滨海地区氯盐环境下桥墩裂缝原因与控制研究

王建强

摘要 桥墩作为桥梁的重要组成部分，在受到相关因素的影响下，桥墩易出现裂缝可能影响铁路运营安全。文章以滨港铁路二期工程施工二标段滨海地区铁路桥墩为例，深入分析桥墩出现裂缝的原因，从混凝土结构本身防腐性能、附加防腐措施、材料性能、养护方式以及控制施工质量的角度出发明确控制桥墩裂缝的措施，为类似铁路桥墩建设提供借鉴。

关键词 滨海地区;桥墩裂缝;盐类侵蚀

中图分类号 U445.57 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2022）05-0147-03

0 引言

盐碱地区环境下氯盐侵蚀是滨海地区铁路桥墩出现裂缝的主要原因，地表水、地下水中富含多种离子，这些离子接触桥墩后会对混凝土桥墩进行侵蚀，极易导致桥墩出现裂缝，长期不予以控制会影响铁路桥梁的质量。因此，在滨海氯盐侵蚀环境下铁路建设应重视桥墩裂缝现象，明确裂缝出现的原因并积极采取措施应对裂缝问题，从而保证铁路运输桥梁的安全性，为铁路行业发展创造更多机遇。

1 桥墩裂缝原因

1.1 钢筋锈蚀

氯离子对钢筋的锈蚀影响极大。滨港项目二标段，由于地处滨海地区，沿线水系丰富，标段内所有河流均与海水贯通（包括秦口河），大部分桥墩长期处于氯离子丰富的海水浸泡中。与此同时，水泥中的氧化钙与水反应会使钢筋表面形成钝化膜，氯离子聚集在钝化膜周围使附近海水呈酸性，加速钢筋锈蚀，海水中钢筋锈蚀流程如图1所示。钢筋锈蚀使钢筋的体积增大，包裹在钢筋外侧成形的混凝土受到挤压，最终导致桥墩表面出现裂缝。钢筋锈蚀后体积膨胀最高可达原体积的六倍，如不对裂缝进行控制，易造成严重的安全事故。

1.2 镁盐及硫酸盐侵蚀

水泥是铁路桥墩的主要原材料之一，其中的氢氧化钙会与海水中镁盐或硫酸盐反应，生成不利于桥墩保护的物质，生成的有害物质有以下几种：第一，氢氧化镁，这种物质极为松软，严重破坏水泥的结构，提升桥墩出现裂缝的可能性。第二，钙矾石，这种物质为针状结晶体，处于海水中的桥墩内部产生这种结晶会造成混凝土膨胀开裂。第三，硅酸镁水化物，这类水化物会与混凝土发生取代反应，影响混凝土的强度，导致混凝土表面出现裂缝的概率升高。

1.3 鹽类结晶压力

由于混凝土结构作为非均质结构，内部形成的毛细孔在海水环境中为盐分结晶提供了通道。海水含盐量极高，当盐类在混凝土毛细孔结晶会向混凝土释放压力，严重时会造成混凝土开裂甚至从表皮脱落，盐类结晶释放压力的流程如图2所示。受混凝土毛细作用影响，海水会沿桥墩向上蔓延，最终蒸发形成结晶[1]。除此之外，混凝土振捣不密实，出现孔洞，以及混凝土表面不平整也是盐类在桥墩处结晶的主要原因，因此施工过程中混凝土振捣不密实、表面平整度不够也是桥墩裂缝的形成因素。

1.4 气候条件

滨港二标段位于山东省滨州市无棣县北海新区，属于暖温带半湿润大陆性季风气候区，冬季寒冷干燥，夏季暖热多雨。夏季高温会加速海水对桥墩的腐蚀作用，使钢筋钝化反应时间缩短，极容易造成桥墩裂缝。滨港二标部分桥墩长期处于海水中，海水的保温效果使桥墩所处环境温度较高，为各类腐蚀反应发生创造了条件，且反应速度较快，导致滨海地区桥墩受海水腐蚀更加严重，出现裂缝的概率也相对较高，尤其在潮汐侵袭磨蚀环境下，由于反复干湿的物理作用，混凝土表面结晶积累加剧，在冬季低温环境下混凝土表面易脱皮掉块，也极易造成桥墩裂缝。

1.5 微生物腐蚀

海水中含有多种微生物，这些微生物也是引发桥墩裂缝的原因，海水中腐蚀桥墩的微生物有以下几种：第一，海水中的硫杆菌会将含硫元素的化学物质转换为硫酸盐，最终生成具有强腐蚀性的硫酸。第二，海水流动与波浪对桥墩的磨损与冲刷会破坏桥墩表面的保护层，降低海水中有害微生物接触桥墩的难度。第三，海水中常有轮船等通过，难免对桥墩造成冲击，为微生物入侵创造了便利条件，加快微生物对桥墩的腐蚀速度，造成桥墩开裂。

2 控制桥墩裂缝措施

2.1 提高混凝土抗腐蚀能力

混凝土包裹在钢筋外部，可作为钢筋结构的保护层，因此混凝土的抗腐蚀能力就代表钢筋的抗锈蚀能力。为提高混凝土的抗腐蚀能力，滨港铁路二标段桥墩建设遵循以下原则：第一，在混凝土表面喷涂无机溶胶型渗透结晶材料，对混凝土表面充分清理湿润干燥后喷涂，至少两遍，喷涂均匀，喷涂标准为每平方米不少于0.1 kg，保证涂刷厚度满足海水氯盐等侵蚀环境下建设桥墩的抗腐蚀性要求。无机溶胶型渗透结晶材料不同于普通水性溶液，是由超细粒子在分散介质中分散形成，有明显的分界面，且超细粒子具有刚性，是一种自动修补防水涂料，喷涂后混凝土表面会产生一些白色物质，其疏水性大于亲水性，通过混凝土毛细管在潮湿环境下形成不溶于水的结晶，形成一道抗渗性能好的保护层，并且在后期成型后遇水后会产生二次结晶现象。无机溶胶型渗透结晶材料相较于传统保护层材料渗透性强，防水效果良好，有自动修复微小裂纹等缺陷功能，并有耐碱的性能，且无毒、无污染，施工方便快捷，绿色环保，更能满足目前铁路行业对桥墩质量的要求。第二，混凝土最低强度满足环境作用等级，在氯盐L1、L2、L3环境、化学侵蚀H1、H2环境、盐类结晶破坏Y2、Y3环境等级下，以及冻融破坏D1、D2环境下，桩基混凝土标号为C40，承台为C50，墩台设计水位线+1 m以下为C50，以上为C45，在素混凝土结构中增加护面钢筋防裂的措施，提高混凝土耐久性。

2.2 提高混凝土保护层厚度

混凝土在侵蚀环境下，为防止混凝土内钢筋锈蚀，可适当提高混凝土保护层厚度，滨港铁路二标段桩基净保护层厚度不小于75 mm，墩台混凝土净保护层厚度不小于65 mm，实际施工中各部位保护层垫块一般较设计尺寸增加5～10 mm，延缓海水侵蚀速度，为一种比较直接的防护措施。

2.3 配合比优化及选择抗腐蚀能力强的水泥

混凝土配合比设计是混凝土结构的基础，也是决定混凝土结构强度及耐久性的重要环节。项目进场后，通过材料选型、试配、检验等，结合相关资料以及调查分析，确定最优配比，且掺入适量的粉煤灰等矿物掺合料，改善混凝土性能，如表1为项目C50混凝土配比。配比根据原材料变化及时调整，确保混凝土性能优良、强度和耐久性满足要求。

水泥作为混凝土的主要组成部分，在选择水泥时应将抗腐蚀能力作为选择标准。具有高抗腐蚀能力的水泥具有以下特点，可作为水泥抗腐蚀性能力评判标准。第一，高抗腐蚀性能力的水泥一般为普通硅酸盐水泥或其他耐腐蚀水泥，这类水泥相较于快硬硅酸盐水泥抗腐蚀能力更强，可使混凝土的性能与桥墩质量需求相符，控制出现裂缝的概率[2]。第二，水泥中含有活性成分，掺有高炉矿渣、火山灰、粉煤灰、硅藻土等活性熟料的水泥可起到保护桥墩的作用，将海水中的腐蚀性离子阻隔在桥墩以外，桥墩内部不發生腐蚀，出现裂缝的可能性自然下降。

2.4 提高混凝土施工质量和养护措施

混凝土施工过程中，由于工作人员振捣不密实或模板不密封造成漏浆等现象，混凝土表面易出现孔洞、麻面等，此类病害加大了混凝土裂缝现象产生，或由于混凝土养护不足、拆模时间过早、未做好防护措施等，在沿海地区受季风等环境影响，极易产生裂纹，以及由于混凝土强度不足，托盘顶帽等异形模板位置偏差调整影响下部混凝土结构也极易造成混凝土裂纹。滨港二标段，在混凝土施工过程中，严格执行“三检”制度，强化施工管理，控制混凝土入模温度，夏季选择在夜间气温较低时浇筑，结合同条件试件养护记录，严格控制拆模时间，墩台立面包裹设两层聚乙烯膜，里层保水锁水，外层防风等封闭措施，重点加固迎风面和被风面，即桥墩弧形位置或结构物凸起位置，平面位置采用土工布，顶部设置养护桶，保证混凝土养护到位，防止因大风天气混凝土表面收缩过快出现干缩裂纹。

2.5 选用耐腐蚀性钢材和涂刷防水保护层

在铁路桥墩设计中，桥墩预埋件多与结构钢筋连接形成整体，由于预埋件本身防腐性能以及和混凝土粘结不好易出现的微小缝隙等现象，极易造成混凝土产生裂缝。为防止此类现象，首先应选择耐腐蚀性更强的钢材。多元合金共渗+钝化处理，结合强度比镀锌等工艺更高更好。与此同时，在预埋件周边混凝土表面涂刷环氧树脂、聚氨酯等，此类材料具有极强的防腐性、防水性，阻隔因钢材与混凝土粘结不好形成缝隙造成结构钢筋锈蚀通道，防止混凝土裂缝产生。

2.6 外露钢筋头处理及钢筋材料防护

铁路部分异形墩台一般多采用小型钢模拼装，常用钢筋作为拉杆，施工中须对钢筋头外露部分进行防腐处理，如图3所示，防止钢筋锈蚀后混凝土产生裂缝，滨港二标段在实际操作中，首先对外露钢筋头打磨平整，表面清理干净，其次准备圆形空心模具，用以涂刷防腐材料，其孔洞直径大于拉杆直径20 mm以上，最后就是利用模具，模具与拉杆中心重合，在孔洞内涂刷聚氨酯防水涂料，涂刷厚度不小于1.5 mm，涂刷均匀，保证施工质量。

滨海地区由于湿润气候及环境原因，钢筋原材料、成品或半成品存放不当表面极易锈蚀，且钢筋除锈不彻底，铁锈膨胀可造成混凝土保护层破裂，同时降低钢筋与混凝土握裹力，降低结构耐久性，项目在施工中，钢筋材料集中存放在半封闭式加工棚内，加工棚通风良好，底部距底保证0.4 m以上，上部严禁杂物覆盖，且控制材料进场数量及加工数量，钢筋加工满足施工进度即可，减少材料的存放时间，降低钢筋被锈蚀风险。

3 结束语

混凝土与钢筋是铁路桥墩的主要材料，原材料性能难以满足海水环境中的桥墩质量需求是出现裂缝的关键因素，且实际操作中还应注重混凝土的施工质量、养护方式、表面防腐、各类易产生病害的预防与防治措施等，现场应重视优化原材料性能并保护桥墩周围的环境。桥墩裂缝是滨海地区铁路建设中一种常见问题，影响行车安全，因此在实际施工中应将海水侵蚀环境下桥墩裂缝控制作为首要工作任务，提升桥墩的质量，保证铁路运营安全。

参考文献

[1]刘俊秀.铁路桥梁墩身混凝土裂缝成因及防治措施[J].工程机械与维修，2021（1）：128-129.

[2]周志刚.铁路桥梁墩身混凝土裂缝成因及防治措施[J].工程技术研究，2020（13）：174-175.