高原山區凍融侵蝕對混凝土橋梁的影響及防護手段

薛飛宇，趙賽輝，劉均利

（1.招商局重慶交通科研設計院有限公司，重慶市 400067；2.重慶建工市政交通工程有限責任公司，重慶市 400021；3.桂林理工大學，廣西　桂林 541004）

0　引言

隨著我國西部基礎建設的發展，西藏高寒地區公路也高速發展。截至2016年底，西藏地區公路總里程達到82 096 km，等級公路里程達71 992 km，占全區公路總里程的88%，比2011年等級公路38 910 km增長了85%；鋪裝路面里程18 378 km，比2011年8 723 km增長了近111%。青藏、川藏、滇藏、新藏四條主要進藏通道將全部實現黑色化，均達到三級及以上等級水平，國道109線青藏公路全線已達到二級公路水平。根據已經實施的《國家公路網規劃（2013—2030年）》和《西藏自治區省道網規劃（2016—2030年）》，西藏境內的普通國道由5條增加至17條，總里程由5 618 km調增至1.46萬km；新的省道布局方案由8條快速路、9條北南縱線、3條東西橫線和20條聯絡線組成，規劃里程約18 018 km，比原省道6 332 km增加11 686 km。國省干線里程均增長了近3倍。

2017年5月，西藏自治區政府發布發展規劃[1]，明確要將國道公路高等級化，形成互聯互通的區內和進出藏大通道，全面實施農村公路精準扶貧攻堅工程，加快邊防公路及邊境地區交通基礎設施建設進程，構建“多點鏈接、沿邊貫通”的邊防公路網絡。

西藏地區地處高原，受到藏中地震帶和喜馬拉雅地震帶的影響，造山運動[2]劇烈，由于第四紀冰川及地表徑流[3]沖刷嚴重，西藏大部分地區溝壑叢生、地形復雜，勢必需要大力發展橋梁。由于西藏高原水量豐富，地表層含水較多，加上高原特有的晝夜溫差大及季節溫差大，形成冬天的凍土層以及季節交替及晝夜交替的凍融循環現象。根據以往公路的建設經驗及研究結果，橋梁凍融循環破壞問題是影響橋梁建設的重要影響因素。

1　混凝土凍融循環破壞機理

混凝土侵蝕破壞機理一般有凍融循環侵蝕、硫酸鹽侵蝕、氯鹽侵蝕等[4]。硫酸鹽侵蝕主要是高鹽地區硫酸鹽和混凝土反應造成強度降低，氯鹽侵蝕一般發生在高氯鹽的海洋環境或鹽湖環境，而凍融循環侵蝕則發生在溫差較大、發生水環境結冰與融化交替的地區。西藏高原地區季節溫差大、晝夜溫差大，甚至在晝夜交替時也會發生水環境結冰與融化交替現象，加上西藏高原礦產豐富、鹽湖眾多，在高鹽區凍融循環侵蝕一般會伴隨硫酸鹽侵蝕和氯鹽侵蝕加劇現象。凍融循環對混凝土結構帶來的損傷是不可逆的。侵蝕過程如下：

當氣溫下降時，混凝土中的游離水及縫隙中的滲透水受凍結冰，由于水結冰的特性——體積膨脹，加上材料的約束作用，冰晶造成的壓力加大，材料細微縫隙被冰晶脹大；當溫度上升時，冰晶融化，冰晶壓力消失，材料細微裂縫縮小。由于混凝土抗拉性差，加上材料劈裂的尖端效應，溫度升高后混凝土裂縫不一定能恢復到原始狀態。經過多次循環升溫—結冰—降溫—融化的凍融循環后，由于混凝土材料疲勞，材料內部裂縫繼續發育，加上混凝土材料的親水性，裂縫擴大后滲透更多的外部水進入結構體，再繼續凍融循環過程，裂縫繼續發育，并由表層向深層發展，引起混凝土結構強度降低、耐久性下降，最后發生結構破壞。部分高鹽地區地下水含有大量的硫酸鹽和氯鹽，通過裂縫加大和混凝土的接觸面，加劇了結構材料劣化的速度。在結構強度和耐久性下降到一定程度后，在外力和自身破壞的雙重作用下，構件失效，造成重大安全事故。

2　凍融循環作用對混凝土橋梁結構耐久性的影響

高原山區交通建設不但地處凍融循環地區，而且會穿越礦區及鹽湖，加劇混凝土凍融循環破壞作用，由此可知，凍融循環作用對高原山區混凝土橋梁結構耐久性的影響顯著。

許玉琢等研究[5]表明，混凝土凍融循環累積損傷的損傷度是凍融循環次數的函數，凍融循環次數增加，混凝土的相對動彈性模量損失率增加，C30相對C40和C50增加得快，指數模型與乘冪模型的選取根據擬合曲線的相關系數大的精度高，如圖1所示。研究表明凍融循環作用后混凝土力學性能衰減較快。

圖1　混凝土損傷度模型曲線

混凝土材料劣化及損傷是一個復雜而緩慢的化學和物理過程，影響高原山區混凝土橋梁耐久性的各因素是相互關聯、相互影響的。凍融循環破壞造成高原山區混凝土橋梁耐久性失效的主要類型為混凝土裂縫破壞，裂縫破壞加劇了混凝土鹽類劣化程度，并把鋼筋等主要構件暴露在外部腐蝕環境之中。循環往復，加速了結構破壞的進程。

凍融循環破壞對高原山區混凝土橋梁耐久性的影響主要為對下部結構的影響（見圖2）。橋梁的混凝土橋墩和樁基部分位置處于地表水或地下水結冰范圍，由于溫度變化，水面不斷往復發生結冰—融化的過程，造成混凝土凍融循環破壞。在西藏高原橋梁普查中，大部分處于凍融循環破壞區域的橋梁混凝土下部結構，運營10年左右都會出現凍融循環破壞現象。

圖2　橋梁下部結構凍融破壞圖

高原山區橋梁混凝土下部結構的凍融循環破壞表現為裂縫加寬，表層混凝土脫落，鋼筋外露并銹蝕，結構有效受力面積減小。混凝土橋墩及基礎的凍融循環破壞現象輕則降低承載力，產生結構隱患，重則構件失效，達到屈服狀態，造成安全事故。

3　橋梁針對凍融的保護措施

針對凍融對結構的破壞機理，西藏高原混凝土橋梁結構應做好應對措施。目前應對凍融現象一般采取以下幾種手段：

（1）優化混凝土材料。這種方法主要通過提高混凝土標號，采用優質骨料、優質粉煤灰，采用較小水灰比來降低毛細孔率[6-7]，以及添加抗鹽腐蝕添加劑等方法，改善混凝土特性以應對凍融現象。

（2）鋼護筒保護法。此方法多適用于圓形結構物，例如圓形橋墩和樁基。在溫度降低或升高時，鋼護筒能提供額外的約束作用，并在一定程度上把混凝土和外部水環境隔絕，減少混凝土外部滲透水，降低混凝土內冰晶數量，減小裂縫的擴展和產生。

（3）增大額外消耗法。增大額外消耗一般指處于凍融循環區域的混凝土橋墩和樁基增加混凝土保護層，或增設素混凝土保護層，延長凍融破壞作用蔓延到核心部位的過程。通過消耗保護層的方法，延緩凍融造成構件失效的時間。通過定期對消耗層的補充，可有效保護主要構件不受凍融影響。

（4）熱力管法。此方法一般采用增加熱力管融冰和隔熱層的方式應對凍融現象。張登春等人[8]通過建立數值模型對比分析了不同間距熱力管融冰熱量傳遞規律和增加隔熱層后熱力管所能達到的融冰能力，認為增加熱力管融冰和隔熱層有利于緩解凍融現象造成的破壞情況。

4　工程實例

4.1　工程背景

西藏拉薩某快速通道項目線路全長約50.366 km，起點位于拉薩市達孜縣德慶鎮，設置達孜樞紐互通與林拉公路工程相銜接，利用拉薩至山南地區的古道為走廊帶，沿多雄朗溝道經念喀、新倉、仲莎、拿嘎穿過圭嘎拉山，經過聶果村、前達村，終點止于山南地區扎囊縣桑耶鎮，與即將實施的曲乃公路工程相銜接。該項目采用一級公路技術標準建設，分別采用60 km/h、80 km/h兩種設計速度，路基寬度23.5 m。

4.2　工程環境分析

該項目線路區主要地貌以中高山、山麓坡積洪積扇群為主，其中坡積洪積扇區域地表溝谷發育，含水介質類型多，路基段和橋梁段內廣泛分布的片巖等相對隔水層，控制了區域的地下水分布，使區內含水類型少，主要分布于地表淺部的基本特征。根據區內地層巖性組合及地下水賦存條件，路線走廊帶內地下水含水介質類型可分為松散巖類孔隙水含水巖組、基巖裂隙孔隙水含水巖組兩種類型。

線路區地下水主要接受大氣降水及冰雪融化的補給，地下水的補給條件受季節影響較大。線路區大部分位于中高山，地勢較陡，地形坡度較大，侵蝕基準面低，有利于地下水的徑流和排泄。地下水在接受補給后，經短距離運移，一部分在斜坡中下部地形低洼處以泉點的形式排泄掉；而另一部分由于線路與構造跡線大角度或正交，地層中巖性復雜（含水層與隔水層相間），形成相對的貧富含水層，深部地下水受地層巖性夾持而沿構造跡線方向運移，并在橫切地質構造的溪溝處以泉等進行排泄。地表水、地下水水化學類型一般為Ca（Na）型水，對混凝土及混凝土中的鋼筋具微腐蝕性。

線路區氣候以干燥、缺氧、溫差大、日照充足為特征，屬高原溫帶半干旱氣候區，干濕季分明，高原氣候特征明顯。全年平均相對濕度45%，年平均氣溫10.6℃，年降水量453.9 mm。11月到次年1月為冬季，氣候干燥寒冷，多積雪和冰凍，最大凍土深度0.19 m，平均相對濕度28%。年均水面蒸發量1 369.2 mm，極端最高氣溫29.5℃，月極端最低氣溫-17℃。

4.3　凍融作用分析

該地地表水位變化大，地表層含水量豐富、溫差大，并有凍土層，對混凝土結構有凍融破壞作用。周圍環境及地下水化學物質屬于低鹽屬性，對混凝土及混凝土中的鋼筋具微腐蝕性，可不把混凝土鹽反應劣化作為重點考慮對象。

該項目有大橋、特大橋10座，共計16.597 km，橋梁結構為混凝土結構，鉆孔灌注樁，部分橋梁處于河道中間，地下水與地表水豐富，受氣候影響會在水表面形成較強凍融反應，應對該項目橋梁進行凍融破壞防護處理。

4.4　橋梁防凍融措施

設計組根據西藏高原凍融特點，對項目中橋梁樁基和橋墩進行抗凍融循環破壞處理：

（1）提高樁基和橋墩的設計富裕度，減小凍融破壞對結構承載力的危害。

（2）利用高標號混凝土對凍融循環破壞的損失率低的特性，提高下部結構混凝土標號，達到結構抵抗凍融循環的目的。

（3）為延緩凍融對受力結構的影響，加大樁基及橋墩底部的鋼筋保護層厚度。

（4）在凍融區采用外包10～20 cm素混凝土結構形式，加大凍融破壞的消耗量，以延緩凍融對主要構件的破壞作用。

（5）保留樁基施工時的鋼護筒，隔絕外部水源滲透入結構內部的路徑，減少凍融破壞。

（6）為保證混凝土樁基施工質量，采用水下混凝土，但普通水下混凝土要求塌落度大、水灰比大，為控制凍融區混凝土毛細孔率較小，在混凝土樁頭5 m范圍要求使用減水劑。

（7）采用優質骨料和優質混凝土，并加強對骨料大小的控制，嚴格水灰比，控制混凝土表面裂縫初步發育。

（8）加強后期巡檢和維護，對凍融消耗層應及時清表和補充，保證運行安全。

5　結語

通過對凍融機理的分析，以及凍融發生環境的論述，針對處于凍融循環區的高原山區混凝土橋梁結構，采用合理的方式進行結構處理可有效隔斷和減少產生凍融的外部滲水，以及降低內部孔隙率和游離水含量，減少凍融破壞的發生及凍融作用對結構的影響。目前項目運行兩年，通過凍融循環破壞測點，未發現凍融循環破壞造成的裂縫擴張現象，隨著時間的推移，項目組計劃加強對凍融循環破壞測點的觀測，進一步驗證防護措施的可行性。