（道路与铁道工程专业论文）无砟轨道耐久性研究与分析.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 无砟轨道要求有6 0 年的使用寿命，它的各部件都有使用耐久性问题， 并且其耐久性寿命应合理匹配。因此，在无砟轨道设计中，需要对其耐久性 进行设计和评估，对使用材料、施工、养护也应根据使用条件做出合理要求。 本文将从保证结构的正常使用条件出发，依据铁路混凝土结构耐久性 设计暂行规定中的规定，考虑在不同外部环境条件下，通过f i c k 扩散定 律，对无砟轨道承载层混凝土炭化深度进行预测，并以此提出不同环境条件 下的保护层厚度取值及水泥材料的选择。通过参考和研究混凝土相关行业规 范以及德国无砟轨道设计经验，对我国c r t s - i 型无砟轨道设计资料分析， 提出了合理的裂缝宽度限值。在广泛学习国内外耐久性研究成果的基础上， 依据已有相关耐久性分析模型，提出了基于整体论的无砟轨道承载层耐久性 模型，分析环境、材料、保护层厚度、裂缝对无砟轨道结构的耐久性影响， 预测无砟轨道的有效使用年限，并对本文从无砟轨道材料层次和结构层次的 耐久性分析提出的结论，进行整体论耐久性分析检验。 本文初步提出无砟轨道承载层耐久性研究和计算的方法和保护层厚度， 裂缝检算宽度，对耐久性寿命做预测分析，目的在于对今后无砟轨道耐久性 设计和施工提供一些有效建议和参考。 关键词：无砟轨道，耐久性，保护层，裂缝。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t t h eb a l l a s t l e s ss l a bt r a c k ss e r v i c el i f ei sd e m a n df o r6 0y e a r s ，e a c hp a r to f t h et r a c ks y s t e mh a v et h ed u r a b i l i t yp r o b l e mi nt h e i rs e r v i c el i v e s a l lp a r t so f t h eb a l l a s t l e s st r a c ks h o u l dh a v ear e a s o n a b l em a t c h t h e r e f o r e ，i nt h ed e s i g no f t h eb a l l a s t l e s st r a c k ，w es h o u l dd e s i g na n de v a l u a t et h e i rd u r a b i l i t ya n du s i n g m a t e r i a l s ，c o n s t r u c t i o n a n dm a i n t e n a n c es h o u l db ed e m a n d e dr e a s o n a b l e a c c o r d i n gt ot h e i ra p p l i c a t i o nc o n d i t i o n s t h i st h e s i si ss e to u tb yi n s u r et h en o r m a lw o r kc o n d i t i o no fs t r u c t u r e ，b a s i s ( ( t h et e m p o r a r yp r o v i s i o no f t h er a i l w a yc o n c r e t es t r u c t u r ed u r a b i l i t yd e s i g n ) ) ， c o n s i d e ra tt h ed i f f e r e n te n v i r o n m e n tc o n d i t i o n ，u s ef i c kp r o l i f e r a t i o nl a w st o e s t i m a t et h ed e p t ho fc o n c r e t ec a r b o n a t i o no fb a l l a s t l e s st r a c ks l a b ，t h e np u to u t ar e a s o n a b l ec o v e rt h i c k n e s sa n dc o n c r e t em a t e r i a l so ft r a c ks l a ba c c o r d i n gt ot h e e s t i m a t er e s u l t b yr e f e r e n c et os om u c hc o n c r e t ec o d e ，s t u d y i n gt h er u l e sa n d t h ee x p e r i e n c e so fg e r m a n yb a l l a s t l e s st r a c kd e s i g nm e t h o d ，w i t ha n a l y s i sb a s i s o nc r t s ib a l l a s t l e s st r a c ks l a bd e s i g ni nc h i n a ，ig e tac o n c l u s i o no f r e a s o n a b l el i m i t e dc r a c kw i d t hf o rt r a c ks l a b r e f e r e n c et ot h ec l a s s i c a lc o n c r e t e d u r a b i l i t ya n a l y s i sm o d e l sa n dm e t h o d s ，is t r u c t u r e dt h et r a c ks l a bd u r a b i l i t y a n a l y s i sh o l i s mm o d e lw h i c hc a r la n a l y s i st h ei n f l u e n c eo ns l a bd u r a b i l i t yb y e n v i r o n m e n tc o n d i t i o n ，c o n c r e t em a t e r i a l s ，c o v e rt h i c k n e s sa n d1 i m i t e dc r a c k w i d t h ip r e d i c tt h es e r v i c el i f eo ft h et r a c ks l a bw i t ht h i sh o l i s mm o d e l ，a tl a s t ， u s et h ep r e d i c t e dr e s u l t se x a m i n et h ec o n c l u s i o nw h i c h p u tf o r w a r di nm y t h e s i s t h i st h e s i sh a v et e n t a t i v e l yp r o p o s e dt h ec a l c u l a t i o nm e t h o do fs t u d yo n d u r a b i l i t yo fl o a d i n gl a y e ro nt h eb a l l a s t l e s st r a c ka n dc o v e rt h i c k n e s s ，c r a c k c a l c u l a t i o nw i d t h ，a n dg i v ep r e d i c t i o na n a l y s i so ft h ed u r a b l el i f e a i ma t p r o v i d i n ge f f e c t i v es u g g e s t i o na n dr e f e r e n c ef o rd u r a b i l i t yd e s i g no fb a l l a s t l e s s i i t r a c k 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 k a y w o r d s ：b a l l a s t l e s st r a c k ，d u r a b i l i t y ,c o v e rt h i c k n e s s ， c r a c k i i i 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密区使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：弓叫争指鲁老师签名： b 期：p ，口署6 j 文 日期： 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作 所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中作了明确的说明。本人已完全意识到本声明的法律结果由本人承 担。 本学位论文的主要创新点如下： ( 1 )本文通过对混凝土炭化深度与钢筋锈蚀的关系，从无砟轨道6 0 年的耐久性要求考虑出发，计算并提出了无砟轨道承载层合理的保护层厚度 值。 ( 2 )在广泛研究国内外混凝土耐久性寿命预测方法下，在已有的耐 久性分析模型基础上，依据相关的混凝土耐久性统计值及专家建议值，建立 了基本适合无砟轨道耐久性寿命分析的整体论模型，对我国无砟轨道耐久性 研究及无砟轨道理论体系再创新，提供了可行的思路和基本方法。 西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 1 1研究背景 第1 章绪论 我国正在大规模进行客运专线和路网建设，目前的铁路建设远远落后于 国民经济的增长速度，并且既有铁路的运行速度也不能满足运输和经济发展 的需要，铁路提速及大量修建高速铁路已经成为我国铁路系统的必然趋势和 现实需要。实现高速的铁路运输可以选择两种轨道型式，有砟轨道和无砟轨 道，从经验上看，这两种型式的轨道都可以运行时速3 0 0 k m 以上的高速列车， 但是有砟轨道的维修费用高，维修周期短，影响线路运营，高速运行时还会 由于空气动力的作用使道砟飞溅起来，对行车及附近建筑造成危害。而无砟 轨道因其轨道平顺性高，轨道几何形位能持久保持及维修工作量少的特点得 到众多国家的青睐。 我国高速铁路也选取无砟轨道形式。但是无砟轨道作为钢筋混凝土结 构，在自然环境和使用条件下，随着时间的推移，材料逐渐老化和结构性能劣 化，出现损伤甚至损坏，是一个不可逆的过程，它不是完全直接由力学因素引 起的。当混凝土被作为现代建筑的主要建筑材料使用时，人们认为它的耐久 性是不成问题的，而把注意力集中在如何提高结构强度方面。长久以来“重 强度薄耐久”的设计思想一直占据着主导地位。但是近几十年来，实践使用 中许多钢筋混凝土结构由于耐久性不足造成的严重后果使人们逐渐认识到 耐久性问题和强度同等重要。无砟轨道随着运营时间的延长，结构裂缝的 扩展，环境污染物的渗入，以及周围环境的侵蚀作用，随时可能有发生因混凝 土腐蚀而引起突发性事故的危险。特别是目前铁路因国家经济发展需要而多 次提速，已经通车运营的秦沈客运专线，己开始修建的郑西、武广客运专线 及京沪高速铁路等，对工程质量和安全的各项指标要求更高，所经过地区线 路环境将更复杂，因此必须认真考虑无砟轨道的耐久性问题。 我国铁路运输运力、运能局面紧张，且高速铁路一般处于经济发达地区， 而且铁路作为一个路网，将形成高速铁路列车运行高速度和高密度的特点， 这就不仅仅要求线路具有高平顺性，高稳定性，还要有高使用率，造成维修 与运营矛盾更加突出。而无砟轨道一旦出现病害，需要修复则非常困难，在 l 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 运营中一旦出现问题，封闭线路时间会比较长，其后果不堪设想。 在我国，无砟轨道工程技术已取得了一定的成就，对此，通过对几段无 砟轨道试验段的实验和研究，取得了一些进展，特别是在秦沈客运专线上试 铺的长枕埋入式、板式无砟轨道2 种结构，经3 次综合试验的检验测试结果 表明其完全达到了有关规定和标准的要求，并为无砟轨道的设计和施工积累 了宝贵的经验n0 l 。依据对铁路设计和施工规范对钢筋混凝土的耐久性问题提 出的设计和施工方面的相关要求，随着国家高速铁路的大量开建，对无砟轨 道的耐久性研究与设计已是一项十分重要而又迫切需要解决的课题。 目前世界上以德国和日本的无砟轨道技术最为成熟。日本是发展无砟轨 道较早、进展较快、修建数量最多的国家。从上世纪六十年代新干线建成以 来，日本无砟轨道已有4 0 多年的历史，目前为止还没有出现过大的问题， 而且运营良好。德国无砟轨道结构类型很多，但是在高速铁路上大量运用的 时间较短。世界上其它一些使用无砟轨道的国家，高速铁路运营时间最多也 不超过3 0 年。 尽管无砟轨道使用至今已经超过4 0 年，但是在世界范围内对无砟轨道 耐久性的研究也比较少，涉及的方面也很有限主要集中于结构的安全性和轨 道的维护和维修费用上。比如日本对新干线制订了非常详细的维护标准及基 本方针、维护频度等。日本在修建新干线设计、施工阶段以及运营维护阶段 充分考虑了无砟轨道的寿命周期成本，但缺乏对轨道结构耐久性的综合研究 与分析。德国对无砟轨道的设计基本要求包括使用寿命6 0 年，最大限度的 减少维修工作量n 1 。但对轨道的耐久性仅仅从防排水、材料的使用，裂缝宽 度的限制等方面做了比较严格的规定，对我国无砟轨道的耐久性研究与设计 有一定的参考价值。但是其它大部分无砟轨道方面的经济研究没有考虑无砟 轨道在设计使用年限之前就破坏和到了寿命周期后高昂的再建费用。也缺乏 从材料方面，从环境因素、混凝土炭化、离子腐蚀等方面去考虑无砟轨道结 构的耐久性n3 。 1 2 无砟轨道结构使用现状 自从铁路诞生以来，寻求一种耐久性好的材料代替道砟材料的努力就一 直没有停止过，先后出现了1 0 0 多种无砟轨道结构型式n3 。无砟轨道具有结 构高度低、维修量小、无道砟飞溅、稳定性好、耐久性好、弹性均匀等特点， 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 一些国家已将其作为高速铁路的主要结构形式而全面推广应用并取得了显 著的社会和经济效益。经过研究分析，无砟轨道在6 0 年的使用周期内，生 命周期成本( 建设、运营和维修) 明显低于有砟轨道，为保持铁路的可持续发 展，需推广应用无砟轨道结构形式心3 。 1 2 1 国外使用现状 总体来说，无砟轨道的发展和运用已有4 0 多年历史，各国都根据自己 的技术基础与线路特点，已开发出多种型式的高速铁路无砟轨道结构，在这 个发展过程中逐步使高速铁路无砟轨道结构形成两大技术体系，即日本的柔 性充填层板式无砟轨道结构和德国整体式无砟轨道结构，这两大技术体系基 本发展成熟，标志着其结构型式的统一。 早在2 0 世纪6 0 年代中期，日本就开始了无砟轨道的试验与研究其中， 无砟轨道在高速铁路上的应用始于1 9 7 1 年日本山阳新干线，其后在日本获 得迅速发展，并得到广泛应用，2 0 世纪8 0 年代以来修建的新干线，无砟轨 道比例都在8 5 以上心1 。日本定型的轨道板有适用于隧道或高架桥上的a 型、 框架型轨道板、适用于土质路基上的r a 型轨道板及特殊减振区段用的防振 g 型轨道板等，构成了适用于各种不同使用范围的轨道板系列，其中带有凸 形挡台的a 型板式轨道作为标准型式在国内推广应用瞳1 。日本的板式轨道由 轨道板、水泥沥青砂浆( 以砂浆) 和混凝土基础三大部分组成，见图1 - 1 ： 环 轨道 凸台 图1 - 1 日本板式轨道结构 钢轨铺设在轨道板上，下面为混凝土底座，中间灌注c a 砂浆作为轨道 板的弹性垫层，并对轨道板进行一定程度上的调整。混凝土基础上每间隔一 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 定距离布置凸型挡台，以承受轨道的纵、横向力。a 型轨道板的长度通常为 5 o o m ，宽度为2 3 4 m ，厚度1 9 0 m m ，c a 砂浆厚度4 0 m m 。日本铁路广泛铺设 板式轨道，主要用于桥梁和隧道地段比1 。 1 9 7 2 年，德国雷达( r h e d a ) 车站铺设了一种新型轨道，这种轨道后来称 为雷达( r h e d a ) 型无砟轨道。这种轨道是将单块的混凝土轨枕，用浇注混 凝土的方法，精确固定在连续配筋的混凝土板上。尽管结构性能良好，但无 砟轨道的开发和应用到1 9 9 0 年时仍处于低水平。1 9 9 1 年，德国时速2 5 0 公 里客运和时速1 2 0 公里货运的4 2 7 公里的高速铁路开通运营，仅在新线的4 座隧道中就铺设了约1 5 公里的r h e d a 型无砟轨道和5 公里的z f i b l i n 型无砟 轨道。相比之下，有砟轨道区段的维修问题很快呈现，特别是道砟粉化及道 床累积变形速率加快，而无砟轨道区段却显现出良好的性能。为此，1 9 9 4 年德国铁路董事会决定在新建高速铁路和改造线路中，必须采用无砟轨道， 多方面地利用板式轨道结构的特殊优势，促进新型无砟轨道结构的开发。 德国铁路研究无砟轨道是在首先解决了土质路基铺设的技术问题后逐 步推广到隧道和桥梁上，从而为全区间铺设无砟轨道创造了有利条件。在室 内试验和现场大量铺设试验段进行试验验证的基础上，目前德铁累计铺设无 砟轨道3 6 0 k m ( 含8 0 多组道岔区) ，其中大规模铺设的线路包括：科隆一法兰 克福( 3 0 0 k m h ，2 0 0 2 年开通) 、柏林一汉诺威( 2 5 0 k m h ，1 9 9 8 年开通) 、纽 伦堡一英戈尔施塔特等1 。 德国虽然无砟轨道结构形式众多( 多达9 9 种) ，但路基上防冻层水硬性 材料层以及桥上底座，限位槽联结结构和硬泡沫隔离层等结构形式与参数基 本一致，随着高速铁路设计速度和实际运营速度向着3 0 0 k m h 方向发展，具 有实际运营经验的无砟轨道具体结构形式主要有r h e d a 型( 见图卜2 ) 、z t l b l i n 型( 见图1 - 3 ) 、无砟轨道以及博格板式无砟轨道( 见图卜4 ) 。 博格板式无砟轨道系统前身是1 9 7 9 年铺设在德国卡尔斯费尔德一达豪 试验段的一种预制板式轨道；由钢轨、弹性扣件、预制轨道板、沥青水泥砂 浆调整层及水硬性支承层、底座等部分组成，路基、桥梁及隧道地段均可应 用。该轨道系统结构组成类似于日本新干线板式轨道，吸收了轨枕埋入式无 砟轨道整体性和板式轨道制作和施工的特点，对达豪试验段预制板式轨道进 行了包括预应力、结构尺寸、纵向连接等方面的优化改进，采用先进的数控 磨床加工预制轨道板上的承轨槽，采用高性能沥青水泥砂浆提供适当的弹性 4 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 和粘结，并使用高精度、快速便捷的测量系统，施工机械化程度很高n 。1 。中 国于2 0 0 5 年系统引进了博格轨道测量、设计、制造、施工工艺和工装以及 材料标准等成套技术。 图1 2r h e d a 2 0 0 0 无砟轨道 b 3 6 0w 6 0 黟嚣：t o “。j 4 j ；一。 ； r 一。“_ 一一 疆块式轨抗。、| 筝轨枕块堙，害辞。k 一 v 。 1 。、擎轨枕块堙，岩 辞镲 j 一 ” 删面瓦蟮i 捌 、孓一。羔、- 誊拍5 j 7 角葛。! k 芦i ， ，：至鲞叁溪墨霹耘萎耋鎏! o | 淫疆土麟 一j 图卜3z t i b l i n 无砟轨道 颈制轨道顿 充埴砂浆 u i c 6 。钢轨和v 。s s l o h3 0 0 扣件 a ：3c p 蒌水凝性材料层 图1 - 4 德国博格板式无砟轨道 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 1 2 2 国内使用现状 我国无砟轨道的研究起于加世纪6 0 年代，与国外的研究几乎同步。初 期曾试铺过支撑块式、短枕式、整体灌注式及沥青道床等，正式推广应用的 仅有支撑块式整体道床。在成昆线、京原线、京通线等长度超过l k m 的隧道 内铺设，累计达3 0 0 k m 。1 9 9 5 年以后，随着京沪高速铁路可行性研究的推进， 无砟轨道在我国重新得以关注。在“九五”国家科技攻关专题“高速铁路无 砟轨道设计参数的研究”中，提出了适用于高速铁路桥梁、隧道中的三种无 砟轨道型式长枕埋入式、弹性支撑块式和大板式及其设计参数，随后完成了 对三种结构型式实尺模型的各种性能试验和铺设，并在相关工程中应用。在 秦岭1 线隧道中铺设了1 8 4 k m 的弹性支撑块式无砟轨道；在秦沈客运专线 中，沙河桥铺设了6 9 2 m 长枕埋入式无砟轨道，狗河桥和双河桥分别铺设了 7 4 1 m 、7 4 0 m 板式无砟轨道。同时，提出了秦沈线无砟轨道设计技术条件、 施工技术细则和无砟轨道工程质量检验评定标准，为高速铁路铺设无砟轨道 创造了一定条件。 通过客运专线无砟轨道与有砟轨道的技术、经济比较，无砟轨道有明显 的优势，己成为客运专线的发展趋势。在天津“暂规国际咨询中，德国、 法国、日本三个国家都建议：在客运专线桥梁、隧道中应采用无砟轨道结构。 德国明确提出：鉴于客运专线道砟液化和粉化对轨道维修及运营的干扰，建 议2 5 0 k m h 以上的客运专线应全部采用无砟轨道结构。 无砟轨道是一个系统工程，我国无砟轨道铺设的数量少、时间短，尚缺 乏设计、施工与运营经验。围绕着为了在我国客运专线推广应用无砟轨道， 2 0 0 4 年底在遂渝线开展无砟轨道试验段研究，同时分别在郑西、武广和京 津城际开展四个中外联合设计、施工无砟轨道综合试验段，主要引进国外的 结构型式包括r h e d a 2 0 0 0 、z u b li n 以及博格板式，在京津城际上已经正式铺 设博格板式无砟轨道。 1 3 钢筋混凝土耐久性研究状况 当混凝土被作为现代建筑的主要建筑材料使用时，人们认为它的耐久性 是不成问题的，而把注意力集中在如何提高结构强度方面。长期以来，“重 强度薄耐久性 的设计思想一直占据着主导地位。但是近几十年来，实践使 6 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 用中由于耐久性不足造成的严重后果使人们逐渐认识到耐久性问题和强度 同等重要。混凝土结构的耐久性是指在正常维护条件下，在规定的时间内， 在特定的工作环境中，保证结构正常工作的性能。也就是说，混凝土结构的 耐久性研究至少涉及6 个方面的问题：结构的安全性；适用性；使用 寿命；工作环境；维护及维修费用；耐久性设计n 引。 长期以来，结构工程学科研究的重点是如何使结构设计理论与设计方法 更合理，其工作主要集中在结构的使用阶段，重视修建，而忽视维护，而修 建阶段的平均风险率却并是最高的，而大量的安全事故发生在结构的老化阶 段，且结构在老化阶段的维修加固费用之高，往往超出了人们的预料。 钢筋混凝土结构的耐久性问题是一个十分重要而迫切需要解决的问题， 开展钢筋混凝土的耐久性的研究，一方面对已有的建筑结构物进行科学的耐 久性评定和寿命预测，以选择正确的处理方法和措施；另一方面也可以对新 建的工程项目进行耐久性设计与研究，揭示影响结构寿命的内外因素，从而 提高工程的设计水平和施工质量，降低后期养护维修费用和保证结构安全 性。 1 3 1 钢筋混凝土耐久性研究意义 长期以来人们普遍认为混凝土是一种耐久材料，但是到2 0 世纪7 0 年代， 美国等一些发达国家发现，5 0 年代以后修建的混凝土基础建设，尤其是桥 面板这类工作环境较为恶劣的结构，过早出现了病害、开裂，甚至严重损坏。 类工作环境较为恶劣的结构，过早出现了病害、开裂，甚至严重损坏。1 9 8 7 年美国国家材料顾问委员会提交的报告称：约2 5 万座混凝土桥梁的桥面板 出现了不同程度的破坏，其中部分桥梁仅使用了不到2 0 年，并且这种破坏 现象正以每年3 5 0 0 0 的速度增长。美国于3 0 年代建造的俄勒冈州a 1 s e a 海 湾多拱大桥，施工质量良好，但由于钢筋腐蚀引起结构破坏，用传统的局部 修补的方法修补破坏处，不久在修补处的附近，钢筋又加剧腐蚀，不得不拆 除、更换。我国建国以后大规模修建的混凝土工程，目前也面临着严峻的混 凝土结构老化问题。据1 9 8 6 年国家统计局和建设部对全国城乡2 8 个省、市、 自治区的3 2 3 个城市和5 0 0 0 个镇进行的普查，我国现有建筑面积约5 0 亿 m 2 ，约2 3 亿m 2 需要分期分批进行鉴定加固，其中近1 0 亿m 2 急需维修加固后 才能正常使用呖1 。 7 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 从现代混凝土开始应用于建筑工程至今的1 5 0 年时间内，大量的钢筋混 凝土结构由于各种各样的原因而提前失效，达不到设计寿命。分析其原因有 的是由于结构设计的抗力不足引起的，有的是由于使用荷载的不利变化造成 的，但更多的是由于结构耐久性不足导致的。事实上，混凝土结构的耐久性 失效问题己成为当前困扰土建工程的一个世界性问题。 虽然许多国家的规范中都明确规定了钢筋混凝土结构必须具备安全性、 适用性与耐久性，但这一宗旨并没有充分地体现在具体的设计条文中，使得 在以往的甚至现在的结构设计中，普遍存在着重强度设计而轻耐久性设计。 以我国1 9 8 9 年颁布的设计规范为例，其中除了一些保证混凝土结构耐久性 构造措施外，只是在正常使用极限状态验算中控制了一些与耐久性设计有关 的参数，如混凝土结构的裂缝宽度等，但这些参数的控制对结构耐久性设计 不起决定性的作用，并且这些参数也会随时间而变化。 我国是使用钢筋混凝土结构较多的国家，解放后，随着工业、农业的发 展，经济的繁荣，各种建( 构) 筑物也越来越多。同样，由于对混凝土耐久性 问题认识不足，随着时间的迁移，各种病害也逐渐暴露出来。目前我国正大 力发展经济，加强基础建设，国家投资数千亿兴建大坝、桥梁、公路、港口、 机场、隧道等重大混凝土工程。这些工程不仅耗资巨大，而且关系着国计民 生，如果因为耐久性不足而成为“短命工程，将对国家造成不可估量的损 失。因此，混凝土结构的耐久性研究日益成为一个迫切需要解决的课题。钢 筋混凝土结构的耐久性研究，需要解决两方面的问题：一方面是对己有的建 筑结构物进行科学的耐久性评定和剩余寿命预测，以便采取正确的处理措 施；一方面是对新建项目进行耐久性设计，揭示影响结构寿命的内部与外部 因素，从而提高工程的设计水平和施工质量。混凝土结构耐久性研究既有服 务于现役结构的现实意义，又有指导待建结构进行耐久性设计的理论意义。 1 3 2 国外钢筋混凝土耐久性研究状况 钢筋混凝土结构的耐久性，是结构工程领城内世界各国广为关注的问题 之一。钢筋混凝土结构的耐久性不足将引起结构性能的迅速劣化，直接影响 结构的安全。目前世界各国对钢筋混凝土耐久性已经从各方面都有很深入的 研究，从可靠度角度研究耐久性是钢筋混凝土结构耐久性分析和设计的一个 重要方面。 8 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 1 8 2 4 年，随着波特兰水泥的问世，人类便开始了应用混凝土建造建筑 物的历史，同时，混凝土结构的耐久性问题也随之出现。早期，波特兰水泥 主要应用于兴建大量的海岸防波堤、码头、灯塔等，这些构筑物长期经受外 部介质的强烈影响，其中包括物理作用( 如波浪冲击，泥砂磨蚀以及冰冻作 用) 的影响和化学作用( 溶解在海水中的盐的作用) 的影响。这些作用均导 致上述构筑物的迅速破坏，因此，早期混凝土耐久性的研究主要是集中在了 解海上构筑物中混凝土的腐蚀情况。 日本是最早对混凝土耐久性设计和预测进行研究的国家，已有系统的设 计纲目和预测参数。日本建设省从1 9 8 0 年就组织进行“建筑物耐久性提高 技术”的开发研究，并于1 9 8 5 年提交了研究报告，1 9 8 6 年开始陆续出版发 行了建筑物耐久性系列规程。1 9 8 8 年冈田清调查了2 0 2 座混凝土坝的寿 命状况，同时对5 9 座各类混凝土建筑物统计分类，得出日本各类混凝土建 筑物的实际寿命1 。 在1 9 世纪4 0 年代，为了探索在那些年代建成码头被海水毁坏的原因， 卓越的法国工程师b u k a 对水硬性石灰以及用石灰和火山灰制成的砂浆性能 进行了研究，并著有水硬性组分遭受海水腐蚀的化学原因及其防护方法的 研究一书，这是研究海水对水硬化胶凝材料制成的混凝土腐蚀破坏的第一 部科研著作。1 8 8 0 - - 1 8 9 0 年，当第一批钢筋混凝土构件问世并首次应用于 工业建筑物时，人们便开始研究钢筋混凝土能否在化学活性物质腐蚀条件下 安全使用以及在工业大气环境中混凝土的耐久性问题。 2 0 世纪2 0 年代初，随着结构计算理论及施工技术水平的相对成熟，钢 筋混凝土结构开始被大规模采用，应用的领域也越来越广阔，因此许多新的 耐久性损伤类型逐渐出现，这直接促使人们必须有针对性地进行研究。1 9 2 5 年，美国开始在硫酸盐含量极高的土壤内进行长期实验，其目的是为了获取 2 5 年、5 0 年以至更长时间的混凝土腐蚀数据；前苏联钢筋混凝土协会利用 混凝土构筑物遭受沼泽水腐蚀而损坏的事例，也对混凝土在自然条件下的腐 蚀情况进行了一次长期试验；4 0 年代，美国学者t e s t a n t o n 首先发现并 定义了碱一骨料反应，此后在许多国家混凝土结构的耐久性问题受到了重视； 1 9 4 5 年，p o w e r s 等人从混凝土亚微观入手，分析了孔隙水对孔壁的作用， 提出了静水压假说和渗透压假说，开始了混凝土冻融破坏的研究；1 9 5 1 年， 前苏联学者a a 五a 证k o b 、b m m o c k h h 最先开始了混凝土中钢筋锈蚀问题 o 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 的研究，其目的是为了解决混凝土保护层最小的薄壁结构的防腐问题和使用 高强度钢制作钢筋混凝土构件的问题，其成果反映在b m m o c k l 4 h 的专著 混凝土的腐蚀和混凝土和钢筋混凝土的腐蚀及其防护方法；同时， 在大规模研究工作的基础上制定了防腐标准规范，如建筑结构防腐蚀设计标 准c h 2 6 2 - 6 3 、c h 2 6 2 - 6 7 ，为建筑物具有足够耐久性的混凝土结构奠定了基 础。 进入2 0 世纪6 0 年代，混凝土结构的使用已经进入了高峰期，同时混凝 土结构的耐久性研究也进入了一个高潮，并且开始朝系统化、国际化方向发 展。国标材料与结构研究所联合会( r i l e m ) 于1 9 6 0 年成立了“混凝土中钢 筋腐蚀 技术委员会( 1 2 - c r c ) ，旨在推动混凝土结构耐久性研究的发展， 使得混凝土结构正常使用的问题逐渐成为国际学术机构和国际性学术会议 讨论的重要课题之一。1 9 6 1 年和1 9 6 9 年r i l e m 召开了国际混凝土耐久性学 术会议；1 9 7 0 年在布拉格召开了第六届、第七届国际水泥化学会议；1 9 7 8 年至1 9 9 3 年连续六次召开了建筑材料与构件的耐久性国际学术会议；1 9 8 7 年，国际桥梁与结构协会( i a b s e ) 在巴黎召开了“混凝土的未来 国际会 议；1 9 8 8 年在丹麦召开了“混凝土结构的重新评估”国际会议j1 9 8 9 年在 美国和葡萄牙举办了有关结构耐久性的国际会议；1 9 9 1 年美国和加拿大联 合举行了第二届混凝土结构耐久性国际学术会议；1 9 9 3 年i a b s e 在丹麦哥 本哈根召开了结构残余能力国际学术会议；2 0 0 1 年3 月国际桥梁结构协会 ( i a b s e ) 的成员组织c i b 、e c c s 、f i b 、r i l e m 等组织在马尔他岛召开了“安 全性、风险性与可靠性一工程趋势”的国际学术会议。 这些学术活动的开展大大加强了各国学术界之间的合作与交流，取得了 显著的成果，部分科研成果已应用于工程实践并成为指导工程设计、施工、 维护等的标准性技术文件。如美国a c l 4 3 7 委员会在1 9 9 1 年提出的“已有混 凝土房屋抗力评估”的报告中，给出了检测实验的详细方法和步骤；日本土 木学会混凝土委员会于1 9 8 9 年制定了混凝土结构耐久性设计准则( 试 行) ；1 9 9 2 年，欧洲混凝土委员会颁布的耐久混凝土结构设计指南反 映了当时欧洲混凝土结构耐久性研究的水平；2 0 0 1 年亚洲混凝土模式规范 委员会公布了亚洲混凝土模式规范( a c m c 2 0 0 1 ) ，提出了基于耐久性能的 设计方法。 1 0 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 1 3 3 我国钢筋混凝土耐久性研究状况 我国在钢筋混凝土耐久性问题上尚缺少全国性的系统资料，但从一些调 查资料和发表的有关文献来看，钢筋混凝土耐久性问题也是极其严重的。中 国建筑科学研究院的调查表明，我国现役工业建筑物损坏严重，其结构的使 用寿命一般不能保证5 0 年，多数在2 5 3 0 年左右就必须进行大修或加固。 1 9 9 4 年铁路部门的统计表明，我国铁路存在有病害的钢筋混凝土桥2 6 7 5 座， 其中的7 2 2 座发生裂损；仅使用2 0 年的北京西直门立交桥，由于长期在冬 季使用化冰盐，部分梁柱锈蚀严重，现已拆除重建。 在我国，国家科委早在5 0 年代末期就组织了许多单位对金属材料、非 金属材料的腐蚀进行了大规模的试验研究，对混凝土结构耐久性的研究始于 6 0 年代初南京水利科学研究院的钢筋锈蚀研究，6 0 年代中期对混凝土炭化 和钢筋锈蚀也作过一些研究工作。铁道部、交通部等有关单位，在8 0 年代 也曾结合工程的需要对混凝土的耐久性进行了大量的试验研究，取得了不少 成果。中国土木工程学会于1 9 8 2 、1 9 8 3 年连续两次召开了全国耐久性学术 会议，为随后混凝土结构规范的科学修订奠定了基础，推动了耐久性研究工 作的进一步开展。铁道部、交通部和中国土木工程学会等有关部门结合工程 的需要对混凝土结构的腐蚀，组织进行了实验研究，收集了大量的实验数据。 各个高等院校作为科研工作的主要力量之一，也为混凝土耐久性研究做了很 多工作。1 9 9 1 年1 2 月在天津全国混凝土耐久性学组成立了，它的诞生使我 国混凝土结构耐久性的研究朝系统化、规范化的方向迈进了一步。国家科委 1 9 9 4 年组织的国家基础性研究重大项目( 攀登计划) “重大土木与水利工程 安全性与耐久性的基础研究”也取得了很多研究成果。2 0 0 0 年5 月在杭州 举行的土木工程学会第九届年会学术讨论会，混凝土结构的耐久性是大会的 主题之一，会议认为必须要重视工程结构耐久性的研究。2 0 0 1 年1 1 月国内 众多相关专家学者在北京举行的工程科技论坛上，就土建工程的安全性与耐 久性问题进行了热烈的讨论，混凝土结构耐久性问题得到了前所未有的重 视。此外，作为建设部“九五 科技研究课题的混凝土结构耐久性设计建 议正在编制之中。 然而不得不指出，我国现行混凝土结构规范设计和施工规程或标准中有 关耐久性考虑得还很不足，特别对某些重要建筑物如高速公路、桥梁等。虽 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 然现行的混凝土结构设计规范在不同程度上考虑了耐久性方面的问题，但是 随着人们对混凝土结构耐久性认识的深入，发现执行规范中的规定已不能满 足实际设计的需要，必要的补充和改进己成为当前急待解决的问题。混凝土 结构的耐久性设计是一个十分重要而又迫切需要解决的问题。 1 4 无砟轨道耐久性研究现状 无砟轨道的使用自日本新干线以来，已经有4 0 多年的历史，其高稳定 性、少维修、寿命长的优越特点被得到广泛认同，并被世界许多国家运用。 但是无砟轨道毕竟是由钢筋混凝土或沥青混凝土等组成，并暴露于各种环境 当中，承受列车荷载和温度荷载的反复作用，在它的设计使用寿命期间，都 存在结构可靠度，维修周期，维修成本，对运营的影响等与结构耐久性相关 的问题。目前，世界上大量修建无砟轨道的国家都对其耐久性做了一定的结 构设计及维修要求和规定，但是，都缺乏细致而系统的无砟轨道系统耐久性 研究。 1 4 1 国内无砟轨道的耐久性研究状况 国内对无砟轨道的研究和使用始于上世纪6 0 年代，与国外几乎同时起 步。初期曾试铺过支承块式、短木枕式、整体灌注式等整体道床以及沥青道 床等几种型式，正式推广应用的仅有支承块式整体道床，且一般仅用于隧道 内。参照日本板式轨道、德国r h e d a 轨道的型式，我国研制了板式轨道和长 枕埋入式两种无砟轨道型式。1 9 9 9 年在秦沈客运专线选定了三座高架桥作 为无砟轨道的试铺段。此后，在遂渝线、京津城际等新建线上都新开发或者 采用了多种型式的国外无砟轨道，客观条件上已经具备了对无砟轨道耐久性 进行研究的基础。 作为重要基础设施，无砟轨道要求有6 0 年的使用寿命，这就要求作为 重要的轨下基础结构的道床板或者轨道板要具有优良的耐久性。无砟轨道是 一种相对比较新兴的混凝土结构物，对其耐久性的研究还没有深入进行，但 是从大量的混凝土结构建筑物的时间及研究表明，传统的混凝土结构并不像 它当初应用时所设想的那么耐久。那些暴露于室外大气中和处于腐蚀环境中 的混凝土结构，有的寿命只有一二十年甚至几年。钢筋混凝土耐久性的降低 1 2 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 除自然灾害或意外事故外，主要是源于以下几个方面：钢筋腐蚀、混凝土炭 化；冻融循环；酸性离子侵蚀；碱一骨料反应以及机械磨损。其中钢筋腐蚀 是主要原因。 我国对混凝土结构耐久性的研究起步于2 0 世纪6 0 年代，研究起步较晚， 对强度设计重视有余，而对耐久性设计重视不足。而目前国情已经变化，有 条件考虑环境保护和可持续发展问题，所以，耐久性问题得到了更多的重视。 1 9 9 5 年以后，随着京沪高速铁路可行性研究的进展，无砟轨道在我国重新 得以关注。对无砟轨道相关技术的重点、难点问题的研究还有大量的工作要 做，无砟轨道的耐久性研究尚处于初步探索和收集资料的起步阶段。 铁道部2 0 0 5 年颁布的铁路混凝土结构耐久性设计暂行规定对不同 环境条件下和不同使用级别的混凝土结构做出了耐久性方面的相关规定。为 保证无砟轨道相对于传统有砟轨道的优势得以充分发挥，为提高我国客运专 线建设水平，在较短时间内掌握无砟轨道关键技术，以满足无砟轨道铺设和 长期运营的要求，通过对各条客运专线上采用各种型式的无砟轨道的进行了 很多方面的综合研究。对钢筋混凝土结构代替传统有砟道床的问题有了一定 的认识，对无砟轨道设计施工以及运营中的养护维修问题也形成了一定经 验，但是目前国内已有的混凝土耐久性研究经验还不足以指导无砟轨道的耐 久性设计和施工。 1 4 2 国外无砟轨道的耐久性研究状况 无砟轨道在国外已有4 0 多年的使用历史，出现过1 0 0 多种结构形式。 日本是发展无砟轨道较早、进展较快、修建数量最多的国家。德国无砟轨道 结构类型，修建数量也多，但是在高速铁路上大量运用的时间很短。世界其 他很多国家和地区如英国、意大利、韩国、荷兰、比利时、我国台湾等也修 建了各种形式无砟轨道。但是世乔各国对无砟轨道耐久性的研究却比较少， 涉及的方面也很有限，主要集中于结构设计时的耐久性考虑，结构的安全性 和轨道的养护和维修费用上。 日本无砟轨道以板式轨道为主，从上世纪六十年代新干线建成以来，已 有3 0 多年的运营历史，到目前为止还没有出现过大的问题，而且运营良好。 日本对新干线制订了非常详细的维护标准及基本方针、维护频度等。日本修 建新干线时，在设计、施工以及运营维护阶段充分考虑了无砟轨道的寿命周 13 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 期成本，但缺乏对轨道结构耐久性的综合研究与分析。 德国的无砟轨道技术非常成熟，德国对无砟轨道的设计基本要求包括使 用寿命6 0 年，最大限度的减少维修工作量。对轨道的耐久性从防排水、材 料的使用，裂缝宽度的限制等方面做了比较严格的规定，这对我国无砟轨道 的耐久性研究与设计有很好的参考价值。但是，在耐久性研究方面与日本一 样，仅做出了相关的结构设计、材料和与养护方面的耐久性规定和要求。德 国对无砟轨道的研究和设计时没有具体考虑无砟轨道需要更换时对线路运 营的影响以及到了寿命周期后高昂的再建费用。 德国无砟轨道在设计及施工中对耐久性所要求总结如下： 1 、德国规范要求： 承载层的厚度以及混凝土的密度是影响混凝土承载层的耐久性的首要 因素。承载层的厚度是通过对无砟轨道进行测量得到的。密度主要是由混凝 土构成、压实和后处理决定的。进行混凝土承载层的尺寸计算以及浇注混凝 土承载层时，应当考虑由于冰冻、温度和天气造成的损害。 2 、德国双块式无砟轨道耐久性要求： 为使无砟轨道系统具有更耐久的良好性能，在设计时需重点考虑如下几 占 ，、 ( 1 ) 轨枕的桁架钢筋和轨道板混凝土之间紧密接合； ( 2 ) 为防止侧向运动，轨道板混凝土和水硬性支承层之间紧密接合； ( 3 ) 为防止轨道板自由边的上拔力，轨道板混凝土和水硬性支承层之 间良好接合。为了确保这种粘结良好，在结构的自由边打入销钉； ( 4 ) 轨道板需承受恒载、活荷载以及约束( 如收缩) 的影响； ( 5 ) 在轨道板的纵向，要计算为了限制由约束产生的裂缝宽度所需的 最小钢筋量。 旭谱林无砟轨道对混凝土承载板耐久性及安全性补充要求： ( 1 ) 对于混凝土承载层，决定其使用寿命的首要因素是承载层混凝土 的厚度和密度。厚度通过计算得出，而密度则通过混凝土的成分、密封性和 养护工作来决定。冰冻、温度和雨水这些有害因素在设计和施工中都要考虑 到。 ( 2 ) 灌注完混凝土以后要防止它变干，首先要考虑到混凝土的干缩过 程，保证混凝土和钢筋的粘合力不受影响。上表面的每条裂缝宽度小于0 5 1 4 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 m m ( ，过度开裂的裂缝要通过相应措施解决。混凝土施工时和施工完成后的 温度，由混凝土成分和水泥的标号所决定，它必须保证承载板的使用寿命为 6 0 年。 ( 3 ) 必须建立水硬性承载层( h g t ) 和混凝土承载层之间牢固的连接( 通 过各层表面的养护工作，等) 。 ( 4 ) 在无砟轨道和有砟轨道、一种无砟轨