凝土評價指標體系

2 面向結(jié)構(gòu)部位的混凝土結(jié)構(gòu)耐久性提升技術(shù)措施

針對灌注樁和墩身承臺所處環(huán)境不同、結(jié)構(gòu)部位不同以及構(gòu)造措施設計要求，在采取適當增加承臺、樁基鋼筋混凝土保護層厚度結(jié)構(gòu)措施的基礎上，針對不同結(jié)構(gòu)部位提出了耐久性提升技術(shù) 措施。

1) 針對灌注樁無法采取外部防腐蝕強化措施現(xiàn)狀，提出“大摻量礦物摻和料混凝土+高效阻銹劑”的耐久性提升技術(shù)措施[10]。

研究了阻銹劑對混凝土工作性能、力學性能和耐久性能的影響。結(jié)果表明，在灌注樁混凝土中摻加大量礦物摻量和適當高效阻銹劑作為防腐蝕強化措施，可以提高混凝土的抗氯離子滲透性、抗硫酸鹽侵蝕和鋼筋銹蝕性能，鋼筋電位大于?150 mV，有效抑制鋼筋銹蝕現(xiàn)象發(fā)生[11?12]。

2) 針對墩身承臺結(jié)構(gòu)所處環(huán)境復雜，提出“低膠凝材料混凝土+結(jié)構(gòu)表面強化+表面涂裝或表面憎水”耐久性提升技術(shù)措施。

采用基于最小漿體用量的配合比設計方法，在水膠比適當?shù)臈l件下，通過摻加功能性復合摻和料，在保證高工作性能的情況下實現(xiàn)了墩身承臺混凝土的低膠凝材料用量化，同時滿足了混凝土抗氯離子滲透系數(shù)、抗鹽類結(jié)晶性能和鋼筋電位的 要求[13]。

3 結(jié)論

1) 揭示了海南西南區(qū)域高溫高濕強腐蝕海洋環(huán)境混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕機制，為劃分海洋環(huán)境混凝土結(jié)構(gòu)作用等級提供依據(jù)。

2) 提出高溫高濕強腐蝕海洋環(huán)境混凝土性能指標及其配制原則，針對遭受不同腐蝕強度等級、不同部位的混凝土，制備出適用于嚴酷海洋環(huán)境的灌注樁混凝土和墩身承臺混凝土。

3) 提出防腐蝕強化措施檢測評定指標，確定面向結(jié)構(gòu)部位高溫高濕強腐蝕海洋環(huán)境混凝土結(jié)構(gòu)防腐蝕強化措施。

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Study on the durability of different members of railway concrete structures

LIAN Xinqi

(Hainan Railway Co., Ltd, Haikou 570125, China)

Based on corrosion mechanism of concrete structures in severe marine environment, durable concrete has been developed. Combined with concrete structural characteristics and practical issues, the concrete corrosion environment of the railway bridge in the western section of the high-speed railway around Hainan was studied and graded. The corrosion mechanism of concrete structures under multiple corrosive ions has been illustrated, accordingly, the concrete durability evaluation indexes has been proposed. In view of high temperature, high humidity and strong corrosion of marine environment concrete structure, the technical measures for durability improvement for concrete structures have been proposed.

marine environment; bridge concrete; durability; anti-corrosion measures

U214.1+8

A

1672 ? 7029(2019)06? 1454 ? 05

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2019.06.014

2018?07?28

中國鐵路總公司科技開發(fā)計劃項目(2014G004-R)

連新奇(1968?)，男，福建仙游人，高級工程師，從事混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究；E?mail：13807686805@163.com

(編輯 涂鵬)