铁路桥梁工程耐久性-氯盐侵蚀环境防腐措施设计理念

贾剑山（中铁一院集团新疆铁道勘察设计院有限公司，新疆 乌鲁木齐 邮编：830011）

1 概述

1.1 前言

我国经济发展跨入21世纪，铁路也进行了大规模的建设，如何在这种大规模、建设工期紧的条件下，更好的保证各项铁路桥梁工程的安全、耐久性，就显得极为重要。

1.2 背景

根据欧美国家桥梁的发展表明，如果在桥梁的设计和建造时期对安全与耐久性考虑不足，将会在桥梁的运营和维护中付出惨重的经济代价。在我国，也已经出现了许多因耐久性不良而过早报废的桥梁，如北京西直门立交桥使用仅19年，就因严重剥蚀和钢筋锈蚀破坏等原因于1999年报废重建。

目前，由于忽视耐久性，在桥梁运营时用于维修将可能耗费数倍于当初这些工程施工建设时的投资。作为一个桥梁工作者，这些教训应该值得我们借鉴，当下在铁路大规模的建设中，我们应该思考这样一个问题：“我国桥梁的发展应该走向何方并采取哪些措施才能尽量避免上述已有的惨重教训?”

2 铁路桥梁混凝土的耐久性

铁路混凝土结构的耐久性应根据结构的设计使用年限、环境类别及其作用等级进行设计。

2.1 根据设计使用年限级别可划分

表1 使用年限级别划分

2.2 环境类别及作用等级

铁路混凝土结构所处环境类别分为碳化、氯盐、化学侵蚀、盐类结晶破坏、冻融破坏和磨蚀环境。不同的环境类别又可根据不同的环境程度分为不同的作用等级。

氯盐侵蚀原理：盐渍土或岩盐地区，由于地基土、地下水中含有大量氯离子，离子的渗透会极大地加剧混凝土结构的腐蚀：

1）氯离子的侵入：在水分浸透的同时，由于碳酸气、氯离子的渗透引起混凝土中性化。

2）钢筋的腐蚀：由于浸入的水、气、氯离子等，钢筋被腐蚀。即使不中性化，钢筋表层所含磷分，也会使钢筋发生腐蚀。

3）裂纹的产生：由于钢筋被腐蚀、体积膨胀（2.5倍），混凝土产生裂纹。

4）强度降低：腐蚀物质从裂纹处进一步浸入，加速钢筋的腐蚀、体积膨胀，从而降低混凝土强度。

总之，腐蚀会造成混凝土结构的强度降低，大大缩短桥梁的使用寿命。因此采取必要、合理的防腐措施，将制约结构的安全、耐久性使用年限。

3 铁路桥梁工程耐久性防腐措施

铁路桥梁工程中，耐久性工程措施主要涉及混凝土原材料的选择、配合比、结构构造措施及附加防腐措施等：

1）侵蚀原理

研究防腐技术的目的，在于使结构物从投入使用，到内部钢筋开始锈蚀的时间尽可能的接近设计寿命。完全保证混凝土与氯盐环境的Cl－隔绝是不可能的。重要的是如何有效控制氯盐总量限定在规定的范围之内。依据钢筋在氯盐环境中的电化学和腐蚀机理：凡是能有效阻止混凝土PH值下降、保证钢筋界面上的钝化膜不活化、维持界面双电层的电位恒定、避免钢筋表面去极化的发生，就能够有效地控制腐蚀的发生，也即防腐技术。

2）防腐措施

（1）增厚结构钢筋净保护层

根据环境氯盐侵蚀程度，合理选用保护层厚度。施工中，选用原材料中所含氯盐总量控制在限定值之内。大量工程实践和试验表明，处于氯盐环境中的混凝土表面12mm深度内的氯离子浓度远远高于25～50mm深度范围。因此混凝土钢筋净保护层的设计厚度应不小于45mm。

（2）优选原材料和阻锈剂

水泥宜选用硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥。这些水泥中的水泥石Ca（OH）2含量低，能够预防氯盐对水泥石的溶解和溶出，并防止氯盐与水泥石发生碱集料反应，以及由此产生的混凝土松散、露骨和脱落。粗骨料应尽量选择高碱性的碳酸岩碎石（与水泥有高强度的胶结力；形成高碱性的环境，使钢筋界面的钝化膜长期处于钝化态）。细骨料尽量采用级配合理、质地均匀坚固、吸水率低、孔隙率小的天然中粗河砂，以防止海砂带入氯盐。同时优选适合本工程的钢筋阻锈剂，阻止Cl－离子对钢筋的腐蚀。

（3）采用三组分胶结材料及涂层

降低腐蚀介质对混凝土的渗透性，是防止Cl－进入钢筋表面最直接的方法之一。通常采用在混凝土中掺加一定量的微硅粉、粉煤灰或磨细矿渣。水泥、微硅粉、粉煤灰称为三组分胶结材料。由此制成的混凝土，具有极低的渗透性和很高的抗Cl－渗透能力，同时具有低热、经济等优点。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总碱量，避免碱集料反应发生。此外混凝土表面涂层是防止钢筋锈蚀的第一道防线，涂层能在一定时期内有效防止腐蚀介质浸入，但因其使用寿命的限制而不能广泛使用。目前与混凝土寿命匹配的水泥基聚合物涂层、砂浆层成为混凝土表面保护层的首选。

（4）钢筋保护处理

对钢筋保护最有效的即为涂刷钢筋保护模。在氯盐环境侵蚀程度较为严重的地区，往往采用环氧涂层钢筋：即在普通钢筋表面制作一层环氧树脂薄膜保护层的钢筋，涂层厚度一般在0.15mm-0.30mm。用环氧树脂粉末以静电喷涂方法制作：将普通钢筋表面进行除锈、打毛等处理后加热到230多摄氏度的高温，再将带电的环氧树脂粉末喷射到钢筋表面，粉末颗粒吸附在钢筋表面，并与其熔融结合，经过一定养护固化后便形成一层完整、连续、包裹住整个钢筋表面的环氧树脂薄膜保护层。涂层以其不与酸、碱等反应，具有极高的化学稳定性和延性大、干缩小，与金属表面具有极佳的粘着性的特点，在钢筋表面形成阻隔其与水分、氧、氯化物或侵蚀性介质接触的物理屏障，同时，还因其具有阻隔钢筋与外界电流接触的功能而被认为是化学电离子防腐屏障。涂层钢筋目前大多应用于钢筋混凝土结构，施工技术成熟，同时可大大提高结构的耐久性，当然工程造价会有所增加，但从成本效益分析来看，是十分值得的。

4 工程实例

哈罗铁路位于新疆维吾尔自治区哈密地区、吐鲁番地区和巴音郭楞蒙古自治州境内。本项目北起哈密货车南环线的哈密南车站，向西上跨南环线后折向南穿哈密盆地，经哈密工业园区、大南湖煤田，沿哈罗公路穿越库鲁塔格低山丘陵区，经罗布泊平原区的罗北区，向西南到达罗中站（罗布泊镇）。

罗布泊湖积平原区属第四系晶间孔隙潜水及浅层承压水，水质极差，主要离子含量为：CL－：16023.4～170248mg/l，PH值：5.90～6.75；多为饱和卤水，对混凝土工程具有超氯盐侵蚀性，环境作用等级为L3。 铁路桥梁在本段落设置时，为保证结构安全、耐久性的实施，需要在结构设计中增加附加防腐措施：

（1）增大结构钢筋净保护层厚度。

（2）对所有裸露在外的钢构件均采用“防腐涂装体系”；混凝土表面涂刷防腐涂层。以避免地下毛细上升及雨后盐雾造成结构外露面及各种钢构件的损坏。

（3）混凝土中添加部分多功能复合外加剂，如：钢筋阻锈剂，格雷丝纤维等，以增强混凝土自身的抗腐蚀性，增大混凝土的致密性，从而减小施工后混凝土表面的裂缝，降低结构混凝土表面的渗透性。同时浇筑混凝土时，采用透水模板衬里，提高表面混凝土的密实度。

（4）基坑采用浸渍沥青砖护壁、基底设置隔离层防渗、注浆填塞岩盐空洞等措施，将基础与地基土岩盐隔离从而降低岩盐和地下卤水的侵蚀；同时严格施工中的工序控制与质量。

该项目2012年11月建成投入使用。经过现场施工，证明了设计中采用的防腐措施切实可行、有效，具有较好的可操作性，满足结构安全、耐久性的要求，达到了预期的目的，为确保铁路实际生产效率达到设计能力，使其社会、经济、技术效益显著。设计方案以前瞻性的思维、规划、措施开展设计，为桥涵工程创造有效的措施保障。

目前在工程界，针对盐湖区的防腐经验并不很成熟，各种处理措施亦未得到时间上准确的验证，随着科技的进步，各种试验成果的实际应用，必将会日趋完善，以保障结构耐久性的实施。

5 结语

设计阶段是整个建设过程中技术含量最高，难度最大，最为关键的环节。设计方法、理论的选取将直接关系到铁路桥梁的建造和使用的安全和耐久(重要工程，其设计使用年限在100年以上。从桥梁全生命周期的综合造价考虑，应该使设计、施工、运营、维护、维修乃至拆除的综合费用最低，并且考虑桥梁在使用过程中可能遇到的各种意外事件，使用阶段的风险在设计阶段就有充分的考虑，能够更大程度上保证结构的安全和耐久)。

结构各部件的寿命不是完全相同的，因而结构寿命期内功能的保证，必须从设计、施工、材料、检测、维修、加固整个过程来考虑，保障结构在生命期内的结构可检性、可换性、可修性、可控、可强性和可持续性。

文章内容并不新鲜，作者只是从目前国内桥梁建设中，对于工程耐久性的部分实施措施做了进一步的剖析，使铁路工程建设各个部门、单位都来关心工程建设百年大计中的新问题。文中的理解可能偏颇，期望大家讨论指正。

[1]《铁路混凝土结构耐久性设计暂行规定》 铁建设[2005]157号

[2]《环氧树脂涂层钢筋》JG3042-1997

[3]《桥梁工程安全性与耐久性－展望设计理念进展》范立础 上海公路,2004,01