高速鐵路混凝土結(jié)構(gòu)凍融環(huán)境的劃分

董昊良 李化建 楊志強(qiáng) 溫家馨 易忠來

1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 高速鐵路軌道技術(shù)國家重點實驗室，北京 100081

高速鐵路網(wǎng)在中國已形成四縱四橫格局，并不斷向八縱八橫的目標(biāo)進(jìn)發(fā)。受高速鐵路工程條狀結(jié)構(gòu)特征與露天服役環(huán)境影響，凍融破壞已成為高速鐵路混凝土結(jié)構(gòu)常見的破壞形式之一。高海拔、強(qiáng)輻射、極端寒冷和頻繁的凍融循環(huán)成為高原地區(qū)高速鐵路混凝土面臨的難題。合理劃分凍融環(huán)境對高速鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計尤為重要。國內(nèi)外學(xué)者針對混凝土結(jié)構(gòu)所處凍融環(huán)境提出了各自的劃分方法［1-3］，但尚未形成統(tǒng)一的評價指標(biāo)，且針對區(qū)域跨度大、露天服役、極端嚴(yán)寒地區(qū)高速鐵路混凝土結(jié)構(gòu)凍融環(huán)境劃分的研究較少。

本文根據(jù)高速鐵路混凝土結(jié)構(gòu)特點，分析橋梁、無砟軌道和隧道混凝土結(jié)構(gòu)的凍融破壞特征，對比相關(guān)規(guī)范對混凝土結(jié)構(gòu)凍融環(huán)境的劃分依據(jù)，并梳理定量評價混凝土凍融環(huán)境的研究進(jìn)展，分析高速鐵路混凝土結(jié)構(gòu)凍融環(huán)境劃分中存在的問題并提出建議。

1 高速鐵路混凝土結(jié)構(gòu)凍融破壞特征

1.1 橋梁

由于頻繁接觸水或長期處于含有侵蝕離子的水位變動區(qū)，鐵路橋墩成為橋梁結(jié)構(gòu)中易發(fā)生凍融破壞的部位，具有立面結(jié)構(gòu)混凝土的破壞特征。鐵路橋梁混凝土橋墩的凍融破壞表現(xiàn)為內(nèi)部結(jié)構(gòu)劣化并伴隨表層混凝土開裂、掉塊、露石露筋。快速凍融試驗可以模擬鐵路橋梁混凝土橋墩的凍融破壞過程。凍融循環(huán)次數(shù)達(dá)到某一臨界值前，鐵路橋梁混凝土橋墩表面出現(xiàn)粉化，但仍能夠保持一定的承載力，相對動彈性模量保持在80%以上。當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)超過臨界值時，相對動彈性模量迅速下降到60%以下，混凝土瞬間失去承載能力［4］。

1.2 無砟軌道

無砟軌道作為典型的豎向多層結(jié)構(gòu)，其凍融破壞往往發(fā)生在長期積雨積雪的無砟軌道現(xiàn)澆混凝土道床、底座板、支承層、橋面混凝土防水保護(hù)層等部位［5］，具體表現(xiàn)為表層混凝土逐層開裂、粉化、剝落，且由無砟軌道的四周及邊角向中間區(qū)域逐漸破壞［6］。根據(jù)凍融破壞特征，可將高速鐵路無砟軌道混凝土的凍融破壞劃分為未粉化、一般粉化（粉化深度0～3 cm）和嚴(yán)重粉化（粉化深度大于3 cm）三種。

1.3 隧道

鐵路隧道混凝土結(jié)構(gòu)的凍融破壞主要出現(xiàn)在隧道洞口的端墻、翼墻、隧道襯砌等部位。端墻或翼墻的凍融破壞與鐵路橋墩相似。隧道襯砌混凝土的凍融破壞是由于襯砌防水層破壞后，部分襯砌完全飽水處于凍融環(huán)境中，從而出現(xiàn)表面開裂、剝離等問題［7］。譚賢君等［8］建立了自然通風(fēng)條件下嚴(yán)寒地區(qū)隧道內(nèi)部溫度場計算模型。Zhou等［9］除自然風(fēng)外還考慮了在列車誘導(dǎo)風(fēng)和機(jī)械通風(fēng)條件下嚴(yán)寒地區(qū)隧道內(nèi)部溫度場計算模型。從隧道內(nèi)溫度場變化可知，高速鐵路隧道混凝土襯砌越接近洞口，凍融破壞越嚴(yán)重。因此，設(shè)計高速鐵路隧道時距洞口500～1 000 m 混凝土襯砌須要作抗凍設(shè)計。

2 高速鐵路混凝土結(jié)構(gòu)凍融環(huán)境劃分

2.1 凍融環(huán)境劃分依據(jù)

1）環(huán)境最低氣溫

環(huán)境氣溫的正負(fù)交替是高速鐵路混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生凍融破壞的前提。最低氣溫為-30 ℃時混凝土凍融破壞程度是-20 ℃時的2 倍以上［10］。最低氣溫為-52.5 ℃時混凝土凍融破壞程度是-18 ℃時的7～10倍［11］。混凝土的凍融破壞程度隨環(huán)境最低氣溫降低而逐漸增加。其原因是：在凍融過程中孔隙水產(chǎn)生的靜水壓力可看作混凝土所受疲勞荷載作用，最低氣溫越低，靜水壓力越大，凍融破壞越嚴(yán)重［12］。

2）降溫速率

高速鐵路混凝土結(jié)構(gòu)的凍融破壞程度與降溫速率密切相關(guān)，降溫速率加快會加速鐵路混凝土結(jié)構(gòu)的凍融破壞［13］。其原因是：降溫速率加快提升了混凝土內(nèi)部的凍脹應(yīng)力，從而明顯加重混凝土的損傷程度。降溫速率從10 ℃/h增至20 ℃/h時，混凝土內(nèi)部應(yīng)力增加了16%［14］。降溫速率為13 ℃/h 時混凝土內(nèi)部損傷量是降溫速率為2.8 ℃/h 時的5.53 倍［15］。這是因為降溫速率提高使混凝土內(nèi)部孔隙的開裂量顯著增加。

3）飽水狀態(tài)

根據(jù)Fagerlund［16］提出的臨界飽水理論，混凝土孔隙只有處于臨界飽水狀態(tài)時混凝土才會出現(xiàn)凍融破壞。鐵路混凝土結(jié)構(gòu)的飽水程度受自身結(jié)構(gòu)類型影響，因平面和立面混凝土結(jié)構(gòu)的飽水形式不同，在相同凍融環(huán)境下其破壞程度存在差異［17］。作為豎向多層的平面結(jié)構(gòu)，無砟軌道混凝土結(jié)構(gòu)的飽水狀態(tài)由環(huán)境降水量決定。鐵路橋墩等立面混凝土結(jié)構(gòu)的飽水狀態(tài)則與是否處于水位變動區(qū)有關(guān)。飽水狀態(tài)是評價凍融環(huán)境等級的重要依據(jù)，立面結(jié)構(gòu)混凝土的飽水狀態(tài)建議依據(jù)TB 10005—2010《鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計規(guī)范》［18］中要求的是否頻繁接觸水或處于水位變動區(qū)進(jìn)行評價；平面結(jié)構(gòu)混凝土建議以降水量和降水天數(shù)作為評價指標(biāo)。

4）水中有無侵蝕離子

鹽類中侵蝕離子作用會加劇高速鐵路混凝土結(jié)構(gòu)的凍融破壞程度［19］。水中的侵蝕離子降低了混凝土內(nèi)部孔隙水的冰點，且在混凝土孔隙中結(jié)晶產(chǎn)生結(jié)晶壓，加重了混凝土的凍融破壞［20］。鹽溶液濃度與鐵路混凝土結(jié)構(gòu)的鹽凍損傷程度有直接關(guān)系。鹽溶液濃度達(dá)到3%時混凝土凍融破壞程度最大，即存在最大鹽凍破壞濃度［21］。楊全兵［22］建立了鹽溶液在混凝土中的結(jié)冰壓計算模型，解釋了存在最大鹽凍破壞濃度是鹽溶液降低結(jié)冰壓的有利影響和提升臨界飽水值的不利影響共同作用所致。

5）凍融循環(huán)次數(shù)

混凝土的凍融破壞過程可以認(rèn)為是由靜水壓力產(chǎn)生的損傷累積過程。凍融循環(huán)次數(shù)越多，混凝土凍融破壞越嚴(yán)重。凍融循環(huán)次數(shù)與海拔、環(huán)境氣溫等因素有關(guān)。高原地區(qū)凍融循環(huán)次數(shù)要明顯高于平原地區(qū)。李金玉等［23］測試發(fā)現(xiàn)，實驗室內(nèi)快速凍融1 次的凍融破壞程度約等于室外正負(fù)溫交替12 次。殷英政［24］考慮不同溫度之間混凝土的凍融破壞差異，提出了室外年凍融循環(huán)次數(shù)的計算公式。劉西拉等［25］依據(jù)Miner 法則的凍融損傷等效理論，利用室外各級靜水壓與實驗室快凍試驗靜水壓之間的比例系數(shù)提出了室外凍融循環(huán)次數(shù)的計算模型。李曄等［26］以降溫速率和最低氣溫為量化指標(biāo)建立了混凝土年凍融循環(huán)次數(shù)的預(yù)估方程。

2.2 國內(nèi)外規(guī)范中對凍融環(huán)境的劃分

國內(nèi)外規(guī)范中混凝土結(jié)構(gòu)凍融環(huán)境等級劃分對比見表1。其中：t為年最冷月平均氣溫，Δt為溫差。

表1 國內(nèi)外規(guī)范中混凝土結(jié)構(gòu)凍融環(huán)境等級劃分對比

續(xù)表

中國規(guī)范對鐵路、公路、水工等領(lǐng)域的混凝土結(jié)構(gòu)所處凍融環(huán)境均進(jìn)行了明確劃分，最冷月平均氣溫、飽水狀態(tài)、是否受鹽類侵蝕雖在不同規(guī)范中要求有所差異，但已成為混凝土結(jié)構(gòu)最常使用的凍融環(huán)境劃分指標(biāo)。TB 10005—2010 中根據(jù)高速鐵路混凝土結(jié)構(gòu)長期暴露于大氣環(huán)境的特點，考慮了最冷月平均氣溫、飽水狀態(tài)和是否含氯鹽水體將凍融環(huán)境劃分為D1—D4 四個等級。這與GB/ T 50476—2019《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》［27］中采用的劃分依據(jù)一致。JTG/ T 3310—2019《公路工程混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計規(guī)范》［28］以環(huán)境氣溫、溫差及混凝土飽水狀態(tài)作為劃分依據(jù)，將公路工程混凝土結(jié)構(gòu)所處凍融環(huán)境劃分為Ⅱ?C—Ⅱ?E 三個等級。考慮到水工建筑物長期頻繁與水接觸，GB/ T 50662—2011《水工建筑物抗冰凍設(shè)計規(guī)范》［29］在TB 10005—2010 的基礎(chǔ)上增加了年凍融循環(huán)次數(shù)作為凍融環(huán)境的評價指標(biāo)。

加拿大規(guī)范CSA A23.1：19/ CSA A23.2：19［30］和中國規(guī)范相似，依據(jù)環(huán)境氣溫、飽水狀態(tài)和是否接觸氯鹽對混凝土結(jié)構(gòu)凍融環(huán)境進(jìn)行劃分。而美國規(guī)范ACI 318M?08［31］和歐洲規(guī)范EN 1992?1?1［32］將正負(fù)溫交替作為凍融的前提，依據(jù)飽水狀態(tài)和是否接觸氯鹽，分別以F0—F3 和XF1—XF4 將凍融環(huán)境劃分為四個等級，但未考慮最低氣溫或最冷月平均氣溫對凍融環(huán)境的影響。

凍融環(huán)境劃分的詳細(xì)程度將決定其準(zhǔn)確性及適用范圍。高速鐵路混凝土結(jié)構(gòu)凍融環(huán)境劃分還應(yīng)考慮：①極端最低氣溫。混凝土結(jié)構(gòu)在極端最低氣溫下凍融破壞加劇，直接影響結(jié)構(gòu)的使用壽命。②高原高寒低氣壓環(huán)境。高原高寒環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)凍融破壞機(jī)理復(fù)雜，且在高原低氣壓環(huán)境下混凝土引氣難度大。③混凝土結(jié)構(gòu)類型。鐵路工程平面和立面混凝土結(jié)構(gòu)的凍融破壞機(jī)理不同，凍融破壞速率以及破壞形態(tài)不一樣，應(yīng)區(qū)別對待。

2.3 凍融環(huán)境劃分量化研究

目前研究者們主要采用環(huán)境氣溫、凍融循環(huán)次數(shù)等指標(biāo)對凍融環(huán)境進(jìn)行定量評價。Peng 等［33］建立了室外凍融循環(huán)次數(shù)與年平均氣溫的關(guān)系，將中國凍融環(huán)境劃分為未凍融、部分凍融和嚴(yán)重凍融三類。Haley［34］依據(jù)凍融循環(huán)次數(shù)將美國凍融環(huán)境劃分為七個區(qū)域。以凍融循環(huán)次數(shù)作為混凝土凍融環(huán)境劃分的量化指標(biāo)能夠比較合理評價混凝土結(jié)構(gòu)所處凍融環(huán)境，但若以凍融循環(huán)次數(shù)作為唯一的評價指標(biāo)過于片面，應(yīng)結(jié)合最低溫度下凍融循環(huán)次數(shù)、混凝土自身結(jié)構(gòu)特點等綜合考慮。

麻海艦［35］針對機(jī)場停機(jī)坪、機(jī)場跑道此類平面結(jié)構(gòu)，依據(jù)年凍融循環(huán)次數(shù)和日最低氣溫將凍融環(huán)境劃分為六個等級。宋峰［36］依據(jù)最冷月氣溫、最冷月平均氣溫和凍融循環(huán)次數(shù)計算了不同凍融環(huán)境下混凝土的凍融損傷值。與國內(nèi)外規(guī)范中對凍融環(huán)境的定性劃分相比，定量劃分結(jié)果更準(zhǔn)確，有助于混凝土結(jié)構(gòu)抗凍性、耐久性設(shè)計。

3 結(jié)論與建議

通過對高速鐵路混凝土凍融環(huán)境劃分相關(guān)研究的分析，得出以下結(jié)論：

1）規(guī)范中將年最冷月平均氣溫小于等于-8 ℃的地區(qū)規(guī)定為嚴(yán)寒地區(qū)，但最低氣溫達(dá)到-40 ℃的地區(qū)是否屬于嚴(yán)寒地區(qū)有待商榷。

2）規(guī)范中多采用定性指標(biāo)對凍融環(huán)境進(jìn)行劃分，缺少對劃分依據(jù)的定量判斷。應(yīng)研究采用凍融循環(huán)次數(shù)等量化指標(biāo)對凍融環(huán)境進(jìn)行劃分，將定性和定量指標(biāo)相結(jié)合對高速鐵路混凝土結(jié)構(gòu)凍融環(huán)境進(jìn)行準(zhǔn)確劃分。

3）從現(xiàn)有混凝土結(jié)構(gòu)凍融破壞狀態(tài)來看，平面結(jié)構(gòu)凍融破壞速度比立面結(jié)構(gòu)更快。應(yīng)根據(jù)高速鐵路混凝土結(jié)構(gòu)特點、飽水程度、環(huán)境最低氣溫、凍融循環(huán)次數(shù)、凍融破壞形態(tài)和破壞速度，有針對性地進(jìn)行凍融環(huán)境等級劃分。

4）高速鐵路混凝土結(jié)構(gòu)承受疲勞荷載和凍融循環(huán)耦合作用，建立耦合作用下凍融破壞模型可為高速鐵路混凝土結(jié)構(gòu)服役壽命設(shè)計提供依據(jù)。