寒冷海洋環(huán)境混凝土橋梁耐久性提升方法研究

劉 青

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川 成都 610031)

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寒冷海洋環(huán)境混凝土橋梁耐久性提升方法研究

劉 青

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川 成都 610031)

分析了影響寒冷海洋環(huán)境混凝土橋梁耐久性的因素，從設(shè)計階段和運營階段，論述了提升混凝土橋梁耐久性的方法，并總結(jié)了現(xiàn)有耐久性提升方法的修復(fù)機理和注意事項，從而延長寒冷海洋環(huán)境混凝土橋梁的使用壽命。

寒冷海洋環(huán)境，橋梁，混凝土，耐久性

0 引言

近年來，隨著社會經(jīng)濟水平的大幅提高，我國公路交通事業(yè)進入了快速發(fā)展時期，大型的跨?？绾訕蛄汗こ桃膊粩嘤楷F(xiàn)。橋梁作為道路交通的重要組成部分，其服役性能非常關(guān)鍵，特別是在寒冷海洋環(huán)境下，混凝土橋梁的耐久性研究更為復(fù)雜，要同時考慮鋼筋銹蝕和海水氯鹽侵蝕等多種作用對其的影響。混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性是其抵抗大氣影響、化學(xué)侵蝕和其他劣化過程從而長期維持其性能的能力[1]。在寒冷海洋環(huán)境下各種復(fù)雜環(huán)境介質(zhì)影響下，使混凝土材料的內(nèi)部發(fā)生損傷從而帶來混凝土結(jié)構(gòu)耐久性失效。

本文以曹妃甸工業(yè)區(qū)跨納潮河2號大橋工程項目為依托，展開寒冷海洋環(huán)境混凝土橋梁耐久性提升方法研究。納潮河2號大橋位于渤海灣寒冷海洋環(huán)境中，是曹妃甸工業(yè)區(qū)的重點市政工程，全長2 380 m，橋梁全長1 015.3 m，主橋為7跨連續(xù)梁總長525 m，設(shè)計使用年限為100年。

1 橋梁結(jié)構(gòu)混凝土耐久性的影響因素

耐久性極大程度地影響著混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的服役壽命，由于結(jié)構(gòu)耐久性缺陷而導(dǎo)致的后果也是相當嚴重。近年來，由于混凝土結(jié)構(gòu)耐久性問題，造成建筑物功能喪失，需要停用、修繕、廢棄、拆除和重建的事件多有發(fā)生，甚至發(fā)生嚴重事故，造成十分巨大的經(jīng)濟、社會損失，威脅公共安全[2]。而對于寒冷海洋環(huán)境混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性問題更是嚴峻，需要引起我們的高度重視，采取適當措施進行應(yīng)對。

影響混凝土橋梁耐久性的因素是非常多的，各種影響因素之間也是相互關(guān)聯(lián)的。針對本文研究的寒冷海洋環(huán)境，影響混凝土橋梁耐久性的主要因素包括鋼筋銹蝕、氯鹽侵蝕、凍融破壞和施工質(zhì)量等。

1)鋼筋銹蝕?；炷翗蛄褐械匿摻畋砻嬗幸粚臃浅Ｖ旅艿拟g化膜，在一般情況下可以防止鋼筋發(fā)生銹蝕，但是如果鈍化膜遭到破壞，鋼筋在外界惡劣環(huán)境下就會發(fā)生銹蝕。鋼筋銹蝕會導(dǎo)致鋼筋有效截面面積減少，同時鋼筋銹蝕產(chǎn)物也會造成體積膨脹，對混凝土壓力增大從而破壞混凝土的保護層。

2)氯鹽侵蝕。海洋環(huán)境中，混凝土橋梁中鋼筋會受到氯離子的嚴重侵蝕，所以鋼筋表面氯離子含量的多少是可以用來衡量混凝土在海洋環(huán)境中耐久性非常重要的指標。氯離子的來源除了外界的海水環(huán)境，還有很大一部分來自混凝土的組成原材料中。氯離子進入混凝土內(nèi)部的方式很多，主要包括擴散、滲透和毛細吸附。

3)凍融破壞。北方的嚴寒，混凝土毛細孔中的水在正負溫度反復(fù)交替作用下會發(fā)生凍融循環(huán)過程?；炷猎谡麄€凍融循環(huán)過程中會受到水滲透和凍脹壓力的共同作用，持續(xù)發(fā)生疲勞損傷，結(jié)果導(dǎo)致混凝土從內(nèi)到外逐漸發(fā)生剝蝕破壞。

4)施工質(zhì)量。寒冷海洋環(huán)境的混凝土橋梁的整體耐久性和其在施工過程中的質(zhì)量控制緊密相關(guān)，組成混凝土原材料的質(zhì)量不過關(guān)以及配合比設(shè)計不合理都會使混凝土整體性能較差，加上在施工過程中操作不細致，這些因素都會加速混凝土的破壞，因此優(yōu)良的施工組織管理工作對施工環(huán)節(jié)的質(zhì)量保證意義重大。

2 橋梁結(jié)構(gòu)混凝土耐久性提升方法

現(xiàn)階段我國橋梁建設(shè)高速發(fā)展，如果能有效提升橋梁結(jié)構(gòu)混凝土的耐久性，將會給基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)帶來非?？捎^的經(jīng)濟和社會效益。提升橋梁結(jié)構(gòu)混凝土的耐久性也是符合我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的舉措，因為耐久性的提高可以大幅降低相關(guān)的維修費用，減少結(jié)構(gòu)過早破壞的重建從而避免浪費資源。

2.1 混凝土橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計耐久性提升方法

JGJ/T 259—2012混凝土結(jié)構(gòu)耐久性修復(fù)與防護技術(shù)規(guī)程[3]對混凝土耐久性提升是從“預(yù)防”和“治理”兩個方面進行說明的。“預(yù)防”是指根據(jù)相應(yīng)的環(huán)境條件，在混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計階段從結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料選用以及構(gòu)造措施幾個方面提前預(yù)防混凝土的耐久性下降。

2.1.1 混凝土的結(jié)構(gòu)設(shè)計

對于混凝土的結(jié)構(gòu)設(shè)計，應(yīng)盡量避免混凝土的截面幾何形狀突變，規(guī)整平滑的截面形狀才能保證構(gòu)件的傳力路徑簡潔合理，應(yīng)力分布均勻和緩。結(jié)構(gòu)構(gòu)件除了要滿足承載力足夠的條件，還必須具有相應(yīng)的整體穩(wěn)定性，整體性良好的結(jié)構(gòu)不但形態(tài)美觀，同時也是力流平滑的保證。由于混凝土橋梁防排水系統(tǒng)的壽命與橋梁的整體使用壽命相比偏短，所以混凝土表面形狀還應(yīng)該便于防水排水。此外在進行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)盡量使結(jié)構(gòu)便于進行后期的檢修工作以降低檢修費用。

2.1.2 混凝土原材料選用質(zhì)量控制

需要從鋼筋選用、水泥品種、集料級配、摻合料和外加劑等方面進行原材料的選用和控制。對于寒冷海洋環(huán)境的混凝土橋梁結(jié)構(gòu)，應(yīng)采用符合現(xiàn)行國家規(guī)范標準質(zhì)量規(guī)定的熱處理鋼筋、鋼絲和鋼絞線。水泥宜選用質(zhì)量合格的硅酸鹽水泥，需保證配制的混凝土強度達標、和易性良好和收縮小。還需注意選用堅固耐久、有害物含量小的集料，并保證其級配連續(xù)良好?；炷翐胶狭虾屯饧觿┑倪x用首先要滿足對混凝土的質(zhì)量無影響，品種和用量要根據(jù)具體的環(huán)境條件選用，符合相應(yīng)規(guī)范的要求。

2.1.3 混凝土構(gòu)造設(shè)計

對于混凝土的構(gòu)造設(shè)計要求，主梁截面尺寸的擬定非常關(guān)鍵，除了要滿足受力需要，還應(yīng)該便于施工，同時考慮耐久性的需要，各關(guān)鍵尺寸要保證混凝土能良好灌注和振搗。鋼筋的布置對結(jié)構(gòu)耐久性也是影響較大，除了保證鋼筋就位方便，還應(yīng)能使周圍混凝土振搗充分，受力鋼筋和構(gòu)造鋼筋要封閉連接，提高結(jié)構(gòu)的整體受力性能。相關(guān)試驗研究表明混凝土保護層厚度的增加會使鋼筋銹蝕開始時間發(fā)生平方關(guān)系的增加，由此混凝土保護層厚度對于其耐久性的重要性可見一斑，特別是對于寒冷海洋環(huán)境的混凝土橋梁耐久性的需要，在滿足極限承載能力要求情況下，通過合理措施，混凝土保護層厚度相應(yīng)增大一些是很有必要的。

2.2 既有混凝土橋梁結(jié)構(gòu)耐久性提升方法

既有混凝土結(jié)構(gòu)耐久性提升就是從“治理”的角度出發(fā)，對混凝土結(jié)構(gòu)進行修復(fù)，提升混凝土耐久性從而延長使用壽命。氯離子侵蝕會破壞鋼筋表面的鈍化膜從而加速鋼筋銹蝕，根據(jù)鋼筋銹蝕機理可以將既有混凝土結(jié)構(gòu)耐久性提升方法分為物理隔斷型、陰極保護型、鋼筋保護膜型以及除氯并恢復(fù)鈍化膜型4種主要形式。

2.2.1 物理隔斷型

物理隔斷型修補法是通過隔斷氯離子、氧氣和水等進入混凝土內(nèi)部的通道來提升其耐久性，物理隔斷型修補法包括表面處理法和填充法等。1)表面處理法。對結(jié)構(gòu)整體強度影響不大的混凝土構(gòu)件表面裂縫，一般可以采用表面處理法，此方法通常是使用滲透性防水劑和彈性覆膜防水材料等來恢復(fù)結(jié)構(gòu)耐久性。2)填充法適用于裂縫寬度已發(fā)展較大的混凝土結(jié)構(gòu)，其原理就是把環(huán)氧樹脂等填充料填充到混凝土裂縫孔隙內(nèi)部，以此來恢復(fù)混凝土構(gòu)件耐久性和整體性。物理隔斷型修補法通過適宜的修復(fù)材料修復(fù)混凝土裂縫，從而減少有害物質(zhì)侵入混凝土內(nèi)部來提升其耐久性。該方法原理簡單，施工便利，關(guān)鍵是選擇的修補材料要確保能有效隔斷有害侵入物質(zhì)。

2.2.2 陰級保護型

陰極保護型修補方法的原理是防止在鋼筋表面形成電化學(xué)腐蝕電池從而提升結(jié)構(gòu)耐久性，主要有犧牲陽極法和外加電流輔助陽極法。犧牲陽極法是在鋼筋上連接一塊更為活躍的金屬，使該金屬代替鋼筋成為新的陽極，這樣鋼筋就成為了被保護的陰極。外加電流輔助陽極法就是將直流電的負極直接連接鋼筋，正極連接難溶性的陽極，以此來保護鋼筋不被腐蝕。陰極保護型修補可以有效保護鋼筋，但是它也存在主要的缺點就是在建設(shè)過程中需要對混凝土結(jié)構(gòu)提前設(shè)置保護系統(tǒng)，同時需要有人專門護理，因此成本較高。

2.2.3 鋼筋保護膜型

鋼筋保護膜型修補法是在被氯離子破壞了鈍化膜的鋼筋上重新生成新的保護膜，使鋼筋和有害物質(zhì)隔離，具有代表性的方法是遷移性阻銹劑和電遷移性阻銹劑。遷移性阻銹劑(MCI)是以胺、醇胺及其鹽或酯為主的混合型溶液，將其涂抹在混凝土表面，阻銹劑就會以水為介質(zhì)進入混凝土內(nèi)部。當阻銹劑到達鋼筋表面時會形成穩(wěn)定的保護膜，使鋼筋與氯離子等有害物質(zhì)隔離從而阻止鋼筋進一步銹蝕。由于遷移性阻銹劑到達鋼筋表面速度較慢并且對于較厚混凝土阻銹效果欠佳，為了改善這些問題，通過增加電場作用的電遷移性阻銹劑逐漸發(fā)展起來，在原來遷移性阻銹劑的基礎(chǔ)上阻銹效果顯著提升[4]。此方法要重點考慮使用的阻銹劑是否影響環(huán)境，還有阻銹劑自身的穩(wěn)定性及作用效率。

2.2.4 除氯并恢復(fù)鈍化膜型

除氯并恢復(fù)鈍化膜型修補法是一種新型的綜合性方法，它提高混凝土耐久性的工作原理就是轉(zhuǎn)移混凝土內(nèi)部的氯離子并且將已經(jīng)破壞的鋼筋鈍化膜進行恢復(fù)，其中具有代表性的方法有電化學(xué)脫鹽法和雙向電滲法。電化學(xué)脫鹽法將外部電極作為陽極，鋼筋作為陰極，兩者之間通直流電后鋼筋周圍水得電子生成的OH-會和Cl-一起向混凝土表面的陽極移動，最終的效果就是降低混凝土內(nèi)部氯離子濃度的同時使混凝土表面pH得以恢復(fù)[5]。文獻[6]提出了雙向電滲法，這是在電化學(xué)脫鹽法的基礎(chǔ)上在外部電解液中加入陽離子阻銹劑，從而降低混凝土內(nèi)部氯離子濃度的同時也使鋼筋表面加上一層阻銹劑，阻止鋼筋銹蝕。綜合來看，除氯并恢復(fù)鈍化膜型修復(fù)法能比較徹底地移除混凝土中的氯離子并恢復(fù)其堿性環(huán)境，但是也存在如設(shè)備復(fù)雜、施工難度大和費用較高等問題。

3 結(jié)語

寒冷海洋環(huán)境混凝土橋梁的耐久性是其設(shè)計、施工和使用過程中需要重點關(guān)注的問題，耐久性不足給橋梁帶來安全隱患問題的同時，也大幅增加了后期維修費用投入，可見進行橋梁耐久性提升方法研究的意義重大。從控制鋼筋銹蝕機理的角度出發(fā)，將耐久性提升方法總體分成四類，實際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)具體情況，選用適宜的方法。做到“防”“治”結(jié)合，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，運營過程中定期檢測并及時修復(fù)損傷，做到有效提升寒冷海洋環(huán)境混凝土橋梁耐久性以延長其使用壽命。

[1] 陳肇元.混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計方法[J].建筑技術(shù)，2003，34(5)：328-333.

[2] 吉 林，繆昌文，孫 偉.結(jié)構(gòu)混凝土耐久性及其提升技術(shù)[M].北京：人民交通出版社，2011.

[3] JGJ/T 259—2012，混凝土結(jié)構(gòu)耐久性修復(fù)與防護技術(shù)規(guī)程[S].

[4] 唐軍務(wù)，李森林，蔡偉成,等.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)電滲阻銹技術(shù)研究[J].海洋工程，2008，26(3)：83-88.

[5] 徐建芝，丁 鑄，邢 峰.鋼筋混凝土電化學(xué)脫鹽修復(fù)技術(shù)研究現(xiàn)狀[J].混凝土，2008(9)：22-24.

[6] 金偉良，吳航通，許 晨，等.鋼筋混凝土耐久性提升技術(shù)研究進展[J].水利水電科技進展，2015，35(5)：68-76.

Research on durability improvement method of concrete bridge in cold marine environment

Liu Qing

(CivilEngineeringSchool,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,China)

This paper analyzed the durability influence factors of concrete bridge in cold marine environment, from the design stage and operation stage, discussed the methods to improve the concrete bridge durability, and summarized the repair mechanism and precautions of existing durability enhancing methods, so as to prolong the service life of concrete bridge in cold marine environment.

cold marine environment, bridge, concrete, durability

1009-6825(2017)10-0173-02

2017-01-24

劉 青(1992- )，男，在讀碩士

U445.73

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