兰新二线桥墩防风蚀措施及施工方法

公彦良

(中铁十六局集团第四工程有限公司，北京　101400)



兰新二线桥墩防风蚀措施及施工方法

公彦良

(中铁十六局集团第四工程有限公司，北京101400)

摘要:兰新铁路第二双线新疆段穿越新疆风力最强的五大风区，为了解决风蚀对兰新铁路桥墩混凝土结构的磨蚀问题，经过试验研究兰新铁路第二双线采取了刚柔结合的防风蚀措施。由柔性树脂胶加不锈钢丝网经过多道工序施工，在桥墩表面形成具有较高的压缩与拉伸强度、优良的耐风蚀和磨蚀性能、良好的耐紫外光老化性能及耐气候性的一种刚柔结合复合体，从而实现了桥墩抗风蚀的目标。

关键词:大风区桥墩防风蚀柔性树脂胶钢丝网刚柔复合体

1　风蚀现象和危害

兰新铁路第二双线新疆段(简称兰新二线)由于处于大风沙、大温差等恶劣自然环境下，戈壁滩夏季气候炎热、冬季气候寒冷，混凝土结构面临温差大、干湿循环、风蚀等多种自然因素的作用，对混凝土结构耐久性带来非常不利的影响。

兰新二线桥梁设计中对位于强风区的桥墩适当扩大了范围。位于强风区的桥墩均按照标准［1］规定，碳化环境取T2，磨蚀环境大风区按M2、强风区按M3环境作用等级考虑。墩身混凝土强度等级为C40，保护层厚度为45 mm。在兰新二线桥墩施工过程中，混凝土原材料选取、配合比设计和施工工艺控制均考虑了干燥、大风、大温差的戈壁环境条件［2］，采取了内包保湿土工布外包橡塑板的保温保湿混凝土养护措施［3-6］。在建设期间，发现三十里风区、百里风区等大风区部分桥墩迎风侧混凝土表面受大风沙及温差变化影响仍然发生了严重的风蚀现象。

截至2014年6月份，兰新铁路第二双线全线桥梁施工完成接近三年，桥墩已经经受了六个风季的考验。通过现场检查发现部分地处风区的桥墩迎风面已出现不同程度的风蚀损伤，表面多处出现蜂窝并龟裂，已严重影响桥墩使用寿命。

混凝土的风蚀磨损首先是混凝土表层的砂浆被含砂气流磨损掉，形成表层小缺陷，粗集料因而渐渐凸露出来。凸出的粗集料经冲蚀、磨损，最终被带离砂浆基体或被磨蚀，形成小的空洞，接着砂浆又被磨损掉，下层的粗集料露出，如此反复进行，混凝土不断被磨损。另一方面，在干旱风沙地区施工的混凝土桥梁，在强烈的温差变化和风效应影响下，混凝土的收缩和脆性明显增加，造成混凝土表面出现网状裂纹［7］。风蚀磨损的结果是导致混凝土表面抗侵蚀能力变差，加之护筋厚度不够从而影响了混凝土工程的耐久性。大风区桥墩表面风蚀状态见图1。

图1桥墩表面局部风蚀状态( DK1716 + 940三个泉特大桥)

2　防治措施

为解决兰新铁路第二双线大风区桥墩防风蚀问题，有关科研单位开展了专项的试验研究。试验结果表明:混凝土的基底处理均在一定程度上提高了其表面耐磨性;在处理同种表面时，环氧树脂+聚氨酯涂料的抗冲蚀性能最好，PPG涂料次之，水性硅丙乳液最差［8-9］。通过技术经济比较，确定了兰新铁路第二双线桥墩防风蚀材料。

2. 1抗风蚀机理

桥墩防风蚀材料是由柔性树脂胶加不锈钢丝网经过多道工序组合而成，柔性树脂胶由聚合物乳液和强化渗透组分构成。主要抗风蚀机理:在强化渗透组分的影响下，抗风蚀界面处理材料能深入渗透到既有混凝土中并与混凝土中的游离钙发生持续反应，形成微膨胀的晶体结构，堵塞混凝土表面的微孔隙、微裂隙等微观缺陷。聚合物乳液则与形成的微膨胀晶体以及钢丝网，共同在混凝土表面形成致密疏水的空间网状结构。当风夹杂着砂粒被吹至混凝土表面时，形成的对混凝土表面的切削作用被混凝土表面的网状结构有效阻隔。另外，混凝土表层易被磨损掉的砂浆因聚合物网状结构的作用，其整体性增强，使表面粗集料得到有效保护，难于凸露，并进一步阻止表层砂浆基体形成空洞，达到混凝土表层的抗风蚀磨损效果。

2. 2风蚀等级分类

根据风区调研及现场高性能混凝土桥墩风蚀情况，将风蚀分为风蚀较严重、风蚀严重两类进行风蚀防护。风蚀较严重:风速为＞18 m /s，持续时间＞120 d/年，混凝土结构区域有砂砾源。风蚀严重:风速为＞22 m/s，持续时间＞120 d/年，混凝土结构区域有砂砾源。

2. 3风蚀防护范围

处理范围:根据现场调查研究，决定对风蚀严重和风蚀较严重的桥墩进行风蚀防护。防护高度:

1)根据风区箱梁及T梁的现场调查情况，风沙的主要影响范围在3 m以下，防风蚀处理范围主要在墩身高度的3 m以下部分。

2)根据百里风区槽形梁桥墩的现场调查情况，由于该地区风速较大，同时地表砂源较多，风沙的主要影响范围有所提高，防风蚀处理范围主要在墩身高度的5 m以下部分。

防护方法:防护高度内，采用桥墩表面涂层并贴钢丝网的防护措施，考虑充分发挥钢丝网受拉性能，同时适应多层粘贴的需要，应采用墩身四周全包的防护形式。

2. 4材料选择

新疆风力资源丰富，著名的三十里风区设置了大量的风力发电设施。为防止风沙磨蚀风车立柱和风叶，在风力发电设备外侧涂刷了溶剂型风电涂料。溶剂型风电涂料［10-11］以环氧树脂作为底层，聚氨酯作为面层，因环氧树脂强度高，而聚氨酯韧性好，这种强韧结合的涂层可以吸收大部分的砂粒冲击能量［12］。因此，具有强的抗冲蚀能力，适合于正面迎风区的风蚀防护。这对兰新二线桥墩抗风蚀防护措施选用材料有较好的借鉴作用。

为提高混凝土结构表层的抗风蚀能力，经过现场试验，确定了适合兰新铁路第二双线强风区桥墩防风蚀材料。桥墩防风蚀材料是由柔性树脂胶加不锈钢丝网经过多道工序施工，而形成的具有较高的压缩与拉伸强度、优良的耐风蚀和磨蚀性能、良好的耐紫外光老化性能及耐气候性的一种复合体。

2. 4. 1柔性树脂胶性能

1)柔性树脂胶是由脂肪族环氧树脂及其高性能固化剂、柔性改性剂和不同功能的填料，通过特殊工艺技术生产而成的。

2)柔性树脂特点:①粘附力强。分子中含有极性羟基和醚键，对各种物质具有很高的粘附力。②强度高且柔韧性好，环氧树脂本身强度高，加之添加柔性改性剂使其具有良好的综合力学性能，固化后的强度、韧性、粘接性、耐正负温度性能都良好。③化学稳定性好，具有优良的耐碱性、耐酸性和耐溶剂性。④体积稳定性好。环氧树脂和所用的固化剂的反应是通过直接加成反应或聚合反应来进行的，没有水或其它挥发性副产物放出，具有突出的尺寸稳定性和耐久性。⑤固化方便，几乎可以在0～180℃温度范围内固化。⑥耐紫外光老化性能及耐气候性好。由于脂环族烯烃的双键经环氧化而制得，它们的分子结构是环氧基直接连接在脂环上，故其具有良好的耐紫外光老化性能。

粘结胶性能指标见表1。

表1 WN粘结胶性能指标

2. 4. 2不锈钢丝网规格及性能

不锈钢丝网规格:目数50，丝径0. 203～0. 229 mm，孔径0. 28～0. 31 mm。其耐酸、耐碱、耐高温、耐拉和耐磨性强。

3　施工方法

工艺流程:施工准备→基面清理→柔性稀胶辊涂→柔性稠胶修补→贴钢丝网(共3层)→清理现场。

3. 1施工准备

现场按照安全施工技术交底搭设脚手架，经安全检查合格后方可进行防风蚀施工。

3. 2基面处理

清除混凝土表面油渍、淤泥、浮浆，凿去表面胀裂或松动的混凝土，用高强电动钢丝刷除去混凝土结构表面灰尘、起皮、松砂，再用合金钢砂轮片把模板接缝处凸起棱角磨平，然后用高压水枪或湿毛巾清洁混凝土表面浮尘。处理后混凝土表面应洁净、牢固密实无松动。

3. 3底层柔性稀胶辊涂

基面清理完成，经过报检验收合格后即进行底层柔性稀胶涂刷。在混凝土表面涂刷一层渗透力强的柔性稀胶以增强混凝土与防风材料之间的粘结强度，施工亦可采用刷子涂刷或喷涂，施工现场配备计量设备，严格按照配合比进行。

3. 4柔性稠胶修补

用柔性稠胶修补桥墩因施工缺陷引起的混凝土表面不平、蜂窝、麻面。

3. 5贴钢丝网

在桥墩表面修补后，刮一遍柔性稠胶，将胶刮匀、刮平，钢丝网要根据所贴桥墩断面周长预先裁好，遇到变截面的位置可根据具体情况把钢丝网剪成Λ型口。贴网时起始位置最好选在背风面及桥墩平面位置为宜。贴钢丝网时，钢丝网面一定要拉紧展平，贴上后用塑料刮板慢慢刮匀钢丝网面，使胶均匀从网孔内渗出。钢丝网贴完后，待初凝不粘手后再刷一遍柔性稀胶，起到罩面作用。粘贴3层钢丝网需用7层胶。防护层厚度＞2. 5 mm，平均厚度3 mm。

3. 6现场清理

施工完毕后，清理施工现场，将剩余材料按照相关规定处理，以免造成环境污染。图2为桥墩防风蚀处理完成与1年后对照图。

图2防风蚀措施实施效果对照

4　结语

兰新铁路第二双线桥墩风蚀防护于2014年6月份开始施工，2014年7月份施工完成。施工完成一年后经现场观察，按此方案防护后的桥墩均未再发生风蚀现象。实践证明，采用柔性树脂胶加不锈钢丝网刚柔结合的复合防护措施是强风蚀地区混凝土结构防护的有效方法。

参考文献

［1］中华人民共和国铁道部．铁建设( 2005) 157号铁路混凝土耐久性设计暂行规定［S］．北京:中国铁道出版社，2005．

［2］任高．兰新铁路第二双线新疆段高性能混凝土施工工艺［J］．公路交通科技，2011( 7) : 258-260，270．

［3］张洪川，王起才．兰新铁路大体积混凝土试验墩养护方式优化与分析［J］．工程建设，2011( 6) : 46-49．

［4］范秀君，王起才，林雪．兰新铁路第二双线大温差墩身防裂养护措施研究［J］．西部交通科技，2011( 1) : 75-79．

［5］杨得山，王起才．兰新二线高性能混凝土桥墩抗裂性试验研究［J］．工程建设与设计，2011( 7) : 152-154．

［6］党振峰，郑建锋．强风大温差戈壁环境风蚀高性能混凝土养护施工技术研究［J］．甘肃科技纵横，2011( 2) : 133-137．

［7］杨少军．西北地区铁路桥梁混凝土耐久性研究［J］．铁道标准设计，2007( 5) : 45-47．

［8］王彦平，王起才，居春常．混凝土表面增强处理对抗冲蚀磨损性能的影响［J］．混凝土，2013( 3) : 37-40．

［9］章岩，王起才，张粉芹，等．混凝土抗风蚀磨损表面强化处理材料的对比试验研究［J］．中国铁道科学，2012，33( 3) :43-47．

［10］刘成楼．环氧/丙烯酸/弹性聚酯—聚氨酯抗风沙磨蚀涂料的研制［J］．中国涂料，2009，24( 11) : 13-16．

［11］赵庆军，李莉，姚海龙，等．风力发电机组风机叶片涂料的研究［J］．现代涂料与涂装，2011，14( 4) : 38-40．

［12］HAN Zhiwu，ZHANG Junqiu，GE Chao，et al．Erosion Resistance of Bionic Functional Surfaces Inspired from Desert Scorpions［J］．Langmuir，2012，28( 5) : 2914-2921．

(责任审编赵其文)

Method and measure of wind-erosion prevention for bridge piers on Lanzhou-Xinjiang second railway

GONG Yanliang

( The 4th Engineering Co．，Ltd．of China Railway 16th Bureau Group，Beijing 101400，China)

Abstract:T he second double-track rail line in Xinjiang of Lanzhou-Xinjiang railway crosses five strong wind areas．In order to solve the wind-erosion problem of bridge concrete piers，the measure of rigid-flexible combination of wind-erosion prevention was adopted by test．T he technology is a multistep process，using flexible polyester resin and steel wire webs to make a rigid-flexible composite on the surface of piers．It has high compressive and tensile strength，corrosion and erosion resistance，satisfactory anti-ultraviolet aging and durability，then contribute to winderosion prevention of bridge piers．

Key words:Strong wind areas; Bridge pier; W ind-erosion control; Flexible unsaturated polyester resin; Steel wire web; Rigid-flexible composited body

文章编号:1003-1995( 2016) 02-0043-04

作者简介:公彦良( 1971—)，男，高级工程师。

基金项目:中国铁道建筑总公司科研基金项目( 11-05B)

收稿日期:2015-07-16;修回日期: 2015-11-03

中图分类号:U443．22

文献标识码:A

DOI:10．3969 /j．issn．1003-1995．2016．02．10