《鐵路混凝土結構耐久性設計規范》內容簡介

李化建，謝永江

(1.中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，北京 100081;2.高速鐵路軌道技術國家重點實驗室，北京 100081)

混凝土結構是當今鐵路工程應用最廣泛的結構形式。過去，混凝土結構主要被應用于鐵路橋梁、涵洞和隧道工程。隨著“以橋代路”設計理念在青藏鐵路多年凍土工程中的成功實踐［1］，以及無砟軌道結構在高速鐵路與客運專線的大規模應用，混凝土結構在鐵路工程中的應用范圍已被大大拓展了。不過，由于鐵路工程結構具有條帶狀分布、處于露天服役環境、承受疲勞荷載作用以及要求高運營安全性的特點，決定了鐵路混凝土結構耐久性的特殊性和復雜性［2］。為規范鐵路混凝土結構耐久性設計，保證鐵路混凝土結構在設計使用年限內安全服役，鐵道部頒布了《鐵路混凝土結構耐久性設計暫行規定》(鐵建設［2005］157號)［3］，該暫行規定的實施標志著我國鐵路混凝土工程進入了按使用壽命的設計時代。該規范的實施對指導鐵路各專業的結構設計、確保鐵路工程質量起到了重要的指導作用。但隨著新材料、新技術、新工藝在高速鐵路工程中的不斷出現，以及與混凝土結構耐久性相關規范的修改，《鐵路混凝土結構耐久性設計暫行規定》有些條文無法滿足鐵路工程的需要。根據鐵道部《2009年鐵路工程建設標準編制計劃》(鐵建設函［2009］34號)的要求，在對《鐵路混凝土結構耐久性設計暫行規定》進行全面修訂的基礎上，鐵科院主持編制了《鐵路混凝土結構耐久性設計規范》(TB 10005—2010)［4］，現已頒布實施。本文主要介紹《鐵路混凝土結構耐久性設計規范》的定位、編制原則、主要內容。

1 標準定位

《鐵路混凝土結構耐久性設計規范》適用于鐵路混凝土結構在碳化環境、氯鹽環境、化學侵蝕環境、鹽類結晶破壞環境、凍融破壞環境以及磨蝕環境等環境作用下的耐久性設計，確定了鐵路混凝土結構物耐久性設計應遵循的原則，包括了橋涵、隧道、路基支擋、無砟軌道和小型構件等。因此，該規范的定位為統領和指導鐵路各專業結構的耐久性設計。圍繞該規范的定位，《鐵路混凝土結構耐久性設計規范》立足于實現鐵路混凝土結構耐久性設計規范與各專業規范的有機銜接，在滿足結構耐久性的前提下兼顧混凝土結構的技術經濟性。

2 編制原則

在《鐵路混凝土結構耐久性設計規范》的編制過程中始終貫徹“繼承性、創新性、適用性和經濟性”的原則。

2.1 繼承性

《鐵路混凝土結構耐久性設計規范》的編制是以《鐵路混凝土結構設計暫行規定》、《客運專線高性能混凝土技術條件》(科技基［2005］101號)、《鐵路混凝土工程施工技術指南》(TZ210—2005)以及各標準局部修訂條文為藍圖，合理吸納鐵路各專業標準中與結構耐久性設計相關的內容，綜合我國鐵路工程混凝土結構耐久性設計方面的實踐經驗。

2.2 創新性

《鐵路混凝土結構耐久性設計規范》吸納了《高性能混凝土耐久性現場快速檢測技術》、《高速鐵路高性能混凝土耐久性技術措施及檢測評定技術研究》、《寒區鐵路混凝土結構耐久性技術研究》等最新研究成果;借鑒了國內外鐵路建設的實際經驗以及最新標準規范，如《混凝土結構耐久性設計規范》(GB/T 50476—2008)、《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》(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。該規范的創新性主要體現在以下幾個方面。

(1)以結構耐久性為主線，以設計主要內容為框架，涵蓋了設計使用年限、環境、混凝土、裂縫、構造措施、防腐蝕強化措施以及檢測與維修等。每部分內容獨立成章，方便設計者選擇。

(2)以作用環境作為分類依據，提出基于環境作用的混凝土耐久性評價指標、原材料要求、混凝土要求、基于裂縫的施工過程關鍵參數以及裂縫寬度控制要求等。

(3)以結構部位為分類依據，提出了不同結構與耐久性相關的構造措施要求。

(4)選擇更能客觀評價混凝土耐久性的指標，如氯鹽環境下選擇氯離子滲透系數、化學侵蝕環境下選擇膠凝材料56 d抗蝕系數、鹽類結晶破壞環境下選擇抗硫酸鹽干濕循環次數、凍融破壞環境下增加了氣泡間距系數。

(5)引入鐵路混凝土結構耐久性設計全過程控制理念，即源頭把關(原材料、配合比設計)、過程控制(施工、澆筑與養護等)以及檢查與維修等。

(6)拓展了配合比參數的內涵，增加了自密實混凝土的膠凝材料最大用量要求、不同環境下礦物摻和料種類及摻量要求、凍融破壞環境下和嚴重鹽類結晶破壞環境下混凝土的含氣量要求等。

(7)增加了無砟軌道結構和小型構件方面的內容，如CRTSⅠ/Ⅱ型軌道板、雙塊式軌枕、道床板和底座等與耐久性相關的構造內容。

(8)明確了嚴重腐蝕環境下混凝土結構可選擇的防腐蝕強化措施。

2.3 適用性

《鐵路混凝土結構耐久性設計規范》是在廣泛征求路內外設計院、施工單位、監理單位、研究院所以及高校意見的基礎上，綜合考慮鐵路建設過程中突出的共性問題以及特殊結構的個別問題編制而成，更能有效地指導鐵路混凝土結構的設計。

(1)從鐵路工程現場所遇到的實際問題出發，該規范能有效地解決現場問題，如為了考慮可操作性，將灌注樁和隧道襯砌混凝土的最低抗壓強度等級進行適當調整。

(2)以鐵路目前技術水平為基礎，在原材料要求以及混凝土材料指標方面采用數理統計的方法來科學確定。

(3)兼顧了鐵路混凝土結構的通用性以及特殊鐵路的特殊性。在設計使用年限級別中規定了“有特殊要求的鐵路混凝土結構的設計使用年限可結合實際情況確定”的條文。

(4)不同作用環境以及作用等級選擇了不同的耐久性評價指標，提出了原材料、混凝土材料等特殊要求。

2.4 經濟性

《鐵路混凝土結構耐久性設計規范》在滿足結構耐久性的前提下，在設計適用年限、原材料選擇、配合比參數確定以及構造措施等方面力求鐵路工程的經濟性。

(1)設計使用年限要兼顧鐵路工程特點，對于廠區鐵路、地方鐵路以及特別重要的鐵路應區別對待。

(2)原材料選擇力求基于地方資源，盡量做到物盡其用。如增加了對于無抗拉和疲勞要求的C40以下強度等級混凝土可采用卵石的條文。

3 主要內容

本規范共分9章，主要內容包括:總則、術語、基本規定、環境、混凝土、裂縫控制、構造措施、防腐蝕強化措施和檢查與維修，另有3個附錄，即水泥或膠凝材料抗硫酸鹽侵蝕性能快速檢測方法、礦物摻和料及外加劑抑制堿-骨料反應有效性檢測方法以及硬化混凝土氣泡間距系數檢測方法(直線導線法)。

(1)適用范圍

本規范的適用范圍限定于由普通混凝土施工而成的鐵路混凝土結構在常見環境作用下的耐久性設計。其原因為，特種混凝土(輕骨料混凝土、纖維混凝土、壓蒸混凝土等)在環境作用下的劣化機理、劣化速度和配合比設計不同于普通混凝土，其結構耐久性設計應參考相應的標準規范。常見環境是指鐵路工程會經常遇到的，且能夠形成區域性的氣候、土壤以及環境水等環境，常見環境不包括極端惡劣自然環境和有機污水、微生物腐蝕等環境。

(2)設計原則

鐵路混凝土結構耐久性設計原則應充分考慮鐵路混凝土行業特點以及高性能混凝土所暴露出的問題，確定了結構具有足夠的承載能力和良好的抗裂性為耐久性設計的前提。考慮到鐵路混凝土結構承受疲勞荷載，耐久性設計時應充分考慮混凝土的收縮和徐變對預應力混凝土結構(如預應力梁、軌道板、軌枕、接觸網支柱等)的預應力(度)的影響。

(3)設計使用年限

設計使用年限分為100年、60年和30年3個級別，并對有特殊要求的鐵路和鐵路房屋建筑結構提出了單獨的要求，如表1所示。

表1 鐵路混凝土結構設計使用年限

(4)環境類別

鐵路工程作用環境由五類環境變化為六類環境，即碳化環境、氯鹽環境、化學侵蝕環境、鹽類結晶破壞環境、凍融破壞環境和磨蝕環境，增加了鹽類結晶破壞環境。其原因為鹽類結晶破壞速度快、破壞程度嚴重，應引起特別關注。鹽類結晶破壞腐蝕機理不同于化學侵蝕破壞，主要由鹽類結晶力所導致結構的物理破壞，而化學侵蝕是由于硫酸鹽與水泥水化產物發生體積膨脹、或無粘結作用的物質，使混凝土結構破壞。另外，提高鹽類結晶破壞技術措施與其他侵蝕環境不同。因此，增加“鹽類結晶破壞環境”。

(5)混凝土

以礦渣和粉煤灰為代表的礦物摻和料能夠賦予混凝土高工作性能、高耐久性、高體積穩定性，因此，礦物摻和料已經成為鐵路混凝土的必要組分。考慮到礦物摻和料對混凝土力學性能的影響，在碳化環境、凍融破壞環境、鹽類結晶破壞環境以及磨蝕環境下，規定了礦物摻和料摻量最大值。粉煤灰、礦渣等礦物摻和料能夠顯著提高混凝土的抗氯離子滲透性和抗硫酸鹽侵蝕性能，對于氯鹽環境和化學侵蝕環境下的鐵路混凝土必須添加礦物摻和料，因此，規定了氯鹽環境和化學侵蝕環境下礦物摻和料的適宜范圍，如表2所示。

針對鐵路工程混凝土結構可能面臨作用環境，結合不同環境下混凝土腐蝕機理，提出了如表3所示的混凝土耐久性評價指標。

(6)裂縫

表2 不同環境下混凝土中礦物摻和料摻量范圍%

表3 混凝土耐久性評價指標

在結構耐久性設計中強調混凝土抗裂性是結構耐久性設計的關鍵，提出了全過程(表面裂縫寬度計算、施工過程)實現對混凝土裂縫進行控制，將裂縫控制單獨一章。分環境類別和作用等級，提出了混凝土結構表面裂縫計算寬度限值要求。完善了預防混凝土開裂的施工過程控制關鍵參數，增加了大風極端干燥環境下混凝土養護時間要求。

(7)構造措施

為有針對性地指導鐵路工程不同結構的耐久性設計，實現混凝土結構耐久性設計規范與各專業規范的有機銜接，細化了橋涵、隧道和路基與耐久性相關的構造措施。為適應無砟軌道結構設計的需要以及確保小型構件的質量，增加從抗疲勞、絕緣措施、保護層厚度等方面對軌道結構提出了要求。

(8)防腐蝕強化措施

在嚴重腐蝕環境下，僅靠提高混凝土保護層材料的質量與厚度，無法保證結構在設計使用年限內安全服役，必須采取一種或多種防腐蝕強化措施。當混凝土結構處于嚴重腐蝕環境(L3、H4、Y4、D4、M3)時，應根據工程的具體情況，對混凝土結構采取一種或多種防腐蝕強化措施。不同環境下鐵路混凝土結構防腐蝕強化措施可按表4選擇。

表4 不同環境下混凝土的防腐蝕強化措施

4 結論

《鐵路混凝土結構耐久性設計規范》的頒布實施將有效指導鐵路工程各專業混凝土結構的耐久性設計，對確保鐵路工程在設計使用年限內安全服役起到重要的指導作用。鑒于該規范的特殊性，執行該規范時應注意以下問題。

(1)鐵路工程作用環境和受力狀態的復雜性，決定了其混凝土結構耐久性的特殊性和不確定性。為確保不同環境作用下鐵路混凝土結構耐久性，設計人員應結合實際工程的重要性、作用環境、施工條件以及實踐經驗等，進一步細化相應的技術要求。必要時，可適當提高相關技術要求。

(2)技術規范或標準不是法律文件，所有技術規范的規定決不能代替工程人員的專業分析判斷能力。

(3)鼓勵設計人員設計創新，考慮到作為生命線鐵路工程安全服役的重要性，采用新材料、新工藝和新方法時，要按規定進行試驗論證和評審。

［1］謝永江.青藏鐵路低溫早強耐腐蝕高性能混凝土應用試驗研究［R］.北京:中國鐵道科學研究院，2006.

［2］趙國堂，李化建.高速鐵路高性能混凝土應用管理技術［M］.北京:中國鐵道出版社，2009.

［3］中華人民共和國鐵道部.鐵建設［2005］157號 鐵路混凝土結構耐久性設計暫行規定［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.

［4］中華人民共和國鐵道部.TB10005—2010 鐵路混凝土結構耐久性設計規范［S］.北京:中國鐵道出版社，2010.