溫雙義 周 戈

(津濱城際鐵路有限責(zé)任公司, 天津300011)

在高速鐵路橋梁主體結(jié)構(gòu)的建設(shè)過程中，梁基本采用定型預(yù)制，橋墩采用現(xiàn)場澆筑，在混凝土結(jié)構(gòu)耐久性影響因素方面，橋墩相比預(yù)制梁更復(fù)雜。TB 10005-2010《鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計規(guī)范》[1-2]規(guī)定,橋梁主體結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限為100 a。為保證橋墩的耐久性，需對組成橋墩的樁基、承臺和墩身的耐久性影響因素逐項分析，提出相應(yīng)對策。與其他鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)一樣，橋墩耐久性壽命的評判準(zhǔn)則為保護(hù)層的完全侵蝕壽命準(zhǔn)則、銹脹開裂壽命準(zhǔn)則、裂縫寬度和鋼筋銹蝕量限值壽命準(zhǔn)則和承載力壽命準(zhǔn)則[3-4]。這四項評價準(zhǔn)則是相互關(guān)聯(lián)和影響的，對于高速鐵路橋墩結(jié)構(gòu)來說，主要是控制保護(hù)層厚度和裂縫寬度兩項指標(biāo)。理論和實踐證明，采用高性能混凝土材料有助于實現(xiàn)耐久性目標(biāo)。高性能混凝土是以普通混凝土的水泥、砂、石、水四種材料為基礎(chǔ)，通過添加復(fù)合超塑化劑(高效減水劑)和活性摻合料配合而成，其混凝土性能以工程項目的設(shè)計、施工和使用的特定要求為目標(biāo)[5]。目前,高性能混凝土配合比設(shè)計正由指令式設(shè)計(或經(jīng)驗設(shè)計)向性能設(shè)計發(fā)展，但在大規(guī)模的基建工程中，一般采用操作性較強(qiáng)的指令式設(shè)計，它源于因無法對劣化混凝土環(huán)境因素的綜合作用效應(yīng)(尤其是復(fù)合效應(yīng))進(jìn)行完全量化，故以規(guī)范形式規(guī)定混凝土配合比的各項最低指標(biāo)，以此保證工程質(zhì)量的目標(biāo)需求。

1 樁基耐久性影響因素分析與質(zhì)量控制

高速鐵路橋墩基礎(chǔ)一般采用鋼筋混凝土樁基，樁基耐久性的主要影響因素是混凝土腐蝕和鋼筋銹蝕。混凝土的主要防腐措施是通過優(yōu)化混凝土的配合比來提高混凝土密實度；鋼筋的常用防銹蝕措施是保證足夠的鋼筋保護(hù)層厚度以及防止斷樁、夾泥、夾砂等缺陷發(fā)生，以阻止環(huán)境水分滲入[6]。

1.1 樁基混凝土配合比優(yōu)化

在沿海、酸雨、酸性地下水和高鹽土壤地區(qū)，樁基混凝土易受到硫酸根離子和氯離子的化學(xué)侵蝕。硫酸鹽的腐蝕機(jī)理是：水泥水化物氫氧化鈣Ca(OH)2在硫酸鹽腐蝕下易分解，遇軟水還會溶解。硫酸鹽對混凝土腐蝕由強(qiáng)到弱的排序為硫酸鎂﹥硫酸鈉﹥硫酸鈣。試驗表明，在硅酸鹽或普通硅酸鹽水泥中摻加30%的粉煤灰，其抗硫酸鹽腐蝕的效果顯著提高。在硫酸鹽含量高的環(huán)境下，應(yīng)采用石膏礦渣水泥或礬土水泥[7]。

對于含有活性骨料的混凝土，氯鹽會加速堿骨料反應(yīng)，從而造成混凝土的破壞，除此以外，對素混凝土幾乎無影響。氯鹽的腐蝕機(jī)理是：氯離子滲入混凝土到達(dá)鋼筋表面，使鋼筋鈍化膜的pH值迅速降低，形成腐蝕電池致鋼筋銹蝕，隨之混凝土開裂、剝落，進(jìn)而加劇鋼筋銹蝕，混凝土結(jié)構(gòu)最終破壞?？赏ㄟ^提高樁基鋼筋外側(cè)混凝土保護(hù)層的防滲能力來防氯鹽腐蝕，試驗表明，在硅酸鹽或普通硅酸鹽水泥中加入粉煤灰和礦粉后，其抗氯鹽腐蝕的效果明顯提高。當(dāng)總摻量(粉煤灰+礦粉)小于40%時，摻量越大，抗氯化能力越強(qiáng)，且摻入礦粉比摻入粉煤灰的抗氯能力更強(qiáng)[8]。

沿海地區(qū)處于硫酸鹽和氯鹽的復(fù)合腐蝕環(huán)境下，一般采用雙摻(粉煤灰+礦粉)混凝土，并經(jīng)試驗確定摻加量。如京滬高速鐵路靜海-滄州段，樁基處于 D3+H4+L3環(huán)境條件下，采用C30混凝土,水膠比0.42, 膠凝材料370 kg,粉煤灰摻量為8.1%，礦粉摻量為5.4%。甬臺溫高速鐵路樁基采用C30混凝土,水膠比0.36, 膠凝材料 429 kg,粉煤灰摻量為30%[9]。

綜上分析可知，通過摻加活性礦物料來優(yōu)化混凝土配合比，對提高混凝土抗化學(xué)侵蝕起重要作用。高速鐵路橋墩樁基常采用C30混凝土，坍落度160～200 mm，水膠比0.35～0.45，采用高效聚羧酸系減水劑，摻加粉煤灰和礦粉。

1.2 樁基保護(hù)層厚度控制

橋墩樁基位于地表下，其鋼筋保護(hù)層厚度不宜小于70 mm。在鋼筋籠下放樁孔過程中，可通過在鋼筋籠外側(cè)的箍筋上固定預(yù)制混凝土圓形墊塊來保持孔壁與箍筋間距，從而使鋼筋的混凝土保護(hù)層厚度得到保證。

1.3 樁基混凝土澆筑質(zhì)量控制

混凝土灌注樁常見質(zhì)量問題有斷樁和夾泥層、夾砂層樁。發(fā)生斷樁和夾泥、夾砂樁時，土壤和地下水中的化學(xué)侵蝕物直接與鋼筋接觸，致使鋼筋銹蝕，進(jìn)而影響樁基的耐久性。工程中通常采用低應(yīng)變反射波法或聲波透射法檢測灌注樁的質(zhì)量。

2 承臺耐久性影響因素分析與質(zhì)量控制

承臺是樁基和墩身之間的受力轉(zhuǎn)換層，斷面尺寸較大，主要承受壓力。承臺的耐久性影響因素有裂縫、凍融和化學(xué)腐蝕等。

2.1 承臺混凝土裂縫控制

高速鐵路承臺斷面尺寸一般大于4 m×4 m×2 m,屬于大體積混凝土。承臺耐久性問題主要為混凝土開裂，裂縫發(fā)展進(jìn)一步誘導(dǎo)鋼筋銹蝕?；炷灵_裂的主要原因在于，水泥硬化過程中，收縮和水化熱產(chǎn)生的應(yīng)力極易造成裂紋或裂縫的產(chǎn)生，其解決途徑是降低混凝土的彈性模量或減小其收縮應(yīng)力。目前，國際公認(rèn)的措施有降低混凝土強(qiáng)度(降低彈性模量)、減少水泥用量、降低用水量、摻加引氣劑、摻加礦物摻合料和控制溫度梯度。試驗表明，對于承臺這類大體積承壓構(gòu)件，混凝土拌合料的指標(biāo)宜按強(qiáng)度不大于C30，水膠比不小于0.4，粉煤灰摻量約40%來控制[10]。粉煤灰活性較低，從而使混凝土強(qiáng)度增長約滯后14 d，雖然混凝土早期強(qiáng)度較低(彈性模量低)，但90 d后，強(qiáng)度可達(dá)到C30。若工期緊張，可采用雙摻(粉煤灰+礦粉)方式來加快強(qiáng)度的提升速度。

2.2 承臺保護(hù)層厚度和養(yǎng)護(hù)質(zhì)量控制

承臺鋼筋保護(hù)層厚度一般為50 mm，由于承臺鋼筋較粗、較長，施工工序較多，鋼筋現(xiàn)場綁扎誤差較大，故保護(hù)層厚度宜按70 mm控制。在養(yǎng)護(hù)方面，不宜過早拆除模板和覆蓋層，以免混凝土表面與環(huán)境的溫差超過15 ℃而引起開裂。當(dāng)工期緊張時，宜調(diào)整混凝土終凝時間或在承臺內(nèi)設(shè)冷卻管控制溫度梯度。

3 墩身耐久性影響因素分析與質(zhì)量控制

高速鐵路橋梁墩身的耐久性影響因素有碳化、凍融、化學(xué)腐蝕和裂縫等，墩身與地表接觸點以上約1 m處易受干濕交替影響[11]，是墩身耐久性控制的重中之重。

3.1 墩身混凝土配制質(zhì)量控制

墩身混凝土配制質(zhì)量需滿足墩身的構(gòu)造性能、耐久性能和工作性能。采用高性能混凝土滿足墩身耐久性能時，重點在于提高墩身的表層抗?jié)B性和抗凍性。

3.1.1墩身表層抗?jié)B性的提高

在常見的混凝土劣化因素中，膨脹和開裂都與混凝土的滲透性有很大關(guān)系。美國梅塔(Mehta)教授提出“最簡單也是最有效的解決方案，是回到缺乏耐久性的基本原因或者根源上，即混凝土的滲透性和服務(wù)期影響滲透性增大的因素上來”[12]?；炷亮踊膬?nèi)因是微裂縫和孔隙，外因是水和各種陰離子。連通孔隙、環(huán)境水和侵蝕介質(zhì)是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)嚴(yán)重劣化的必備條件，侵蝕介質(zhì)通過連通孔隙或微裂縫向混凝土內(nèi)部滲透是引起混凝土劣化的關(guān)鍵過程，滲透性是影響混凝土耐久性的重要因素。通過控制混凝土的表面裂縫和內(nèi)部微裂縫連通，使其在使用期內(nèi)不滲水、不開裂，就可大幅度地延長混凝土的使用壽命。提高墩身表層抗?jié)B性的主要措施有：

(1) 采用較低的水膠比。水泥達(dá)到完全水化所需的用水量約為水泥用量的25%，由于物理吸附作用，另有約15%的水被限制在膠體孔隙中，不能參與水化作用，因此，水泥完全水化所需的用水量至少為水泥質(zhì)量的0.4倍。試驗表明，當(dāng)水膠比小于0.40時，隨著水膠比的降低，混凝土的強(qiáng)度可持續(xù)提高,雖然水泥未完全水化，但未水化的水泥顆?？勺鳛榧?xì)微骨料發(fā)揮作用。較低的水膠比還能減小水泥漿中10～0.1 μm的毛細(xì)孔隙體積，降低混凝土的孔隙率并減小孔隙尺寸。在摻入高效聚羧酸系減水劑和礦物料后，可大幅降低水膠比，我國已建成高速鐵路的墩身常用水膠比為0.30～0.40。

(2) 提高混凝土的強(qiáng)度?；炷翉?qiáng)度與其抗?jié)B性、抗凍性、抗磨損性、耐腐蝕性等均有較高的相關(guān)性，且對抗凍性的影響尤為突出。在保證耐久性能的前提下，采用C35及以上強(qiáng)度的混凝土符合節(jié)能、綠色環(huán)保和經(jīng)濟(jì)的科學(xué)理念。我國已建成高速鐵路的墩身常用混凝土強(qiáng)度為C35～C45。

(3) 摻加粉煤灰、磨細(xì)礦渣等礦物料。粉煤灰與水泥摻合后具有形態(tài)效應(yīng)、活性效應(yīng)和微集料反應(yīng)，能明顯改善和增強(qiáng)混凝土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、均質(zhì)性和致密性。磨細(xì)礦渣具有水硬性膠凝材料的性能，其微細(xì)顆?？商畛渌囝w粒間的間隙，改善水泥石的微觀孔隙結(jié)構(gòu)，當(dāng)與高效減水劑復(fù)合使用時，具有輔助減水作用；當(dāng)與粉煤灰復(fù)配時，能使二者“優(yōu)勢互補(bǔ)”，改善混凝土的性能。

3.1.2墩身抗凍性的提高

在寒冷地區(qū)，凍融破壞是墩身不可忽略的耐久性影響因素，常發(fā)生在與水接觸的干濕、冷熱交替的墩身根部。試驗表明,存在于混凝土毛細(xì)孔中的自由水在凍融循環(huán)中起破壞作用,凍結(jié)溫度越低，凍結(jié)速率越快，對混凝土的損傷越大。當(dāng)凍結(jié)溫度由-5 ℃降到-10 ℃時，凍融破壞效果出現(xiàn)突變，在-10 ℃時損傷明顯加大。在凍融單一因素下，公認(rèn)的混凝土凍融循環(huán)次數(shù)與服役壽命的數(shù)學(xué)模型為：

(1)

式中：t——混凝土結(jié)構(gòu)使用壽命(a)；

k——凍融比例系數(shù)，即室內(nèi)一次凍融循環(huán)相當(dāng)于室外自然環(huán)境下凍融循環(huán)的比例，平均值可取12；

N——混凝土室內(nèi)試驗凍融循環(huán)次數(shù)；

M——混凝土結(jié)構(gòu)在實際環(huán)境中一年可經(jīng)受的凍融循環(huán)次數(shù)[13]。

混凝土抗凍性影響因素的排序為水膠比﹥平均氣泡間距和含氣量﹥飽水狀態(tài)﹥強(qiáng)度﹥外加劑和礦物拌合料﹥集料、水泥品種和其他因素。水膠比和含氣量是影響抗凍性的主要因素[14]。含氣量不但對混凝土抗凍性非常重要，還可改善混凝土的和易性，尤其是在微細(xì)氣泡孔徑小于300 μm且氣孔間距小于0.25 mm的條件下。日本規(guī)范要求無論使用環(huán)境和結(jié)構(gòu)部位，混凝土必須全部摻加氣劑，歐美許多國家的規(guī)范也要求摻加，我國水工工程規(guī)范要求全部摻加。試驗表明，當(dāng)粉煤灰摻量小于30%時，其對混凝土的抗凍性沒有明顯影響。

3.2 墩身保護(hù)層厚度控制

混凝土的結(jié)構(gòu)劣化總的來說是侵蝕介質(zhì)由表及里的滲透作用。墩身鋼筋的混凝土保護(hù)層厚度滿足要求是提高混凝土耐久性最簡單、最有效、最經(jīng)濟(jì)的措施。理論研究和實踐表明，在碳化或氯鹽單一因素下，控制保護(hù)層厚度是保證結(jié)構(gòu)耐久性的最佳措施。

(1) 碳化因素下(一般大氣環(huán)境)的保護(hù)層厚度。在碳化因素下，混凝土鋼筋表面因保護(hù)層碳化而脫鈍，鋼筋開始銹蝕時間為碳化深度到達(dá)鋼筋表面的時間，常用菲克(Fick)第一定律數(shù)學(xué)模型表示：

(2)

式中：x——碳化深度；

a——碳化速度系數(shù)；

t——碳化時間；

De——CO2在混凝土中的有效擴(kuò)散速度；

CO——環(huán)境中CO2的濃度；

mo——單位體積混凝土的CO2吸收量。

試驗表明，一般環(huán)境下碳化引起的鋼筋銹蝕，以干濕交替環(huán)境下最為不利，在相對濕度65%的干燥環(huán)境下，碳化深度(保護(hù)層厚度)大體與時間(耐久年限)的平方根成正比。

(2) 氯化因素下的保護(hù)層厚度。在氯化因素下，氯離子濃度梯度沿暴露混凝土表面擴(kuò)散到鋼筋表面方向的變化可使用菲克(Fick)第二定律數(shù)學(xué)模型表示：

(3)

式中：C(x,t)——t時刻距混凝土表面x處的氯離子濃度,一般以氯離子占水泥或混凝土重量百分比表示；

t——混凝土暴露時間；

x——距混凝土表面深度；

D——氯離子擴(kuò)散系數(shù)。

由式(3)可以看出，若已知鋼筋保護(hù)層厚度x，氯離子擴(kuò)散系數(shù)D和鋼筋表面氯離子臨界濃度(一般取混凝土質(zhì)量的0.05%)，就可計算出氯離子擴(kuò)散到鋼筋表面達(dá)到臨界濃度的時間(耐久年限)t。對于低水膠比、大摻量(礦物摻和料摻入量)的混凝土，氯離子侵入混凝土的深度(保護(hù)層厚度)大體與時間(耐久年限)t0.2成正比。

我國現(xiàn)行規(guī)范中，鋼筋混凝土的保護(hù)層最小厚度主要依靠工程經(jīng)驗來確定。工程中，通常使用錐型(或工字型)細(xì)石混凝土(或砂漿)墊塊對鋼筋定位，墊塊的水膠比不大于0.4，抗?jié)B能力和抗壓強(qiáng)度高于本體混凝土，構(gòu)件側(cè)面和底面的墊塊數(shù)量不小于 4塊/m2。常采用電脈沖法非破損鋼筋保護(hù)層厚度測定儀來檢測保護(hù)層厚度。

3.3 墩身施工與養(yǎng)護(hù)質(zhì)量控制

墩身模板安裝、澆筑和養(yǎng)護(hù)的工序質(zhì)量控制是確保混凝土耐久性的重要措施，按施工順序可分為施工質(zhì)量控制和養(yǎng)護(hù)質(zhì)量控制。

3.3.1墩身施工質(zhì)量控制

(1) 墩身與承臺界面的質(zhì)量控制。墩身底界面處于干濕、冷熱交替的外部環(huán)境中，界面的水平施工縫處易出現(xiàn)漏漿、夾渣和收縮裂縫等現(xiàn)象，致使侵蝕介質(zhì)滲透到鋼筋表面。其質(zhì)量控制要點包括承臺剔鑿面應(yīng)水沖干凈、墩身模板與承臺接觸界面應(yīng)封閉不漏漿、先敷設(shè)50 mm砂漿結(jié)合層(與混凝土強(qiáng)度相同)再澆筑混凝土等。

(2) 墩身模板安裝質(zhì)量控制。對模板拼縫進(jìn)行封閉處理，避免漏漿造成鋼筋保護(hù)層密實性變差。

(3)混凝土振搗質(zhì)量。目前，施工采用的泵送混凝土為流態(tài)或高流態(tài)混凝土，振搗5～10 s就能達(dá)到要求的密實度。在作業(yè)中，應(yīng)優(yōu)先保證保護(hù)層的密實度，加入引氣劑時，不能振搗過度，含氣量應(yīng)不小于2%，高頻振搗時間應(yīng)小于10 s。

3.3.2墩身混凝土養(yǎng)護(hù)質(zhì)量控制

墩身為大體積混凝土，墩身表面出現(xiàn)的裂縫大多是由養(yǎng)護(hù)不當(dāng)造成的。其養(yǎng)護(hù)原則是：控制水泥水化熱引起的內(nèi)部溫度最高點至模板間的溫度梯度，使混凝土內(nèi)任意兩點間的溫差小于20 ℃，混凝土表面與環(huán)境的溫差小于15 ℃，降溫速度小于2 ℃/d?；炷恋酿B(yǎng)護(hù)方法和養(yǎng)護(hù)時間需綜合考慮混凝土強(qiáng)度等級、環(huán)境的溫濕度、風(fēng)速和構(gòu)件尺寸等因素，養(yǎng)護(hù)時間應(yīng)根據(jù)混凝土的強(qiáng)度比來確定(同條件下養(yǎng)護(hù)開始和結(jié)束時的強(qiáng)度)。墩身養(yǎng)護(hù)應(yīng)重點做好以下工作：

(1) 夏(熱)期養(yǎng)護(hù)質(zhì)量控制。當(dāng)晝夜平均氣溫高于30 ℃時，混凝土入模溫度應(yīng)小于30 ℃，拆模后，立即用無紡布或棉氈纏裹，外面用塑料布覆蓋。在墩帽置水箱，向墩身四周均勻滴灌，使無紡布或棉氈保持潮濕狀態(tài)。

(2)冬期養(yǎng)護(hù)質(zhì)量控制。當(dāng)晝夜平均氣溫連續(xù)3 d低于5 ℃或最低溫度低于-3 ℃時，混凝土入模溫度應(yīng)大于5 ℃。一般需搭設(shè)保護(hù)棚，拆模時，應(yīng)保證混凝土表面與環(huán)境的溫差小于15 ℃。

(3)混凝土內(nèi)設(shè)冷卻管的管理。工程實踐表明，現(xiàn)行高速鐵路橋梁墩身一般無需內(nèi)設(shè)冷卻管來降低混凝土內(nèi)部的水化熱。特殊情況下，需設(shè)冷卻管時，應(yīng)注意內(nèi)設(shè)冷卻管外壁與混凝土接觸面的溫差，以免混凝土內(nèi)部產(chǎn)生微裂縫。采用相變材料作冷卻介質(zhì)可避免此問題的發(fā)生。

3.4 墩身根部的耐久性附加措施

墩身根部的耐久性是工程中的關(guān)注重點，根據(jù)工程經(jīng)驗，常采取的措施有：

(1) 在硫酸鹽、氯離子等侵蝕性介質(zhì)環(huán)境以及高鹽、嚴(yán)寒環(huán)境下，應(yīng)采取隔離措施，可在混凝土拆模后且表面未污染前敷涂隔離涂層。常用涂料有硅烷類和氟碳樹脂類等。

(2) 在磨蝕環(huán)境下(風(fēng)沙、泥沙、流冰等)，應(yīng)采取增加保護(hù)措施或?qū)ｍ椩O(shè)計保護(hù)措施。拆模后，可在混凝土外壁澆筑一定厚度的鋼筋混凝土保護(hù)層或在墩身根部增加鋼板護(hù)套。

(3)在嚴(yán)重腐蝕環(huán)境地區(qū)，可對墩身根部1 m左右部位澆筑特制高性能耐久混凝土，即墩身采用兩種配合比的混凝土，以達(dá)到經(jīng)濟(jì)適用的目標(biāo)。

4 結(jié)束語

本文對橋墩各部位的耐久性特點和主要侵蝕介質(zhì)的劣化機(jī)理進(jìn)行了分析，并提出了相應(yīng)的質(zhì)量控制措施。為做好高速鐵路橋墩各部位的耐久性防護(hù)，建議在今后的工程建設(shè)過程中：

(1)在政策上加大對混凝土耐久性的重視。在招投標(biāo)文件中，將混凝土結(jié)構(gòu)耐久性控制措施作為評標(biāo)條件之一，要求設(shè)計、施工、監(jiān)理單位分別編制混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的專項設(shè)計、專項施工方案和專項監(jiān)理方案。

(2) 加強(qiáng)高性能混凝土配制的質(zhì)量控制。高速鐵路為線性工程，其混凝土材料來源的地域性強(qiáng)、供應(yīng)選擇范圍小，混凝土配合比試驗宜委托專業(yè)科研單位提前開展。

(3)從混凝土耐久性角度出發(fā)，制定橋墩樁基斷樁和夾泥、夾砂樁的質(zhì)量控制措施，承臺應(yīng)以控制大體積混凝土溫度裂縫為重點，墩身應(yīng)以控制鋼筋保護(hù)層的厚度、防滲性能和防裂縫為重點。在較嚴(yán)重腐蝕環(huán)境下，墩身根部混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)增加耐久性附加措施。