橋梁混凝土結(jié)構(gòu)耐久性分析及管理措施

劉 磊

(重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院 重慶 400074)

橋梁混凝土結(jié)構(gòu)耐久性分析及管理措施

劉 磊

(重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院 重慶 400074)

伴隨著改革開放的腳步，我國(guó)基礎(chǔ)建設(shè)事業(yè)在近30年間有著井噴式的迅猛發(fā)展。但隨之暴露的便是日益浮現(xiàn)的建筑質(zhì)量問題，特別是橋梁的使用壽命尤為突出，要想實(shí)現(xiàn)百年優(yōu)質(zhì)工程，就必須提高混凝土就夠的耐久性。而管理這些問題的措施可從材料選取、配合比設(shè)計(jì)、施工控制、養(yǎng)護(hù)管理這幾個(gè)方面入手。

橋梁;混凝土結(jié)構(gòu);耐久性;管理措施

一、引言

伴隨著我國(guó)基礎(chǔ)建設(shè)行業(yè)的迅猛發(fā)展，高性能混凝土在我國(guó)的公路和鐵路橋梁，超高層建筑及機(jī)場(chǎng)中均獲得了大力的推廣和應(yīng)用。但是作為一種建筑材料．其本身還是存在著一定的缺陷，如對(duì)使用環(huán)境、材料選取、配合比設(shè)計(jì)、施工控制、養(yǎng)護(hù)管理等要求相對(duì)更為嚴(yán)格。所以抓住內(nèi)因和外因?qū)炷两Y(jié)構(gòu)對(duì)其耐久性的影響就是提出管理措施的關(guān)鍵途徑。

二、混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的原理

鋼筋及預(yù)應(yīng)力筋在混凝土的高堿度環(huán)境中，外表生成的一層致密的鈍化膜，它是一層不滲透的牢靠的粘附于鋼筋或預(yù)應(yīng)力筋表面上的氧化膜，由于這個(gè)鈍化膜的存在，使得鋼筋表面不會(huì)暴露出活性狀態(tài)的鐵，從而使鋼筋免遭腐蝕。大氣中的二氧化碳和混凝土中的堿性物質(zhì)在氣相、液相和固相這三相環(huán)境中，擴(kuò)散到混凝土內(nèi)部的毛細(xì)孔里，與水泥水化產(chǎn)生的氫氧化鈣等相互作用，形成碳酸鈣，使混凝土的堿性逐步下降。拌合用水中攜帶的氯鹽及環(huán)境中的氯離子和環(huán)境中的硫酸根離子亦可在混凝土結(jié)構(gòu)的空隙中形成大量酸性物質(zhì)，使得混凝土的堿性進(jìn)一步降低。

而存在微裂隙或滲透性比較大的混凝土中常會(huì)因縫隙中鹽的不停的持續(xù)增大的結(jié)晶應(yīng)力或鹽離子繼續(xù)與混凝土發(fā)生化學(xué)反應(yīng)和酸性環(huán)境對(duì)鋼筋的不斷銹蝕而出現(xiàn)膨脹和開裂。開裂加劇了酸雨或海水的侵入，并進(jìn)一步連通了外界與內(nèi)部混凝土及鋼筋間有害化學(xué)反應(yīng)的通道，最后導(dǎo)致水泥水化產(chǎn)物的分解和溶出、鋼筋嚴(yán)重的銹蝕剝離，造成了混凝土孔隙率的增大。掉入這樣一個(gè)惡性循環(huán)，最終引起混凝土強(qiáng)度與剛度的損失。

三、影響混凝土耐久性原因

1.內(nèi)因

(1)混凝土澆筑工藝：隨著混凝土泵送施工的大量推廣，就要求混凝土必須是素性、流動(dòng)性混凝土，這就使混凝土砂率和單方水消費(fèi)量增加，這導(dǎo)致了混凝土的配合比不合理，其結(jié)果是混凝土的耐久性降低，裂紋擴(kuò)展。

(2)材料的質(zhì)量下降：為了減少骨料質(zhì)量降低對(duì)混凝土強(qiáng)度和和易性的負(fù)面影響，就要增加水泥得用量，也會(huì)引起混凝土裂縫的增加。

(3)保護(hù)層厚度不足：因?yàn)楸Ｗo(hù)層厚度不足，碳化侵入到鋼筋的時(shí)間就減短了，混凝土中氯離子及硫酸根離子增長(zhǎng)和由外部侵入的氯離子及硫酸根離子增長(zhǎng)，內(nèi)部鋼筋銹蝕從而體積急劇膨脹所引起的開裂現(xiàn)象也越來(lái)越嚴(yán)重。

2.外因

(1)物理化學(xué)反應(yīng)：環(huán)境原因引發(fā)的混凝土結(jié)構(gòu)的損傷或破壞主要有混凝土的碳化、氯離子與硫酸根離子的侵蝕、堿與骨料反應(yīng)、凍融循環(huán)破壞和鋼筋銹蝕?；炷恋牟牧蠘?gòu)成直接影響它的耐久性，而混凝土結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境和保護(hù)手段則是影響其耐久性的外因。

(2)養(yǎng)護(hù)條件：在混凝土硬化12小時(shí)后,都必須進(jìn)行澆水養(yǎng)護(hù)，以防止水化熱導(dǎo)致的混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)外溫差急劇擴(kuò)大。從混凝土內(nèi)部的微裂隙到可見的裂縫對(duì)安全使用期是不利的，特別是面對(duì)腐蝕、反復(fù)荷載、動(dòng)力作用等嚴(yán)苛的條件下，裂縫的開展常是混凝土耐久性下降的主要原因。

(3)荷載影響：橋梁混凝土結(jié)構(gòu)大多是長(zhǎng)時(shí)間承受彎荷載，這將引起微裂縫的形成與擴(kuò)張，為外部侵蝕介質(zhì)提供方便，加快氯離子和硫酸根離子的滲透和對(duì)鋼筋的銹蝕，致使結(jié)構(gòu)提早失效。彎、拉荷載會(huì)增加高性能混凝土中氯離子和硫酸根離子的擴(kuò)散速度，應(yīng)力水平越高混凝土中氯離子和硫酸根離子擴(kuò)散越快。

四、管理措施

1.原材料的選擇

(1)水泥：對(duì)一般要求的高性能混凝土結(jié)構(gòu)，主要選擇硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥；對(duì)高性能混凝土結(jié)構(gòu)要求具有耐硫酸鹽侵蝕要求，則可選用中(高)抗硫酸鹽硅酸鹽水泥。

(2)摻和料：膠凝材料是左右高性能混凝土耐久性的重要原因，對(duì)于耐久性占主導(dǎo)地位同時(shí)也要符合較高強(qiáng)度要求的高性能混凝土，除水泥外，摻合料的品質(zhì)好壞，特別是摻合料質(zhì)量的穩(wěn)定性尤其重要。

(3)骨料：細(xì)骨料要求使用中粗砂，且級(jí)配良好、含泥量少。在混凝土中起骨架作用的是粗骨料，要率先使用抗壓強(qiáng)度高的粗骨料，骨料應(yīng)該為表面粗糙易于與水泥黏結(jié)的良好級(jí)配的碎石。

(4)外加劑：外加劑應(yīng)該優(yōu)先選用性能出眾的多功能復(fù)合減水劑，如聚羧酸鹽高效減水劑。欲配置出工作性好、施工難度小、密實(shí)度高、體積穩(wěn)定的高性能混凝土，就必須使用能與膠凝材料相匹配、又具有高減水率的減水劑。

(5)鋼筋防腐：鋼筋的防腐措施主要是提高混凝土密實(shí)性、增加保護(hù)層厚度、最大限度防止混凝土裂紋產(chǎn)生、采用環(huán)氧涂層鋼筋或鍍鋅鋼筋、使用鋼筋阻銹劑等。

2.配合比設(shè)計(jì)

(1)水膠比：水膠比是控制高性能混凝土孔隙結(jié)構(gòu)和孔隙率的最主要原因。

(2)膠凝材料用量：根據(jù)混凝土耐久性的需求，單位體積混凝土的膠凝材料用量不能過(guò)小，但也不能太大，太大會(huì)加劇混凝土的收縮，讓混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫。

(3)砂率：砂率是影響混凝土工作性的主要因素，適宜根據(jù)膠凝材料用量、粗細(xì)集料的級(jí)配及泵送需求等原因進(jìn)行設(shè)計(jì)。

(4)單位用水量：?jiǎn)挝挥盟勘ＷC了混凝土拌和物流動(dòng)性。一般情況下，高性能混凝土的單位用水量應(yīng)小于160 kg/m。

3.施工控制

拌制時(shí)采用更高的標(biāo)準(zhǔn)；運(yùn)輸過(guò)程中，特別是夏季，盡量調(diào)度調(diào)整縮短混凝土在路上的時(shí)間；在澆筑時(shí)，應(yīng)不離析、不分層、保水性好、流動(dòng)性好、并能保證施工所要求的稠度；振搗密實(shí)應(yīng)采用插入式高頻振搗器及時(shí)將澆筑的高性能混凝土均勻；拆模時(shí)控制好表面混凝土與環(huán)境間的溫差。

4.養(yǎng)護(hù)管理

養(yǎng)護(hù)手段主要是保濕和控溫。應(yīng)盡量采用灑水或蓄水養(yǎng)護(hù)；為避免混凝土表面溫度的突然變化，在混凝土升溫階段最好采用噴霧養(yǎng)護(hù)；對(duì)于底板或腹板最好采用噴涂養(yǎng)護(hù)膜或塑料薄膜養(yǎng)護(hù)，并確保密封性。

五、結(jié)論

本文通過(guò)橋梁混凝土現(xiàn)有的技術(shù)及相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)其耐久性進(jìn)行研究，簡(jiǎn)述了其的科學(xué)原理，分析了影響混凝土耐久性的原因，并由此總結(jié)了相應(yīng)管理措施。通過(guò)對(duì)內(nèi)外因的分析，提出以內(nèi)因?yàn)橹鳌⑼庖驗(yàn)檩o的管理方案；主張精選材料、嚴(yán)控配合比提高混凝土自身工作性，輔以嚴(yán)謹(jǐn)施工、精心養(yǎng)護(hù)來(lái)達(dá)到提高混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的目的。為大跨徑混凝土橋梁，特別是連續(xù)梁橋和連續(xù)剛構(gòu)提供了行之有效的提高耐久性措施。對(duì)相關(guān)施工和維護(hù)工作具有一定的參考意義。

References)】

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[4]Berke N S，Hicks M C．Predicting chloride profiles in concrete[J]．Corrosion Engineering，1994，5o(3)：234—239．

劉磊(1991—)，男，漢族，四川樂山人，重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院碩士研究生在讀，研究方向：大跨徑橋梁設(shè)計(jì)及混凝土結(jié)構(gòu)耐久。