怎样提高高速铁路混凝土的耐久性

2012-08-30 16:54:00 科学时代·下半月 2012年6期

程芳

[摘 要] 当今社会经济高速发展,交通运输业备受关注,尤其是对铁路运输的需求量逐渐增大,铁路运输的发展将偏向高速和重载运输。根据UIC(国际铁道联盟)的定义,高速铁路是指营运速率达每小时200公里的铁路系统。目前,中国铁路建设进入了规模最大、标准最高的发展时期。高速铁路建设线下工程以混凝土结构为主体,大吨位混凝土箱梁将与日俱增,众所周知,重视基础设施的耐久性是保证工程质量的关键。因此,无论是设计者还是施工者,他们越来越重视结构混凝土耐久性的问题研究。文章分析了影响混凝土寿命的因素,并提出了提高高速铁路混凝土的耐久性的策略,以期与同行共勉。

[关键词] 高速铁路混凝土耐久性

混凝土的耐久性是指结构在预定设计工作寿命期内,在正常维护条件下,不需要进行大修和加固就可以满足正常使用和安全功能要求的能力。即:不发生严重风化、腐蚀、脱落,钢筋不发生锈蚀等。由于混凝土的功能不同,设计寿命也不同,铁路桥梁工程一般要求100年以上。增加混凝土的耐久性,可以保证高速铁路运行的安全性;同时延长使用寿命,节约维护成本,是构建节约行社会的根本要求。

一、混凝土结构耐久性问题的分析

混凝土耐久性问题,是指结构在所使用的环境下,由于内部原因或外部原因引起结构的演变,最终使混凝土耐久性失效,丧失使用能力。即所谓的耐久性失效的原因很多,水蚀、风化、冻融、腐蚀、磨损、气体等属于外部环境原因;碱骨料反应、体积变化、吸水性、渗透性等属于内部原因。只有通过对混凝土耐久性影响因素分析,才能有针对性地提出解决问题的方案,才能真正提高混凝土的耐久性。

1、混凝土的抗渗性

混凝土的抗渗性是反映混凝土耐久性的一个重要指标。由水、空气和其它侵蚀性介质渗透进入混凝土,造成混凝土耐久性失效。其渗透的速率与失效时间成正比。钢筋锈蚀、碱-骨料反应、硫酸盐、海水和酸的侵蚀、碳化属化学变化引起的;冻融、盐结晶、火灾是物理变化引起的。水也是多数结构混凝土出现耐久性问题的核心。不仅物理劣化过程与水有关;同时作为传输侵蚀性离子的介质,水又是其化学劣化过程的一个根源。实验室的数据表明:混凝土内部存在孔隙通道是其渗水的根本原因。

2、混凝土的抗冻性

这里所说的混凝土的抗冻性是只在吸水饱和状态下,混凝土能够经受多次冻融循环而不破坏,也不显著降低其强度的性能。当外部环境处于零度以下时,混凝土内孔隙中的水因结冰体积增大了9%,在结构内部,形成各种压力,当压力达到一定程度时,导致混凝土表面剥落、龟裂、分层等的外观上的破坏。实验室研究表明:混凝土的抗冻性能与混凝土内部的孔结构和气泡含量多少密切相关。当然也离不开混凝土的饱和度,水灰比,混凝土的龄期,集料的孔隙率及其间的含水率等因素。

3、混凝土的硫酸盐侵蚀

硫酸根离子与混凝土中水泥水化物之间的化学反应,形成有害化合物,而导致混凝土组成和结构的破坏、强度下降、表面剥离等是混凝土硫酸盐侵蚀的原因。硫酸根离子主要来自海水、垃圾、污水、土壤、地下水、水泥熟料等。高速铁路工程易受硫酸盐侵蚀的部位主要有大坝、桥墩、地下基础、水工设施等,侵蚀后的混凝土常常出现体积膨胀、开裂、表面剥落、外观发白的性状。

4、混凝土的碱-集料反应

混凝土的碱-集料反应,是指混凝土中的碱与骨料中活性成分发生化学反应,也是造成混凝土的膨胀,开裂的原因。因反应的因素在混凝土内部,往往是不能根冶的,是混凝土工程中的重大隐患。为了确保运输安全,不得不拆除大坝,桥梁,带来巨大的经济损失。其中碱硅反应 (ASR),被誉为“混凝土的癌症”。 碱金属离子源于硅酸盐水泥中,硅成分主要源于骨料中。他们在条件适宜的情况下,发生化学反应,破坏铁路轨枕,破坏桥墩,破坏防护板,并导致钢筋锈蚀,常出现爆皮、裂缝等外观性状。

5、混凝土中钢筋的锈蚀

锈蚀主要取决于氧气通过混凝土保护层向钢筋表面的阴极的扩散速度,而这种扩散速度主要取决于混凝土的密实度。混凝土被碳化前,由于水泥的高碱性,钢筋表面形成一层致密的氧化膜,阻止了钢筋锈蚀电化学过程;混凝土一旦被碳化,钢筋表面的氧化膜被破坏,在有水份和氧气的条件下,就会发生锈蚀的电化学反应,最终使构件失去承载力。实验室资料表明:试验表明,当混凝土周围介质的相对湿度为50%~75%时,混凝土碳化速度最快。钢筋锈蚀后产生的铁锈,体积比铁增加2~6倍,挤裂保护层,出现裂缝,为氧气和水份的进入打开方便之门,提高锈蚀速度,加快结构的损坏。钢筋锈蚀是影响钢筋混凝土结构耐久性的最关键问题。

二、提高混凝土耐久性的措施

1、加强混凝土的抗渗性

工程实践证明:水灰比是混凝土抗渗性的重要影响因素!提高混凝土密实性是解决抗渗性的关键。主要通过减小水灰比、保证水泥用量和恰当的工艺操作的办法来实现。采用适宜的原材料及科学的生产、浇筑与养护操作(当水泥用量为300~350Kg/m3、水灰比0.45~0.55,制备出28d抗压强度为35~40MPa的混凝土),在大多数环境条件下可以呈现良好的渗透性和耐久性能。

2、提高混凝土的抗冻性

混凝土的冻融破坏问题是影响其耐久性的重要因素之一。混凝土的抗冻性能与混凝土内部的孔结构和气泡含量多少密切相关。孔越少越小,破坏作用越小,封闭气泡越多,抗冻性越好。防止混凝土冻融破坏的主要措施是降低水灰比,减少混凝土中多余的水份。冬季施工时,应加强混凝土良好的养护,防止早期受冻,选用抗冻骨料,并掺入防冻剂和引气等。研究结果表明,水灰比越低,抗冻性能越好,低水灰比的高强混凝土即使不掺引气剂,抗冻性能也非常优良,对中高水灰比的混凝土,欲彻底改善其抗冻性,掺引气剂是十分必要的。掺入硅灰抗冻性能有所改善,但掺入粉煤灰使其抗冻性能有所降低。

3、控制混凝土的碱-集料反应

《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》中对混凝土强度和碱含量的规定和《混凝土结构设计规范》中耐久性规定了最大水灰比、最小水泥用量、最低强度等级均有具体要求。在材料的选择上,采用非活性骨料,掺加活性混合材,如:硅灰、粉煤灰等;尽量使用含碱量≤0.6%的水泥;提高混凝土的密实性,增加必要的排水或阻止水分渗入的设计,避免化冰盐的积累。

4、防止混凝土中钢筋的锈蚀

一是采用防腐蚀钢筋。有人在钢筋表面采用静电喷涂环氧树脂粉末工艺的办法,形成一定厚度的防腐涂层,还有人选择镀锌钢筋、不锈钢钢筋作配筋等。二是借助钢筋阻锈剂(如亚硝酸钙)防止氯盐的腐蚀。三是对钢筋进行阴极保护,即外加电压以保持钢筋处于阴极区。四是采用覆盖面层隔离混凝土表面与大气环境的直接接触,这是降低混凝土碳化的给力措施。目前被广泛适用于不利或者恶劣的环境条件下,它可以有效防止水、二氧化碳、氯离子和氧气的侵入,减少钢筋锈蚀。

三、结束语

总之,为保证和提高混凝土结构建筑的耐久性,必须对混凝土构件进行正确的结构设计、材料选择和严格的施工,配合必要的管理和维护,定期简单修补,只有当严重超出正常维修费允许范围时,结构的使用寿命才终止。

参考文献:

[1] 张勇,杨富民.我国高速铁路高性能混凝土的应用与展望;施工技术;2009年第38卷第11期.

[2] 刘勇,张勇,龚增进,杨富民.铁路混凝土的现状、发展及思考 ;现代城市轨道交通;2009.5.

[3] 李全文.三十里风区高速铁路高性能混凝土施工养护技术的研究;铁道建筑技术; 2011.5.

[4] 王军,徐芬莲,刘中心,陈景,梅群,王峰.高速铁路高性能混凝土原材料质量管理与控制技术 ;混凝土;2011.2.