蘭新二線橋墩防風蝕措施及施工方法

公彥良

(中鐵十六局集團第四工程有限公司，北京　101400)

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蘭新二線橋墩防風蝕措施及施工方法

公彥良

(中鐵十六局集團第四工程有限公司，北京101400)

摘要:蘭新鐵路第二雙線新疆段穿越新疆風力最強的五大風區(qū)，為了解決風蝕對蘭新鐵路橋墩混凝土結(jié)構(gòu)的磨蝕問題，經(jīng)過試驗研究蘭新鐵路第二雙線采取了剛?cè)峤Y(jié)合的防風蝕措施。由柔性樹脂膠加不銹鋼絲網(wǎng)經(jīng)過多道工序施工，在橋墩表面形成具有較高的壓縮與拉伸強度、優(yōu)良的耐風蝕和磨蝕性能、良好的耐紫外光老化性能及耐氣候性的一種剛?cè)峤Y(jié)合復合體，從而實現(xiàn)了橋墩抗風蝕的目標。

關鍵詞:大風區(qū)橋墩防風蝕柔性樹脂膠鋼絲網(wǎng)剛?cè)釓秃象w

1　風蝕現(xiàn)象和危害

蘭新鐵路第二雙線新疆段(簡稱蘭新二線)由于處于大風沙、大溫差等惡劣自然環(huán)境下，戈壁灘夏季氣候炎熱、冬季氣候寒冷，混凝土結(jié)構(gòu)面臨溫差大、干濕循環(huán)、風蝕等多種自然因素的作用，對混凝土結(jié)構(gòu)耐久性帶來非常不利的影響。

蘭新二線橋梁設計中對位于強風區(qū)的橋墩適當擴大了范圍。位于強風區(qū)的橋墩均按照標準［1］規(guī)定，碳化環(huán)境取T2，磨蝕環(huán)境大風區(qū)按M2、強風區(qū)按M3環(huán)境作用等級考慮。墩身混凝土強度等級為C40，保護層厚度為45 mm。在蘭新二線橋墩施工過程中，混凝土原材料選取、配合比設計和施工工藝控制均考慮了干燥、大風、大溫差的戈壁環(huán)境條件［2］，采取了內(nèi)包保濕土工布外包橡塑板的保溫保濕混凝土養(yǎng)護措施［3-6］。在建設期間，發(fā)現(xiàn)三十里風區(qū)、百里風區(qū)等大風區(qū)部分橋墩迎風側(cè)混凝土表面受大風沙及溫差變化影響仍然發(fā)生了嚴重的風蝕現(xiàn)象。

截至2014年6月份，蘭新鐵路第二雙線全線橋梁施工完成接近三年，橋墩已經(jīng)經(jīng)受了六個風季的考驗。通過現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)部分地處風區(qū)的橋墩迎風面已出現(xiàn)不同程度的風蝕損傷，表面多處出現(xiàn)蜂窩并龜裂，已嚴重影響橋墩使用壽命。

混凝土的風蝕磨損首先是混凝土表層的砂漿被含砂氣流磨損掉，形成表層小缺陷，粗集料因而漸漸凸露出來。凸出的粗集料經(jīng)沖蝕、磨損，最終被帶離砂漿基體或被磨蝕，形成小的空洞，接著砂漿又被磨損掉，下層的粗集料露出，如此反復進行，混凝土不斷被磨損。另一方面，在干旱風沙地區(qū)施工的混凝土橋梁，在強烈的溫差變化和風效應影響下，混凝土的收縮和脆性明顯增加，造成混凝土表面出現(xiàn)網(wǎng)狀裂紋［7］。風蝕磨損的結(jié)果是導致混凝土表面抗侵蝕能力變差，加之護筋厚度不夠從而影響了混凝土工程的耐久性。大風區(qū)橋墩表面風蝕狀態(tài)見圖1。

圖1橋墩表面局部風蝕狀態(tài)( DK1716 + 940三個泉特大橋)

2　防治措施

為解決蘭新鐵路第二雙線大風區(qū)橋墩防風蝕問題，有關科研單位開展了專項的試驗研究。試驗結(jié)果表明:混凝土的基底處理均在一定程度上提高了其表面耐磨性;在處理同種表面時，環(huán)氧樹脂+聚氨酯涂料的抗沖蝕性能最好，PPG涂料次之，水性硅丙乳液最差［8-9］。通過技術(shù)經(jīng)濟比較，確定了蘭新鐵路第二雙線橋墩防風蝕材料。

2. 1抗風蝕機理

橋墩防風蝕材料是由柔性樹脂膠加不銹鋼絲網(wǎng)經(jīng)過多道工序組合而成，柔性樹脂膠由聚合物乳液和強化滲透組分構(gòu)成。主要抗風蝕機理:在強化滲透組分的影響下，抗風蝕界面處理材料能深入滲透到既有混凝土中并與混凝土中的游離鈣發(fā)生持續(xù)反應，形成微膨脹的晶體結(jié)構(gòu)，堵塞混凝土表面的微孔隙、微裂隙等微觀缺陷。聚合物乳液則與形成的微膨脹晶體以及鋼絲網(wǎng)，共同在混凝土表面形成致密疏水的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。當風夾雜著砂粒被吹至混凝土表面時，形成的對混凝土表面的切削作用被混凝土表面的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)有效阻隔。另外，混凝土表層易被磨損掉的砂漿因聚合物網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的作用，其整體性增強，使表面粗集料得到有效保護，難于凸露，并進一步阻止表層砂漿基體形成空洞，達到混凝土表層的抗風蝕磨損效果。

2. 2風蝕等級分類

根據(jù)風區(qū)調(diào)研及現(xiàn)場高性能混凝土橋墩風蝕情況，將風蝕分為風蝕較嚴重、風蝕嚴重兩類進行風蝕防護。風蝕較嚴重:風速為＞18 m /s，持續(xù)時間＞120 d/年，混凝土結(jié)構(gòu)區(qū)域有砂礫源。風蝕嚴重:風速為＞22 m/s，持續(xù)時間＞120 d/年，混凝土結(jié)構(gòu)區(qū)域有砂礫源。

2. 3風蝕防護范圍

處理范圍:根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查研究，決定對風蝕嚴重和風蝕較嚴重的橋墩進行風蝕防護。防護高度:

1)根據(jù)風區(qū)箱梁及T梁的現(xiàn)場調(diào)查情況，風沙的主要影響范圍在3 m以下，防風蝕處理范圍主要在墩身高度的3 m以下部分。

2)根據(jù)百里風區(qū)槽形梁橋墩的現(xiàn)場調(diào)查情況，由于該地區(qū)風速較大，同時地表砂源較多，風沙的主要影響范圍有所提高，防風蝕處理范圍主要在墩身高度的5 m以下部分。

防護方法:防護高度內(nèi)，采用橋墩表面涂層并貼鋼絲網(wǎng)的防護措施，考慮充分發(fā)揮鋼絲網(wǎng)受拉性能，同時適應多層粘貼的需要，應采用墩身四周全包的防護形式。

2. 4材料選擇

新疆風力資源豐富，著名的三十里風區(qū)設置了大量的風力發(fā)電設施。為防止風沙磨蝕風車立柱和風葉，在風力發(fā)電設備外側(cè)涂刷了溶劑型風電涂料。溶劑型風電涂料［10-11］以環(huán)氧樹脂作為底層，聚氨酯作為面層，因環(huán)氧樹脂強度高，而聚氨酯韌性好，這種強韌結(jié)合的涂層可以吸收大部分的砂粒沖擊能量［12］。因此，具有強的抗沖蝕能力，適合于正面迎風區(qū)的風蝕防護。這對蘭新二線橋墩抗風蝕防護措施選用材料有較好的借鑒作用。

為提高混凝土結(jié)構(gòu)表層的抗風蝕能力，經(jīng)過現(xiàn)場試驗，確定了適合蘭新鐵路第二雙線強風區(qū)橋墩防風蝕材料。橋墩防風蝕材料是由柔性樹脂膠加不銹鋼絲網(wǎng)經(jīng)過多道工序施工，而形成的具有較高的壓縮與拉伸強度、優(yōu)良的耐風蝕和磨蝕性能、良好的耐紫外光老化性能及耐氣候性的一種復合體。

2. 4. 1柔性樹脂膠性能

1)柔性樹脂膠是由脂肪族環(huán)氧樹脂及其高性能固化劑、柔性改性劑和不同功能的填料，通過特殊工藝技術(shù)生產(chǎn)而成的。

2)柔性樹脂特點:①粘附力強。分子中含有極性羥基和醚鍵，對各種物質(zhì)具有很高的粘附力。②強度高且柔韌性好，環(huán)氧樹脂本身強度高，加之添加柔性改性劑使其具有良好的綜合力學性能，固化后的強度、韌性、粘接性、耐正負溫度性能都良好。③化學穩(wěn)定性好，具有優(yōu)良的耐堿性、耐酸性和耐溶劑性。④體積穩(wěn)定性好。環(huán)氧樹脂和所用的固化劑的反應是通過直接加成反應或聚合反應來進行的，沒有水或其它揮發(fā)性副產(chǎn)物放出，具有突出的尺寸穩(wěn)定性和耐久性。⑤固化方便，幾乎可以在0～180℃溫度范圍內(nèi)固化。⑥耐紫外光老化性能及耐氣候性好。由于脂環(huán)族烯烴的雙鍵經(jīng)環(huán)氧化而制得，它們的分子結(jié)構(gòu)是環(huán)氧基直接連接在脂環(huán)上，故其具有良好的耐紫外光老化性能。

粘結(jié)膠性能指標見表1。

表1 WN粘結(jié)膠性能指標

2. 4. 2不銹鋼絲網(wǎng)規(guī)格及性能

不銹鋼絲網(wǎng)規(guī)格:目數(shù)50，絲徑0. 203～0. 229 mm，孔徑0. 28～0. 31 mm。其耐酸、耐堿、耐高溫、耐拉和耐磨性強。

3　施工方法

工藝流程:施工準備→基面清理→柔性稀膠輥涂→柔性稠膠修補→貼鋼絲網(wǎng)(共3層)→清理現(xiàn)場。

3. 1施工準備

現(xiàn)場按照安全施工技術(shù)交底搭設腳手架，經(jīng)安全檢查合格后方可進行防風蝕施工。

3. 2基面處理

清除混凝土表面油漬、淤泥、浮漿，鑿去表面脹裂或松動的混凝土，用高強電動鋼絲刷除去混凝土結(jié)構(gòu)表面灰塵、起皮、松砂，再用合金鋼砂輪片把模板接縫處凸起棱角磨平，然后用高壓水槍或濕毛巾清潔混凝土表面浮塵。處理后混凝土表面應潔凈、牢固密實無松動。

3. 3底層柔性稀膠輥涂

基面清理完成，經(jīng)過報檢驗收合格后即進行底層柔性稀膠涂刷。在混凝土表面涂刷一層滲透力強的柔性稀膠以增強混凝土與防風材料之間的粘結(jié)強度，施工亦可采用刷子涂刷或噴涂，施工現(xiàn)場配備計量設備，嚴格按照配合比進行。

3. 4柔性稠膠修補

用柔性稠膠修補橋墩因施工缺陷引起的混凝土表面不平、蜂窩、麻面。

3. 5貼鋼絲網(wǎng)

在橋墩表面修補后，刮一遍柔性稠膠，將膠刮勻、刮平，鋼絲網(wǎng)要根據(jù)所貼橋墩斷面周長預先裁好，遇到變截面的位置可根據(jù)具體情況把鋼絲網(wǎng)剪成Λ型口。貼網(wǎng)時起始位置最好選在背風面及橋墩平面位置為宜。貼鋼絲網(wǎng)時，鋼絲網(wǎng)面一定要拉緊展平，貼上后用塑料刮板慢慢刮勻鋼絲網(wǎng)面，使膠均勻從網(wǎng)孔內(nèi)滲出。鋼絲網(wǎng)貼完后，待初凝不粘手后再刷一遍柔性稀膠，起到罩面作用。粘貼3層鋼絲網(wǎng)需用7層膠。防護層厚度＞2. 5 mm，平均厚度3 mm。

3. 6現(xiàn)場清理

施工完畢后，清理施工現(xiàn)場，將剩余材料按照相關規(guī)定處理，以免造成環(huán)境污染。圖2為橋墩防風蝕處理完成與1年后對照圖。

圖2防風蝕措施實施效果對照

4　結(jié)語

蘭新鐵路第二雙線橋墩風蝕防護于2014年6月份開始施工，2014年7月份施工完成。施工完成一年后經(jīng)現(xiàn)場觀察，按此方案防護后的橋墩均未再發(fā)生風蝕現(xiàn)象。實踐證明，采用柔性樹脂膠加不銹鋼絲網(wǎng)剛?cè)峤Y(jié)合的復合防護措施是強風蝕地區(qū)混凝土結(jié)構(gòu)防護的有效方法。

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(責任審編趙其文)

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

文章編號:1003-1995( 2016) 02-0043-04

作者簡介:公彥良( 1971—)，男，高級工程師。

基金項目:中國鐵道建筑總公司科研基金項目( 11-05B)

收稿日期:2015-07-16;修回日期: 2015-11-03

中圖分類號:U443．22

文獻標識碼:A

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