《铁路混凝土结构耐久性设计规范》内容简介

2011-05-30李化建谢永江

铁道标准设计 2011年8期

李化建，谢永江

(1.中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京 100081;2.高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京 100081)

混凝土结构是当今铁路工程应用最广泛的结构形式。过去，混凝土结构主要被应用于铁路桥梁、涵洞和隧道工程。随着“以桥代路”设计理念在青藏铁路多年冻土工程中的成功实践［1］，以及无砟轨道结构在高速铁路与客运专线的大规模应用，混凝土结构在铁路工程中的应用范围已被大大拓展了。不过，由于铁路工程结构具有条带状分布、处于露天服役环境、承受疲劳荷载作用以及要求高运营安全性的特点，决定了铁路混凝土结构耐久性的特殊性和复杂性［2］。为规范铁路混凝土结构耐久性设计，保证铁路混凝土结构在设计使用年限内安全服役，铁道部颁布了《铁路混凝土结构耐久性设计暂行规定》(铁建设［2005］157号)［3］，该暂行规定的实施标志着我国铁路混凝土工程进入了按使用寿命的设计时代。该规范的实施对指导铁路各专业的结构设计、确保铁路工程质量起到了重要的指导作用。但随着新材料、新技术、新工艺在高速铁路工程中的不断出现，以及与混凝土结构耐久性相关规范的修改，《铁路混凝土结构耐久性设计暂行规定》有些条文无法满足铁路工程的需要。根据铁道部《2009年铁路工程建设标准编制计划》(铁建设函［2009］34号)的要求，在对《铁路混凝土结构耐久性设计暂行规定》进行全面修订的基础上，铁科院主持编制了《铁路混凝土结构耐久性设计规范》(TB 10005—2010)［4］，现已颁布实施。本文主要介绍《铁路混凝土结构耐久性设计规范》的定位、编制原则、主要内容。

1 标准定位

《铁路混凝土结构耐久性设计规范》适用于铁路混凝土结构在碳化环境、氯盐环境、化学侵蚀环境、盐类结晶破坏环境、冻融破坏环境以及磨蚀环境等环境作用下的耐久性设计，确定了铁路混凝土结构物耐久性设计应遵循的原则，包括了桥涵、隧道、路基支挡、无砟轨道和小型构件等。因此，该规范的定位为统领和指导铁路各专业结构的耐久性设计。围绕该规范的定位，《铁路混凝土结构耐久性设计规范》立足于实现铁路混凝土结构耐久性设计规范与各专业规范的有机衔接，在满足结构耐久性的前提下兼顾混凝土结构的技术经济性。

2 编制原则

在《铁路混凝土结构耐久性设计规范》的编制过程中始终贯彻“继承性、创新性、适用性和经济性”的原则。

2.1 继承性

《铁路混凝土结构耐久性设计规范》的编制是以《铁路混凝土结构设计暂行规定》、《客运专线高性能混凝土技术条件》(科技基［2005］101号)、《铁路混凝土工程施工技术指南》(TZ210—2005)以及各标准局部修订条文为蓝图，合理吸纳铁路各专业标准中与结构耐久性设计相关的内容，综合我国铁路工程混凝土结构耐久性设计方面的实践经验。

2.2 创新性

《铁路混凝土结构耐久性设计规范》吸纳了《高性能混凝土耐久性现场快速检测技术》、《高速铁路高性能混凝土耐久性技术措施及检测评定技术研究》、《寒区铁路混凝土结构耐久性技术研究》等最新研究成果;借鉴了国内外铁路建设的实际经验以及最新标准规范，如《混凝土结构耐久性设计规范》(GB/T 50476—2008)、《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T 50082—2009)、《Guide to Durable Concrete 》(ACI 208.2R—2008)、《Concrete-Part 1:Specification，performance，production and conformity》(DIN EN 206—1—2001)、《Proposed recommendation on durability design for concrete structure》(JCSE—1990)、Durability design of concrete structure(RILEM)等。该规范的创新性主要体现在以下几个方面。

(1)以结构耐久性为主线，以设计主要内容为框架，涵盖了设计使用年限、环境、混凝土、裂缝、构造措施、防腐蚀强化措施以及检测与维修等。每部分内容独立成章，方便设计者选择。

(2)以作用环境作为分类依据，提出基于环境作用的混凝土耐久性评价指标、原材料要求、混凝土要求、基于裂缝的施工过程关键参数以及裂缝宽度控制要求等。

(3)以结构部位为分类依据，提出了不同结构与耐久性相关的构造措施要求。

(4)选择更能客观评价混凝土耐久性的指标，如氯盐环境下选择氯离子渗透系数、化学侵蚀环境下选择胶凝材料56 d抗蚀系数、盐类结晶破坏环境下选择抗硫酸盐干湿循环次数、冻融破坏环境下增加了气泡间距系数。

(5)引入铁路混凝土结构耐久性设计全过程控制理念，即源头把关(原材料、配合比设计)、过程控制(施工、浇筑与养护等)以及检查与维修等。

(6)拓展了配合比参数的内涵，增加了自密实混凝土的胶凝材料最大用量要求、不同环境下矿物掺和料种类及掺量要求、冻融破坏环境下和严重盐类结晶破坏环境下混凝土的含气量要求等。

(7)增加了无砟轨道结构和小型构件方面的内容，如CRTSⅠ/Ⅱ型轨道板、双块式轨枕、道床板和底座等与耐久性相关的构造内容。

(8)明确了严重腐蚀环境下混凝土结构可选择的防腐蚀强化措施。

2.3 适用性

《铁路混凝土结构耐久性设计规范》是在广泛征求路内外设计院、施工单位、监理单位、研究院所以及高校意见的基础上，综合考虑铁路建设过程中突出的共性问题以及特殊结构的个别问题编制而成，更能有效地指导铁路混凝土结构的设计。

(1)从铁路工程现场所遇到的实际问题出发，该规范能有效地解决现场问题，如为了考虑可操作性，将灌注桩和隧道衬砌混凝土的最低抗压强度等级进行适当调整。

(2)以铁路目前技术水平为基础，在原材料要求以及混凝土材料指标方面采用数理统计的方法来科学确定。

(3)兼顾了铁路混凝土结构的通用性以及特殊铁路的特殊性。在设计使用年限级别中规定了“有特殊要求的铁路混凝土结构的设计使用年限可结合实际情况确定”的条文。

(4)不同作用环境以及作用等级选择了不同的耐久性评价指标，提出了原材料、混凝土材料等特殊要求。

2.4 经济性

《铁路混凝土结构耐久性设计规范》在满足结构耐久性的前提下，在设计适用年限、原材料选择、配合比参数确定以及构造措施等方面力求铁路工程的经济性。

(1)设计使用年限要兼顾铁路工程特点，对于厂区铁路、地方铁路以及特别重要的铁路应区别对待。

(2)原材料选择力求基于地方资源，尽量做到物尽其用。如增加了对于无抗拉和疲劳要求的C40以下强度等级混凝土可采用卵石的条文。

3 主要内容

本规范共分9章，主要内容包括:总则、术语、基本规定、环境、混凝土、裂缝控制、构造措施、防腐蚀强化措施和检查与维修，另有3个附录，即水泥或胶凝材料抗硫酸盐侵蚀性能快速检测方法、矿物掺和料及外加剂抑制碱-骨料反应有效性检测方法以及硬化混凝土气泡间距系数检测方法(直线导线法)。

(1)适用范围

本规范的适用范围限定于由普通混凝土施工而成的铁路混凝土结构在常见环境作用下的耐久性设计。其原因为，特种混凝土(轻骨料混凝土、纤维混凝土、压蒸混凝土等)在环境作用下的劣化机理、劣化速度和配合比设计不同于普通混凝土，其结构耐久性设计应参考相应的标准规范。常见环境是指铁路工程会经常遇到的，且能够形成区域性的气候、土壤以及环境水等环境，常见环境不包括极端恶劣自然环境和有机污水、微生物腐蚀等环境。

(2)设计原则

铁路混凝土结构耐久性设计原则应充分考虑铁路混凝土行业特点以及高性能混凝土所暴露出的问题，确定了结构具有足够的承载能力和良好的抗裂性为耐久性设计的前提。考虑到铁路混凝土结构承受疲劳荷载，耐久性设计时应充分考虑混凝土的收缩和徐变对预应力混凝土结构(如预应力梁、轨道板、轨枕、接触网支柱等)的预应力(度)的影响。

(3)设计使用年限

设计使用年限分为100年、60年和30年3个级别，并对有特殊要求的铁路和铁路房屋建筑结构提出了单独的要求，如表1所示。

表1 铁路混凝土结构设计使用年限

(4)环境类别

铁路工程作用环境由五类环境变化为六类环境，即碳化环境、氯盐环境、化学侵蚀环境、盐类结晶破坏环境、冻融破坏环境和磨蚀环境，增加了盐类结晶破坏环境。其原因为盐类结晶破坏速度快、破坏程度严重，应引起特别关注。盐类结晶破坏腐蚀机理不同于化学侵蚀破坏，主要由盐类结晶力所导致结构的物理破坏，而化学侵蚀是由于硫酸盐与水泥水化产物发生体积膨胀、或无粘结作用的物质，使混凝土结构破坏。另外，提高盐类结晶破坏技术措施与其他侵蚀环境不同。因此，增加“盐类结晶破坏环境”。

(5)混凝土

以矿渣和粉煤灰为代表的矿物掺和料能够赋予混凝土高工作性能、高耐久性、高体积稳定性，因此，矿物掺和料已经成为铁路混凝土的必要组分。考虑到矿物掺和料对混凝土力学性能的影响，在碳化环境、冻融破坏环境、盐类结晶破坏环境以及磨蚀环境下，规定了矿物掺和料掺量最大值。粉煤灰、矿渣等矿物掺和料能够显著提高混凝土的抗氯离子渗透性和抗硫酸盐侵蚀性能，对于氯盐环境和化学侵蚀环境下的铁路混凝土必须添加矿物掺和料，因此，规定了氯盐环境和化学侵蚀环境下矿物掺和料的适宜范围，如表2所示。

针对铁路工程混凝土结构可能面临作用环境，结合不同环境下混凝土腐蚀机理，提出了如表3所示的混凝土耐久性评价指标。

(6)裂缝

表2 不同环境下混凝土中矿物掺和料掺量范围%

表3 混凝土耐久性评价指标

在结构耐久性设计中强调混凝土抗裂性是结构耐久性设计的关键，提出了全过程(表面裂缝宽度计算、施工过程)实现对混凝土裂缝进行控制，将裂缝控制单独一章。分环境类别和作用等级，提出了混凝土结构表面裂缝计算宽度限值要求。完善了预防混凝土开裂的施工过程控制关键参数，增加了大风极端干燥环境下混凝土养护时间要求。

(7)构造措施

为有针对性地指导铁路工程不同结构的耐久性设计，实现混凝土结构耐久性设计规范与各专业规范的有机衔接，细化了桥涵、隧道和路基与耐久性相关的构造措施。为适应无砟轨道结构设计的需要以及确保小型构件的质量，增加从抗疲劳、绝缘措施、保护层厚度等方面对轨道结构提出了要求。

(8)防腐蚀强化措施

在严重腐蚀环境下，仅靠提高混凝土保护层材料的质量与厚度，无法保证结构在设计使用年限内安全服役，必须采取一种或多种防腐蚀强化措施。当混凝土结构处于严重腐蚀环境(L3、H4、Y4、D4、M3)时，应根据工程的具体情况，对混凝土结构采取一种或多种防腐蚀强化措施。不同环境下铁路混凝土结构防腐蚀强化措施可按表4选择。