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鐵路作為我國的重要基礎設施，在國民經濟中發揮著不可替代的作用。截至2020年底，我國鐵路運營總里程為14.6萬km，其中，高速鐵路運營總里程為3.79萬km。在鐵路工程建設過程中，混凝土結構在橋梁、隧道、軌道、路基等主體工程中廣泛應用，對鐵路發展起著極為關鍵的作用，是保障鐵路工程長期服役的基石。

我國鐵路工程穿越高寒、高原、亞熱帶沿海、大風干旱、大溫差等嚴酷地域，鐵路混凝土結構面臨多重環境作用。此外，鐵路混凝土結構還承受列車動荷載作用，同時需要高運營安全性，這就要求鐵路混凝土結構必須具有可靠的長期耐久性能。長期以來，鐵路工程技術研究人員為延長鐵路工程的服役壽命，在混凝土結構耐久性提升方面開展了大量的科研工作，攻克了高性能混凝土理論、制備技術與施工質量保障等技術難題，取得了一定的研究成果，并且在實際鐵路工程建設項目中得到了廣泛應用。以高速鐵路為例，高性能混凝土技術已在我國所有高鐵工程中得到全覆蓋推廣應用，為保障我國高鐵建設質量提供了有力支撐。

1 我國鐵路混凝土結構耐久性發展歷程

我國鐵路混凝土技術的發展經歷了低強度普通混凝土、低塑性高強混凝土和高性能混凝土三個階段。1953年以前為第一階段，此時，絕大多數橋梁為鋼橋，軌枕、電桿等其他結構多采用木材或鋼材，混凝土的應用以東北地區少量小跨度鋼筋混凝土梁為代表，對于跨度小于20 m的梁使用最高強度等級為30 MPa的混凝土，混凝土用量少、強度低；1953年至2000年為第二階段，以1953年我國第一根C50混凝土軌枕的成功制備為開端，我國鐵路混凝土技術進入了低塑性高強度混凝土階段，低塑性高強度混凝土的應用逐漸替代木材與鋼材，但此時鐵路混凝土結構主要按強度指標進行設計，較少考慮結構耐久性；2000年至今為第三階段，以青藏鐵路建設為代表，為應對鐵路沿線復雜的地質條件和極端惡劣的環境條件，經過大量的科研和施工實踐，具有低溫、早強、耐腐蝕特點的高性能混凝土成功應用于青藏鐵路灌注樁、橋梁、隧道、涵洞等工程結構中，提高了橋隧主體結構的使用年限，標志著我國鐵路工程建設進入高性能混凝土時代。青藏鐵路高性能混凝土的成功應用帶動了該領域研究工作的蓬勃發展，逐步形成了完善的鐵路混凝土結構耐久性技術體系，也發布了許多相關標準，如TB 10005—2010《鐵路混凝土結構耐久性設計規范》、Q/CR 9207—2017《鐵路混凝土工程施工技術規程》、TB/T 3275—2018《鐵路混凝土》、TB 10424—2018《鐵路混凝土工程施工質量驗收標準》等，形成了涵蓋設計、材料、施工、驗收等環節的一整套具有鐵路特色的標準規范體系，為全面提升鐵路混凝土結構耐久性起到了重要的作用。

2 鐵路混凝土結構耐久性保障方法

2.1 優化混凝土結構關鍵設計參數

選取合適的混凝土結構設計參數是保障其耐久性的重要措施。在我國現行鐵路設計規范中，針對混凝土結構耐久性提出了鋼筋混凝土保護層厚度和裂縫寬度控制限值。

2.1.1 鋼筋混凝土保護層厚度

混凝土鋼筋保護層可阻止腐蝕介質滲入混凝土內部，避免鋼筋受到腐蝕，保障鋼筋混凝土結構的承載力和使用壽命不受影響。鋼筋混凝土保護層厚度顯著影響著鋼筋的銹蝕程度。在相同環境下，適當增加鋼筋的混凝土保護層厚度，可以延長鋼筋出現銹蝕的時間，提高混凝土結構抵抗銹脹開裂的能力。我國鐵路工程建設標準針對不同的結構部位，提出了不同環境作用下的混凝土保護層最小厚度。以無砟軌道結構為例，當碳化等級為T2和T3時，混凝土保護層厚度最小分別為35 mm、45 mm。

2.1.2 裂縫寬度限值

混凝土裂縫為有害介質快速侵入混凝土內部提供便利通道，從而導致鋼筋銹蝕，嚴重影響混凝土結構的耐久性。為便于檢測，各國在考慮建筑物耐久性與壽命時，均提出了對裂縫的控制限值。我國鐵路工程建設標準依據混凝土結構所處的環境類別及作用等級，明確給出了鐵路混凝土結構裂縫寬度的限值，如在碳化環境下，裂縫驗算寬度最大值為0.2 mm。

2.2 完善混凝土配合比參數限值

配合比設計是決定混凝土耐久性的關鍵環節，經過長期的經驗積累與實踐應用，我國鐵路技術人員提出了混凝土配合比半定量設計方法，并逐漸形成了以TB 10005—2010為中心的技術標準體系。為了方便不同環境下混凝土結構耐久性的設計（見表1），制定了不同服役環境下混凝土配合比的參數限值，要求以耐久性為指標進行混凝土配合比設計。如通過限定混凝土氯離子含量、堿含量和三氧化硫含量等有害物質含量，降低混凝土發生氯鹽侵蝕、堿骨料反應和硫酸鹽侵蝕等耐久性破壞的可能性；通過限定礦物摻合料摻量范圍，顯著提高混凝土的抗氯離子滲透性和抗硫酸鹽侵蝕性能；通過限定混凝土含氣量最低限值，保證混凝土結構的抗凍性能和抗鹽類結晶破壞性能。

2.3 提高混凝土的密實性

混凝土的密實性是其抵抗有害物質侵入混凝土內部的第一道防線，減少或消除腐蝕介質的作用通道，提高混凝土的密實性是保障混凝土結構耐久性的關鍵環節。目前，常用的提高混凝土密實性的方法主要有以下兩方面。

在配合比設計方面，通過限定最大水膠比和最小膠凝材料用量來改善混凝土的孔隙結構和密實度，可以提高混凝土的耐久性。

在材料組成設計方面，通過調控膠凝材料組成，引入合適摻量的粉煤灰、礦渣粉、硅灰等礦物摻合料，優化漿體微結構和強化界面過渡區，可以提高混凝土的密實性。此外，經過大量試驗研究和工程實踐，還形成了利用晶種-水泥-玻璃態摻合料梯級水化作用提高混凝土早期強度、改善界面微結構的新方法。

為了更好地表征高性能混凝土的密實性，引入電通量作為混凝土抗滲性的評價指標，提出了不同設計使用年限的鐵路混凝土電通量限值（見表2）。

2.4 提高混凝土的抗裂性

混凝土的開裂將嚴重影響混凝土結構的耐久性和安全穩定性。溫度和收縮變形是混凝土產生裂縫的主要原因。

針對溫度變形，根據TB/T 3275—2018規定，混凝土的入模溫度不大于30 ℃、結構內外溫差不大于20 ℃（軌枕、軌道板、梁體結構為15 ℃）。

針對收縮變形，目前主要通過減少膠凝材料用量、合理摻加礦物摻合料、控制混凝土水膠比等措施進行控制。

針對鐵路工程建設中出現的極端情況，通常采取建立專項科研的方式進行攻關，如針對西北大風干旱、大溫差等極端環境下現澆混凝土易開裂的問題，通過專項研究，研發了具有高效減縮抗裂功能的內養護材料，采用預蓄水組分和膨脹組分制備內養護材料，調控混凝土內部濕度，補償混凝土的收縮變形，可實現14 d內混凝土內部相對濕度持續保持在95%以上、裂縫數量降低80%、后期強度不降低的顯著效果，解決了長大連續現澆結構混凝土的抗裂難題。

2.5 創新混凝土施工質量精準控制技術

施工是影響混凝土結構工程質量的關鍵環節，也是確保混凝土結構耐久性的控制重點。TB/T 3275—2018等鐵路技術相關標準對不同混凝土結構在不同工況下的施工質量保障技術做出了明確的規定，如嚴格控制混凝土的內外溫差，減少溫差引起的混凝土開裂現象；限定混凝土的保溫、保濕養護時間及養護方式，保證混凝土澆筑后的質量和耐久性。

針對傳統混凝土攪拌站骨料含水率測試過程復雜、難以及時指導配合比參數調整和混凝土生產質量控制的問題，可通過采用基于微波測濕原理的骨料含水率實時在線檢測技術，構建基于含水率在線檢測的鐵路混凝土配合比動態調控系統。該系統通過對混凝土攪拌站關鍵控制參數的在線檢測-識別-反饋-調整，實現了混凝土施工配合比的智能動態調控，充分保證了不同地材、不同環境、不同操作水平條件下混凝土生產質量的穩定性，為保證鐵路混凝土結構的耐久性提供了保障。

為解決傳統混凝土質量評定方法試驗周期長、試驗結果滯后等問題，可通過研究硬化混凝土耐久性與混凝土拌和物性能之間的關系，構建硬化混凝土力學性能和耐久性能快速檢測系統，可在30 min內完成對混凝土每m3用水量、含氣量、水膠比、單位體積質量等指標的采集，實現混凝土耐久性指標的快速檢測，混凝土施工質量由“事后被動把關”轉變為“事前主動控制”。

3 鐵路混凝土結構耐久性面臨的挑戰

3.1 服役環境復雜化

近年來，隨著我國鐵路建設規模的迅猛發展以及鐵路網的逐步完善，新建鐵路線路逐步向我國西部地區延伸，鐵路工程建設和服役又將面臨新的環境條件，這也為鐵路工程結構的高質量建造和長期服役帶來新的挑戰。如已經開工建設的川藏鐵路穿越川西地熱異常帶和藏東地熱溫泉帶，沿線出露溫泉超過700處，受地熱影響，多座隧道存在高地溫的工程地質問題。此外，川藏鐵路沿線太陽幅射強，日照長，具有年溫差小、日溫差大的特點，有時晝夜溫差達30～35 ℃，大溫差環境下混凝土結構承受溫度疲勞應力作用，且頻繁的溫度變化導致混凝土結構承受高頻凍融作用。

高地熱環境加快混凝土中水分蒸發，導致混凝土的工作性降低，同時，高地溫環境會帶來延遲鈣礬石生成的風險。大溫差環境導致混凝土溫度變形大，混凝土結構開裂風險大。而在現有鐵路行業標準中，并未將高地熱和大溫差環境納入混凝土環境作用類型，兩種特殊環境下的混凝土耐久性指標缺失。此外，在凍融循環作用下，尤其是道床板等平面薄層混凝土結構承受單面凍融循環作用，混凝土表層易粉化、剝落。而在現有鐵路行業標準中，凍融破壞環境下，混凝土耐久性指標以快凍法/慢凍法下的凍融循環次數為標準，該試驗方法中，混凝土試件整體受凍，無法真實模擬混凝土結構的受凍條件，在現行標準中，混凝土抗凍性指標尚不完善。因此，亟需在現行標準的基礎上，增加大溫差、高地熱等混凝土環境類別，完善凍融環境下混凝土耐久性評價指標，為保障鐵路混凝土結構耐久性提供指南。

3.2 原材料資源短缺

砂石骨料是混凝土中應用最多的原材料，采用就地取材的方式才能最大限度地保證原材料供應，降低建設成本。近年來，隨著建設規模的不斷擴大和環保要求的日益提高，河砂資源逐年短缺，已經出現供不應求的局面。另一方面，粉煤灰、礦渣粉等礦物摻合料是混凝土中重要的輔助膠凝材料，對于提高混凝土的抗滲性、密實性和耐久性具有重要作用。然而近年來粉煤灰資源逐漸短缺，優質粉煤灰供不應求，市場上甚至出現了以次充好和銷售假粉煤灰的現象，尤其在我國西部工業欠發達地區，粉煤灰和礦渣粉資源更加稀缺。如川藏鐵路跨越和涉及長江流域、瀾滄江流域、怒江流域以及雅魯藏布江流域等水系，沿線水系河床較淺，河砂資源儲存量較少，無法滿足川藏鐵路特大型工程的建設需求，且川藏鐵路途經地區冶金、火力發電等工業基礎薄弱，加之西南地區本身以水力發電為主，導致沿線800 km范圍內幾乎沒有大型的粉煤灰和礦渣粉等生產企業。針對混凝土原材料匱乏的難題，如何利用鐵路沿線地區地緣性材料制備機制砂石料和礦物摻合料來替代河砂和傳統礦物摻合料，成為滿足鐵路建設原材料供應需求，保證工程建設順利實施的首要任務。

3.3 混凝土結構過早劣化

隨著我國鐵路建設規模的不斷擴大，尤其是高速鐵路的快速發展，鐵路工程技術人員展開了大量研究和應用工作，逐漸形成了面向跨地域、變氣候、多環境的高性能混凝土技術，建立了高性能混凝土質量保障技術與標準體系。然而，實際運營結果表明，目前混凝土結構在服役過程中過早地出現了龜裂和開裂破壞、凍融破壞和硫酸鹽侵蝕破壞等劣化現象。

3.3.1 龜裂和開裂破壞

混凝土表面龜裂和開裂是現有混凝土結構常見的過早劣化現象之一。鐵路工務部門在例行維檢中發現，部分高鐵既有無砟軌道混凝土結構已出現不同程度的開裂現象。對川藏地區特殊環境下混凝土工程的調研結果表明，無論是鐵路橋梁和隧道、公路橋梁、隧道和路面以及大壩面板和排水渠等結構部位的混凝土，均出現開裂現象。混凝土龜裂和開裂多發于施工早期，由于缺少抑制混凝土開裂的有效措施，在大風干燥和大溫差環境下，多數混凝土結構在拆模后短時間內就出現了不同程度的龜裂和長大裂紋，并隨著時間的延長不斷加劇擴大。

3.3.2 凍融破壞

凍融破壞主要發生在與水或雪有頻繁接觸的橋墩混凝土、無砟軌道混凝土等位置，尤其以我國東北地區較為顯著，如部分高鐵既有無砟軌道混凝土結構已出現不同程度的粉化和剝落現象，少數甚至過早進入養護維修階段。與東北地區相比，西藏地區日溫差較大，混凝土面臨的凍融循環破壞程度更加嚴重，如西藏那曲地區，年氣溫正負變化交替次數達187次，混凝土結構耐久性面臨嚴峻考驗。

3.3.3 硫酸鹽侵蝕破壞

我國硫酸鹽土壤分布較為廣泛，尤其是近年來隨著鐵路建設逐步向西部推進，大量鐵路橋墩、涵洞和隧道等主體混凝土結構存在硫酸鹽侵蝕風險。地質勘探資料表明，部分鐵路沿線地區的硫酸根離子濃度較高，可以達到環境作用等級H4腐蝕離子濃度最低限值的數10倍。以現有的高性能混凝土技術水平，在這種嚴重腐蝕環境下混凝土的長期耐久性難以保障。硫酸鹽侵蝕破壞成為目前鐵路建設，特別是西部鐵路建設面臨的重要挑戰之一。

4 鐵路混凝土結構耐久性發展趨勢

混凝土結構的耐久性對于鐵路工程的長期耐久服役尤為重要。針對我國鐵路混凝土結構耐久性保障技術發展現狀及存在的問題，提出鐵路混凝土結構耐久性發展趨勢。

4.1 長壽命化

近年來，我國基礎設施建設規模空前擴大。與此同時，大量短壽命混凝土結構物拆除、重建所導致的資源浪費和環境污染等問題日益突出。提高重大混凝土工程服役壽命是“節資環保、提質增效”的重要舉措。為了合理利用資源、減少環境污染，國內外一些重點工程按照提高混凝土抗滲性和抗裂性的思路進行混凝土制備，采用長壽命混凝土進行基礎設施建設，如英國200年設計使用壽命的國家紀念性建筑大英圖書館、澳大利亞300年設計使用壽命的布里斯班河Gateway二橋以及我國120年設計使用壽命的港珠澳大橋和300年設計使用壽命的三峽大壩。目前，我國鐵路工程的重要結構物仍采用100年設計使用壽命的混凝土，提高鐵路工程服役壽命，發展長壽命混凝土已成為必然趨勢。

4.2 定量化

在我國現有鐵路混凝土結構耐久性設計規范中，橋梁、涵洞、隧道等主體結構，路基支擋及承載結構，無砟軌道道床板、底座板結構的設計使用壽命均為100年。然而，混凝土結構耐久性量化的指標大多基于傳統經驗，或者通過同類工程的類比進行確定。目前，能夠得到普遍認可的混凝土耐久性指標量化計算模型僅有基于碳化理論和氯離子擴散的模型，針對凍融破壞環境和化學侵蝕環境所提出的量化計算模型并未得到普遍認可，更沒有得到廣泛應用，針對鹽類結晶破壞環境和磨蝕環境尚無較為成熟的混凝土耐久性指標量化計算模型。在混凝土結構實際服役情況下，由凍融或化學侵蝕損傷引起的混凝土耐久性破壞現象更為常見，亟需探索新方法，實現混凝土結構耐久性的定量設計。

4.3 智能化

傳統的混凝土施工為勞動密集型產業，具有施工效率低、施工質量受人為因素影響大的缺點，導致混凝土施工質量和耐久性具有較大的波動性。隨著人工智能化的不斷發展，混凝土的施工逐漸向少人化和智能化方向發展，混凝土質量智能化控制技術研究已經取得一定進展。在混凝土生產方面，通過配備骨料含水率在線檢測系統，可實現混凝土配合比的在線反饋和自動調整，達到混凝土組成設計智能優化的效果；在混凝土施工方面，通過配備混凝土智能變頻振搗成型系統和混凝土養護溫濕度智能控制系統，可實現混凝土施工的智能化控制，顯著降低混凝土施工的勞動密度。隨著建設規模的不斷擴大，建立智能化的混凝土生產技術體系成為混凝土材料創新和發展的必由之路。

4.4 可預測性

在服役環境和列車疲勞荷載作用下，鐵路工程混凝土結構逐漸出現性能劣化現象。經過多年的工程實踐，鐵路部門通過監測鐵路工程結構的服役狀態，對已產生耐久性破壞的結構物進行養護維修，逐漸提出了“狀態修”模式，即根據工程結構的服役狀態決定是否進行養護維修，以保障鐵路工程結構處于受控狀態。在上述養護維修模式下，通常當工程結構的服役狀態劣化至臨界使用狀態時，才進行有效的養護維修，無法實現混凝土結構早期劣化的預測。如高速鐵路無砟軌道結構的層間約束作用以及長大連續結構的溫度應力作用增加了混凝土開裂的趨勢，而目前尚缺少鐵路混凝土結構的開裂預測技術，無法實現早期開裂的有效識別和及時維修。因此，結合鐵路工程實際情況，研發混凝土結構開裂及耐久性預測技術，成為鐵路混凝土結構耐久性發展趨勢之一。

5 結語

隨著我國鐵路工程逐步向西部地區延伸，鐵路工程建設和服役面臨大溫差、高地熱等特殊環境，混凝土結構耐久性將迎來更多的新挑戰。需要加強相關研究投入，完善混凝土耐久性指標、加強地緣性原材料利用、強化混凝土結構耐久性提升措施。隨著我國鐵路工程建設規模的不斷擴大，對鐵路混凝土結構耐久性提出了更高要求，實現混凝土結構長壽命化、混凝土結構耐久性的定量設計、發展智能化混凝土施工技術、混凝土開裂及耐久性預測技術成為鐵路混凝土結構耐久性發展的必然趨勢。

內容來源：砼享未來聞寶聯技術空間

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