鐵路橋梁工程耐久性-氯鹽侵蝕環境防腐措施設計理念

賈劍山（中鐵一院集團新疆鐵道勘察設計院有限公司，新疆 烏魯木齊 郵編：830011）

1 概述

1.1 前言

我國經濟發展跨入21世紀，鐵路也進行了大規模的建設，如何在這種大規模、建設工期緊的條件下，更好的保證各項鐵路橋梁工程的安全、耐久性，就顯得極為重要。

1.2 背景

根據歐美國家橋梁的發展表明，如果在橋梁的設計和建造時期對安全與耐久性考慮不足，將會在橋梁的運營和維護中付出慘重的經濟代價。在我國，也已經出現了許多因耐久性不良而過早報廢的橋梁，如北京西直門立交橋使用僅19年，就因嚴重剝蝕和鋼筋銹蝕破壞等原因于1999年報廢重建。

目前，由于忽視耐久性，在橋梁運營時用于維修將可能耗費數倍于當初這些工程施工建設時的投資。作為一個橋梁工作者，這些教訓應該值得我們借鑒，當下在鐵路大規模的建設中，我們應該思考這樣一個問題：“我國橋梁的發展應該走向何方并采取哪些措施才能盡量避免上述已有的慘重教訓?”

2 鐵路橋梁混凝土的耐久性

鐵路混凝土結構的耐久性應根據結構的設計使用年限、環境類別及其作用等級進行設計。

2.1 根據設計使用年限級別可劃分

表1 使用年限級別劃分

2.2 環境類別及作用等級

鐵路混凝土結構所處環境類別分為碳化、氯鹽、化學侵蝕、鹽類結晶破壞、凍融破壞和磨蝕環境。不同的環境類別又可根據不同的環境程度分為不同的作用等級。

氯鹽侵蝕原理：鹽漬土或巖鹽地區，由于地基土、地下水中含有大量氯離子，離子的滲透會極大地加劇混凝土結構的腐蝕：

1）氯離子的侵入：在水分浸透的同時，由于碳酸氣、氯離子的滲透引起混凝土中性化。

2）鋼筋的腐蝕：由于浸入的水、氣、氯離子等，鋼筋被腐蝕。即使不中性化，鋼筋表層所含磷分，也會使鋼筋發生腐蝕。

3）裂紋的產生：由于鋼筋被腐蝕、體積膨脹（2.5倍），混凝土產生裂紋。

4）強度降低：腐蝕物質從裂紋處進一步浸入，加速鋼筋的腐蝕、體積膨脹，從而降低混凝土強度。

總之，腐蝕會造成混凝土結構的強度降低，大大縮短橋梁的使用壽命。因此采取必要、合理的防腐措施，將制約結構的安全、耐久性使用年限。

3 鐵路橋梁工程耐久性防腐措施

鐵路橋梁工程中，耐久性工程措施主要涉及混凝土原材料的選擇、配合比、結構構造措施及附加防腐措施等：

1）侵蝕原理

研究防腐技術的目的，在于使結構物從投入使用，到內部鋼筋開始銹蝕的時間盡可能的接近設計壽命。完全保證混凝土與氯鹽環境的Cl－隔絕是不可能的。重要的是如何有效控制氯鹽總量限定在規定的范圍之內。依據鋼筋在氯鹽環境中的電化學和腐蝕機理：凡是能有效阻止混凝土PH值下降、保證鋼筋界面上的鈍化膜不活化、維持界面雙電層的電位恒定、避免鋼筋表面去極化的發生，就能夠有效地控制腐蝕的發生，也即防腐技術。

2）防腐措施

（1）增厚結構鋼筋凈保護層

根據環境氯鹽侵蝕程度，合理選用保護層厚度。施工中，選用原材料中所含氯鹽總量控制在限定值之內。大量工程實踐和試驗表明，處于氯鹽環境中的混凝土表面12mm深度內的氯離子濃度遠遠高于25～50mm深度范圍。因此混凝土鋼筋凈保護層的設計厚度應不小于45mm。

（2）優選原材料和阻銹劑

水泥宜選用硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥。這些水泥中的水泥石Ca（OH）2含量低，能夠預防氯鹽對水泥石的溶解和溶出，并防止氯鹽與水泥石發生堿集料反應，以及由此產生的混凝土松散、露骨和脫落。粗骨料應盡量選擇高堿性的碳酸巖碎石（與水泥有高強度的膠結力；形成高堿性的環境，使鋼筋界面的鈍化膜長期處于鈍化態）。細骨料盡量采用級配合理、質地均勻堅固、吸水率低、孔隙率小的天然中粗河砂，以防止海砂帶入氯鹽。同時優選適合本工程的鋼筋阻銹劑，阻止Cl－離子對鋼筋的腐蝕。

（3）采用三組分膠結材料及涂層

降低腐蝕介質對混凝土的滲透性，是防止Cl－進入鋼筋表面最直接的方法之一。通常采用在混凝土中摻加一定量的微硅粉、粉煤灰或磨細礦渣。水泥、微硅粉、粉煤灰稱為三組分膠結材料。由此制成的混凝土，具有極低的滲透性和很高的抗Cl－滲透能力，同時具有低熱、經濟等優點。微硅粉可以提高混凝土的耐磨性，和粉煤灰能有效降低活性集料含量及總堿量，避免堿集料反應發生。此外混凝土表面涂層是防止鋼筋銹蝕的第一道防線，涂層能在一定時期內有效防止腐蝕介質浸入，但因其使用壽命的限制而不能廣泛使用。目前與混凝土壽命匹配的水泥基聚合物涂層、砂漿層成為混凝土表面保護層的首選。

（4）鋼筋保護處理

對鋼筋保護最有效的即為涂刷鋼筋保護模。在氯鹽環境侵蝕程度較為嚴重的地區，往往采用環氧涂層鋼筋：即在普通鋼筋表面制作一層環氧樹脂薄膜保護層的鋼筋，涂層厚度一般在0.15mm-0.30mm。用環氧樹脂粉末以靜電噴涂方法制作：將普通鋼筋表面進行除銹、打毛等處理后加熱到230多攝氏度的高溫，再將帶電的環氧樹脂粉末噴射到鋼筋表面，粉末顆粒吸附在鋼筋表面，并與其熔融結合，經過一定養護固化后便形成一層完整、連續、包裹住整個鋼筋表面的環氧樹脂薄膜保護層。涂層以其不與酸、堿等反應，具有極高的化學穩定性和延性大、干縮小，與金屬表面具有極佳的粘著性的特點，在鋼筋表面形成阻隔其與水分、氧、氯化物或侵蝕性介質接觸的物理屏障，同時，還因其具有阻隔鋼筋與外界電流接觸的功能而被認為是化學電離子防腐屏障。涂層鋼筋目前大多應用于鋼筋混凝土結構，施工技術成熟，同時可大大提高結構的耐久性，當然工程造價會有所增加，但從成本效益分析來看，是十分值得的。

4 工程實例

哈羅鐵路位于新疆維吾爾自治區哈密地區、吐魯番地區和巴音郭楞蒙古自治州境內。本項目北起哈密貨車南環線的哈密南車站，向西上跨南環線后折向南穿哈密盆地，經哈密工業園區、大南湖煤田，沿哈羅公路穿越庫魯塔格低山丘陵區，經羅布泊平原區的羅北區，向西南到達羅中站（羅布泊鎮）。

羅布泊湖積平原區屬第四系晶間孔隙潛水及淺層承壓水，水質極差，主要離子含量為：CL－：16023.4～170248mg/l，PH值：5.90～6.75；多為飽和鹵水，對混凝土工程具有超氯鹽侵蝕性，環境作用等級為L3。 鐵路橋梁在本段落設置時，為保證結構安全、耐久性的實施，需要在結構設計中增加附加防腐措施：

（1）增大結構鋼筋凈保護層厚度。

（2）對所有裸露在外的鋼構件均采用“防腐涂裝體系”；混凝土表面涂刷防腐涂層。以避免地下毛細上升及雨后鹽霧造成結構外露面及各種鋼構件的損壞。

（3）混凝土中添加部分多功能復合外加劑，如：鋼筋阻銹劑，格雷絲纖維等，以增強混凝土自身的抗腐蝕性，增大混凝土的致密性，從而減小施工后混凝土表面的裂縫，降低結構混凝土表面的滲透性。同時澆筑混凝土時，采用透水模板襯里，提高表面混凝土的密實度。

（4）基坑采用浸漬瀝青磚護壁、基底設置隔離層防滲、注漿填塞巖鹽空洞等措施，將基礎與地基土巖鹽隔離從而降低巖鹽和地下鹵水的侵蝕；同時嚴格施工中的工序控制與質量。

該項目2012年11月建成投入使用。經過現場施工，證明了設計中采用的防腐措施切實可行、有效，具有較好的可操作性，滿足結構安全、耐久性的要求，達到了預期的目的，為確保鐵路實際生產效率達到設計能力，使其社會、經濟、技術效益顯著。設計方案以前瞻性的思維、規劃、措施開展設計，為橋涵工程創造有效的措施保障。

目前在工程界，針對鹽湖區的防腐經驗并不很成熟，各種處理措施亦未得到時間上準確的驗證，隨著科技的進步，各種試驗成果的實際應用，必將會日趨完善，以保障結構耐久性的實施。

5 結語

設計階段是整個建設過程中技術含量最高，難度最大，最為關鍵的環節。設計方法、理論的選取將直接關系到鐵路橋梁的建造和使用的安全和耐久(重要工程，其設計使用年限在100年以上。從橋梁全生命周期的綜合造價考慮，應該使設計、施工、運營、維護、維修乃至拆除的綜合費用最低，并且考慮橋梁在使用過程中可能遇到的各種意外事件，使用階段的風險在設計階段就有充分的考慮，能夠更大程度上保證結構的安全和耐久)。

結構各部件的壽命不是完全相同的，因而結構壽命期內功能的保證，必須從設計、施工、材料、檢測、維修、加固整個過程來考慮，保障結構在生命期內的結構可檢性、可換性、可修性、可控、可強性和可持續性。

文章內容并不新鮮，作者只是從目前國內橋梁建設中，對于工程耐久性的部分實施措施做了進一步的剖析，使鐵路工程建設各個部門、單位都來關心工程建設百年大計中的新問題。文中的理解可能偏頗，期望大家討論指正。

[1]《鐵路混凝土結構耐久性設計暫行規定》 鐵建設[2005]157號

[2]《環氧樹脂涂層鋼筋》JG3042-1997

[3]《橋梁工程安全性與耐久性－展望設計理念進展》范立礎 上海公路,2004,01