橋梁混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究

鄭州市中途工程咨詢有限公司 史成梅

橋梁混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究

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隨著我國交通基本建設(shè)的快速發(fā)展，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用于橋梁建設(shè)中，一直被認(rèn)為是一種具有優(yōu)良耐久性的結(jié)構(gòu)形式。但是，近年來大量的服役橋梁存在安全隱患，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)由于各種各樣的原因而提前失效，達(dá)不到預(yù)定的服役年限。其中，有的是由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的抗力不足，有的是由于使用荷載的不利變化，更多的是由于結(jié)構(gòu)的耐久性不足。耐久性失效是導(dǎo)致橋梁混凝土結(jié)構(gòu)在正常使用狀態(tài)下失效的最主要原因。加強(qiáng)對(duì)橋梁鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的研究，樹立全壽命設(shè)計(jì)的理念，對(duì)于節(jié)約不可再生資源、保護(hù)環(huán)境和維持國民經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，都具有非常重要的意義。

一、影響橋梁混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的因素

1.橋梁設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)低。我國在上世紀(jì)80年代以前建設(shè)的橋梁的設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)較低，然而，隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展和交通量的日益增多、繁重，以前設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)較低的公路橋梁卻仍在使用，它們?cè)缫巡荒軡M足現(xiàn)階段的交通需要，其本身的安全性和耐久性問題隨時(shí)都可能發(fā)生，因此，存在較大的安全隱患。

2.橋梁設(shè)計(jì)理念不合理。在設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)者僅考慮橋梁的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、計(jì)算結(jié)果滿足規(guī)范要求，卻忽視從結(jié)構(gòu)體系、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、結(jié)構(gòu)材料、結(jié)構(gòu)維護(hù)、結(jié)構(gòu)耐久性以及使用全過程中經(jīng)常出現(xiàn)的人為因素等方面綜合計(jì)算橋梁混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。另外，保護(hù)層厚度過小、鋼筋直徑過細(xì)、構(gòu)件截面過薄等等原因，都會(huì)嚴(yán)重影響橋梁的耐久性。

3.材料因素。

（1）鋼筋的銹蝕?；炷林械母邏A性溶液可以使鋼筋表面形成一層惰性的水化氧化鐵薄膜，可以阻止鋼筋的銹蝕。但氧化鐵薄膜被破壞后，鋼筋會(huì)生成鐵銹，鐵銹的體積比鐵大的多，易引起混凝土的開裂，使鋼筋和混凝土的有效工作面積減小，此外，銹蝕鋼筋的強(qiáng)度和塑性性能下降，這些都會(huì)導(dǎo)致鋼筋混凝土構(gòu)件結(jié)構(gòu)性能下降。當(dāng)銹蝕的質(zhì)量大于1%時(shí)，鋼筋的銹蝕會(huì)減小鋼筋與混凝土之間的黏結(jié)力，鋼筋與混凝土之間黏結(jié)力下降，同樣會(huì)導(dǎo)致鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)性能的降低。對(duì)于預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)來說，鋼筋銹蝕會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)性能產(chǎn)生更加嚴(yán)重的影響。

（2）混凝土的碳化。混凝土的碳化是指空氣中二氧化碳與水泥石中的堿性物質(zhì)相互作用，使其成分、組織和性能發(fā)生變化，從而引起使用機(jī)能下降的一種很復(fù)雜的物理化學(xué)過程。當(dāng)混凝土完全碳化后，就會(huì)出現(xiàn)pH＜1的情況，在這種環(huán)境下，混凝土中埋置鋼筋表面的鈍化膜被逐漸破壞，在其他條件具備的情況下，鋼筋就會(huì)發(fā)生銹蝕等一系列不良后果。

（3）氯離子對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的侵蝕。我國沿海地區(qū)的混凝土工程由于長期受氯離子侵蝕，混凝土中的鋼筋銹蝕現(xiàn)象非常嚴(yán)重；北方地區(qū)，為保證冬季交通暢行，向道路、橋梁等拋撒融雪劑材料，大量使用的氯化鈉和氯化鈣，使得氯離子滲入混凝土，引起鋼筋銹蝕破壞；我國還有廣泛的鹽堿地，腐蝕現(xiàn)象也很嚴(yán)重。從這3個(gè)方面可以看出，我國有大量的鋼筋混凝土在遭受鋼筋銹蝕危害，影響其結(jié)構(gòu)耐久性。氯離子主要是通過破壞鈍化膜、形成腐蝕電池、去極化作用和導(dǎo)電作用的機(jī)理對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行銹蝕的。

（4）混凝土的凍害。在拌制混凝土?xí)r，為了得到必要的和易性，加入的拌和水總要多于水泥的水化水，這種自由水就是導(dǎo)致混凝土遭受凍害的主要因素，因?yàn)樗隼鋬鼋Y(jié)成冰會(huì)發(fā)生體積膨脹，引起混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的破壞。當(dāng)處于水飽和狀態(tài)時(shí)，若毛細(xì)孔中的水結(jié)冰，則膠凝孔中的水就處于過冷狀態(tài)，膠凝孔中處于過冷狀態(tài)的水分子因其蒸汽壓高于同溫度下冰的蒸汽壓而向壓力毛細(xì)孔中冰的界面處滲透，于是在毛細(xì)孔中又產(chǎn)生一種滲透壓力，使毛細(xì)孔中的冰體積進(jìn)一步膨脹。當(dāng)這兩種壓力超過混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)，混凝土就會(huì)開裂。在反復(fù)凍融循環(huán)后，混凝土便會(huì)遭受嚴(yán)重破壞。

二、提高橋梁混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的措施

1.耐久性方案設(shè)計(jì)。充分考慮各種可變因素對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)使用壽命的影響，如環(huán)境溫度、混凝土內(nèi)應(yīng)力、裂縫等，以建立使用壽命預(yù)測系統(tǒng)，為耐久性方案的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)和依據(jù)，制定有針對(duì)性的耐久性解決方案。

（1）提高混凝土保護(hù)層厚度。這是提高鋼筋混凝土使用壽命的最直接、簡單而且經(jīng)濟(jì)有效的方法。但是保護(hù)層厚度并不能不受限制的任意增加，當(dāng)保護(hù)層厚度過厚時(shí)，由于混凝土材料本身的脆性和收縮性會(huì)導(dǎo)致混凝土保護(hù)層出現(xiàn)裂縫，反而削弱其對(duì)鋼筋的保護(hù)作用。

（2）限制裂縫寬度。研究表明，相同條件下帶裂縫工作的鋼筋混凝土構(gòu)件，其主筋銹蝕的速度為不帶裂縫工作構(gòu)件的3倍，箍筋銹蝕的速度可達(dá)主筋的5倍，因此，應(yīng)對(duì)裂縫進(jìn)行嚴(yán)格限制。

（3）慎重設(shè)計(jì)橋面防滲構(gòu)造。橋面滲水的排除和防滲漏是提高橋梁耐久性的有效措施。從20世紀(jì)60年代起開始使用防水混凝土構(gòu)造，但其實(shí)際防水效果尚未得到證實(shí)。目前國內(nèi)廣泛采用的是FYT型（屬于柔性防水范疇）和M1500型（屬于剛性防水范疇）防水構(gòu)造。橋面排水系統(tǒng)也應(yīng)通暢，泄水管的出口不能位于蓋梁上或橋墩的側(cè)面，以免混凝土結(jié)構(gòu)被水飽和。

2.采用新材料、新技術(shù)、新工藝。

（1）采用高性能混凝土（HPC）。高性能混凝土的強(qiáng)度和耐久性都優(yōu)于一般概念的混凝土，高性能混凝土中加入了比水泥顆粒小約100倍的膠凝材料（如硅粉、優(yōu)質(zhì)粉煤灰等），并采用高效減水劑降低水灰比，采用高強(qiáng)度的骨料。其結(jié)果減小了骨料與膠凝材料間的孔隙率，改善了混凝土的滲透性，從而大大提高了混凝土的耐久性。

（2）摻入耐久性改善劑。混凝土中摻入的耐久性改善劑，可填充于混凝土孔隙中，提高混凝土的密實(shí)度與抗?jié)B性，并能進(jìn)一步降低混凝土的干縮，提高混凝土的抗凍性及耐酸性。

（3）在鋼筋表面涂刷防腐蝕涂層。防腐蝕涂層的致密性要好，否則水分、氧和腐蝕性介質(zhì)可以穿透涂層而產(chǎn)生電子傳遞現(xiàn)象，同時(shí)涂層與鋼筋間的黏結(jié)力要好，并且涂層要有良好的物理力學(xué)性能，如抗變形、抗摩擦等。

（4）結(jié)構(gòu)表面涂層。混凝土表面的涂層可以阻止氯離子侵蝕混凝土和抑制混凝土碳化深入混凝土內(nèi)部，涂層應(yīng)具有足夠的彈性和熱穩(wěn)定性，并能適應(yīng)裂縫的開合而不會(huì)斷裂，與混凝土表面有足夠的黏結(jié)力，且能抵抗侵蝕環(huán)境的腐蝕。

（5）引氣劑。在混凝土中摻加引氣劑，對(duì)于提高混凝土的密實(shí)性、施工性、抗凍性等有很大的作用，特別是可成倍地提高海洋環(huán)境中混凝土的抗凍融循環(huán)能力。而我國運(yùn)用引氣劑較少，應(yīng)大力發(fā)展，尤其在北方鹽凍地區(qū)使用更具有應(yīng)用價(jià)值。

（6）加強(qiáng)防腐蝕施工新技術(shù)的研究與應(yīng)用。如，對(duì)于重要構(gòu)件的陰極保護(hù)法、對(duì)已遭受氯離子侵害的上部構(gòu)造的電流采用脫鹽技術(shù)、增加混凝土表面密實(shí)性的滲透可控模板墊料等，雖然目前這些技術(shù)還存在著造價(jià)高的不足，但隨著技術(shù)的進(jìn)步和造價(jià)的降低，將逐漸成為提高混凝土耐久性的重要手段。

3.重視養(yǎng)護(hù)管理。

（1）充分重視橋梁的超載問題。目前，在我國公路運(yùn)輸中普遍存在橋梁通行的車流量超過原設(shè)計(jì)量和車輛嚴(yán)重違規(guī)超載的問題。一方面，會(huì)致使橋梁疲勞應(yīng)力幅度加大，損傷加劇，甚至引發(fā)一些結(jié)構(gòu)破壞；另一方面，由于超載造成的橋梁內(nèi)部損傷不能恢復(fù)，將使得橋梁在正常荷載下的工作狀態(tài)發(fā)生變化，可能嚴(yán)重影響橋梁的安全性和耐久性。因此，在控制橋梁通行車流量的同時(shí)，要嚴(yán)格管理車輛違規(guī)超載。

（2）系統(tǒng)檢查與評(píng)定。對(duì)已建工程應(yīng)定期檢查與評(píng)定，對(duì)于同一個(gè)工程結(jié)構(gòu)物應(yīng)形成連續(xù)的資料，對(duì)于重要的構(gòu)造物甚至可以安裝全過程監(jiān)測系統(tǒng)。只有積累大量的資料，才能為科研部門的研究工作和管理部門的決策提供寶貴的資料和依據(jù)。

（3）做好日常的養(yǎng)護(hù)工作。橋梁的養(yǎng)護(hù)工作主要是通過檢查與評(píng)定來系統(tǒng)地掌握橋梁的技術(shù)狀況，較早地發(fā)現(xiàn)缺陷、損壞等異常情況，提出養(yǎng)護(hù)措施，從而延長橋梁的使用壽命；另外，還要掌握交通狀況，嚴(yán)格管理超載車、特種車過橋，并采取相應(yīng)的防護(hù)、加固措施，減小橋梁損壞。對(duì)可能發(fā)生臺(tái)風(fēng)、暴雨、暴雪、地震、火災(zāi)、流冰、洪水危害的橋梁，應(yīng)做好各種防范措施及應(yīng)急處理措施。對(duì)需要進(jìn)行限載、限速或停止交通的橋梁，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行交通管制。對(duì)橋梁各部分經(jīng)常保養(yǎng)，對(duì)檢查發(fā)現(xiàn)的缺陷、損壞處進(jìn)行及時(shí)的維修，對(duì)檢驗(yàn)不能維持原設(shè)計(jì)載重等級(jí)要求的，應(yīng)有計(jì)劃地進(jìn)行維修加固，建立和健全完整的橋梁技術(shù)檔案