海洋环境铁路桥梁混凝土结构耐久性设计

冯凯

摘 要：文章以某铁路工程一座特大桥为例，总结海洋环境下桥梁耐久性设计要点，从提高混凝土材料的密实性及阻隔钢筋与氯离子的接触（或阻止钢筋锈蚀过程中电化学反应的发生）两方面入手，探讨了提高钢筋混凝土结构的耐久性的具体措施，以做到工程安全、投资最小。

关键词：海洋环境 铁路桥梁 耐久性设计

1.工程概况

某铁路通道工程付疃河特大桥位于日照市南部沿海地区，西起高兴镇张小庄村，跨越沈海高速、付疃河，东至海边日照水产研究所蔡家滩基地。付疃河受海水倒灌影响，根据石臼港海洋站测站断面处百年一遇水位3.30m（1985国家高程基准），百年一遇最大波浪高4.361m，设计高水位为2.91m，设计低水位为-2.68m。据此，采用明渠恒定非均匀流渐变流水面线的计算然后逐段试算法推至付疃河在桥址处百年一遇设计洪水位为6.04m。

2.环境类别及作用等级的确定

在海洋环境下，根据现行《海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范》（JTJ 275-2000）混凝土所处部位分为大气区、浪溅区、水位变动区、水下区。

在确定混凝土结构不同部位环境类别及作用等级前，首先需要计算确定大气区、浪溅区、水位变动区、水下区各自上、下界标高。

本桥付疃河内243号墩～264号墩、防波堤外302～308号墩，属于“无掩护条件”的情况，按港工设计水位确定各分区上、下界标高。

设计高水位时的重现期5 0年H1%（波列累积频率为1%的波高）波峰面高度η0=4.361m，设计高水位=2.91m，设计低水位=-2.68m。

大气区下界=设计高水位+η0+1=8.271m，

浪溅区下界=设计高水位–η0=–1.451m，

水位变动区下界=设计低水位–1=–3.68m。

根据上述分析，可具体划分出梁部、支座、支承垫石、顶帽（包括托盘、接触网立柱基础）、墩台身、承台、桩基各部分所处环境类别及作用等。

3.耐久性技术指标

近海及海洋环境下混凝土结构中的钢筋锈蚀主要是由氯离子引起的，为了延迟钢筋锈蚀发生的时间或减缓钢筋锈蚀发展的速率，就需要尽量减少或减慢氯离子与钢筋接触。那么，这就需要尽量提高混凝土的密实性，混凝土密实性的提高将直接影响其抗渗性、抗碳化、抗有害介质侵蚀等耐久性能。结合《铁路混凝土结构耐久性设计规范》（TB 10005-2010）的要求，考虑近海及海洋环境下离子的输运特性、抗裂性、抗化学腐蚀性等，本桥海洋或近海环境中（仅环境作用等级为L3）的混凝土结构采用高性能混凝土。

结合自身特点，以桥墩为例，本工程采用的高性能混凝土耐久性技术指标如下：混凝土设计强度等级 C50；抗冻等级≥F400；含气量最低限值5%；气泡间距系数<300μm；最大水胶比0.36；最小胶凝材料用量360kg/m3；最大胶凝材料用量480kg/m3；胶凝材料总量≥400kg/ m3；粉煤灰掺量>30%；粉煤灰掺量>30%；磨细矿渣粉掺量>50%；坍落度≥120mm；碱含量最大限值2.1kg/m3；氯离子含量最大限值0.1%（占胶凝材料）；氯离子扩散系数DRCM≤3×10-12 m2/s（28d）；电通量（56d）≤1000C；28d干缩值≤400×10-6。

4.结构构造措施

（1）结构构造设计

选择隔绝或减轻水、气等有害介质侵入混凝土，通过设置排水管、滴水沟或将构件顶面做成斜面等措施防止雨水直接与混凝土表面接触或在表面积聚。

（2）混凝土保护层厚度

混凝土保护层是防止钢筋锈蚀的第一道屏障，必须保证有足够的厚度，但同时其厚度亦不能过大而使表面混凝土容易开裂。本工程各部位所采用混凝土保护层最小厚度值如下：梁部50mm；支承垫石50mm；顶帽50mm；墩身60mm；桥墩、桥台、梁50mm；桥墩、梁45mm；承台75mm；桩基75mm。

（3）结构表面裂缝宽度控制

混凝土表面裂缝宽度是海洋环境有害介质侵入混凝土的通道，裂缝宽度越大，有害介质越容易侵入。裂缝周围的氯离子渗入深度远大于从表面渗入深度，本次设计裂缝宽度控制在0.2mm（L3环境中按0.15mm控制）以内。

（4）保证耐久性的养护技术参数

对于处于海中与海水直接接触的结构，最好使混凝土的龄期达到28d后拆模，避免混凝土过早直接暴露在海水中，特殊情况下至少使混凝土龄期达到14d后才能与海水直接接触。

5.防腐蚀强化措施的选定

防腐蚀强化措施是指，当采取提高混凝土密实性和增加钢筋的混凝土保护层厚度等常规措施仍不足以保证混凝土结构耐久性时，需进一步采取的其他防腐蚀措施。

本项目结合自身特点，经初步设计专家审查，海洋环境下混凝土的防腐蚀强化措施采用了表面涂层和涂层钢筋两种方式，具体适用范围和部位参见表1。需注意，考虑到梁部结构的重要性和維修养护的困难性，L2环境下亦采用了混凝土表面涂层。

根据《混凝土桥梁结构表面涂层防腐技术条件》（JT/T 695-2007），按照大气相对湿度和大气污染类型将大气腐蚀环境分为4种类型：弱腐蚀（Ⅰ）、中腐蚀（Ⅱ）、强腐蚀（Ⅲ-1）、强腐蚀（Ⅲ-2）；按水的类型将浸水区腐蚀环境类型分为两种类型：淡水（Im1）、海水或盐水（Im2）。本项目各部位所处腐蚀环境类型见表2。

结合前述不同分区上、下界标高以及表2对应的腐蚀类型，来确定各分区混凝土结构表面涂层范围、技术要求等。本项目所采用防腐技术方案根据“Ⅲ-2”和“Im2”型腐蚀环境设计，涂层体系防腐年限按照长效型（H）20年选择。

环氧涂层钢筋为熔融结合环氧涂层的钢筋、焊接网和成品钢筋，其技术要求、试验方法、检验规则等均应满足规范《钢筋混凝土用环氧涂层钢筋》（JT/T 695-2007）中的相关要求。用于制作环氧涂层的钢筋和成品钢筋，其质量应符合《钢筋混凝土用钢 第1部分：热轧光圆钢筋》（GB∕T 1499.1-2017）、《钢筋混凝土用钢 第2部分：热轧带肋钢筋》（GB-T 1499.2-2018）的要求，钢筋表面不应有毛刺、影响涂层质量的尖角及其他缺陷，并应无油、脂或漆等的污染。

6.结束语

综上所述，铁路混凝土结构耐久性设计应根据工程区域水文地质条件、气候条件等，综合研究判断混凝土结构所处的环境作用类别及作用等级，这也是耐久性设计最为重要的第一项工作。同一铁路混凝土结构的不同部位所处的环境作用不同时，应根据具体情况对不同部位所处的环境类别及作用等级分别进行确定，并采取相应的耐久性技术措施。

参考文献：

[1]TB 10005-2010，铁路混凝土结构耐久性设计规范[S].北京：中国铁道出版社，2010.

[2]JT/T 695-2007，混凝土桥梁结构表面涂层防腐技术条件[S].北京：人民交通出版社，2007.

[3]GB/T 25826-2010，钢筋混凝土用环氧涂层钢筋[S].北京：中国标准出版社，2011.