水電站場內(nèi)混凝土橋梁耐久性設(shè)計探討

杜洪亮，吳學(xué)智

(中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610072)

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水電站場內(nèi)混凝土橋梁耐久性設(shè)計探討

杜洪亮，吳學(xué)智

(中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610072)

位于水電站場內(nèi)的橋梁，由于長期遭受深水、凍融、水位頻繁變化及霧化等作用，其耐久性設(shè)計應(yīng)對方案選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計、構(gòu)造措施及施工等方面進(jìn)行的研究。本文對水電站場內(nèi)混凝土橋梁耐久性的設(shè)計經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了歸納總結(jié)。

水電站；橋梁；耐久性；設(shè)計；混凝土結(jié)構(gòu)

0 引 言

人們一直誤以為混凝土是一種耐久性良好的建筑材料，因而忽略了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性問題。直到國內(nèi)外出現(xiàn)大量的因耐久性不足導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞的事故，及巨額的維修或重建耐久性病害橋梁的費(fèi)用支出，土木工程界才高度重視混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性問題。近年來，我國學(xué)者在混凝土耐久性領(lǐng)域的研究成果很多，同時，建筑、水工、公路及鐵路等混凝土設(shè)計規(guī)范中也對混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性做出了相應(yīng)的規(guī)定，但對水電站場內(nèi)橋梁耐久性的討論較少。本文介紹了結(jié)合水電站運(yùn)營調(diào)度及庫區(qū)周邊環(huán)境進(jìn)行庫區(qū)橋梁耐久性設(shè)計的方法。

1 耐久性病害類型

1.1 混凝土碳化

(1)基本原理?；炷撂蓟侵高M(jìn)入到混凝土中的二氧化碳(CO2)或其他酸性氣體與水泥水化過程中的氫氧化鈣(Ca(OH)2)發(fā)生反應(yīng)的現(xiàn)象。混凝土碳化可表示成下列化學(xué)式：

CO2+H2O=H2CO3

Ca(OH)2+H2CO3→CaCO3+2H2O↑

(2)碳化主要影響因素。一般認(rèn)為，在一定范圍內(nèi)二氧化碳(CO2)濃度的平方根與碳化速度成正比；周圍環(huán)境溫度在一定范圍內(nèi)升高，混凝土碳化速度隨之加快；環(huán)境相對濕度在50%左右時，碳化速度最快，相對濕度過大或過小都會抑制碳化的發(fā)展；混凝土的含堿量、孔隙率、孔隙結(jié)構(gòu)以及裂縫情況對碳化發(fā)生發(fā)展影響很大。

(3)碳化結(jié)果?；炷撂蓟傻奶妓徕}(CaCO3)為非溶解性的鹽，比原反應(yīng)物的體積稍大，因此反應(yīng)生成的碳酸鈣填堵了混凝土自身的部分孔隙，使混凝土的密實(shí)度和強(qiáng)度均有提高;另一方面，碳化反應(yīng)導(dǎo)致孔隙水中的氫氧化鈣濃度和pH值降低，當(dāng)pH值低于某個限值時，混凝土內(nèi)鋼筋表面的鈍化膜被逐漸破壞。

1.2 氯離子對混凝土的侵蝕

氯離子透過鋼筋的混凝土保護(hù)層到達(dá)鋼筋表面，吸附于鋼筋的局部鈍化膜外，使該處的pH值迅速降低，從而破壞表面鈍化膜。該處被破壞的鈍化膜與未被破壞的鈍化膜區(qū)形成腐蝕原電池，導(dǎo)致鋼筋表面形成坑蝕：

Fe2++2Cl-+4H2O→feCl2·4H2O

FeCl2·H2O→Fe(OH)2↓+2Cl-+H++2H2O

由上式可知，氯離子在鋼筋腐蝕工程中本身不消耗，而是在原電池反應(yīng)中起著導(dǎo)電和催化的作用，使腐蝕過程得到了很大的提速，因而氯離子的腐蝕一旦發(fā)生，就很難補(bǔ)救。也有學(xué)者通過實(shí)驗(yàn)得出氯離子在混凝土孔隙中有積蓄現(xiàn)象。

1.3 混凝土堿集料反應(yīng)

(1)基本原理。堿集料反應(yīng)是指混凝土空隙中的堿性溶液與混凝土自身的活性礦集料反應(yīng)。人們普遍認(rèn)為堿集料反應(yīng)可分為三種，堿-硅酸反應(yīng)、堿-碳酸鹽反應(yīng)和堿-硅酸鹽反應(yīng)。

水泥中的堿以Na2O和K2O的形式存在，在水泥水化過程中，他們?nèi)芙庥诳紫端校訬a++OH-和K++OH-等離子形式存在；混凝土多數(shù)集料的主要礦物成分是二氧化硅，部分二氧化硅是以活性大的方解石石英形式存在。在高堿環(huán)境下，發(fā)生如下反應(yīng)：

2Na(K)OH+nSiO2→Na(K)2O·nSiO2·H2O

上式反應(yīng)產(chǎn)物為硅酸鹽凝膠，硅酸鹽凝膠具有吸水膨脹特性，當(dāng)受到周圍混凝土約束時可產(chǎn)生4MPa的膨脹力，會導(dǎo)致混凝土開裂破壞。

(2)堿集料反應(yīng)影響因素。由上述的堿集料反應(yīng)原理可知，堿集料反應(yīng)首先應(yīng)具有高堿環(huán)境，其次是活性較強(qiáng)的集料，第三是在有水的環(huán)境下進(jìn)行。因此，影響混凝土堿集料反應(yīng)的主要因素為混凝土本身堿含量的多少、集料本身的反應(yīng)活性及孔隙中的含水量。

堿集料反應(yīng)是混凝土本身不同物質(zhì)間的反應(yīng)，反應(yīng)一旦發(fā)生，就很難找到可靠的補(bǔ)救措施，還會加速其他耐久性破壞過程，所以，業(yè)界將堿集料破壞稱為混凝土結(jié)構(gòu)“癌癥”。

1.4 混凝土的凍融循環(huán)破壞

在凍融循環(huán)作用下，混凝土結(jié)構(gòu)很容易引起開裂和剝落，嚴(yán)重威脅混凝土的耐久性。凍融破壞的主要特征是混凝土由表及里剝落，而且剝落一經(jīng)開始，便迅速發(fā)展。

國內(nèi)外學(xué)者很早就已經(jīng)開始對混凝土凍害機(jī)理進(jìn)行了研究，也提出了多種假說，但由于混凝土凍害的復(fù)雜性，至今業(yè)界尚無公認(rèn)的混凝土凍害機(jī)理假說。一般認(rèn)為，混凝土凍害的影響因素主要有含氣量、飽水度和凍融循環(huán)次數(shù)等。

國內(nèi)外大量工程實(shí)踐與實(shí)驗(yàn)研究資料表明：混凝土拌合物中摻入一定量的引氣劑可以提高混凝土的抗凍性，但施工控制難度較大。

1.5 鋼筋銹蝕

前文已指出，混凝土碳化和氯離子侵入均會引起鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋銹蝕。銹蝕產(chǎn)物體積是相應(yīng)鋼筋的2～6倍，體積膨脹受到周圍混凝土的約束，使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生張拉應(yīng)力。當(dāng)該張拉應(yīng)力超過混凝土允許最大拉應(yīng)力限值時混凝土保護(hù)層便開裂，為水分、氧氣和氯離子進(jìn)入混凝土提供通道，鋼筋銹蝕加速，混凝土耐久性進(jìn)一步遭到破壞。鋼筋銹蝕更直接的后果是鋼筋截面積變小，力學(xué)性能變差和鋼筋混凝土間的粘結(jié)變?nèi)酢Ｌ貏e是預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件,由于預(yù)應(yīng)力鋼絞線正常工作應(yīng)力比普通鋼筋的工作應(yīng)力大,而截面又較小,遭受銹蝕后的影響比普通鋼筋混凝土更加嚴(yán)重。

1.6 混凝土的溶蝕破壞

水泥熟料的水合物具有一定的可溶性，因此混凝土在環(huán)境水的作用下會溶出一部分水合物，混凝土遭到侵蝕而強(qiáng)度降低，甚至破壞。當(dāng)混凝土遇水后，混凝土與周圍環(huán)境水會處于一個較復(fù)雜的短暫的平衡，隨著混凝土中的一些組分被水溶解，平衡遭到破壞，整個系統(tǒng)為尋求新的平衡而發(fā)生相應(yīng)改變。氫氧化鈣是硅酸鹽水泥中最易溶解的組分，其溶解過程為：

由以上兩個方程式可得到：

Ca(OH)2?Ca2++ 2OH-

2 影響混凝土耐久性的因素

由前面的主要病害可知，幾乎所有病害都需要有水作為介質(zhì)，水等外界物質(zhì)進(jìn)入混凝土內(nèi)部是病害發(fā)生的主要原因，而毛細(xì)孔道和裂縫為其提供了主要通道(某些物質(zhì)可以在不透水的混凝土中傳輸)。因此，毛細(xì)孔道的大小和結(jié)構(gòu)及裂縫情況是決定混凝土耐久性的主要因素。而考量物質(zhì)進(jìn)入難易程度的主要指標(biāo)就是混凝土的抗?jié)B性，其與水泥硬化漿體、骨料、兩者截面的密實(shí)性及外侵物質(zhì)的種類有關(guān)。影響抗?jié)B性的因素較多，包括水灰比、骨料、水泥及裂縫等。

2.1 水灰比

理論上，滿足水泥完全水化及濕潤砂石的需水量較少，水灰比僅為0.23，但實(shí)際工程中，使用此水灰比或稍大值，施工操作困難，混凝土的和易性得不到保證，會使混凝土形成蜂窩、麻面甚至空洞等現(xiàn)象，從而影響混凝土的強(qiáng)度和抗?jié)B性；增大水灰比，混凝土可以有較好的和易性，施工中較易振搗密實(shí)，但混凝土硬化時，水泥水化后剩余的水在混凝土中形成水泡或蒸發(fā)，水泡和蒸發(fā)形成的孔道造成混凝土抗?jié)B性降低?？梢?，水灰比對混凝土孔隙率大小和孔隙結(jié)構(gòu)起決定性作用，因此國內(nèi)外多數(shù)混凝土規(guī)范對混凝土的最大水灰比作出了限制。

2.2 骨 料

骨料是影響混凝土抗?jié)B性非常重要的因素。骨料本身的孔隙率、抗?jié)B性、粒徑大小和含泥量的差異都會導(dǎo)致混凝土抗?jié)B性的不同。輕質(zhì)骨料的孔隙率較大，因而輕質(zhì)混凝土的抗?jié)B性較差。根據(jù)混凝土適配經(jīng)驗(yàn)，對于集配良好的碎石骨料，粗骨料最大粒徑越大，所拌制混凝土中形成的孔隙率越小，混凝土的和易性越好，但由于大顆粒骨料其內(nèi)在的薄弱弊病更多且更易引起骨料截面粘結(jié)性降低，因而，一般的骨料的最大粒徑越大，混凝土滲透系數(shù)越高。

2.3 水 泥

水泥品種及性質(zhì)對抗?jié)B性有一定影響。水泥的顆粒大小會影響水泥水化后的毛細(xì)孔直徑，水泥細(xì)度越大，孔隙率越小。水泥用量也是抗?jié)B性不可忽視的影響因素，當(dāng)水泥用量較少時，混凝土拌合物難以保證均勻，和易性較差，混凝土澆筑振搗時容易形成局部缺陷；當(dāng)水泥量較多時，水泥水化所釋放出來的熱量較多，在混凝土內(nèi)部形成溫度差，混凝土中可能產(chǎn)生裂縫。

2.4 裂 縫

裂縫的滲透能力遠(yuǎn)大于混凝土孔隙。避免混凝土裂縫非常困難，因?yàn)閷?dǎo)致混凝土開裂的原因繁多而復(fù)雜，但主要可以歸納為兩類。

第一類為由荷載引起的結(jié)構(gòu)性裂縫，一般是由設(shè)計錯誤或施工方法不當(dāng)造成的。常見的錯誤有結(jié)構(gòu)選擇不合理、計算模型模擬失真、構(gòu)造缺陷、模板剛度小引起的變形以及基礎(chǔ)不均勻沉降等。

第二類為由變形引起的非結(jié)構(gòu)性裂縫，主要由溫度變化和混凝土收縮等影響產(chǎn)生。

2.5 施工質(zhì)量

施工是將工程由圖紙轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)物的過程，施工中的每個細(xì)節(jié)都關(guān)系到建筑物的最終質(zhì)量，施工質(zhì)量最直接影響到混凝土的密實(shí)性及裂縫情況。對于抗?jié)B混凝土的施工要求主要包括嚴(yán)格按照設(shè)計要求施工、嚴(yán)格控制水灰比、防止混凝土產(chǎn)生離析、避免過分振搗或振搗不足?；炷羶?nèi)部相互連通的孔隙和毛細(xì)管通路、振搗不實(shí)的蜂窩、孔洞都會造成滲水。此外，適時充分的養(yǎng)護(hù)也對耐久性起著關(guān)鍵的作用，若養(yǎng)護(hù)不及時，水分蒸發(fā)，形成連通孔及表面形成干縮裂縫。精心施工是提高混凝土抗?jié)B性最經(jīng)濟(jì)、最有效的措施。

3 場內(nèi)橋梁耐久性設(shè)計

3.1 水電站場內(nèi)的環(huán)境及工程建設(shè)特點(diǎn)

水庫水位受電站調(diào)節(jié)影響在一定范圍內(nèi)波動；庫區(qū)內(nèi)水環(huán)境中的二氧化碳含量比天然河道內(nèi)略高；庫區(qū)內(nèi)橋梁大多是臨永結(jié)合的橋梁，既要滿足建設(shè)期的施工要求，又要滿足后期運(yùn)營交通的需要，建設(shè)期使用時交通量繁重、荷載大，橋梁很可能形成過勞損傷；庫區(qū)一般較寬，庫區(qū)內(nèi)橋墩大多屬于淹沒于深水中的高墩，目前計算設(shè)計理論還不成熟；水電站大多位于高海拔、四季分明、溫差大、水量豐富的地區(qū)；水電站多位于山區(qū)，出于建設(shè)成本及工期的考慮，建筑材料多就地取材，控制堿活性等指標(biāo)較難；位于出水口的橋梁，可能遭受“霧化區(qū)”的影響；深山中部分小河流的水文資料相對較少，但工程建設(shè)需求較迫切，所以有時只能根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行推斷河流中水流情況及河道中的沖刷及塊石含量；庫區(qū)橋墩、橋臺的地基及邊坡在大壩蓄水后浸泡在水下，還會遭遇水位在一定范圍內(nèi)周期性變化，設(shè)計時應(yīng)考慮橋位處地質(zhì)指標(biāo)在蓄水后的改變，避免出現(xiàn)地基下沉、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害。

3.2 耐久性設(shè)計的一般原則

橋梁應(yīng)根據(jù)其所處環(huán)境條件進(jìn)行耐久性設(shè)計，耐久性設(shè)計貫穿于橋梁的全壽命周期，從方案布置到結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工再到運(yùn)營使用都要有耐久性的意識。

良好的方案設(shè)計是保證耐久性的關(guān)鍵。水電業(yè)內(nèi)在長期的設(shè)計實(shí)踐中積累了很多方案設(shè)計的原則：選擇合理的結(jié)構(gòu)形式，無論多么精妙的結(jié)構(gòu)計算都不能完全彌補(bǔ)結(jié)構(gòu)方案中的不足；留有非永久性構(gòu)件的更換空間；橋位處地理位置一般較偏遠(yuǎn)，橋梁易少使用非永久性構(gòu)件來減少后期維護(hù)難度及費(fèi)用；在跨越深水或水流湍急的水域時，宜采用較大的跨度，橋梁跨徑布置時，盡量避免將橋墩布置在溝中心，以減少水流和泥石流對橋墩的沖擊及磨損；盡量采用連續(xù)的上部結(jié)構(gòu)，減少伸縮縫的用量；橋梁所用建筑材料均滿足現(xiàn)行相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范和規(guī)程的要求，同時根據(jù)具體情況，適當(dāng)提高建筑材料的標(biāo)準(zhǔn)和等級；上部結(jié)構(gòu)盡量采用按A類以上預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件設(shè)計；凍融破壞最嚴(yán)重的是水位變動區(qū)，其次是浪濺區(qū)，設(shè)計時應(yīng)采取防護(hù)措施；做好橋面防排水措施，伸縮縫設(shè)置合理；橋梁使用期間，建議業(yè)主在降雪后不使用含有氯鹽的除雪措施；設(shè)置特大橋橋梁健康檢測系統(tǒng)，以及臨時性構(gòu)件的檢修通道。

此外，還要根據(jù)實(shí)際情況選擇一些構(gòu)造上的防護(hù)措施：特別注意混凝土的配合比設(shè)計及施工質(zhì)量；在水位頻繁變化處，使用防水涂料、或在混凝土中摻入防腐材料等措施，提高混凝土的滲透性或阻隔水侵入，從而降低碳化、水溶性侵蝕及避免凍融影響；在位于水流湍急而可能攜帶石塊的河道邊上的橋墩采取橋墩外包裹鋼護(hù)筒措施進(jìn)行防護(hù)；預(yù)應(yīng)力波紋管采用耐腐蝕、密封性能好的塑料波紋管，并采用真空壓漿工藝，提高預(yù)應(yīng)力鋼筋的耐久性；對于結(jié)構(gòu)上的預(yù)埋鋼筋及濕接縫處的外伸鋼筋，可能暴露在大氣中一段時間時應(yīng)采取措施遮擋防護(hù)；大體積混凝土施工時注意控溫防裂，加強(qiáng)施工，并處理好施工縫；可以根據(jù)耐久性需要，對主要受拉鋼筋采用環(huán)氧樹脂涂層進(jìn)行防護(hù)；有抗凍要求的結(jié)構(gòu)混凝土必須摻入適量的引氣劑；施工縫的位置應(yīng)避開不利的環(huán)境作用(設(shè)計蓄水位、枯水位)；必要時混凝土中加入纖維；適當(dāng)摻加外加劑以減少單位用水量、降低水灰比來提高混凝土力學(xué)性能，減少水泥用量；適當(dāng)摻入摻和料以減少水泥用量，降低水化熱，防止或減少裂縫產(chǎn)生，還可以降低水灰比，從而提高密實(shí)度。

3.3 場內(nèi)不同類型橋梁的設(shè)計方法

臨時橋梁：水電站場內(nèi)橋梁很多為臨時性橋梁，使用年限為1～6年，該類橋梁的耐久性設(shè)計可以弱化，主要以滿足正常使用性為主。

場內(nèi)永久性橋梁：設(shè)計使用年限一般按30～100年考慮，該類橋梁必須進(jìn)行耐久性設(shè)計。且應(yīng)根據(jù)具體的設(shè)計使用年限需求，進(jìn)行合理的耐久性設(shè)計。

庫區(qū)橋梁：橋墩長期浸泡在水中，若位于寒冷地區(qū)，則在水位變化區(qū)段很容易遭受凍融病害，耐久性設(shè)計一般以凍融病害控制。

大壩下游附近橋梁：橋梁遭受泄流沖擊及霧化影響。耐久性設(shè)計時，可在耐久性計算的基礎(chǔ)上，采用適當(dāng)增加混凝土保護(hù)層厚度和提高混凝土標(biāo)號等措施增強(qiáng)耐久性。

[1] 張樹仁,王宗林.橋梁病害診斷與改造加固設(shè)計[M]. 北京：人民交通出版社，2006.

[2] 金偉良,趙羽習(xí).混凝土結(jié)構(gòu)耐久性[M]. 北京：科學(xué)出版社，2002.

[3] 范立礎(chǔ).橋梁工程[M]. 北京：人民交通出版社，2001.

[4] 中交第一公路工程局有限公司.JTG/T F50-2011.公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2011.

2016-01-14

杜洪亮(1986-)，男，吉林松原人，工程師，從事水電站工程設(shè)計工作。

U448.33

B

1003-9805(2016)04-0032-04