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1、1寒寒冷冷地地区区铁铁路路隧隧道道防防止止冻冻害害的的基基本本措措施施西西南南交交通通大大学学 关关宝宝树树11 概概 述述混凝土冻害是寒冷地区最具有代表性的劣化现象之一。其劣化形态，视结构物所处的环境而异但大体上有：混凝土骨料飞出(由于表层下颗粒的膨胀而破坏产生的喷出状凸出物)、剥落、开裂等各种形态。这种劣化的进一步发展，会使钢筋保护层剥落，钢筋外露井腐蚀，从而失去结构物的承载力和功能。混凝土冻害是在寒冷地区产生的劣化现象。直接地说，是因混凝土中水分产生冻结膨胀所致要产生冻害，就应有冻结点以下的温度和充分的水冻结点以下的温度和充分的水。水在冻结时能够自由膨胀，产生约 9%的体积膨胀，在水泥浆
2、的内部受到空隙壁的约束。为缓和体积膨胀，需要有必要的自由空隙。如无此空隙，就会产生很大的压力。这就是劣化产生的原因。随着温度下降，首先大空隙中的水冻结，面后是小空隙的水冻结。小空隙的水在冻结的过程中，会产生很大的静水压作用。在空隙壁上，当其达到抗拉强度时，就会产生开裂。如此反复，会造成混凝土表面的破坏，以致剥落。混凝土冻结的发生，如前所述，尚可细分为由静水压引起的和由渗透压引起的两类由静水压引起的是指：混凝土在冻结过程中，表面部分先行冻结，表面上的冰形成壳体，而后接近表面的水泥硬化体中的毛细管中的水冻结。从水变成冰的过程中，伴随着体积膨胀，使相当分量的未冻结的水向微小的空隙内移动。移动时，因粘
3、性阻力产生静水压。此静水压会使水泥硬化体逐渐破坏。由渗透压引起的指：在冰和未冻结水之间产生渗透压。在毛细管中形成冰晶后，使比冰晶更小的空隙吸收未冻结的水。因这样的渗透压，使接近极限饱和区域的水移动，而使组织破坏。根据既住的研究成果，对冻害有影响的外部因素和其影响程度，得到以下认识；（1）冻融循环的次数越多，劣化越严重；（2）冻结时的温度越低，劣化越严重；（3）混凝土的湿度越大，冻害越大；（4）冻结速度越快，冻害越严重，但冻结速度对冻害的影响小；（5）冻结时间越长冻害越严重，但冻结持续时间对冻害的影响小。冻害诊断的主要方法是冻结融解试验。根据冻融循环次数，判定混凝土的耐久性，例如 ASTM C6
4、66 规定，耐久性指数(300 循环)超过 60 以上，就是充分耐久的在 200 次循环时，耐久性指数要大于 80 等。22 混凝土冻害的评价方法混凝土冻害的评价方法考虑上述因素及冻害外部环境的影响，曾提出各种评价冻害的方法。日本采用促进率评价冻害的方法。日本的田烟等学者，在自然环境下，研究了抗冻性好的和抗冻性差的混凝土试件与冻结最低温度、最低温度的持续时间、冷却速度、冻融开始以前的养生条件等的影响。并提2出用促进率评价冻害的方法是有一定的应用前景。 促进率的计算式如下。D=TSW （1）式中D：劣化影响系数T：与温度条件有关的评价系数T=T1T2T3T1：最低温度的权值抗冻性差的混凝土T1=
5、0.39（-t）抗冻性好混凝土T1=0.0625（-t）-0.125t：冻结最低温度T2：与温度梯度有关的权值T3：与最低温度持续时间有关的权值S：冻融时周围表面水的评价系数，视构件状态在 01 间变化在水中时，等于 1.0。W：冻融开始时含水条件的评价系数，主要在夏季有影响，水中养生等于 1.0。为了掌握冻害因素的影响和耐久性评价，在上述研究的基础上，进行了水中冻融实验。下面是 2500 次循环直到试件破坏的一些实验结果1)重量变化率试件重量大约与循环次数成比例，2500 次循环约减少 41.0；2)相对动弹性系数（Pc）用共鸣振动法测定的在 1300 次循环时间约降低到 60，而后经过 1
6、400 次循环时，变得不稳定，到 2500 次时，减少到试验前的 25.9%。3)相对动弹性系数(PV )用超声波速度测定的试验结果是：经过 1300 次循环后开始下降，达 2500 次时减少到446；4)动弹性系数(ED)试验结果用共鸣振动法测定的动弹性系数，在 1300 次循环时，为 210kg/cm2，经过1400 和后，变得不稳定。5)动弹性系数 (EV) 试验结果用超声波速度法测定的动弹性系数，在1300次循环时，为 110kgcm2，其后开始下降；6)相对动弹性系数 (PC)和抗弯强度的关系 结果是到1300次循环时，抗弯强度降低率显著，但 1300次循环后， PC的下降显 著由此
7、可见，因冻融作用，混凝土试件的劣化是从表面，缓慢地进行的。其重量、相 对动弹性系数都逐渐降低。到 1300次循环，PC开始急速下降，表面发生微小裂隙。从 这时开始变化是急剧的。由此可以判断，从 1300次后，耐久性开始受到损害。下面说明促进率在评价中的实践应用3在研究中设定的评价系数是：1)冻融时最低温度的权系数 (T1)，2)冻融时的温度梯度的权系数 (T2)；3)冻融时最低温度持续时间的权系数 (T3)；4)冻融时表面水条件的评价系数 (S)； 5)冻融时试件含水条件的评价系数 (W)。采用的各项系数列于表 1。表1 评价采用的系数混疑土类别影响程度的评价系敷评价系数 权系数 抗冻性差的
8、抗冻性好的 T温度T1最低温度T2温度梯度T3持续时间T1=0.0555(-t)T：冻结最低盘度0.71.0T1=0.0625(-t)-0.125t：冻结最低温度0.71.5S 表面水状态SA 法1.0 1.0W 含水状态W水中养生1.0 1.0根据各评价系数，混凝土的劣化影响系数，即促进率的计算，由（1）式决定：D=TSW=T1T2T3SW=0.1210.71.51.01.0=0.127如果预定地区的年冻融次数为 40次，则有400.127=5.0这说明水中冻融试验的一个循环，相当于预定地区 5个冻融循环。因此，该地区 耐冻融循环为 40次时，相当水中冻融循环 8次。如按本试验结果的 130
9、0次为耐久性损 失的基准，则有1300/8=162.5年 这说明：混凝土的抗冻性可维持 160年的寿命。基于此观点，可以认为，隧道冻害 的决定因素是围岩的冻胀，而不是衬砌混凝土自身冻融疲劳。因此，采用隔热层防止围 岩冻胀是可行的。应该指出这个试验是在室内进行的，与实际结构条件还有一定出入。因此，对实 际结构进行评价时，对上述各评价系数应加以修正。3 3隧隧道道结结构构物物的的冻冻害害特特征征实际上在寒冷地区的山岭隧道，除混凝土冻融引起劣化外，还有因衬砌背后围岩 冻结引起的隧道变异这是隧道冻害构基本特征，也是一个十分重要的问题。现以铁路隧道为例，加以说明。 在日本北海道、我国东北地区， 90以上
10、的隧道发生冰柱。冰柱在初冬或晚冬成长 迅速。在严寒期，一般不会成长。因为，在寒冷地区的隧道的大部分，在严寒期是冻结 的，水的供给被隔断了。日本北海道地区的隧道，通过调查、分析，了解到因围岩冻结造成隧道变异的原因 及其冻结机理同时，也认识到隧道因冻结变异的历时变化和形态特征等。4共调查了 155 座隧道，对其中的 87 处进行了变量分析。 从既有隧道冻害隧道的实态及分析，可以看出：隧道冻害始终是与漏水相联系的。 日本铁路隧道，漏水的隧道约占隧道总数的 56%。运营不满10年的隧道漏水发生率为 55%,10年以上的可达到 75%。其中,经过2040年的隧道的漏水发生率高达 9095%。这 些,大都
11、是早期修建的 ,尽管长度不大 ,但材质和施工管理都存在很多问题。这些隧道的 漏水部位,在拱部的占 50%,最多。其次是墙部占 23%。施工缝处占 15%。这些漏水的隧道 ,在寒冷地区,拱部漏水在一个晚上就会结成冰柱 ,施工缝和墙部的漏水会结成冰盘。 。这种结冰的隧道 ,约占漏水隧道的 45%。隧道漏水或结冰 ,造成衬砌混凝土劣化和变异 ,降低通信信号 ,电力等设备和钢轨及扣件等的耐久性。其次 ,漏水会使衬砌背后的土砂流失 ,而在衬砌背后形成空洞 ,并进一步产生偏压 ,路基下陷等。而在寒冷地区 ,结冰更加剧了对列车运行安全的威胁 ,对线路维修人员的行走和作业都造成一定的困难。同时 ,衬砌背后围岩
12、的冻结 ,会造成衬砌的破坏。分析中，采用的外基准和说明变量列于表 2。研究了两者的相关性。变异判定的分 级，前者见表 3。后者见表 4。表2 外基准和说明变量 1)外基准3 2 1 变异程度 大 中 小 围岩冻结的变异判定 确实 可能 无 2)说明变量 基准项目1 2 3 4年 代积累寒度地 质变 质涌 水 量埋 深 断面形状 仰 拱501000中古生层， 洪积层 第三纪层岩，火成岩 火山性堆积流落状态 滴水状态 衬砌漏水 一般，干燥lOm 1030m 30lOOm lOOm直墙 马蹄形，圆形 无 有表 3 变异程度的判定基准(1)判定 判 定 基 准大1开裂等变异显著，正在发展2因变异造成衬
13、砌功能有重大缺陷3混凝土劣化显著，发生剥落 4隧道断面缩小，影响列车运行5曾进行过修复，变异还在发展中1有开裂等变异，但未发展 2混凝土发生劣化，但无剥落 3曾修复过，变异停止发展5小1变异很小，无发展，对衬砌功能无损伤 2变异很小，无修复经历表 4 变异程度判定基准(2) 判定 判 定 基 准确实1 变异显著的隧道中开裂宽度或净空断面宽度随季节而变动2 变异显著的隧道中，隧道围岩和路基发生冻胀3 其它，根据现场人员观察认为有变异者可能1 变异程度中上，变异原因不明确2 靠近隧道有围岩冻结的变异无 1 变异程度，与年代比，小2 变异原因明确，与围岩冻结不同从既有隧道冻害的实态出发，可以认识到以
14、下几点： （1）发生冻胀的条件外因：低温：积累寒度：日平均气温在 0以下的温度，每日累计值超过 300day 以上的地区，定义为寒冷地区。温度通常指围岩的表面温度。当温度低时，围岩的冷却速度快，温度高时，则围岩的冷却速度慢。与冻胀有直接关系的是冻结面所处的冷热程度。地面温度作为外部条件对冻胀也产生影响。假设从冻结面到冻土一侧得到的热量为 Q1，从未冻土一侧流入冻结面的热量为 Q2，在冻结面，由水变成冰所发出的潜在热量为 q，当考察如下四种情况时， Q1q 时，冻结面发展由上述四种情况可知：当处于第种情况时，冰层应能保持，处于第种情况时，冻结发展形成分散的凸透镜的冰群。决定这些热流条件的除地面温
15、度以外，还与放射、蒸发、凝结和热幅射或者还与冻土及未冻土的热传导系数、比热等因素有关，而特别又与不冻土中水的含量有关。衬砌背后围岩中的水：围岩中的水和含水量、透水性及地下水位有关。一般说， 冰柱生成过程是地下水不断被吸收的过程，对冰柱的发展影响很大，即冻胀速度与 土的透水系数和毛细管上升高度成正比，与冻结线到地下水面间的距离成反比围岩特性：从调查分析中可以看出，隧道变异主要是由围岩冻胀所引起的。而 冻胀现象与地质因素有相当的关系调查证实；易于冻胀的岩石有：新第三纪中：上部的软质，而细粒的泥质岩和凝灰岩；吸水量在20以上的软质的泥质岩及细粒的凝灰质岩； 虽是难于冻胀的岩石，但因长期风化作用而破碎的情况。调查指出，最易冻胀变异的地质是新第三纪的鲜新世洪积世的沉积岩及炉姆质 的新期火山碎屑层哪种土最易冻胀 ?，从定性角度讲，粉砂最易冻胀，砂砾层、砂层和粘土层不易冻6胀在冻土的
