高速铁路混凝土结构冻融环境的划分

2022-02-07董昊良李化建杨志强温家馨易忠来

铁道建筑 2022年12期

董昊良李化建杨志强温家馨易忠来

1.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081；2.中国铁道科学研究院集团有限公司高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京 100081

高速铁路网在中国已形成四纵四横格局，并不断向八纵八横的目标进发。受高速铁路工程条状结构特征与露天服役环境影响，冻融破坏已成为高速铁路混凝土结构常见的破坏形式之一。高海拔、强辐射、极端寒冷和频繁的冻融循环成为高原地区高速铁路混凝土面临的难题。合理划分冻融环境对高速铁路混凝土结构耐久性设计尤为重要。国内外学者针对混凝土结构所处冻融环境提出了各自的划分方法［1-3］，但尚未形成统一的评价指标，且针对区域跨度大、露天服役、极端严寒地区高速铁路混凝土结构冻融环境划分的研究较少。

本文根据高速铁路混凝土结构特点，分析桥梁、无砟轨道和隧道混凝土结构的冻融破坏特征，对比相关规范对混凝土结构冻融环境的划分依据，并梳理定量评价混凝土冻融环境的研究进展，分析高速铁路混凝土结构冻融环境划分中存在的问题并提出建议。

1 高速铁路混凝土结构冻融破坏特征

1.1 桥梁

由于频繁接触水或长期处于含有侵蚀离子的水位变动区，铁路桥墩成为桥梁结构中易发生冻融破坏的部位，具有立面结构混凝土的破坏特征。铁路桥梁混凝土桥墩的冻融破坏表现为内部结构劣化并伴随表层混凝土开裂、掉块、露石露筋。快速冻融试验可以模拟铁路桥梁混凝土桥墩的冻融破坏过程。冻融循环次数达到某一临界值前，铁路桥梁混凝土桥墩表面出现粉化，但仍能够保持一定的承载力，相对动弹性模量保持在80%以上。当冻融循环次数超过临界值时，相对动弹性模量迅速下降到60%以下，混凝土瞬间失去承载能力［4］。

1.2 无砟轨道

无砟轨道作为典型的竖向多层结构，其冻融破坏往往发生在长期积雨积雪的无砟轨道现浇混凝土道床、底座板、支承层、桥面混凝土防水保护层等部位［5］，具体表现为表层混凝土逐层开裂、粉化、剥落，且由无砟轨道的四周及边角向中间区域逐渐破坏［6］。根据冻融破坏特征，可将高速铁路无砟轨道混凝土的冻融破坏划分为未粉化、一般粉化（粉化深度0～3 cm）和严重粉化（粉化深度大于3 cm）三种。

1.3 隧道

铁路隧道混凝土结构的冻融破坏主要出现在隧道洞口的端墙、翼墙、隧道衬砌等部位。端墙或翼墙的冻融破坏与铁路桥墩相似。隧道衬砌混凝土的冻融破坏是由于衬砌防水层破坏后，部分衬砌完全饱水处于冻融环境中，从而出现表面开裂、剥离等问题［7］。谭贤君等［8］建立了自然通风条件下严寒地区隧道内部温度场计算模型。Zhou等［9］除自然风外还考虑了在列车诱导风和机械通风条件下严寒地区隧道内部温度场计算模型。从隧道内温度场变化可知，高速铁路隧道混凝土衬砌越接近洞口，冻融破坏越严重。因此，设计高速铁路隧道时距洞口500～1 000 m 混凝土衬砌须要作抗冻设计。

2 高速铁路混凝土结构冻融环境划分

2.1 冻融环境划分依据

1）环境最低气温

环境气温的正负交替是高速铁路混凝土结构发生冻融破坏的前提。最低气温为-30 ℃时混凝土冻融破坏程度是-20 ℃时的2 倍以上［10］。最低气温为-52.5 ℃时混凝土冻融破坏程度是-18 ℃时的7～10倍［11］。混凝土的冻融破坏程度随环境最低气温降低而逐渐增加。其原因是：在冻融过程中孔隙水产生的静水压力可看作混凝土所受疲劳荷载作用，最低气温越低，静水压力越大，冻融破坏越严重［12］。

2）降温速率

高速铁路混凝土结构的冻融破坏程度与降温速率密切相关，降温速率加快会加速铁路混凝土结构的冻融破坏［13］。其原因是：降温速率加快提升了混凝土内部的冻胀应力，从而明显加重混凝土的损伤程度。降温速率从10 ℃/h增至20 ℃/h时，混凝土内部应力增加了16%［14］。降温速率为13 ℃/h 时混凝土内部损伤量是降温速率为2.8 ℃/h 时的5.53 倍［15］。这是因为降温速率提高使混凝土内部孔隙的开裂量显著增加。

3）饱水状态

根据Fagerlund［16］提出的临界饱水理论，混凝土孔隙只有处于临界饱水状态时混凝土才会出现冻融破坏。铁路混凝土结构的饱水程度受自身结构类型影响，因平面和立面混凝土结构的饱水形式不同，在相同冻融环境下其破坏程度存在差异［17］。作为竖向多层的平面结构，无砟轨道混凝土结构的饱水状态由环境降水量决定。铁路桥墩等立面混凝土结构的饱水状态则与是否处于水位变动区有关。饱水状态是评价冻融环境等级的重要依据，立面结构混凝土的饱水状态建议依据TB 10005—2010《铁路混凝土结构耐久性设计规范》［18］中要求的是否频繁接触水或处于水位变动区进行评价；平面结构混凝土建议以降水量和降水天数作为评价指标。

4）水中有无侵蚀离子

盐类中侵蚀离子作用会加剧高速铁路混凝土结构的冻融破坏程度［19］。水中的侵蚀离子降低了混凝土内部孔隙水的冰点，且在混凝土孔隙中结晶产生结晶压，加重了混凝土的冻融破坏［20］。盐溶液浓度与铁路混凝土结构的盐冻损伤程度有直接关系。盐溶液浓度达到3%时混凝土冻融破坏程度最大，即存在最大盐冻破坏浓度［21］。杨全兵［22］建立了盐溶液在混凝土中的结冰压计算模型，解释了存在最大盐冻破坏浓度是盐溶液降低结冰压的有利影响和提升临界饱水值的不利影响共同作用所致。

5）冻融循环次数

混凝土的冻融破坏过程可以认为是由静水压力产生的损伤累积过程。冻融循环次数越多，混凝土冻融破坏越严重。冻融循环次数与海拔、环境气温等因素有关。高原地区冻融循环次数要明显高于平原地区。李金玉等［23］测试发现，实验室内快速冻融1 次的冻融破坏程度约等于室外正负温交替12 次。殷英政［24］考虑不同温度之间混凝土的冻融破坏差异，提出了室外年冻融循环次数的计算公式。刘西拉等［25］依据Miner 法则的冻融损伤等效理论，利用室外各级静水压与实验室快冻试验静水压之间的比例系数提出了室外冻融循环次数的计算模型。李晔等［26］以降温速率和最低气温为量化指标建立了混凝土年冻融循环次数的预估方程。

2.2 国内外规范中对冻融环境的划分

国内外规范中混凝土结构冻融环境等级划分对比见表1。其中：t为年最冷月平均气温，Δt为温差。

表1 国内外规范中混凝土结构冻融环境等级划分对比

续表

中国规范对铁路、公路、水工等领域的混凝土结构所处冻融环境均进行了明确划分，最冷月平均气温、饱水状态、是否受盐类侵蚀虽在不同规范中要求有所差异，但已成为混凝土结构最常使用的冻融环境划分指标。TB 10005—2010 中根据高速铁路混凝土结构长期暴露于大气环境的特点，考虑了最冷月平均气温、饱水状态和是否含氯盐水体将冻融环境划分为D1—D4 四个等级。这与GB/ T 50476—2019《混凝土结构耐久性设计标准》［27］中采用的划分依据一致。JTG/ T 3310—2019《公路工程混凝土结构耐久性设计规范》［28］以环境气温、温差及混凝土饱水状态作为划分依据，将公路工程混凝土结构所处冻融环境划分为Ⅱ⁃C—Ⅱ⁃E 三个等级。考虑到水工建筑物长期频繁与水接触，GB/ T 50662—2011《水工建筑物抗冰冻设计规范》［29］在TB 10005—2010 的基础上增加了年冻融循环次数作为冻融环境的评价指标。

加拿大规范CSA A23.1：19/ CSA A23.2：19［30］和中国规范相似，依据环境气温、饱水状态和是否接触氯盐对混凝土结构冻融环境进行划分。而美国规范ACI 318M⁃08［31］和欧洲规范EN 1992⁃1⁃1［32］将正负温交替作为冻融的前提，依据饱水状态和是否接触氯盐，分别以F0—F3 和XF1—XF4 将冻融环境划分为四个等级，但未考虑最低气温或最冷月平均气温对冻融环境的影响。

冻融环境划分的详细程度将决定其准确性及适用范围。高速铁路混凝土结构冻融环境划分还应考虑：①极端最低气温。混凝土结构在极端最低气温下冻融破坏加剧，直接影响结构的使用寿命。②高原高寒低气压环境。高原高寒环境下混凝土结构冻融破坏机理复杂，且在高原低气压环境下混凝土引气难度大。③混凝土结构类型。铁路工程平面和立面混凝土结构的冻融破坏机理不同，冻融破坏速率以及破坏形态不一样，应区别对待。

2.3 冻融环境划分量化研究

目前研究者们主要采用环境气温、冻融循环次数等指标对冻融环境进行定量评价。Peng 等［33］建立了室外冻融循环次数与年平均气温的关系，将中国冻融环境划分为未冻融、部分冻融和严重冻融三类。Haley［34］依据冻融循环次数将美国冻融环境划分为七个区域。以冻融循环次数作为混凝土冻融环境划分的量化指标能够比较合理评价混凝土结构所处冻融环境，但若以冻融循环次数作为唯一的评价指标过于片面，应结合最低温度下冻融循环次数、混凝土自身结构特点等综合考虑。

麻海舰［35］针对机场停机坪、机场跑道此类平面结构，依据年冻融循环次数和日最低气温将冻融环境划分为六个等级。宋峰［36］依据最冷月气温、最冷月平均气温和冻融循环次数计算了不同冻融环境下混凝土的冻融损伤值。与国内外规范中对冻融环境的定性划分相比，定量划分结果更准确，有助于混凝土结构抗冻性、耐久性设计。