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寒冷地区铁路隧道防止冻害的基本措施

1·概述
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。
水在冻结时能够自由膨胀，产生约9%的体积膨胀，在水泥浆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ASTMC666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。

2·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=T×S×W（1）
式中
D：劣化影响系数
T：与温度条件有关的评价系数
T=T1×T2×T3
T1：最低温度的权值
抗冻性差的混凝土
T1=0.39×（-t）
抗冻性好混凝土
T1=0.0625×（-t）-0.125
t：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0~1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1400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44．6％；
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2×10kg/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1×10kg／cm2，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．
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