海洋環(huán)境鐵路橋梁混凝土結構耐久性設計

馮凱

摘 要：文章以某鐵路工程一座特大橋為例，總結海洋環(huán)境下橋梁耐久性設計要點，從提高混凝土材料的密實性及阻隔鋼筋與氯離子的接觸（或阻止鋼筋銹蝕過程中電化學反應的發(fā)生）兩方面入手，探討了提高鋼筋混凝土結構的耐久性的具體措施，以做到工程安全、投資最小。

關鍵詞：海洋環(huán)境 鐵路橋梁 耐久性設計

1.工程概況

某鐵路通道工程付疃河特大橋位于日照市南部沿海地區(qū)，西起高興鎮(zhèn)張小莊村，跨越沈海高速、付疃河，東至海邊日照水產(chǎn)研究所蔡家灘基地。付疃河受海水倒灌影響，根據(jù)石臼港海洋站測站斷面處百年一遇水位3.30m（1985國家高程基準），百年一遇最大波浪高4.361m，設計高水位為2.91m，設計低水位為-2.68m。據(jù)此，采用明渠恒定非均勻流漸變流水面線的計算然后逐段試算法推至付疃河在橋址處百年一遇設計洪水位為6.04m。

2.環(huán)境類別及作用等級的確定

在海洋環(huán)境下，根據(jù)現(xiàn)行《海港工程混凝土結構防腐蝕技術規(guī)范》（JTJ 275-2000）混凝土所處部位分為大氣區(qū)、浪濺區(qū)、水位變動區(qū)、水下區(qū)。

在確定混凝土結構不同部位環(huán)境類別及作用等級前，首先需要計算確定大氣區(qū)、浪濺區(qū)、水位變動區(qū)、水下區(qū)各自上、下界標高。

本橋付疃河內(nèi)243號墩～264號墩、防波堤外302～308號墩，屬于“無掩護條件”的情況，按港工設計水位確定各分區(qū)上、下界標高。

設計高水位時的重現(xiàn)期5 0年H1%（波列累積頻率為1%的波高）波峰面高度η0=4.361m，設計高水位=2.91m，設計低水位=-2.68m。

大氣區(qū)下界=設計高水位+η0+1=8.271m，

浪濺區(qū)下界=設計高水位–η0=–1.451m，

水位變動區(qū)下界=設計低水位–1=–3.68m。

根據(jù)上述分析，可具體劃分出梁部、支座、支承墊石、頂帽（包括托盤、接觸網(wǎng)立柱基礎）、墩臺身、承臺、樁基各部分所處環(huán)境類別及作用等。

3.耐久性技術指標

近海及海洋環(huán)境下混凝土結構中的鋼筋銹蝕主要是由氯離子引起的，為了延遲鋼筋銹蝕發(fā)生的時間或減緩鋼筋銹蝕發(fā)展的速率，就需要盡量減少或減慢氯離子與鋼筋接觸。那么，這就需要盡量提高混凝土的密實性，混凝土密實性的提高將直接影響其抗?jié)B性、抗碳化、抗有害介質侵蝕等耐久性能。結合《鐵路混凝土結構耐久性設計規(guī)范》（TB 10005-2010）的要求，考慮近海及海洋環(huán)境下離子的輸運特性、抗裂性、抗化學腐蝕性等，本橋海洋或近海環(huán)境中（僅環(huán)境作用等級為L3）的混凝土結構采用高性能混凝土。

結合自身特點，以橋墩為例，本工程采用的高性能混凝土耐久性技術指標如下：混凝土設計強度等級 C50；抗凍等級≥F400；含氣量最低限值5%；氣泡間距系數(shù)<300μm；最大水膠比0.36；最小膠凝材料用量360kg/m3；最大膠凝材料用量480kg/m3；膠凝材料總量≥400kg/ m3；粉煤灰摻量>30%；粉煤灰摻量>30%；磨細礦渣粉摻量>50%；坍落度≥120mm；堿含量最大限值2.1kg/m3；氯離子含量最大限值0.1%（占膠凝材料）；氯離子擴散系數(shù)DRCM≤3×10-12 m2/s（28d）；電通量（56d）≤1000C；28d干縮值≤400×10-6。

4.結構構造措施

（1）結構構造設計

選擇隔絕或減輕水、氣等有害介質侵入混凝土，通過設置排水管、滴水溝或將構件頂面做成斜面等措施防止雨水直接與混凝土表面接觸或在表面積聚。

（2）混凝土保護層厚度

混凝土保護層是防止鋼筋銹蝕的第一道屏障，必須保證有足夠的厚度，但同時其厚度亦不能過大而使表面混凝土容易開裂。本工程各部位所采用混凝土保護層最小厚度值如下：梁部50mm；支承墊石50mm；頂帽50mm；墩身60mm；橋墩、橋臺、梁50mm；橋墩、梁45mm；承臺75mm；樁基75mm。

（3）結構表面裂縫寬度控制

混凝土表面裂縫寬度是海洋環(huán)境有害介質侵入混凝土的通道，裂縫寬度越大，有害介質越容易侵入。裂縫周圍的氯離子滲入深度遠大于從表面滲入深度，本次設計裂縫寬度控制在0.2mm（L3環(huán)境中按0.15mm控制）以內(nèi)。

（4）保證耐久性的養(yǎng)護技術參數(shù)

對于處于海中與海水直接接觸的結構，最好使混凝土的齡期達到28d后拆模，避免混凝土過早直接暴露在海水中，特殊情況下至少使混凝土齡期達到14d后才能與海水直接接觸。

5.防腐蝕強化措施的選定

防腐蝕強化措施是指，當采取提高混凝土密實性和增加鋼筋的混凝土保護層厚度等常規(guī)措施仍不足以保證混凝土結構耐久性時，需進一步采取的其他防腐蝕措施。

本項目結合自身特點，經(jīng)初步設計專家審查，海洋環(huán)境下混凝土的防腐蝕強化措施采用了表面涂層和涂層鋼筋兩種方式，具體適用范圍和部位參見表1。需注意，考慮到梁部結構的重要性和維修養(yǎng)護的困難性，L2環(huán)境下亦采用了混凝土表面涂層。

根據(jù)《混凝土橋梁結構表面涂層防腐技術條件》（JT/T 695-2007），按照大氣相對濕度和大氣污染類型將大氣腐蝕環(huán)境分為4種類型：弱腐蝕（Ⅰ）、中腐蝕（Ⅱ）、強腐蝕（Ⅲ-1）、強腐蝕（Ⅲ-2）；按水的類型將浸水區(qū)腐蝕環(huán)境類型分為兩種類型：淡水（Im1）、海水或鹽水（Im2）。本項目各部位所處腐蝕環(huán)境類型見表2。

結合前述不同分區(qū)上、下界標高以及表2對應的腐蝕類型，來確定各分區(qū)混凝土結構表面涂層范圍、技術要求等。本項目所采用防腐技術方案根據(jù)“Ⅲ-2”和“Im2”型腐蝕環(huán)境設計，涂層體系防腐年限按照長效型（H）20年選擇。

環(huán)氧涂層鋼筋為熔融結合環(huán)氧涂層的鋼筋、焊接網(wǎng)和成品鋼筋，其技術要求、試驗方法、檢驗規(guī)則等均應滿足規(guī)范《鋼筋混凝土用環(huán)氧涂層鋼筋》（JT/T 695-2007）中的相關要求。用于制作環(huán)氧涂層的鋼筋和成品鋼筋，其質量應符合《鋼筋混凝土用鋼 第1部分：熱軋光圓鋼筋》（GB∕T 1499.1-2017）、《鋼筋混凝土用鋼 第2部分：熱軋帶肋鋼筋》（GB-T 1499.2-2018）的要求，鋼筋表面不應有毛刺、影響涂層質量的尖角及其他缺陷，并應無油、脂或漆等的污染。

6.結束語

綜上所述，鐵路混凝土結構耐久性設計應根據(jù)工程區(qū)域水文地質條件、氣候條件等，綜合研究判斷混凝土結構所處的環(huán)境作用類別及作用等級，這也是耐久性設計最為重要的第一項工作。同一鐵路混凝土結構的不同部位所處的環(huán)境作用不同時，應根據(jù)具體情況對不同部位所處的環(huán)境類別及作用等級分別進行確定，并采取相應的耐久性技術措施。

參考文獻：

[1]TB 10005-2010，鐵路混凝土結構耐久性設計規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2010.

[2]JT/T 695-2007，混凝土橋梁結構表面涂層防腐技術條件[S].北京：人民交通出版社，2007.

[3]GB/T 25826-2010，鋼筋混凝土用環(huán)氧涂層鋼筋[S].北京：中國標準出版社，2011.