混凝土橋梁常見病害與維修加固

袁 鐵 權

(吉林省高等級公路建設局,長春 130000)

在我國已建成的公路橋梁中,90%以上的為混凝土橋梁.在使用過程中會出現各種各樣的病害,因此，在制定橋梁安全運營保障措施和橋梁維護方案時,掌握橋梁的病害形成原因和病害狀況是非常必要的[1].

1 混凝土橋梁的常見病害

根據混凝土橋梁出現的病害部位及形成原因,橋梁病害可歸納為結構性損傷和功能性損傷兩類[2-3].

(1) 橋梁功能性損傷病害.橋梁功能性損傷的表現形式為材料退化引起的混凝土缺陷,如:橋面鋪裝破壞和滲漏水;剝落、蜂窩、露筋、鋼筋銹蝕、孔洞;支座變形過大;伸縮縫斷裂等病害(圖1～圖3).

圖1 環(huán)境侵蝕導致橋梁混凝土劣化 圖2 橋梁滲漏水引起混凝土白化、剝落 圖3 鋼筋銹蝕、混凝土脹裂剝落

(2) 橋梁結構性損傷.橋梁結構性損傷的表現形式為混凝土開裂問題,裂縫的產生原因主要是由于結構受力超過結構承載能力,導致混凝土出現彎曲、剪切裂縫,圖4～圖6為常見裂縫損傷形態(tài).

圖4 T梁跨中受彎裂縫 圖5 板底橫向裂縫 圖6 箱梁腹板內壁斜剪裂縫

2 橋梁病害成因

2.1 材料退化引起的損傷

由于混凝土承受各類荷載的反復作用及特定自然環(huán)境的侵蝕作用,隨著運營時間的增長,不可避免地出現各類損傷及病害,主要包括氯鹽浸入腐蝕、混凝土碳化、保護層剝落、鋼筋鈍化膜破壞、堿集料反應病害及凍融循環(huán)破壞[4-5].

(1) 氯鹽浸入腐蝕. 在寒冷地區(qū)由于通過撒鹽、除雪劑的方式除冰雪,造成水、氯化物等有害物質更易于滲透到結構混凝土內部,加速混凝土的劣化.其中,混凝土內部鋼筋、預應力鋼筋的鈍化膜被破壞是所有危害的最終表現,鋼筋銹蝕到一定程度,結構必然失穩(wěn).

(2) 混凝土碳化、保護層剝落. 由于混凝土的碳化、氯離子侵蝕,與鋼筋周圍混凝土的氫氧化鈣發(fā)生化學反應,造成其堿度降低,導致混凝土的碳化.一般情況下,新建的混凝土呈高堿性(pH值12～13),在鋼筋表面形成堿性薄膜,這層膜起到了“鈍化”保護作用,使鋼筋避免遭受酸性介質的侵蝕.碳化作用是大氣中的二氧化碳或酸雨與混凝土中的可溶性氫氧化鈣和水泥中的水化物產生反應而轉化為不可溶的碳酸鈣,使混凝土堿性降低.當pH值降至10以下時,鈍化能力消失,因此導致其鈍化膜遭到破壞,當鋼筋周圍混凝土空隙中Cl-的濃度達到臨界值時,鋼筋就會發(fā)生銹蝕.

(3) 堿-骨料反應. 骨料中的活性硅和水泥中的堿骨料中含有泥性硅化物質與堿性物質混合,水、硅反應生成膨脹的膠質,吸水后造成局部膨脹和拉應力,混凝土出現裂縫,這種現象稱之為堿集料反應.開裂表現為混凝土的構件表面產生樹枝狀、網狀的不規(guī)則裂縫,并且有白色凝膠物質在裂縫處滲出,一般裂縫的長度和深度隨寬度的增加而增加.判斷是否為堿骨料反應而造成的破壞,一般看裂縫出現的部位在潮濕處還是干燥處,如只在潮濕處有裂縫,而干燥處沒有,并伴有白色凝膠滲出,則為堿集料反應造成的.堿集料反應1～2年就會使該結構部位出現裂縫,當混凝土中每立方米含3kg堿骨料時,就有發(fā)生堿骨料反應的可能性,其決定條件在于環(huán)境的濕度,如濕度高于85%時,則極容易發(fā)生上述反應.

(4) 鋼筋鈍化膜破壞. 由于混凝土質量較差或保護層厚度不足,使空氣中的有害氣體或物質容易滲入混凝土內,使鋼筋周圍混凝土堿度降低,或由于氯化物浸入,鋼筋周圍氯離子含量較高,均可引起鋼筋表面氧化膜破壞,鋼筋中鐵離子與侵入到混凝土中的氧氣和水分發(fā)生銹蝕反應,鋼筋產生銹蝕.鋼筋的銹蝕因生成銹蝕產物而具有體積膨脹的效應,使混凝土產生裂縫,而混凝土中形成裂縫后,水中促進銹蝕物質更容易到達鋼筋表面,從而形成一種惡性循環(huán),導致結構破壞.

(5) 凍融循環(huán)破壞. 凍融循環(huán)破壞是反復凍融導致混凝土損傷,主要是由于凍融頻繁交替導致的損傷積累及疲勞應力所致,與所處地區(qū)的年凍融循環(huán)次數、凍結降溫速率、最低凍結溫度、凍結時長和環(huán)境中的化學物質等因素密切相關,并且有害凍融次數越多,凍結溫度越低,水飽和程度越高,溫差越大,則凍融破壞越嚴重.這樣的破壞是循序漸進的,從表面的小面積到內部的大粒徑剝落,由表及里,由慢而快,破壞力極大.凍融循環(huán)破壞中有一種特殊的鹽凍破壞.如在北方地區(qū)常采用撒鹽的方式除冰,這種凍融循環(huán)加上鹽類侵蝕的破壞速度遠遠大于水凍破壞速度,由于氯化物的浸入加速了混凝土表層的凍融破壞,這種破壞則比單純的凍融破壞力大許多.

2.2 混凝土開裂病害

混凝土橋梁的開裂是橋梁損傷常見病害之一,病害發(fā)展、性能退化及結構失效均源于裂縫的發(fā)生和發(fā)展,通常情況下早期的微裂往往是后期宏觀開裂的開始.裂縫在荷載或外界物理及化學因素作用下,不斷產生和發(fā)展,會混凝土強度和剛度受到削弱,導致承載能力降低,嚴重影響結構耐久性.在復雜的結構混凝土開裂損傷原因中,有以下4點主要原因:

(1) 設計不合理和施工方法不當所引起的受力裂縫. 均布荷載或集中荷載長期通過橋面系傳遞應力至梁體,當荷載累積量超過其所能承受的疲勞次數時,承重部件會從底部開始產生裂縫,這種裂縫的出現,預示結構承載力可能不足或存在其他質量問題,從而在某些部位會導致結構開裂；

(2) 施工過程中出現的裂縫. 由于溫度變化、混凝土收縮等因素引起的結構變形受到限制時,在結構內部就會產生自應力,當該應力達到混凝土抗拉強度極限值時,即會引起混凝土裂縫,同時，原材料質量及拌和、澆筑、振搗、養(yǎng)護等施工各環(huán)節(jié)質量問題,也會引起混凝土開裂；

(3) 凍脹引起的裂縫. 當混凝土中骨料空隙多、吸水性強;骨料中含泥土等雜質過多;混凝土水灰比偏大、振搗不密實;養(yǎng)護不力使混凝土早期受凍等,均可導致混凝土凍脹裂縫；

(4) 運營階段超載通行.

橋梁經常出現的開裂部位如圖7所示.

圖7 混凝土橋梁裂縫形態(tài)

3 橋梁病害處治方法

3.1 橋梁耐久性修復

橋梁功能性損傷病害對橋梁承載能力的影響不大,但為保證橋梁運營處于良好工作狀態(tài)和結構的安全性,提高工程的耐久性和使用壽命,應對對橋梁耐久性損傷進行修復.橋梁耐久性養(yǎng)護的工作內容包括:清除表面污垢、修補混凝土孔洞、破損、剝落、表面風化、非結構受力影響產生的裂縫、對裸露鋼筋進行除銹、修復保護層、對縱橫梁連接件的鋼板開裂、脫焊、銹蝕進行處理等.

3.2 橋梁維修加固方法

橋梁維修加固處治方案的選擇和設計,對加固工程的質量和經濟性有很大影響.各種修補、加固技術各有其優(yōu)缺點和適用性,方案選擇應結合具體工程的特點,針對不同的橋梁損傷,結合目前橋梁加固技術、加固材料及便于施工的加固方案分析排序,綜合采用各種維修加固技術措施,對各加固方案進行經濟技術分析對比,并盡量考慮綜合經濟指標,形成優(yōu)化的推薦方案,做到技術可靠,經濟合理,方便施工.

目前,橋梁的加固方法主要有:增大截面和配筋加固法;錨噴混凝土加固法;粘貼碳纖維加固法;粘結預應力加固法;鋼筋混凝土套箍或護套加固法;增設縱梁加固法(拓寬改建);碳纖維布加固法.其中，粘貼鋼板法加固對東北地區(qū)的危舊橋改造和加固較為適宜,粘貼鋼板法采用環(huán)氧樹脂類粘結劑將鋼板粘貼在出現裂縫的混凝土表面,從而提高結構的剛度、耐久性和極限承載能力.鋼板加固法具有不破壞原有結構,施工方便,工期短等優(yōu)點,在東北地區(qū)有廣泛的適應性和推廣價值,在橋梁工程中可用于對板橋、T梁橋、箱梁橋的梁底受拉區(qū)進行加固以增強抗彎承載能力,或者用于加固主梁的腹板以增強抗剪能力.圖8～圖9為粘貼鋼板法橋梁修復過程.

圖8 粘貼鋼板過程

圖9 完成粘貼鋼板涂裝

4 結論

混凝土橋梁因環(huán)境因素和使用條件的變化導致結構出現各種病害,進而對橋梁使用性能、耐久性及使用壽命產生影響.針對不同的橋梁病害采取針對性的養(yǎng)護、維修和加固措施,可有效改善橋梁工作性能、安全性能及延長橋梁的使用壽命.因此,橋梁管理部門應加強橋梁日常檢查以全面掌握既有混凝土橋梁的健康狀況,對橋梁結構的各種病害進行及時維護以保證橋梁的安全運營.

參 考 文 獻

[1] 袁 勇.混凝土結構早期裂縫控制[M].北京:科學出版社,2004:40-43.

[2] 龍佩恒.預應力混凝土箱梁橋開裂的數值分析方法[D].上海:同濟大學,2005.

[3] 龍佩恒.贛江大橋公路橋病害檢測與安全評估[J].公路交通科技,2005(8):90-94.

[4] 周新剛.混凝土結構的耐久性與損傷防治[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1999:48-51.

[5] 黃軍生.鋼筋混凝土橋梁裂縫成因綜述[J].世界橋梁,2002(1):25-27.