蘭新鐵路橋墩防風(fēng)蝕措施及施工方法

王占國(guó)

(中鐵十六局集團(tuán)第二工程有限公司，天津 300162)

1 工程概況

1.1 線路地理位置

LXTJ6標(biāo)段起止里程為DK1679+000～DK1717+239，標(biāo)段全部位于吐魯番市管轄內(nèi)，線路東起吐魯番北站西出站端(K1679+000)，向西北方向經(jīng)過(guò)新建蘭新鐵路大河沿站(DK1709+950)后，向西北上跨南疆二線后到達(dá)標(biāo)段終點(diǎn)(DK1717+239)，全長(zhǎng)34.445 km。

1.2 氣象條件

本文研究標(biāo)段地處位置為中溫帶干旱大陸性氣候區(qū)。全年范圍內(nèi)氣候干燥，旱季時(shí)間相對(duì)長(zhǎng)、雨季時(shí)間相對(duì)短，降雨量較少，全年平均降雨量不足20 mm，但是年蒸發(fā)量較大，年最大蒸發(fā)量達(dá)到3 608.2 mm。該地區(qū)多風(fēng)，主要為春季和秋季，相對(duì)來(lái)說(shuō)夏季和冬季風(fēng)力減弱。該地區(qū)夏季時(shí)間相對(duì)較短并且炎熱，冬季時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)并且寒冷，全年范圍內(nèi)氣溫變化較大，極端最高氣溫和最低氣溫分別為47.7 ℃和-28.0 ℃。

本標(biāo)段位于大風(fēng)區(qū)(DK1681之前為Ⅱ區(qū)、KD1681-DK1711為Ⅲ區(qū)、DK1711之后為Ⅴ區(qū))，年平均風(fēng)速為1.6 m/s，主要為東風(fēng)，最大風(fēng)速超過(guò)40 m/s?；阼F路部門對(duì)該地區(qū)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，鐵路沿線風(fēng)區(qū)主要包括三個(gè)方面的大風(fēng)主要特征：①風(fēng)速高，該地區(qū)最大風(fēng)速為60 m/s；②風(fēng)期長(zhǎng)，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示該地區(qū)8級(jí)風(fēng)及以上時(shí)間約為200天；③季節(jié)性強(qiáng)，大風(fēng)時(shí)間主要集中在4、5月份；④風(fēng)向穩(wěn)定，全年范圍內(nèi)大風(fēng)的主要風(fēng)向?yàn)楸憋L(fēng)和西北風(fēng)。

2 風(fēng)蝕現(xiàn)象和危害

對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，長(zhǎng)時(shí)間的風(fēng)蝕作用會(huì)對(duì)其耐久性產(chǎn)生非常不利的影響[1]。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的風(fēng)蝕之后，混凝土橋墩會(huì)表現(xiàn)出不同程度的風(fēng)蝕損傷，主要體現(xiàn)在混凝土橋墩表面會(huì)出現(xiàn)蜂窩以及龜裂，如圖1所示。如果對(duì)這種情況不及時(shí)采取有效地處理措施，讓這種風(fēng)蝕破壞作用持續(xù)作用下去，將會(huì)嚴(yán)重影響混凝土橋墩的質(zhì)量，進(jìn)而縮短其使用壽命。

圖1 混凝土橋墩表面風(fēng)蝕狀態(tài)局部觀察

風(fēng)蝕磨損對(duì)混凝土橋墩的破壞作用主要過(guò)程包括兩個(gè)方面：①含砂的氣流在長(zhǎng)期對(duì)混凝土橋墩的作用過(guò)程中會(huì)逐漸將其表面的砂漿磨損掉，在失去砂漿的保護(hù)后粗集料會(huì)逐漸凸露出來(lái)，形成混凝土橋墩表層缺陷；②含砂的氣流繼續(xù)作用于凸露出來(lái)的粗集料，在長(zhǎng)時(shí)間的作用過(guò)程中，混凝土橋墩表面的粗集料也逐漸被風(fēng)蝕磨損，被帶離砂漿基體，導(dǎo)致混凝土橋墩表面出現(xiàn)很多小的孔洞。如此兩個(gè)過(guò)程反復(fù)循環(huán)，含砂氣流又將新暴露出現(xiàn)的砂漿磨損掉，繼而暴露出來(lái)新的粗集料，接著被含砂氣流剝離，導(dǎo)致混凝土橋墩的風(fēng)蝕破壞程度越來(lái)越嚴(yán)重[2]。除此之外，對(duì)于在干旱風(fēng)砂地區(qū)的混凝土橋梁來(lái)說(shuō)，由于晝夜溫差的巨大變化以及風(fēng)蝕效應(yīng)的影響，會(huì)在很大程度上提高混凝土的收縮性以及脆性，進(jìn)而導(dǎo)致混凝土表面出現(xiàn)不同程度的網(wǎng)狀裂紋，對(duì)其表面的保護(hù)層產(chǎn)生了破壞，進(jìn)而降低了混凝土工程的質(zhì)量。進(jìn)一步隨著風(fēng)蝕磨損程度的不斷增加，將會(huì)逐漸降低混凝土表面的抗風(fēng)蝕能力，進(jìn)而對(duì)混凝土工程的耐久性產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

3 防治措施

風(fēng)蝕問(wèn)題的處理是一項(xiàng)較為復(fù)雜的工程，既需要保障質(zhì)量的可靠性和穩(wěn)定性，還應(yīng)該保障施工項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性。因此，為了解決蘭新鐵路施工過(guò)程中的橋墩防風(fēng)蝕問(wèn)題，制定更加科學(xué)合理的解決方案，首先需要開展專項(xiàng)的試驗(yàn)研究為方案的制定提供依據(jù)。最終試驗(yàn)結(jié)果顯示，不同的混凝土基底處理方式對(duì)混凝土橋墩表面的耐磨性具有不同的影響，即不同混凝土基底處理方式的橋墩具有不同的耐風(fēng)蝕能力。在對(duì)相同混凝土表面進(jìn)行處理時(shí)，水性硅丙乳液處理的混凝土表面抗風(fēng)蝕能力最差，環(huán)氧樹脂+聚氨酯涂料處理的混凝土表面抗風(fēng)蝕能力最好，PPG處理的混凝土表面抗風(fēng)蝕能力中等?；谠囼?yàn)研究結(jié)果，再結(jié)合施工項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性分析，最終確定蘭新鐵路混凝土橋墩防風(fēng)蝕措施。

3.1 抗風(fēng)蝕機(jī)理分析

混凝土橋墩表面的防風(fēng)蝕材料包括柔性樹脂膠加不銹鋼絲網(wǎng)，柔性樹脂膠的主要成分包括聚合物乳液以及強(qiáng)化滲透組分。柔性樹脂膠加不銹鋼絲網(wǎng)這兩種材料經(jīng)過(guò)多道工藝加工最終形成混凝土橋墩表面的防風(fēng)蝕保護(hù)層。柔性樹脂膠和不銹鋼絲網(wǎng)具有不同的性能特點(diǎn)，因此，其抗風(fēng)蝕機(jī)理也不相同?；炷翗蚨毡砻娣里L(fēng)蝕材料的抗風(fēng)蝕機(jī)理為：抗風(fēng)蝕表面處理材料在柔性樹脂膠強(qiáng)化滲透組分的作用影響下，可以沿著微小的裂隙向既有混凝土中進(jìn)行滲透，隨著滲透的不斷深入其與混凝土中的游離鈣產(chǎn)生持續(xù)穩(wěn)定的化學(xué)反應(yīng)，該化學(xué)反應(yīng)會(huì)生成微膨脹的晶體結(jié)構(gòu)，可以對(duì)混凝土表面已有的微孔以及微裂隙等進(jìn)行充填堵塞，改善混凝土表面的質(zhì)量。同時(shí)柔性樹脂材料中的聚合物乳液與鋼絲網(wǎng)以及化學(xué)反應(yīng)生成的微膨脹晶體，在化學(xué)和物理的共同作用下可以在混凝土橋墩表面共同形成致密疏水的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這種空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)能夠?qū)炷翗蚨毡砻嫫鸬接行У谋Ｗo(hù)作用[3]。這時(shí)，當(dāng)含砂的氣流再次作用到混凝土橋墩表面時(shí)，混凝土橋墩表面形成的致密疏水的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)能夠在很大程度上削弱含砂氣流對(duì)混凝土表面的削切作用。除此之外，在混凝土橋墩表面致密疏水的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的保護(hù)下，其表面原本容易被含砂氣流磨損掉的砂漿也會(huì)提高其整體性，對(duì)于混凝土表面的粗集料起到有效的固定作用，使其難以凸露出來(lái)，進(jìn)而不會(huì)遭受含砂氣流的磨損。有效保護(hù)混凝土橋墩表面不會(huì)形成微孔洞以及微裂縫，提高混凝土橋墩表面的抗風(fēng)蝕磨損效果。

3.2 混凝土橋墩風(fēng)蝕等級(jí)分類

混凝土橋墩風(fēng)蝕等級(jí)分類有助于提高防風(fēng)蝕處理的針對(duì)性?；陲L(fēng)區(qū)調(diào)研結(jié)果，該標(biāo)段整體上可以將混凝土橋墩風(fēng)蝕等級(jí)主要分為兩大類：較嚴(yán)重風(fēng)蝕以及嚴(yán)重風(fēng)蝕。進(jìn)而在施工過(guò)程中可以采取針對(duì)性的抗風(fēng)蝕措施以及施工措施。較嚴(yán)重風(fēng)蝕主要是指風(fēng)速大于18 m/s，但是小于22 m/s，每年持續(xù)時(shí)間大于120天，混凝土結(jié)構(gòu)施工區(qū)域附近有砂礫源；嚴(yán)重風(fēng)蝕主要是指風(fēng)速大于22 m/s，每年持續(xù)時(shí)間大于120天，混凝土結(jié)構(gòu)施工區(qū)域附近有砂礫源。

3.3 混凝土橋墩風(fēng)蝕保護(hù)范圍

基于對(duì)風(fēng)區(qū)箱梁及T梁現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果進(jìn)行總結(jié)分析，認(rèn)為風(fēng)砂對(duì)混凝土橋墩的磨損主要在3 m之下，基于該認(rèn)識(shí)在對(duì)該標(biāo)段防風(fēng)蝕處理過(guò)程中應(yīng)該主要針對(duì)3 m之下的混凝土橋墩部分進(jìn)行保護(hù)。不同于風(fēng)區(qū)箱梁及T梁區(qū)域，基于百里風(fēng)區(qū)槽型梁現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果顯示，該施工區(qū)域由于地表砂礫源較多，風(fēng)力較大，因此，風(fēng)砂對(duì)混凝土橋墩的磨損范圍有所擴(kuò)大，基本上可以達(dá)到5 m，因此，在該區(qū)域防風(fēng)蝕處理應(yīng)該對(duì)混凝土橋墩5 m之下的部分進(jìn)行重點(diǎn)保護(hù)。

采用的主要防風(fēng)蝕措施為在混凝土橋墩防護(hù)高度之內(nèi)，對(duì)混凝土橋墩涂抹涂層以及粘貼鋼絲網(wǎng)。出于鋼絲網(wǎng)受拉性能的考慮以及多層粘貼的需求，在具體施工過(guò)程中采用對(duì)橋墩四周進(jìn)行全包的防護(hù)方式。

3.4 防風(fēng)蝕材料的選擇

試驗(yàn)研究表明環(huán)氧樹脂+聚氨酯是性能最佳的防風(fēng)蝕材料，環(huán)氧樹脂具有較高的強(qiáng)度，聚氨酯具有較好的韌性，因此，環(huán)氧樹脂+聚氨酯可以有效提高防風(fēng)蝕材料的強(qiáng)度和韌性，進(jìn)而可以抵御含砂氣流的沖擊。該項(xiàng)目為了提高混凝土橋墩表面的抗風(fēng)蝕能力，同時(shí)考慮到項(xiàng)目施工的經(jīng)濟(jì)性，最終確定了該路段混凝土橋墩防風(fēng)蝕材料為柔性樹脂膠和不銹鋼絲網(wǎng)。通過(guò)對(duì)柔性樹脂膠和不銹鋼絲網(wǎng)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，充分發(fā)揮兩種材料的優(yōu)勢(shì)，對(duì)混凝土橋墩進(jìn)行有效保護(hù)。柔性樹脂膠和不銹鋼絲網(wǎng)結(jié)合的材料具有良好的壓縮與拉伸強(qiáng)度，具有良好的耐風(fēng)蝕以及耐磨損性能，同時(shí)還具有良好的耐氣候性以及耐老化性能，可以為混凝土橋墩提供持久的抗風(fēng)蝕保護(hù)。

柔性樹脂膠主要包括6個(gè)方面的特點(diǎn)：①具有強(qiáng)大的粘附力，由于柔性樹脂膠分子中含有極性羥基和醚鍵，因此，可以對(duì)多種物質(zhì)均高強(qiáng)度粘附；②同時(shí)具有較高的強(qiáng)度和韌性，通過(guò)柔性劑對(duì)環(huán)氧樹脂進(jìn)行改造之后，既保留了環(huán)氧樹脂的強(qiáng)度，同時(shí)又使柔性樹脂膠具有良好的韌性、粘結(jié)性以及耐溫性，大大提高了其綜合性能；③化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，柔性樹脂膠在長(zhǎng)期暴露的環(huán)境下具有穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)，不容易與其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，因此，具有良好的耐酸堿性以及耐溶劑型[4]；④體積穩(wěn)定，柔性樹脂膠的生成是由環(huán)氧樹脂和固化劑通過(guò)直接加成反應(yīng)或者聚合反應(yīng)生成的，該過(guò)程中沒(méi)有水以及其他揮發(fā)性產(chǎn)物放出，因此，具有良好的體積穩(wěn)定性；⑤固化簡(jiǎn)單方便，試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示柔性樹脂膠在0～180 ℃均可以進(jìn)行固化；⑥具有良好的耐老化性和耐氣候性，其主要原因在于柔性樹脂膠中的脂環(huán)族烯烴的雙鍵是經(jīng)過(guò)氧化生成的，這從分子結(jié)構(gòu)上決定了柔性樹脂膠具有良好的耐老化型和耐氣候性。柔性樹脂膠的主要性能指標(biāo)如表1所示。

表1 柔性樹脂膠性能指標(biāo)分析

該路段混凝土橋墩防風(fēng)蝕材料中的不銹鋼絲網(wǎng)規(guī)格為：目數(shù)50；絲徑0.203～0.229 mm；孔徑0.28～0.31 mm。不銹鋼絲網(wǎng)具有良好的耐酸堿腐蝕、耐磨損、耐拉伸以及耐高溫等特性。

4 混凝土橋墩防風(fēng)蝕施工方法

4.1 施工準(zhǔn)備工作

首先應(yīng)該開展各項(xiàng)準(zhǔn)備工作，包括材料的準(zhǔn)備以及施工安全的準(zhǔn)備等，基于現(xiàn)場(chǎng)施工安全要求搭建腳手架，并且通過(guò)安全檢查之后，才能夠進(jìn)行施工。

4.2 基面處理

基面處理的主要目的是將混凝土橋墩表面的浮漿以及已經(jīng)松動(dòng)的混凝土等去除干凈，便于后續(xù)在混凝土橋墩表面進(jìn)行施工。在具體操作過(guò)程中，一是采用高強(qiáng)電動(dòng)鋼絲刷將混凝土橋墩表面的灰塵、起皮以及松動(dòng)的混凝土去除；二是采用合金鋼砂輪片將混凝土橋墩表面模板接縫處凸起的棱角磨平；三是采用高壓水槍對(duì)混凝土橋墩表面的浮塵進(jìn)行清潔處理。

4.3 底層柔性稀膠輥涂

在基面清潔達(dá)到驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)之后便可以在混凝土橋墩的底層涂刷柔性稀膠。通過(guò)柔性稀膠可以有效增加混凝土自身與防風(fēng)蝕材料之間的粘結(jié)強(qiáng)度。在底層柔性稀膠輥涂具體施工過(guò)程中，可以采用刷子進(jìn)行涂刷，也可以采用噴涂的方式。

4.4 柔性稠膠修補(bǔ)

對(duì)于混凝土表面的不平、蜂窩以及麻面等問(wèn)題采用柔性稠膠進(jìn)行修補(bǔ)。

4.5 粘貼鋼絲網(wǎng)

在粘貼鋼絲網(wǎng)施工之前，需要在第四步的基礎(chǔ)上再刮一遍柔性稠膠。然后基于混凝土橋墩斷面的周長(zhǎng)提前將鋼絲網(wǎng)尺寸剪裁好。在粘貼鋼絲網(wǎng)的過(guò)程中最好選擇背風(fēng)面，鋼絲網(wǎng)面一定要拉緊展平。在粘貼完成之后需要采用塑料刮板對(duì)鋼絲網(wǎng)面進(jìn)行均勻的慢刮，促使柔性稠膠從網(wǎng)孔中滲出。待到柔性稠膠初凝不粘手之后為了提高對(duì)鋼絲網(wǎng)面的保護(hù)力度，需要在上一輪的基礎(chǔ)上再刷一遍柔性稀膠。要求整個(gè)膠層平均厚度應(yīng)該在3 mm左右。

4.6 現(xiàn)場(chǎng)清理

待所有環(huán)節(jié)均施工完成之后，按照施工要求對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行清理。圖2(a)為施工完成時(shí)的混凝土橋墩，圖2(b)為施工1年后的同一混凝土橋墩?？梢?jiàn)防風(fēng)蝕處理對(duì)于混凝土橋墩起到了有效的保護(hù)作用。

(a)

(a)

5 結(jié)束語(yǔ)

本文首先分析了風(fēng)蝕現(xiàn)象和危害，在此基礎(chǔ)上基于混凝土橋墩防風(fēng)蝕問(wèn)題專項(xiàng)試驗(yàn)研究成果和具體的施工情況，確定了該路段混凝土橋墩防風(fēng)蝕材料為由柔性樹脂膠和不銹鋼絲網(wǎng)經(jīng)過(guò)多道工藝加工而成的防風(fēng)蝕材料。這種材料具有良好的壓縮與拉伸強(qiáng)度，同時(shí)具有良好的耐風(fēng)蝕以及耐磨損性能，還具有良好的耐氣候性以及耐老化性能。蘭新鐵路橋墩防風(fēng)蝕實(shí)踐證明，這種防風(fēng)蝕材料對(duì)混凝土橋墩起到了有效的保護(hù)作用。

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