铁路作为我国的重要基础设施，在国民经济中发挥着不可替代的作用。截至2020年底，我国铁路运营总里程为14.6万km，其中，高速铁路运营总里程为3.79万km。在铁路工程建设过程中，混凝土结构在桥梁、隧道、轨道、路基等主体工程中广泛应用，对铁路发展起着极为关键的作用，是保障铁路工程长期服役的基石。

我国铁路工程穿越高寒、高原、亚热带沿海、大风干旱、大温差等严酷地域，铁路混凝土结构面临多重环境作用。此外，铁路混凝土结构还承受列车动荷载作用，同时需要高运营安全性，这就要求铁路混凝土结构必须具有可靠的长期耐久性能。长期以来，铁路工程技术研究人员为延长铁路工程的服役寿命，在混凝土结构耐久性提升方面开展了大量的科研工作，攻克了高性能混凝土理论、制备技术与施工质量保障等技术难题，取得了一定的研究成果，并且在实际铁路工程建设项目中得到了广泛应用。以高速铁路为例，高性能混凝土技术已在我国所有高铁工程中得到全覆盖推广应用，为保障我国高铁建设质量提供了有力支撑。

1 我国铁路混凝土结构耐久性发展历程

我国铁路混凝土技术的发展经历了低强度普通混凝土、低塑性高强混凝土和高性能混凝土三个阶段。1953年以前为第一阶段，此时，绝大多数桥梁为钢桥，轨枕、电杆等其他结构多采用木材或钢材，混凝土的应用以东北地区少量小跨度钢筋混凝土梁为代表，对于跨度小于20 m的梁使用最高强度等级为30 MPa的混凝土，混凝土用量少、强度低；1953年至2000年为第二阶段，以1953年我国第一根C50混凝土轨枕的成功制备为开端，我国铁路混凝土技术进入了低塑性高强度混凝土阶段，低塑性高强度混凝土的应用逐渐替代木材与钢材，但此时铁路混凝土结构主要按强度指标进行设计，较少考虑结构耐久性；2000年至今为第三阶段，以青藏铁路建设为代表，为应对铁路沿线复杂的地质条件和极端恶劣的环境条件，经过大量的科研和施工实践，具有低温、早强、耐腐蚀特点的高性能混凝土成功应用于青藏铁路灌注桩、桥梁、隧道、涵洞等工程结构中，提高了桥隧主体结构的使用年限，标志着我国铁路工程建设进入高性能混凝土时代。青藏铁路高性能混凝土的成功应用带动了该领域研究工作的蓬勃发展，逐步形成了完善的铁路混凝土结构耐久性技术体系，也发布了许多相关标准，如TB 10005—2010《铁路混凝土结构耐久性设计规范》、Q/CR 9207—2017《铁路混凝土工程施工技术规程》、TB/T 3275—2018《铁路混凝土》、TB 10424—2018《铁路混凝土工程施工质量验收标准》等，形成了涵盖设计、材料、施工、验收等环节的一整套具有铁路特色的标准规范体系，为全面提升铁路混凝土结构耐久性起到了重要的作用。

2 铁路混凝土结构耐久性保障方法

2.1 优化混凝土结构关键设计参数

选取合适的混凝土结构设计参数是保障其耐久性的重要措施。在我国现行铁路设计规范中，针对混凝土结构耐久性提出了钢筋混凝土保护层厚度和裂缝宽度控制限值。

2.1.1 钢筋混凝土保护层厚度

混凝土钢筋保护层可阻止腐蚀介质渗入混凝土内部，避免钢筋受到腐蚀，保障钢筋混凝土结构的承载力和使用寿命不受影响。钢筋混凝土保护层厚度显著影响着钢筋的锈蚀程度。在相同环境下，适当增加钢筋的混凝土保护层厚度，可以延长钢筋出现锈蚀的时间，提高混凝土结构抵抗锈胀开裂的能力。我国铁路工程建设标准针对不同的结构部位，提出了不同环境作用下的混凝土保护层最小厚度。以无砟轨道结构为例，当碳化等级为T2和T3时，混凝土保护层厚度最小分别为35 mm、45 mm。

2.1.2 裂缝宽度限值

混凝土裂缝为有害介质快速侵入混凝土内部提供便利通道，从而导致钢筋锈蚀，严重影响混凝土结构的耐久性。为便于检测，各国在考虑建筑物耐久性与寿命时，均提出了对裂缝的控制限值。我国铁路工程建设标准依据混凝土结构所处的环境类别及作用等级，明确给出了铁路混凝土结构裂缝宽度的限值，如在碳化环境下，裂缝验算宽度最大值为0.2 mm。

2.2 完善混凝土配合比参数限值

配合比设计是决定混凝土耐久性的关键环节，经过长期的经验积累与实践应用，我国铁路技术人员提出了混凝土配合比半定量设计方法，并逐渐形成了以TB 10005—2010为中心的技术标准体系。为了方便不同环境下混凝土结构耐久性的设计（见表1），制定了不同服役环境下混凝土配合比的参数限值，要求以耐久性为指标进行混凝土配合比设计。如通过限定混凝土氯离子含量、碱含量和三氧化硫含量等有害物质含量，降低混凝土发生氯盐侵蚀、碱骨料反应和硫酸盐侵蚀等耐久性破坏的可能性；通过限定矿物掺合料掺量范围，显著提高混凝土的抗氯离子渗透性和抗硫酸盐侵蚀性能；通过限定混凝土含气量最低限值，保证混凝土结构的抗冻性能和抗盐类结晶破坏性能。

2.3 提高混凝土的密实性

混凝土的密实性是其抵抗有害物质侵入混凝土内部的第一道防线，减少或消除腐蚀介质的作用通道，提高混凝土的密实性是保障混凝土结构耐久性的关键环节。目前，常用的提高混凝土密实性的方法主要有以下两方面。

在配合比设计方面，通过限定最大水胶比和最小胶凝材料用量来改善混凝土的孔隙结构和密实度，可以提高混凝土的耐久性。

在材料组成设计方面，通过调控胶凝材料组成，引入合适掺量的粉煤灰、矿渣粉、硅灰等矿物掺合料，优化浆体微结构和强化界面过渡区，可以提高混凝土的密实性。此外，经过大量试验研究和工程实践，还形成了利用晶种-水泥-玻璃态掺合料梯级水化作用提高混凝土早期强度、改善界面微结构的新方法。

为了更好地表征高性能混凝土的密实性，引入电通量作为混凝土抗渗性的评价指标，提出了不同设计使用年限的铁路混凝土电通量限值（见表2）。

2.4 提高混凝土的抗裂性

混凝土的开裂将严重影响混凝土结构的耐久性和安全稳定性。温度和收缩变形是混凝土产生裂缝的主要原因。

针对温度变形，根据TB/T 3275—2018规定，混凝土的入模温度不大于30 ℃、结构内外温差不大于20 ℃（轨枕、轨道板、梁体结构为15 ℃）。

针对收缩变形，目前主要通过减少胶凝材料用量、合理掺加矿物掺合料、控制混凝土水胶比等措施进行控制。

针对铁路工程建设中出现的极端情况，通常采取建立专项科研的方式进行攻关，如针对西北大风干旱、大温差等极端环境下现浇混凝土易开裂的问题，通过专项研究，研发了具有高效减缩抗裂功能的内养护材料，采用预蓄水组分和膨胀组分制备内养护材料，调控混凝土内部湿度，补偿混凝土的收缩变形，可实现14 d内混凝土内部相对湿度持续保持在95%以上、裂缝数量降低80%、后期强度不降低的显著效果，解决了长大连续现浇结构混凝土的抗裂难题。

2.5 创新混凝土施工质量精准控制技术

施工是影响混凝土结构工程质量的关键环节，也是确保混凝土结构耐久性的控制重点。TB/T 3275—2018等铁路技术相关标准对不同混凝土结构在不同工况下的施工质量保障技术做出了明确的规定，如严格控制混凝土的内外温差，减少温差引起的混凝土开裂现象；限定混凝土的保温、保湿养护时间及养护方式，保证混凝土浇筑后的质量和耐久性。

针对传统混凝土搅拌站骨料含水率测试过程复杂、难以及时指导配合比参数调整和混凝土生产质量控制的问题，可通过采用基于微波测湿原理的骨料含水率实时在线检测技术，构建基于含水率在线检测的铁路混凝土配合比动态调控系统。该系统通过对混凝土搅拌站关键控制参数的在线检测-识别-反馈-调整，实现了混凝土施工配合比的智能动态调控，充分保证了不同地材、不同环境、不同操作水平条件下混凝土生产质量的稳定性，为保证铁路混凝土结构的耐久性提供了保障。

为解决传统混凝土质量评定方法试验周期长、试验结果滞后等问题，可通过研究硬化混凝土耐久性与混凝土拌和物性能之间的关系，构建硬化混凝土力学性能和耐久性能快速检测系统，可在30 min内完成对混凝土每m3用水量、含气量、水胶比、单位体积质量等指标的采集，实现混凝土耐久性指标的快速检测，混凝土施工质量由“事后被动把关”转变为“事前主动控制”。

3 铁路混凝土结构耐久性面临的挑战

3.1 服役环境复杂化

近年来，随着我国铁路建设规模的迅猛发展以及铁路网的逐步完善，新建铁路线路逐步向我国西部地区延伸，铁路工程建设和服役又将面临新的环境条件，这也为铁路工程结构的高质量建造和长期服役带来新的挑战。如已经开工建设的川藏铁路穿越川西地热异常带和藏东地热温泉带，沿线出露温泉超过700处，受地热影响，多座隧道存在高地温的工程地质问题。此外，川藏铁路沿线太阳幅射强，日照长，具有年温差小、日温差大的特点，有时昼夜温差达30～35 ℃，大温差环境下混凝土结构承受温度疲劳应力作用，且频繁的温度变化导致混凝土结构承受高频冻融作用。

高地热环境加快混凝土中水分蒸发，导致混凝土的工作性降低，同时，高地温环境会带来延迟钙矾石生成的风险。大温差环境导致混凝土温度变形大，混凝土结构开裂风险大。而在现有铁路行业标准中，并未将高地热和大温差环境纳入混凝土环境作用类型，两种特殊环境下的混凝土耐久性指标缺失。此外，在冻融循环作用下，尤其是道床板等平面薄层混凝土结构承受单面冻融循环作用，混凝土表层易粉化、剥落。而在现有铁路行业标准中，冻融破坏环境下，混凝土耐久性指标以快冻法/慢冻法下的冻融循环次数为标准，该试验方法中，混凝土试件整体受冻，无法真实模拟混凝土结构的受冻条件，在现行标准中，混凝土抗冻性指标尚不完善。因此，亟需在现行标准的基础上，增加大温差、高地热等混凝土环境类别，完善冻融环境下混凝土耐久性评价指标，为保障铁路混凝土结构耐久性提供指南。

3.2 原材料资源短缺

砂石骨料是混凝土中应用最多的原材料，采用就地取材的方式才能最大限度地保证原材料供应，降低建设成本。近年来，随着建设规模的不断扩大和环保要求的日益提高，河砂资源逐年短缺，已经出现供不应求的局面。另一方面，粉煤灰、矿渣粉等矿物掺合料是混凝土中重要的辅助胶凝材料，对于提高混凝土的抗渗性、密实性和耐久性具有重要作用。然而近年来粉煤灰资源逐渐短缺，优质粉煤灰供不应求，市场上甚至出现了以次充好和销售假粉煤灰的现象，尤其在我国西部工业欠发达地区，粉煤灰和矿渣粉资源更加稀缺。如川藏铁路跨越和涉及长江流域、澜沧江流域、怒江流域以及雅鲁藏布江流域等水系，沿线水系河床较浅，河砂资源储存量较少，无法满足川藏铁路特大型工程的建设需求，且川藏铁路途经地区冶金、火力发电等工业基础薄弱，加之西南地区本身以水力发电为主，导致沿线800 km范围内几乎没有大型的粉煤灰和矿渣粉等生产企业。针对混凝土原材料匮乏的难题，如何利用铁路沿线地区地缘性材料制备机制砂石料和矿物掺合料来替代河砂和传统矿物掺合料，成为满足铁路建设原材料供应需求，保证工程建设顺利实施的首要任务。

3.3 混凝土结构过早劣化

随着我国铁路建设规模的不断扩大，尤其是高速铁路的快速发展，铁路工程技术人员展开了大量研究和应用工作，逐渐形成了面向跨地域、变气候、多环境的高性能混凝土技术，建立了高性能混凝土质量保障技术与标准体系。然而，实际运营结果表明，目前混凝土结构在服役过程中过早地出现了龟裂和开裂破坏、冻融破坏和硫酸盐侵蚀破坏等劣化现象。

3.3.1 龟裂和开裂破坏

混凝土表面龟裂和开裂是现有混凝土结构常见的过早劣化现象之一。铁路工务部门在例行维检中发现，部分高铁既有无砟轨道混凝土结构已出现不同程度的开裂现象。对川藏地区特殊环境下混凝土工程的调研结果表明，无论是铁路桥梁和隧道、公路桥梁、隧道和路面以及大坝面板和排水渠等结构部位的混凝土，均出现开裂现象。混凝土龟裂和开裂多发于施工早期，由于缺少抑制混凝土开裂的有效措施，在大风干燥和大温差环境下，多数混凝土结构在拆模后短时间内就出现了不同程度的龟裂和长大裂纹，并随着时间的延长不断加剧扩大。

3.3.2 冻融破坏

冻融破坏主要发生在与水或雪有频繁接触的桥墩混凝土、无砟轨道混凝土等位置，尤其以我国东北地区较为显著，如部分高铁既有无砟轨道混凝土结构已出现不同程度的粉化和剥落现象，少数甚至过早进入养护维修阶段。与东北地区相比，西藏地区日温差较大，混凝土面临的冻融循环破坏程度更加严重，如西藏那曲地区，年气温正负变化交替次数达187次，混凝土结构耐久性面临严峻考验。

3.3.3 硫酸盐侵蚀破坏

我国硫酸盐土壤分布较为广泛，尤其是近年来随着铁路建设逐步向西部推进，大量铁路桥墩、涵洞和隧道等主体混凝土结构存在硫酸盐侵蚀风险。地质勘探资料表明，部分铁路沿线地区的硫酸根离子浓度较高，可以达到环境作用等级H4腐蚀离子浓度最低限值的数10倍。以现有的高性能混凝土技术水平，在这种严重腐蚀环境下混凝土的长期耐久性难以保障。硫酸盐侵蚀破坏成为目前铁路建设，特别是西部铁路建设面临的重要挑战之一。

4 铁路混凝土结构耐久性发展趋势

混凝土结构的耐久性对于铁路工程的长期耐久服役尤为重要。针对我国铁路混凝土结构耐久性保障技术发展现状及存在的问题，提出铁路混凝土结构耐久性发展趋势。

4.1 长寿命化

近年来，我国基础设施建设规模空前扩大。与此同时，大量短寿命混凝土结构物拆除、重建所导致的资源浪费和环境污染等问题日益突出。提高重大混凝土工程服役寿命是“节资环保、提质增效”的重要举措。为了合理利用资源、减少环境污染，国内外一些重点工程按照提高混凝土抗渗性和抗裂性的思路进行混凝土制备，采用长寿命混凝土进行基础设施建设，如英国200年设计使用寿命的国家纪念性建筑大英图书馆、澳大利亚300年设计使用寿命的布里斯班河Gateway二桥以及我国120年设计使用寿命的港珠澳大桥和300年设计使用寿命的三峡大坝。目前，我国铁路工程的重要结构物仍采用100年设计使用寿命的混凝土，提高铁路工程服役寿命，发展长寿命混凝土已成为必然趋势。

4.2 定量化

在我国现有铁路混凝土结构耐久性设计规范中，桥梁、涵洞、隧道等主体结构，路基支挡及承载结构，无砟轨道道床板、底座板结构的设计使用寿命均为100年。然而，混凝土结构耐久性量化的指标大多基于传统经验，或者通过同类工程的类比进行确定。目前，能够得到普遍认可的混凝土耐久性指标量化计算模型仅有基于碳化理论和氯离子扩散的模型，针对冻融破坏环境和化学侵蚀环境所提出的量化计算模型并未得到普遍认可，更没有得到广泛应用，针对盐类结晶破坏环境和磨蚀环境尚无较为成熟的混凝土耐久性指标量化计算模型。在混凝土结构实际服役情况下，由冻融或化学侵蚀损伤引起的混凝土耐久性破坏现象更为常见，亟需探索新方法，实现混凝土结构耐久性的定量设计。

4.3 智能化

传统的混凝土施工为劳动密集型产业，具有施工效率低、施工质量受人为因素影响大的缺点，导致混凝土施工质量和耐久性具有较大的波动性。随着人工智能化的不断发展，混凝土的施工逐渐向少人化和智能化方向发展，混凝土质量智能化控制技术研究已经取得一定进展。在混凝土生产方面，通过配备骨料含水率在线检测系统，可实现混凝土配合比的在线反馈和自动调整，达到混凝土组成设计智能优化的效果；在混凝土施工方面，通过配备混凝土智能变频振捣成型系统和混凝土养护温湿度智能控制系统，可实现混凝土施工的智能化控制，显著降低混凝土施工的劳动密度。随着建设规模的不断扩大，建立智能化的混凝土生产技术体系成为混凝土材料创新和发展的必由之路。

4.4 可预测性

在服役环境和列车疲劳荷载作用下，铁路工程混凝土结构逐渐出现性能劣化现象。经过多年的工程实践，铁路部门通过监测铁路工程结构的服役状态，对已产生耐久性破坏的结构物进行养护维修，逐渐提出了“状态修”模式，即根据工程结构的服役状态决定是否进行养护维修，以保障铁路工程结构处于受控状态。在上述养护维修模式下，通常当工程结构的服役状态劣化至临界使用状态时，才进行有效的养护维修，无法实现混凝土结构早期劣化的预测。如高速铁路无砟轨道结构的层间约束作用以及长大连续结构的温度应力作用增加了混凝土开裂的趋势，而目前尚缺少铁路混凝土结构的开裂预测技术，无法实现早期开裂的有效识别和及时维修。因此，结合铁路工程实际情况，研发混凝土结构开裂及耐久性预测技术，成为铁路混凝土结构耐久性发展趋势之一。

5 结语

随着我国铁路工程逐步向西部地区延伸，铁路工程建设和服役面临大温差、高地热等特殊环境，混凝土结构耐久性将迎来更多的新挑战。需要加强相关研究投入，完善混凝土耐久性指标、加强地缘性原材料利用、强化混凝土结构耐久性提升措施。随着我国铁路工程建设规模的不断扩大，对铁路混凝土结构耐久性提出了更高要求，实现混凝土结构长寿命化、混凝土结构耐久性的定量设计、发展智能化混凝土施工技术、混凝土开裂及耐久性预测技术成为铁路混凝土结构耐久性发展的必然趋势。

内容来源：砼享未来闻宝联技术空间

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