高寒地區橋涵混凝土結構耐久性的設計探討

喀什地區塔什庫爾幹縣的橋涵混凝土結構耐久性的設計探討

摘要：喀什地區塔什庫爾幹縣屬於高寒地區，在高寒地區中混凝土時久性下降、破壞機理進行分析，對塔什庫爾幹縣環境進行了介紹，對橋樑工程設計指導思想發展歷程進行了介紹，以一些典型實例分析橋樑混凝土構件耐久性設計中的重點和設計原則，並從實際出發探討了相關設計規範應用中的思路。隨着社會經濟的不斷髮展與進步，交通運輸也越來越發達，高寒地區橋樑的發展也比較迅速，橋樑建設也面臨着嚴峻的考驗，如何提高高寒地區橋樑的耐久性已經成為一項重要的施工課題，無論是橋樑的設計者還是施工人員，已經開始研究混凝土結構的耐久性，並且取得了一定的成績。

關鍵詞：塔什庫爾幹縣、高寒地區；混凝土結構；橋樑設計；耐久性

引言

高寒地區的混凝土結構的耐久性問題從表面上看，似乎僅影響結構的正常使用，但如不加以維修任其發展，則將直接關係到結構的安全度，最後導致結構破壞。橋樑混凝土的耐久性是指在進行橋樑設計中預定橋樑結構的使用壽命，在正常的運輸環境中，可以長期保持穩定安全運行。一般情況下，橋樑的使用壽命要求一百年以上，所以需要增強混凝土的耐久性，這樣才能保證鐵路橋樑運輸的安全性，延長使用壽命，降低大量的維修成本。

一、區域環境

塔什庫爾幹縣屬高原高寒乾旱-半乾旱氣候。冬季漫長寒冷，乾旱少雨，光能充足，熱量欠缺；春秋季短暫多風，有少量降雨；無明顯夏季。大致可分為冷暖兩季。年平均濕度為30-35%；年均日照時數達4434.7小時；晝夜温差大，平均日較差14.7℃ 左右，最大日較差25.2℃；平均降水量為68.1毫米；平均風速為2米/秒；平均無霜期為113天。

二、原材料要求

混凝土原材料主要包括水泥、骨料、摻合料以及其他材料的拌和用水、外加劑、外加纖維等。

原材料水泥的要求：應該選擇品質比較穩定的硅酸鹽水泥、礦渣硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥，硅酸鹽類的水泥耐久性比較強，強度為42.5。如果混凝土中含有硫酸鹽等化學腐蝕介質，這種情況下選擇膠凝材料不適合單獨使用普通硅酸鹽水泥，要使用具有抗硫酸性能的硅酸鹽類水泥，同時還需要加入大量的摻合料。為了加強混凝土結構的抗裂性能和穩定性，在使用時要注意硅酸鹽類水泥內的鋁酸三鈣的含量，要求是不能超過8%，遊離氧化鈣不能超過1.5%，總含鹼量不超過3.5kg/m3，同時也要注意水泥中氯離子的含量。

原材料骨料的要求：混凝土的耐久性與骨料有很大的關係，配製高寒地區鐵路橋樑混凝土的細集料，需要選擇堅固性強、性能優質的中粗砂，含量的掌握可以按照現行的“公路工程集料試驗規程”操作。配製粗集料選擇含泥量小、堅硬耐久，不能大於四十毫米的碎石、卵石，按照相關規定進行配製，巖石抗壓強度與混凝土強度的比例大於等於1.5.其它技術指標要符合“鐵路混凝土工程預防鹼一骨料反應技術條件”的規定。如果施工路段氣候温差與日夜温差較大，需要選用線脹係數小的粗骨料，這樣才能增強混凝土的抗裂性。

原材料摻合料的要求：提高高寒地區鐵路橋樑混凝土的耐久性，在選擇摻合料時要注意品質比較均勻穩定、來源固定的優質粉煤灰、磨細礦渣、和硅灰。同時需要注意的是，摻合料不能含有放射性物質、有毒物質、破壞混凝土結構的物質，所選用的摻合料必須要出檢驗合格證明。

原材料其他材料的要求：拌和用水不能含有有害雜質或者糖類、油脂類的物質；外加劑要選擇早強、耐腐蝕，並且性能比較高的混凝土外加劑；外加纖維要選擇多元礦物和聚丙烯纖維綜合復摻的，可以提高抗硫酸鹽侵蝕性能和抗乾濕循環性能，從而提高混凝土的耐久性。

三、配合比設計

水灰比和膠凝材料：針對高寒地區鐵路橋樑混凝土的研究，降低混凝土中水的含量可以減少混凝土受凍融的破壞。限制最大水膠比能夠減少混凝土內的結冰水含量。現在一般採用外加劑和混合材料來達到減少結冰水的效果，比如礦渣水泥或者火山灰都能夠改善孔結構，減少含水空隙，降低水含量。減少空隙的同時能夠增加密實度，從而提高混凝土的耐久性。另外，為了提高高寒地區混凝土的耐久性，還要注意水灰比與水泥用量，根據設計要求的結構強度來保障混凝土的強度。

適當引氣：為了緩解抗凍融對混凝土的破壞力，可以採用引氣來改善。為了達到引氣的最佳狀態，在引氣時要注意氣泡間的距離係數，使混凝土的漿體中氣泡能夠均勻分佈，避免結冰時壓力過大而破壞混凝土的結構。另外，需要注意的是，引氣會影響混凝土的剛度與強度，所以需要注意氣泡的引入量，避免出現氣泡引入過多的現象。

四、橋樑設計中一些容易忽視的問題

由受有的設計方法、和一些參考設計圖紙、標準圖紙的影響，橋樑設計時容易忽視其所處的環境要求的差異，構造物在使用階段常表現出結構耐久性問題，容易忽視的問題如下：

1、應重視環境類別的劃分

環境類別是酎久性設計的依據和基礎，而通常設計中僅僅是根據項目所處的大環境進行較為粗略的劃分，或僅進行了單項劃分而未進行多項劃分。公路為線型帶狀工程，其最大的特賓是跨越範圍大，工程沿線環境表現為多樣化，建議根據項日沿線具體情況將凍融環境和腐蝕環境統一的分段劃分，而不楚各自劃分各自的段落，有利於設計思路的清晰明瞭、避免遺漏差錯。

2、同地區的環境差異性應得到體現

設計單位通常根據氣象部門提供的某一地區最冷月平均氣温劃分環境類別，但忽視了氣象部門的數據為各氣象觀測站的平均值，由於氣象部門不在山頂設置觀測站，其平均值與跨度範圍很大的公路特點存在一定不使用性，往往一條公路可以分為平原區、淺山丘陵區、高山山嶺區等很多海拔氣候梯度分區。所以建議應根據路線位置分段考慮進行分區，例如平原區可以直接採用氣象部門資料確定環境類別，而山嶺區路段應在氣象部門資料基礎上根據海拔的差異有區別的確定環境類別。

3、幹線公路必須考慮除冰鹽的使用問題

受經濟的制約除冰鹽在高原地區很少使用，但隨經濟發展對公路運輸網的依賴性越來越重要，為保障道路暢通和安全“除冰鹽的使用越來 越普遍，主要使用範圍是國、省道幹線公路易於積雪、結冰路段。除冰鹽主要成分以氣化鈣、氣化鎂為主，融化後含有氯鹽的雪水深入橋面鋪裝層、現澆層、伸縮縫、或順板量翼緣殘留在上部結構表面，對混凝土構件造成腐蝕，設計中應強化關鍵構件防腐措施。

五、混凝土保護層厚度

《公路工程混凝土結構防腐蝕技術規範》指出已有的混凝土工程中存在嚴重的炭化鏽蝕，主要在於設計中採用了過薄的保護層厚度和水膠比過大的混凝土。受原來的設計圖紙影響，設計者在設計中往往將混凝土保護層貼近現行規範取用，認為規範取值較為保守，應注意規範的標定值為最小要求，具體設計中應根據具體情況、以及考慮施工誤差影響的基礎上，給予一定的安全儲備。

我國現在已經改進了混凝土最小保護層的厚度，根據施工環境而劃分不同的等級要求，對於施工環境比較惡劣的情況下，對最小保護層的厚度要求相對較低。綜合考慮高寒地區鐵路橋樑混凝土的耐久要求，最小保護層的厚度應該達到以下的要求：混凝土保護層的厚度要根據設計使用的年限而不同，同時，設計人員在設計圖紙時，所標明的保護層厚度值應考慮到施工允許存在的公差值，並且，從箍筋的外表面計算，這樣可以避免箍筋年久鏽蝕。另外，要對預應力鋼筋鏽蝕的危害性引起足夠的重視，先張法的保護層厚度不能低於三十毫米，後張法預應力構件保護層厚度不能低於管道的直徑，混凝土構件保護層的厚度要考慮高寒地區的特點，要比普通地區增加五到十毫米，如果施工環境屬於乾濕交替的情況下，不能低於五十毫米。

結語

總而言之，作為高寒地區的橋涵混凝土耐久性的設計技術探討不僅是要加強相關研究，更重要的是通過學習交流提高工程建設者的思想認識。提高高寒地區橋樑混凝土結構的耐久性，在選擇原材料時就要注意選擇含鹼量較低的水泥，並且使用堅固耐久的潔淨優質骨料，摻合料選擇質量達到標準的粉煤灰、磨細礦渣、和硅灰，水膠材料要注意用量，適量引氣，進一步提高高寒地區混凝土的耐久性。根據環境不同採用相應的設計方法，掌握好混凝土保護層厚度，從而保障高寒地區橋樑的使用壽命。