我國鐵路混凝土結構耐久性研究的進展及發展趨勢

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)

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我國鐵路混凝土結構耐久性研究的進展及發展趨勢

李化建1，2，謝永江1，2

( 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)

摘要:闡述了鐵路混凝土結構耐久性的特點，系統地總結了鐵路混凝土結構耐久性研究的最新進展，分析了我國高速鐵路混凝土結構耐久性存在的問題，指出了我國高速鐵路混凝土結構耐久性技術的發展趨勢。

關鍵詞:鐵路混凝土結構耐久性發展趨勢

我國鐵路混凝土的發展歷程經歷了以小跨度梁為代表的低強度普通混凝土、以混凝土軌枕為代表的低塑性高強混凝土以及以青藏鐵路為開端的高性能混凝土三個階段。第一階段: 1953年前，東北地區有少量最小跨度的鋼筋混凝土橋梁，跨度＜20 m的梁使用C28的混凝土。除此之外，其他絕大多數橋梁為鋼橋，而軌枕、電桿、樁等結構采用木材或鋼材。第二階段: 1953—2000年，鐵路工程建設中尋求替代木材與鋼材的高強、高耐久材料。1953年采用干硬性C50混凝土成功制備出我國第一根混凝土軌枕，標志著我國鐵路混凝土進入了低塑性高強度混凝土階段［1-2］。第三階段: 2000年至今，鑒于青藏鐵路沿途地質條件復雜且環境惡劣，“以橋代路”的設計理念被引入，低溫早強耐腐蝕高性能混凝土被應用于青藏鐵路的灌注樁、橋梁、隧道、涵洞等結構中［3］，從此我國鐵路進入高性能混凝土的時代。

隨著無砟軌道結構在高速鐵路與客運專線的大規模應用，混凝土在鐵路工程中的應用范圍已被大大拓展。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高運營安全性的特點，要求鐵路混凝土結構必須具有優良的長期性能和耐久性能［4］。長期以來，鐵路工程技術人員為改善和提高鐵路混凝土結構的耐久性，延長鐵路工程的使用壽命，在鐵路混凝土結構耐久性方面開展了大量的科學研究，取得了豐富的成果，并在實際鐵路工程中得到了廣泛應用。根據我國鐵路混凝土所面臨的環境條件、原材料品質以及施工技術水平，我國已經制定了一整套關于鐵路混凝土工程的標準體系，包括《鐵路混凝土結構耐久性設計規范》( TB 10005—2010)、《鐵路混凝土工程施工技術指南》(鐵建設［2010］241號)、《鐵路混凝土工程施工質量驗收標準》( TB 10424—2010)等，為控制鐵路工程混凝土質量、確保鐵路混凝土結構耐久性起到了重要的作用。

本文在闡述我國鐵路混凝土結構耐久性特點的基礎上，系統地總結了鐵路混凝土結構耐久性研究的最新進展，分析了我國鐵路、特別是高速鐵路混凝土結構耐久性存在的問題，指出了鐵路混凝土耐久性技術的發展趨勢。

1鐵路混凝土結構耐久性的特點

高性能混凝土是以環境作用和工程結構特點為前提、以耐久性設計為主要目標的混凝土。作為條形結構的鐵路，要穿越不同環境區域，客觀上具有環境作用的多樣性和復雜性;同時，不同地域原材料性能差異大，就地取材，對鐵路混凝土的耐久性影響顯著。這就決定了鐵路混凝土結構耐久性具有環境依賴性、工程依賴性和時間依賴性的特點。

1)環境依賴性。眾所周知，鐵路工程需要跨越大江南北。一方面，鐵路工程的基礎必須與土壤、地下水或河水接觸，環境土和環境水中的硫酸鹽、鎂鹽、堿等會對混凝土產生腐蝕作用，河流中的冰、泥砂也會對混凝土產生磨蝕作用;另一方面，鐵路工程的露天服役特性決定了鐵路混凝土結構必須經受惡劣氣候環境(溫度、濕度、風、霜、雨、雪)的腐蝕作用，沿海地區的混凝土結構會遭受鹽霧的侵蝕，西南地區的混凝土結構會遭受酸雨的侵蝕，東北地區的混凝土結構會遭受凍融破壞的侵蝕。此外，由于不同作用環境對混凝土的腐蝕機理不同，同一條鐵路不同地區的混凝土結構可能面臨不同腐蝕環境作用。即使是同一作用環境，當其作用等級不同時，對混凝土性能的要求也不相同。

2)工程依賴性。鐵路工程大多處于交通不便的露天環境，混凝土施工還可能處在荒無人煙或大風口等惡劣環境的地方，因此，混凝土結構的施工除了要考慮外界環境通常意義上的冬期施工或熱期施工對混凝土性能的影響外，還要考慮特殊環境下施工。例如，蘭新鐵路途徑的百里風區，最大風速達60 m/s，風區長度約580 km，這對施工期間如何預防混凝土的早期失水收縮開裂提出了嚴峻的挑戰。與此同時，鐵路工程一些特殊地質條件或者一些特殊結構要求混凝土結構施工應采用相配套的施工工藝和施工設備。如鐵路路基加固用CFG樁的樁體材料，設計強度僅為C15～C20，樁長可達32 m，現場CFG樁樁體材料泵送距離折換成水平距離達到300 m［5］。這種長距離的泵送對樁體材料的泵送性能提出了很高的要求。

3)時間依賴性。鐵路工程的功能(耐久性、安全性、適用性等)是其使用時間的多維函數，且二者之間一般不呈線性關系，到某一時間點，某種功能會驟然下降，導致混凝土結構失效。例如，鐵路工程的大部分混凝土結構均承受疲勞荷載，無砟軌道更是如此，列車荷載是通過鋼軌直接作用于軌道板上或軌枕上，而軌道板或軌枕的力又作用于鐵路梁體上。這些鐵路混凝土結構長期承受的周期疲勞荷載遠大于其他行業的混凝土結構。由于混凝土結構在長期周期性疲勞荷載作用下其受力性能隨著時間的推移，可能在某一時刻發生突然變化，導致其承載能力迅速下降，嚴重時會影響行車安全，因此，相關鐵路技術規范要求鐵路混凝土結構應具有很高的抗長期疲勞作用的性能。

2鐵路混凝土結構耐久性研究進展

決定混凝土結構耐久性的三要素為環境、材料和介質通道。環境因素對混凝土耐久性的影響是由鐵路工程途徑地域所決定的，也是無法消除的，只能根據不同環境制備與環境相容的混凝土。這也是目前鐵路混凝土結構耐久性設計通常以作用環境為主要分類依據的原因。混凝土材料耐久性設計中要考慮混凝土本身抵抗腐蝕的能力，如優選原材料、設計合理的配合比參數、摻加礦物摻和料、適當引氣等，這是混凝土耐久性設計的關鍵。減少或消除腐蝕介質的作用通道是確保混凝土結構耐久性的另一關鍵環節。即使環境存在腐蝕作用介質，腐蝕介質如無法侵入到混凝土內部，也不會腐蝕混凝土結構。減少或消除腐蝕介質作用通道的技術途徑有兩大類:一是細化混凝土內部孔隙，增加孔隙的曲折度，提高有害離子向混凝土內部擴散的位壘;二是采用防腐蝕強化措施，阻斷腐蝕介質向混凝土內部的滲入。下面圍繞著影響鐵路混凝土結構耐久性的關鍵環節，介紹我國鐵路混凝土結構耐久性研究進展。

2. 1鐵路混凝土結構的設計使用年限

為鐵路工程明確規定設計使用年限，不僅是業主和用戶的需要，也是使結構設計更為經濟、合理的必要環節。以往鐵路工程設計規范對混凝土結構沒有明確提出設計使用年限要求。我國《混凝土結構耐久性設計規范》( GB /T 50476—2008)對結構的設計使用年限分為兩級:一級設計使用年限不低于100年，指城市快速路和主干道上的橋梁以及其他道路上的大型橋梁、隧道，重要的市政設施等;二級設計使用年限不低于50年，指城市次干道和一般道路上的中小型橋梁，一般市政設施。實際上，該規范中環境作用下混凝土材料與鋼筋的保護層最小厚度是按照三個使用年限級別( 100年、50年和30年)給出的［6］。

歐洲規范規定了橋梁等主要土木工程結構物的設計使用年限為100年［7］。美國規定橋梁的設計使用年限為不小于75～100年［8］。日本建筑學會規范明確提出了建筑物3個等級的設計年限［9］:①長期等級，規定不需要大修的年限約為100年;②標準等級，指多數建筑物，如公寓、辦公樓等，規定不需要大修的年限約為65年，使用年限為100年;③一般等級的低層私人住宅，規定不需要大修的年限約為30年，使用年限為65年。德國在《無砟軌道工程技術要求( AKFF第4版)》規定［10］:“無砟軌道結構設計的使用壽命應至少為60年”。日本在混凝土結構設計時，原則上要根據結構所要求的使用期限及環境條件等設定設計基準期［11］。對于無砟軌道沒有統一的設計規范，只是在相關技術資料中(《板式軌道的設計與施工》)有與軌道板使用年限50年相關的描述:軌道板設計基于容許應力法，對于軌道板鋼筋( SD35)容許應力，按軌道板使用年限50年來確定。Design of Monblock Concrete Sleepers( UIC CODE 713)規定軌枕的設計使用年限至少為40年［12］。

《鐵路工程結構可靠度統一設計標準》( GB 50216—1994)中1. 0. 4條規定:鐵路工程結構可靠度設計應結合預期使用壽命規定適當的基準期，設計基準期宜為50年或100年。結合鐵路工程實際情況，根據類別的原則，我國鐵路工程規定鐵路混凝土結構的設計使用年限分為三個級別，即100年、60年和30年［13］。表1中列舉了不同設計使用年限級別的適用范圍示例。

2. 2鐵路混凝土結構的環境類別及作用等級

混凝土結構的耐久性與其經受的環境作用密切相關。如前所述，鐵路工程的環境依賴性，決定了其混凝土結構必然經受我國東西南北各個地區、不同季節的不同環境的侵蝕作用。結合我國歷史氣候信息資料與地質資料，參考歐洲設計規范、我國《巖土工程勘察規范》( GB 50021—2001)以及《混凝土結構耐久性設計規范》等，對我國鐵路混凝土結構的環境進行分類。根據鐵路工程混凝土結構中鋼筋銹蝕以及混凝土腐蝕機理，綜合考慮設計的方便性，將鐵路混凝土環境類別分為碳化環境、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6類。按其侵蝕的嚴重程度，各自分為3～4個環境作用等級，如表2所示。其中L3，H4，Y4，D4和M3為嚴重腐蝕環境等級。

表1鐵路混凝土結構設計使用年限

表2鐵路混凝土結構的環境類別及作用等級

2. 3鐵路混凝土配合比參數

1)膠凝材料用量

水泥是混凝土中必要的膠凝組分，但當水泥用量過大時，混凝土的水化放熱與開裂趨勢均會增加，對混凝土耐久性反而不利。減少單方混凝土中膠凝材料用量，有利于降低混凝土的滲透性，減少混凝土收縮且經濟性好。確定膠凝材料用量的原則是在滿足混凝土的力學性能和工作性能的前提下，盡可能減少膠凝材料用量。美國AASHTO規程規定混凝土膠凝材料的用量不應超過475 kg/m3［14］，日本高耐久性鋼筋混凝土設計施工指南規定膠凝材料用量不應超過450 kg/m3［15］。為了確保結構必要的力學性能，歐洲、日本、美國以及我國等都對混凝土膠凝材料最小用量提出了要求;如日本規定普通混凝土膠凝材料用量不宜小于290 kg/m3，輕骨料混凝土不宜小于320 kg/m3。為了滿足混凝土的施工工藝，泵送混凝土的最小水泥用量宜為300 kg/m3。自密實混凝土已經在路基段板式無砟軌道道岔區、CRTSⅢ型板式無砟軌道充填層中使用［16］。振動成型和自密實成型混凝土用膠凝材料用量范圍應不同，不同強度等級鐵路混凝土膠凝材料的用量范圍應符合表3的規定。

表3混凝土的膠凝材料用量限值　kg/m3

2)礦物摻和料摻量

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?？紤]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，氯鹽環境和化學侵蝕環境下礦物摻和料摻量應滿足表4的規定。

表4不同環境下混凝土中礦物摻和料摻量　%

3)水膠比

水膠比會顯著影響混凝土的強度、抗滲性和收縮性能，限制最大水膠比是確保混凝土的耐久性和體積穩定性的關鍵。事實上，將混凝土最大用水量作為控制混凝土耐久性的指標要比最低水膠比更為適宜，依靠控制水膠比無法解決混凝土中因漿體用量過大而引起收縮和水化熱增加的負面影響。為了保證重要工程的耐久性，應該對混凝土最大用水量給出規定，對于水膠比較低的混凝土，混凝土用水量不宜超過150 kg/m3。日本規定混凝土最大用水量不得大于175 kg/m3［15］。傳統配合比設計方法是用水膠比來確定混凝土的強度等級。受傳統配合比設計方法的影響，再加上混凝土用水量控制的工程經驗和試驗研究較少，鐵路對混凝土的最大水膠比作出規定，見表5。

表5不同環境下混凝土最大水膠比

4)含氣量

含氣量是引氣混凝土的關鍵參數?；炷林幸龤獠粌H能夠提高混凝土的抗凍性和抗鹽類結晶破壞性能，而且能夠改善混凝土的工作性能。美國鐵路規范( AREMA)［17］規定海水、硫酸鹽侵蝕、水下等環境中的混凝土必須引氣。日本將不引氣的混凝土視為特殊混凝土，日本《高耐久性鋼筋混凝土設計施工指南》中規定混凝土的含氣量必須在5%以上。我國幅員遼闊，環境溫度差異大，從技術經濟性考慮，鐵路混凝土工程在凍融破壞環境下和嚴重鹽類結晶破壞環境下必須使用引氣混凝土，混凝土的最小含氣量應滿足表6的規定。

表6不同環境下混凝土的最小含氣量

2. 4混凝土結構的施工技術

1)混凝土內外溫差

為減少溫差引起混凝土開裂以及避免混凝土構件芯部溫度過高，鐵路混凝土的入模溫度宜控制在5～30℃，混凝土與模板、鄰接的硬化混凝土或巖土介質間的溫差不得大于15℃?；炷令A制梁芯部溫度不宜超過60℃，軌道板和雙塊式軌枕芯部溫度不宜超過55℃。

2)混凝土養護技術

混凝土施工期性能是影響混凝土開裂以及混凝土結構耐久性的關鍵，而影響混凝土施工期性能的關鍵因素是施工過程溫度、濕度和風速等。從保溫、保濕和防風等方面提出影響混凝土開裂的養護最短時間，結合我國西北地區鐵路(如蘭新鐵路等)的氣候環境條件，提出了包括極端干燥環境下混凝土養護時間的要求，見表7。

2. 5混凝土耐久性快速評價技術

混凝土質量變異性的影響因素包括混凝土材料的變異性、施工的變異性和試驗的變異性。材料的變異性會引起混凝土拌合物性能的變異性，因此，在保證原材料質量的前提下，通過檢測混凝土拌合物性能就可以確?；炷恋哪途眯浴＿@樣可以實現對混凝土耐久性的快速檢測與評價。

《青藏鐵路高原凍土地區耐久性混凝土目標管理措施》中提出了在混凝土出機時及在澆筑現場對混凝土的坍落度及其損失、含氣量及其損失、泌水率( 0. 5 h) 3項性能指標進行檢測。只要現場檢測的這3項指標滿足設計要求，混凝土的耐久性就合格，混凝土可澆注［3］。以京津城際鐵路和客運專線為工程背景，選擇混凝土拌合物為研究對象，研究結構耐久性與混凝土拌合物之間的相關關系。利用混凝土單位體積質量、含氣量、水膠比、原材料性能參數(原材料密度、粗骨料與細骨料飽和面干狀態下的吸水率)以及混凝土配合比參數與率值之間的內在規律，確定了混凝土拌合物關鍵技術參數之間的關系函數，研究提出了混凝土拌合物關鍵技術參數的檢測技術途徑，開發出混凝土質量現場快速檢測系統。該系統能夠在30 min內同時檢測混凝土單方用水量、含氣量、水膠比、單位體積質量和拌合物溫度5個指標，實現了對混凝土耐久性指標的現場快速檢測［18］。

表7混凝土保溫、保濕養護最短時間

在現場驗證的基礎上，通過理論分析、數理統計以及試驗研究等方法，并在借鑒國內外先進研究成果的基礎上，提出了混凝土拌合物關鍵技術參數的評定指標，具體如下:

①水膠比波動限值: + 0. 03;

②含氣量波動限值:±1. 5% ;

③單位體積質量波動限值:±35 kg/m3。

為快速檢測新拌混凝土的氣泡參數，采用新拌混凝土氣孔分析儀( AVA-Air Void Analyzer)研究了坍落度、含氣量、摻和料對新拌混凝土氣泡參數的影響［19］。圖1為含氣量與混凝土的氣泡間距系數和比表面積的關系曲線，研究表明新拌混凝土氣泡參數是快速評價引氣混凝土以及引氣劑質量較為有效的技術參數。

圖1含氣量與新拌混凝土氣泡參數的關系曲線

2. 6混凝土結構耐久性評價指標體系

混凝土耐久性設計是確保混凝土結構安全的前提，在混凝土耐久性設計中如何合理確定混凝土耐久性指標是混凝土耐久性設計的首要內容。

混凝土所有劣化機理的共同點是，都與環境中侵蝕介質向混凝土內部傳輸的難易程度有關，即與混凝土中侵蝕介質的作用途徑有關。反映混凝土中侵蝕介質傳輸難易程度的是混凝土的滲透性，提高混凝土的抗滲性，就是從作用途徑方面來提高混凝土的耐久性。基于此，確定混凝土耐久性評價指標體系建立的原則如下:

1)混凝土耐久性評價指標體系的建立是基于我國鐵路工程常見的6大類作用環境。

2)面向環境作用的混凝土耐久性評價指標僅考慮由外界環境而引發混凝土的劣化，不考慮由原材料選擇不當而引起的混凝土材料劣化，即混凝土的氯離子含量、堿含量、SO3含量以及有效預防堿—骨料反應技術措施必須以滿足鐵路混凝土結構耐久性設計為前提。

3)混凝土耐久性影響因素和破壞機理相當復雜，但其共同點是:要有水、有害液體或氣體向混凝土內部的作用途徑。因此，所有環境下混凝土的耐久性在理論上都應包括抗滲性。

4)耐久性指標的確立是建立在混凝土正確施工和養護的基礎之上。

針對鐵路工程混凝土結構可能面臨的作用環境，結合不同環境下混凝土腐蝕的機理，建立了如表8所示的混凝土耐久性評價指標體系。

表8混凝土耐久性評價指標體系

表8所列混凝土耐久性評價指標體系是對實驗室標準試件的評價。而事實上，對混凝土實體結構的耐久性的評價更為重要。實體結構混凝土保護層是混凝土免受侵蝕的第一道防線，通常情況最外層的箍筋或分布筋會最早受到侵蝕，箍筋的銹蝕可引起沿箍筋的環形開裂，在箍筋的密布區域，還可能會發生保護層的成片剝落，因此，在一定程度上保護層性能決定了混凝土結構的耐久性。采用基于穩態電遷移試驗原理的Permit ion migration test儀(簡稱permit儀)對不同的配合比、養護措施、模板措施和防腐蝕措施的試驗墩進行了檢測［20］。圖2為采用透水模板和普通剛模板實體試驗墩電導率隨時間變化曲線。經過計算可知，采用普通模板澆筑混凝土的氯離子擴散系數為2. 09× 10－12m2/s;而采用透水模板澆筑混凝土的氯離子擴散系數僅為0. 38×10－12m2/s，表明通過采用透水模板可大大降低混凝土表面的滲透性［21］。Permit儀是表征實體結構抗氯離子滲透性較為有效的檢測手段。

圖2不同模板試驗墩電導率隨時間變化曲線

2. 7混凝土結構耐腐蝕強化措施

當混凝土結構處于嚴重腐蝕環境( L3，H4，Y4，D4，M3)時，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，須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，可按表9選擇。

表9不同環境下混凝土的防腐蝕強化措施

3鐵路混凝土結構耐久性存在的問題

1)無砟軌道混凝土結構的耐久性問題

國內外高速鐵路工程實踐表明，無砟軌道結構混凝土的開裂現象較為普遍。無砟軌道結構混凝土開裂的危害主要體現在兩方面:①影響軌道結構的耐久性和行車的安全性;②造成絕緣節點的絕緣失效，影響信號傳輸［22-23］。

軌道板和道床板裂縫將成為侵蝕介質進入混凝土內部的作用途徑，在Cl－或CO2存在的情況下，將導致軌道板和道床板中鋼筋銹蝕，銹蝕產物膨脹加劇混凝土開裂，從而降低混凝土結構的耐久性能。對于雙塊式無砟軌道結構，由于預制軌枕和新澆注混凝土的收縮變形性能不同步，連接處的混凝土黏合性比較差，動荷載作用下易發生無砟軌道道床板混凝土碎裂以及軌枕松動，影響行車安全。底座混凝土和水硬性支承層的裂縫會成為滲水的通道，長期水浸泡會加速路基基礎的下沉，影響無砟軌道整體的平穩性，降低道床耐久性和承載力。另外，水硬性支承層裂縫還會成為反射裂縫，加劇道床混凝土的開裂。

道床板和軌道板的鋼筋上均設有絕緣卡子，如果道床板和軌道板結構混凝土中存在裂縫，水就很容易進入無砟軌道結構混凝土內部，并且裂縫中的水分蒸發較慢，在雨季的時候，裂縫中會積存大量的水分，這樣會使絕緣卡子逐漸失效，絕緣性能逐步下降，勢必影響電氣化列車的行車安全［23］。

2)極端惡劣環境中混凝土結構的耐久性問題

鐵路混凝土作用環境分為常見環境和極端惡劣環境。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。普通混凝土結構很難抵抗在極端惡劣自然環境(如鹽湖、酸池等)下的腐蝕作用，要保證其結構的安全性，需要特殊的膠凝材料或防護技術措施。表10給出了新建運城—三門峽鐵路部分路段的氯離子和硫酸根離子濃度。該地區氯離子與硫酸根離子濃度分別達L3和H4嚴重腐蝕環境最低限值的20倍之多，且該鹽池地區無交通工程實例資料可以參考。在現有的高性能混凝土技術水平下，采用傳統膠凝材料制備的混凝土很難長時間承受這種腐蝕破壞，尤其是對于無法采用防腐蝕措施的樁基礎結構。

表10運三鐵路部分路段的氯離子和硫酸根離子濃度

3)噴射混凝土結構的耐久性問題

我國山區分布較廣，尤其是在西南地區四川、貴州、廣西等省(自治區)，隧道占據了鐵路工程很大的比例。噴射混凝土在隧道襯砌上大量使用，但目前噴射混凝土孔隙率大、勻質性差，在鹽類結晶破壞環境下，隧道襯砌破壞相當嚴重，隧道滲漏水現象經常發生。另外，噴射混凝土使用的速凝劑含堿量較高，對混凝土耐久性，尤其是對堿骨料反應不利。因此，隧道噴射混凝土的耐久性有待提高，高環保、低模壓、自充填噴射混凝土制備技術急待研究。

4鐵路混凝土結構耐久性研究的發展趨勢

作為生命線的鐵路工程，其混凝土結構耐久性尤為重要。針對我國鐵路混凝土耐久性技術現狀及存在的問題，提出鐵路混凝土結構耐久性發展趨勢如下:

1)耐久性設計從定性化向半定量化、定量化轉變

按照使用壽命設計鐵路工程尤其是高速鐵路工程是當前結構工程設計的重要發展方向，“百年設計使用壽命”已經納入到鐵路混凝土結構耐久性設計規范。但遺憾的是，國內外混凝土結構耐久性研究多是處于定性的階段，其量化的指標多是基于傳統的經驗或同類工程的類比。目前，能夠量化并得到普遍認可的混凝土耐久性指標模型是基于鋼筋銹蝕的作用，如基于碳化理論與氯離子擴散的模型，而針對混凝土凍融破壞和腐蝕的模型雖然也有人提出，但尚未得到普遍認可，更沒有得到應用。事實上，由于設計采用較高強度等級的混凝土，碳化引起鋼筋銹蝕速度很慢，采用碳化理論預測結構的使用壽命都在幾千年甚至幾萬年以上，嚴重脫離實際。對于一般條件下的混凝土結構，其功能失效的標志并非鋼筋銹蝕，而是凍融或腐蝕等損傷引起混凝土自身的耐久性破壞，對這類混凝土結構工程進行耐久性設計，需要探索新的方法?；炷聊途眯韵蛄炕芯康霓D變，對混凝土耐久性的設計以及結構使用壽命的預測具有重要的指導作用。

2)耐久性檢測技術從實驗室環境向實際工程環境轉變

用于檢測混凝土耐久性試塊的成型方法和養護條件與實際施工過程差異很大，所以實驗室混凝土試塊的性能并不能完全代表實際工程中混凝土的性能，因此，實驗室中所測混凝土的耐久性能只能在一定程度上反映實際工程中混凝土的質量及其耐久性能。目前混凝土耐久性的檢測要經過長時間的養護，這樣顯然無法適應于現場快速施工的要求，無法達到混凝土質量預控的目的，無法適用于在施工現場進行檢測?；炷聊途眯灾笜硕嗍怯糜谂浜媳鹊倪x定，而配合比的選定是基于實驗室固定溫度、固定試件以及固定試驗條件。這雖然對優選混凝土配合比可以起到一定的指導作用，但很難真實反映工程實際情況，因此，根據實驗室數據而進行的壽命預測也會與實際不符。其原因有兩方面:①現場環境較為復雜，很少有單一的作用環境，如新疆地區鹽湖有碳酸鹽、硫酸鹽和氯鹽，青海地區有碳酸鹽、硫酸鹽和鎂鹽，內蒙古地區有碳酸鹽、硫酸鹽、鎂鹽和氯鹽，西藏地區有碳酸鹽和硫酸鹽等腐蝕反應［24］。②實驗室的耐久性試驗并沒有模擬實際服役的狀態，如鐵路混凝土結構在經受腐蝕環境的同時，還經受列車疲勞的作用。因此，關于混凝土耐久性檢測應該走出實驗室，針對具體工程，開展模擬工程環境的耐久性試驗。

3)耐久性評價從事后控制向事前預控轉變

預留的混凝土試塊經過一定時間養護，現場澆注的混凝土結構物已經硬化，如果此時發現混凝土的性能達不到設計要求，很難采取挽救措施。這樣勢必影響混凝土結構物的安全性和適用性，又會造成巨大的經濟損失。針對混凝土耐久性試驗周期長與現場快速施工之間的突出矛盾，解決混凝土耐久性從事后控制向事前預控的技術路線有兩方面:①基于混凝土拌合物關鍵技術參數的混凝土耐久性控制技術;②基于使用壽命理論模型的混凝土耐久性預測技術。

4)開發基于計算機模擬及預測的混凝土耐久性和開裂的預測技術

SPRINGENSCHMID［25］曾說:“避免混凝土早齡期裂縫是當前混凝土技術的主要問題之一，應采用現代的概念預測混凝土早齡期的應力及其影響，來代替單純依據現場經驗的方法?！盋ZERNY等［26］利用概率方法分析了避免混凝土早齡期開裂的安全系數。王甲春等［27］基于結構的可靠度理論，通過考慮混凝土材料特性(自收縮和水化放熱)，以及結構約束程度等影響因素的隨機性，建立了混凝土結構早齡期開裂的預測模型，模擬結果可以為混凝土材料的選取提供依據，并以某地鐵110 m擋土墻為例，驗證了模型的適用性。無砟軌道不同結構層的相互約束以及溫度應力作用，增加了混凝土開裂的趨勢。目前尚缺少針對鐵路混凝土結構基于計算機模擬的混凝土耐久性及開裂的預測技術。結合鐵路工程實際情況，研究鐵路混凝土結構耐久性及混凝土開裂的預測技術，對于提高鐵路工程結構的耐久性、抑制或預防鐵路混凝土開裂、確保鐵路工程的安全服役具有重要的意義。這也必將成為鐵路混凝土研究的新熱點。

參考文獻

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(責任審編李付軍)

Progress and development trend of research on concrete structure durability in railway of China

LI Huajian1，2，XIE Yongjiang1，2
( 1．Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China; 2．State Key Laboratory for Track Technology of High-speed Railway，Beijing 100081，China)

Abstract:Characteristics of concrete structure durability of railway were introduced．Research progress of concrete structure durability of railway was systematically summarized．Existing problems of concrete structure of high speed railway in China were analyzed．Development trend of concrete structure durability technology of railway was put forward．

Key words:Railway; Concrete Structure; Durability; Development trend

文章編號:1003-1995( 2016) 02-0001-08

作者簡介:李化建( 1976—)，男，副研究員，博士。

基金項目:國家自然科學基金( 51578545) ;中國鐵路總公司科技研究開發計劃項目( J2013C014 ) ;中—日—韓國際交流項目( 2013YJ118)

收稿日期:2015-12-02;修回日期: 2016-01-16

中圖分類號:TU528

文獻標識碼:A

DOI:10．3969 /j．issn．1003-1995．2016．02．01