鋼筋混凝土橋梁的耐久性

易 垚

（重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院 重慶 400074）

鋼筋混凝土橋梁的耐久性

易 垚

（重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院 重慶 400074）

耐久性是鋼筋混凝土橋梁結(jié)構(gòu)可靠性的一個重要組成部分。耐久性不足造成鋼筋銹蝕膨脹、混凝土保護層剝落以及結(jié)構(gòu)構(gòu)件損壞。本文介紹了鋼筋混凝土橋梁耐久性的規(guī)定，分析了影響鋼筋混凝土橋梁耐久性的各種因素，并突出了改善鋼筋混凝土橋梁的耐久性的對策和措施。

鋼筋混凝土橋梁；耐久性；銹蝕；碳化；混凝土保護層

1 前言

經(jīng)過兩個多世紀(jì)的發(fā)展，橋梁總數(shù)量已變得異常龐大。隨著橋梁年齡的逐年增加，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)越來越多地發(fā)生表面裂縫、鋼筋銹蝕膨脹、混凝土保護層剝落等一系列病害。據(jù)美國的相關(guān)調(diào)查與分析表明：美國 5萬座公路橋梁中，20萬座已有損壞，平均每年有150～200座橋梁部分或完全倒塌，壽命不足20年，修復(fù)這些橋梁需900億美元。其中除了荷載增加、受地震或船舶撞擊作用外 ，最主要的原因就是混凝土橋梁的耐久性不足。造成這一現(xiàn)象的原因是人們對混凝土性能劣化的認識水平不足，過分的強調(diào)減少工程造價而忽略了橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性。

2 耐久性的概念及控制混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的措施

2.1 耐久性的概念

鋼筋混凝土橋梁的耐久性是指在正常維護條件下，在預(yù)計使用期內(nèi)，以及指定的工作環(huán)境中保證結(jié)構(gòu)滿足既定的功能要求。然而暴露在野外環(huán)境的橋梁，受到各種水侵腐蝕、凍融破壞、正常和非正常荷載的作用，加之設(shè)計、施工的不當(dāng)，其生存時間很難同我們想象的設(shè)計壽命掛鉤，其實際耐久實際遠遠小于理論耐久性。

2.2 結(jié)構(gòu)構(gòu)造的規(guī)定

（1）保護層厚度的規(guī)定。保護層厚度的增加，可以使氯離子侵蝕和混凝土碳化至鋼筋表面的時間增加，對鋼筋混凝土橋梁的耐久性是有利的。

（2）裂縫寬度的限制。研究表明，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的相同條件下構(gòu)件的3倍，箍筋銹蝕的速度可達主筋的5倍。

（3）橋面排水系統(tǒng)的設(shè)置。橋面排水系統(tǒng)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。

3 影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的因素

隨著橋梁工程界對耐久性問題的不斷深入研究，其影響因素大致有如下幾種。

3.1 鋼筋的銹蝕

混凝土中的高堿性溶液可以使鋼筋表面形成一層惰性的水化氧化鐵薄膜，該惰性薄膜可以阻止鋼筋的銹蝕，通常鋼筋表面氧化鐵薄膜的破壞主要有兩個原因：一是因混凝土碳化，使鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)保護層的pH值降低，進而破壞氧化鐵薄膜；二是氯離子與氧離子的作用而破壞氧化鐵薄膜。氧化鐵薄膜破壞后，鐵原子與水和氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成鐵銹，造成鋼筋的銹蝕。

3.1.1 混凝土的碳化

混凝土是以水泥砂漿為基體，以骨料為加勁材料的復(fù)合材料。骨料與水泥砂漿間有微孔隙、微裂紋，因而混凝土材料具有一定的滲透性空氣中的二氧化碳擴散到混凝土中與水作用生成碳酸，碳酸與水泥水化過程中產(chǎn)生的氫氧化鈣、硅酸二鈣硅酸三鈣反應(yīng)生成碳酸鈣，在自由水的作用下碳酸鈣沉淀在混凝土內(nèi)部的孔穴中。

3.1.2 氯化物侵蝕

混凝土本身含有氯離子或氯離子通過擴散作用和毛細作用進入混凝土內(nèi)，對鋼筋的銹蝕影響極大。氯離子半徑小，穿透能力強，很容易吸附在鋼筋陽極區(qū)的鈍化膜上，取代鈍化膜上的氧離子，使氫氧化鐵變?yōu)闊o保護作用的氯化鐵，氯化鐵的溶解度比氫氧化鐵大得多，由于氯離子到達和鋼筋表面的不均勻性，特別是氯離子作用在鋼筋局部區(qū)域時，則局部區(qū)域為陽極區(qū)，形成腐蝕。

3.2 混凝土的劣化

3.2.1 混凝土的凍融破壞

混凝土是多孔隙的復(fù)合材料，外部的水分可以通過毛細作用進入這些孔隙。當(dāng)溫度降至冰點以下時，孔隙中的水凍結(jié)膨脹，其體積大約可增加9%，只有當(dāng)至少有91.7%的孔隙充滿水時，水里結(jié)冰才產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)九孔隙體積膨脹，孔壁受壓變形，冰融化后，就可能使孔壁產(chǎn)生拉應(yīng)力，反復(fù)凍融，當(dāng)作用于孔壁的拉應(yīng)力大于混凝土的極限抗拉強度時，即可以產(chǎn)生微裂縫，持續(xù)凍融的結(jié)果使混凝土開裂，甚至崩裂。

3.2.2 堿集料反應(yīng)

堿集料反應(yīng)是指混凝土中的氫氧根離子與集料中的活性二氧化硅之間的反應(yīng)，混凝土中的堿離子主要是由水泥引入的，當(dāng)集料中含有二氧化硅時，在有水的條件下，堿離子與二氧化硅反應(yīng)生成一種含堿金屬的硅凝膠，其形成和成長常常造成混凝土內(nèi)部的膨脹，產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力，使混凝土內(nèi)部形成微裂縫，甚至造成混凝土的嚴重開裂。

3.2.3 混凝土碳化及保護層厚度

混凝土的碳化是由CO2與混凝土中Ca(OH)2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致混凝土堿性下降。當(dāng)混凝土碳化穿透保護層到達鋼筋表面時，鋼筋周圍堿性降低，鈍化膜失去原有的穩(wěn)定性，在水分和氧氣的作用下鋼筋就會銹蝕。混凝土保護層厚度的增大，可以延續(xù)碳化的進程，特別是處于最外層構(gòu)造鋼筋的混凝土保護層厚度是至關(guān)重要的，因為碳化到達最外層鋼筋位置，就會很快引起這些鋼筋的銹蝕，隨后混凝土保護層剝落，鋼筋裸露。

3.3 混凝土表面裂縫

由于溫度變化，混凝土干縮、徐變、太陽輻射、疲勞荷載的作用以及凍融和干濕循環(huán)作用，橋梁結(jié)構(gòu)裂縫的存在是必然的。表面裂縫會促使各種離子和氣體滲透到鋼筋表面。在裂縫處，這些有害物質(zhì)會使鋼筋鈍化膜較早破壞，鋼筋產(chǎn)生銹蝕。合理控制裂縫寬度、數(shù)量以及裂縫開展速度，會改善結(jié)構(gòu)的耐久性。

4 改善鋼筋混凝土橋梁耐久性的方法

鋼筋混凝土橋梁除按規(guī)范要求控制其耐久性外，尚可采用以下方法進一步提高其耐久性。

4.1 采用高性能混凝土

高性能混凝土是從強度到耐久性都優(yōu)于一般的混凝土。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和采用高強度的骨料，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，從而提高了混凝土的耐久性。

4.4 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和混凝土碳化深入混凝土內(nèi)部。

4.5 鋼筋阻銹劑

鋼筋阻銹劑是外加劑的一個品種，少量摻入混凝土中能起到阻止或減緩鋼筋銹蝕的作用。

4.6 結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計

設(shè)計合適的結(jié)構(gòu)尺寸，是提高實際構(gòu)件混凝土質(zhì)量的保證，若截面過小，配筋過密時，易造成混凝土澆注困難，骨料分布不均勻，從而造成混凝土的密實性下降，不利于結(jié)構(gòu)的耐久性。

4.7 維修養(yǎng)護

及時到位的維修養(yǎng)護是混凝土橋梁耐久性的重要保證，由于人們對混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的認識是逐步深入的，已建成的橋梁在耐久性方面存在一些問題，更要對其采取必要的措施來延長其使用壽命。

5 結(jié)語

混凝土橋梁耐久性問題是橋梁建設(shè)中的一個重要問題。鑒于人們對混凝土橋梁損壞的各種物理化學(xué)作用的認識還不十分清楚，有必要宣傳和提高工程技術(shù)人員的認識，使大家對混凝土橋梁的破壞過程有一個基本的了解。要開展耐久性問題的研究，重視收集基礎(chǔ)性資料，逐步建立混凝土橋梁野外數(shù)據(jù)資料庫。在維修和加固舊橋時，要結(jié)合具體工程項目和經(jīng)濟條件，做好野外檢查，尤其要充分利用替換下來的構(gòu)件進行取樣和試驗分析，檢查鋼筋的腐蝕程度和力學(xué)性能等。要跟蹤國內(nèi)外橋梁結(jié)構(gòu)材料、設(shè)計與施工等方面的新進展，利用所收集的資料并運用一些專業(yè)新知識、新技術(shù)解決好耐久性問題。尤其是在作出維修決策時，正確的評估診斷、整治病害和及時的維修養(yǎng)護則能延長既有鋼筋混凝土橋梁的使用壽命。

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1007-6344（2016）08-0026-01

易 垚（1988-），男，河南信陽人，碩士研究生在讀。