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青藏铁路混凝土建筑物耐久性及技术对策

时间:2017-8-11 14:19:00 来源:本网

  举世瞩目的青藏铁路格(尔木)一拉(萨)段建设己破土动工,在海拔4000m以上高掉度多年冻土地区建设铁路实属世界首次。青藏高原气候严寒、气象恶劣,河流及地下水质含有可溶性固形物(矿化水)冬季淤冰、伴有冰凌、水流、砂石冲刷,因此混凝土建筑物暴露于矿化水介质中,经受频繁的冻融循环破坏作用,而冰凌撞击,水流、砂石冲刷将加剧冻融的破坏作用。

  1974年国家下达青藏铁路建材防腐的研究任务,开展了“青藏铁路多年冻土地区建材耐冻耐腐蚀的研究”要求提出切实可行的措施。专题研究组做了大量的室内试验研究工作,并对青藏高原的水文、地质、气候、气象进行了调查,建立了高原楚玛尔河和雅玛尔河现场暴露试验场及清水河多年冻土地区钻孔灌注工程试验点,并对青藏公路现有钢筋混凝土桥梁的混凝土耐久性破坏进行调研。研究结论:青藏高原混凝土建筑物耐久性破坏成因,主要系严酷条件下频繁的冻融循环作用促使混凝土剥落、破坏,而矿化水在严寒条件下的结晶和冰凌撞击,水流、砂石冲刷以及风雪、冰雹吹刷加剧了混凝土的耐久性破坏。有一点应当说明:从全线主要河流的水质分析资料来判别,笔者认为环境水(除秀水河一处结构系工程材料专业。1987年荣获国家中青年有突出贡献专家称号,政府特殊津贴获得者可能有硫酸盐型轻微腐蚀外)对全线混凝土建筑物将不产生任何类型的化学腐蚀。

  本文就青藏铁路格一拉段混凝土建筑物耐久性的成因及其技术对策作进一步讨论,并提出一些建议,希望能对青藏铁路建设有借鉴作用。

  2青藏铁路混凝土建筑物暴露条件21气候气象调查专题组于1976年在青海省气象局收集到青藏高原公路沿线气候气象资料(1973-1975年),见表表1青藏高原气候气象特征(1973-1975年)全年最冷月的平均最低气温全年月最低平均气温低于0°c的月份全年1d内出现正负温曰数全年强风雪冰雹出现月份2主要河流水质K1640沿线14条主要河流取样进行水质全分析。

  水质分析结果:K840河流的可溶性固形物和sr含量都极低,对混凝土不构成任何类型的化学腐蚀;K993 ~K1200是高矿化度地段,其可溶性固形物、sr及cr含量都较高,有可能对混凝土造成化学腐蚀。K993~K1200地段6条河流水质检测结果见表2.表2青藏公路K993 -K1200河流水质全分析取样可溶性固体含量Mg2+含量含量C厂含量含量公路里程地点清水河桥楚玛尔河桥秀水河桥北麓河桥雅玛尔河桥沱沱河桥3淤冰、冰凌及砂石冲刷据青藏公路管理人员介绍,部分河流在冬季河床中积有淤/冰化冰期水中混凝土基受冰凌撞击,洪水期有水流、砂石冲刷。

  3青藏公路桥涵混凝土耐久性调查青藏公路于1954年建成,当时桥涵工程极大多数采用木排架桥式或片石墩台木梁桥式的临时建筑物。于1958年把沱沱河大桥改建为第一座打入钢筋混凝土基础、钢筋混凝土板梁桥。1967年青藏公路全线按W级公路改建,大部分大中桥陆续改建为基础为钻孔灌注的钢筋混凝土桥,如楚玛尔河大桥、秀水河大桥、雅玛尔河大桥等,小桥采用明挖基础。公路桥梁混凝土配合比设计依据为混凝土设计强度。专题组曾于1967、1975和1976年先后3次对青藏公路桥涵混凝土进行调查,青藏公路桥基混凝土冻融破坏状况见表3.调查中未发现桥基混凝土水上或水下部分有化学腐蚀破坏特征。

  表3青藏公路桥基混凝土冻融破坏状况桥名调查情况沱沱河大桥1958年建成,1964年钢筋混凝土立柱出现棱角剥落;1967年调查时钢筋混凝土立柱混凝土严重剥落,钢筋外露秀水河大桥1969年建成,嗣后发现基混凝土严重剥落,并用沥青麻布包裹处理;1976年调查时包裹混凝土的沥青麻布老化剥落,枯水位区混凝土严重剥落楚玛尔河大桥1967年建成,1968年春融期即发现水流部位混凝土表面麻面石子外露;1976年调查时桩基混凝土严重剥落。钢筋外露雅玛尔河大桥1968年建成,1970年发现桩基混凝土剥落;1971年用环氧涂层防护;1976年调查时全桥桩基用钢筋混凝土包裹4混凝土室内试验及现场暴露试验41室内抗冻融耐久性试验试验用普通硅酸盐水泥,掺及不掺化学外加剂,和0.40,为模拟青藏高原矿化水介质下的冻融情况,将介质选为清水和盐水(浓度为0.1%、1.0%和5.0%)试验结果表明,对于不掺外加剂的混凝土,当其水泥用量(3⑴20)kg/m3、水灰比0.70和水泥用量50的2种情况下,清水介质下抗冻融耐久性F相应M15和15-25;盐水介质下相应为< 15和15.即使水泥用量700kg/m3、水灰比0.34时,其抗冻融耐久性F也仅能达到25.对于掺引气型外加剂的混凝土,当水泥用量(42020)kg/m3、水灰比0. 40-0.43时,清水介质下其抗冻融耐久性F可达到200-300盐水介质下F可达到200.两者的差异,主要表现在盐水介质下经冻融后混凝土试件表面剥落明显大于清水,重量损失超过标准规定值;而混凝土试件强度和体积膨胀残余变形差异很小。盐水介质下的冻融破坏作用与盐水介质的浓度关系不是很明显。

  42现场暴露试验在室内试验研究的基础上,制作一批成型的混凝土棱柱体试件,将试件埋设于青藏高原楚玛尔河和雅玛尔河进行暴露试验,以建立室内快速冻融与现场自然冻融耐久性间的关系。现场暴露试验混凝土试件配合比见表4现场暴露试件(水中浮箱和河滩上)观察记录见表5. 5混凝土建筑物耐久性破坏主因从青藏高原水文、地质、气象、气候的调查资料表4现场暴露试验混凝土试件配合比试件编号水泥品种化学外加剂水泥用量水灰比试件28d强度/MPa抗冻融等级F现一1永登普通硅酸盐水泥不掺现一2不掺现一3引气减水剂现一4永登矿渣硅酸盐水泥不掺现一5不掺现一6引气减水剂现一7郑州矾土水泥减水剂现一8上海矾土水泥减水剂表5现场暴露1年混凝土试件耐久性观察记录试件楚玛尔河和雅玛尔河暴露试件抗冻融情况编号放置于水中浮箱埋设于河滩现一1试件严重剥落、溃散暴露于大气的试件表面呈麻面,中部剥落深3~4mm,埋于土中部分完好现一2试件露出水面部位有局部剥落,水下部位尚较完整暴露于大气的试件成型面呈麻面,埋于土中部分完好现一3试件完好,未发现有麻面、剥落暴露于大气及土中全部完好现一4试件严重剥落、溃散暴露于大气的试件表面呈麻面,中部剥落深3~4mm,埋于土中部分完好现一5试件露出水面部位有局部剥落,水下部位尚较完整暴露于大气的试件成型面呈麻面、埋于土中部分完好现一6试件完好,未发现有麻面剥落暴露于大气的试件成型而有轻微麻面,埋于土中部分完好现一7暴露于大气的试件成型面有轻微麻面,埋于土中部分完好现一8暴露于大气及土中全部完好可以清楚地看出混凝土建筑物将遭受严寒条件下矿化水介质中频繁的冻融循环破坏作用,在饱和水介质中混凝土孔隙水转化成冰晶,体积将大约9%,多次循环导致混凝土结构从微裂纹发展到粗裂纹,从表层剥落逐渐扩展到深部,直至破坏。此外混凝土还经受矿化水的无机盐结晶应力、冰凌、水流、砂石冲磨和撞击,风雪冰雹的吹蚀等,进而加速了混凝土表层的冻融破坏。

  青藏公路桥基混凝土破坏特征与室内盐水介质下及现场暴露的破坏特征相同,因而可以确认青藏铁路格一拉段混凝土耐久性破坏成因将是饱水条件下混凝土经受频繁冻融后导致混凝土破坏。因此提高混凝土抗冻融能力,也就保证了混凝土耐久性和混凝土建筑物的使用寿命。

  关于青藏铁路格一拉段环境水对混凝土建筑物化学腐蚀性问题,现将化学腐蚀最严重地段(K993 ~K1200)的水质分析资料与现行〈〈铁路混凝土与砌体工程施工及验收规范10210)中附录C之表C.0.2环境水对混凝土侵蚀类型及侵蚀程度的判定可以判定“加以对照,K993~K1200全段环境水都不存在硫酸盐型、镁盐型、盐类结晶型、硫酸型和溶出型侵蚀。若参照铁路混凝土及砌石工程施工规范(TB 210-86)之附表13―1环境水对混凝土侵蚀类型及侵蚀程度的判定标准”可以判定秀水河水质仅属硫酸盐型弱侵蚀。因此如果对青藏铁路格一拉段混凝土建筑物过份强调环境水水质对混凝土腐蚀作用,甚至把它列为混凝土耐久性破坏主因之一,将可能把混凝土建筑物耐久性防护技术对策引向歧路。

  6混凝土建筑物使用寿命及控制要素使用寿命的定义有2种:其一是从建筑物建成之日起到失效(破坏)的时间;其二是从建筑物建成之日起到第一次大修的时间,后者比前者更为严格。

  根据建筑物暴露条件下耐久性控制成因以及室内试验、现场暴露试验来建立青藏铁路格一拉段混凝土建筑物使用寿命经验测算公式条件下冻融循环的次数;N―混凝土建筑物1年中遭受冻融循环次数;Y―混凝土建筑物实际使用年限;F―混凝土抗冻融等级。

  由公通过苏联远东地区的重工业中心共青城,东至太平洋沿岸的苏维埃港,全长6500多km.1974年初,苏联经过多年勘测设计、工程准备和筹集建设资金,集中了大量的人力和物力修建贝加尔一阿穆尔铁路(简称巴姆铁路)巴姆铁路是第2条西伯利亚铁路的东半部分,也是它的主要部分。该铁路全长4 200多km其中包括:乌斯基库特(勒拿站)一阿穆尔河畔共青城铁路干线(又称巴姆干线),长3 145km;泰谢特一勒拿铁路复线,长680km;巴穆一泰达一别尔卡基特铁路支线,长397km.巴姆铁路是苏联第10个五年计划的重点工程。

  1巴姆铁路的自然条件巴姆铁路沿线气候寒冷,气温变化大,极端最低联留学生,政府特殊津贴获得者,曾参加青藏铁路一期工程建设和高原试验工程工作。电话:(010)83488163气温为一65 58G最高气温为35~40 0.每年严寒季节持续5 ~6个月之久,在沿线不同地区有积雪覆盖层的时间为170 ~250d积雪层的厚度为10 ~50cm.全线有86%的永久冻土层,冻土层的深度1~3m,甚至数十m,个别地区深达200m以上。巴姆铁路穿越贝加尔、北穆伊、卡达尔等7座山脉,其中卡达尔山脉海拔3000m,最高山峰海拔3500m.沿线开挖4座隧道,总长25.3km,其中北穆伊隧道长约15km.巴姆铁路有1/3的线路处于地震区,西段从贝加尔湖到奥廖克马河一带地震活跃,有400km铁路通过7 ~9级地震区。

  巴姆铁路跨越勒拿河、基连卡河、安加拉河等,每年六七月份洪水季节,河水上涨8~12m,水流速度达4~5m/s.冬季有的河流一直冻结到河底。在巴姆铁路施工中,还遇到热溶洞、冰丘、地下冰、沼泽地、岩堆、雪崩、滑坡、泥石流等不良地质。

  2巴姆铁路的主要技术指标正线数目按双线设计,先建成单线。

  %困难地段18%.机车类型6000马力2116型内燃机车;8000马力燃气轮机车;7600kWBI80p型电力机起到洪水位以上1m宜设计成圆形或圆弧形,避免棱角,并尽量减少施工缝。

  对于钢筋混凝土梁或板的设计应考虑到排水畅顺,出水孔圆顺,避免积水引起冻融破坏。

  暴露于枯水位以下1m起到大气区钢筋混凝土的保护层最小厚度应>50;暴露于枯水位1m以下(或埋于多年冻土区)混凝土保护层最小厚度应>

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