對于橋梁壽命設計中混凝土劣化影響的分析

張克乾

（中建交通建設集團有限公司 河南分公司，河南 鄭州 450000）

以往橋梁設計中僅考慮橋梁初期建設成本，利用定值設計方式確保滿足設計規(guī)范性最低參數(shù)要求，未能對后期維護改造等方面成本進行充分分析考慮，有后期維護成本過高等問題，影響維修資源分配的合理性。當前開始重視橋梁全壽命設計研究，對混凝土劣化影響有越來越深入地認識，做好混凝土劣化影響分析，能夠使橋梁壽命設計水平和質(zhì)量得到有效提高。

1 混凝土碳化對橋梁壽命設計影響

1.1 混凝土碳化

橋梁混凝土材料劣化情況以材料碳化為主，材料碳化為化學腐蝕，大氣中二氧化碳含量高，如果二氧化碳氣體滲入混凝土，很可能與混凝土中存在的堿性物質(zhì)發(fā)生反應，產(chǎn)生水和碳酸鹽。當前建筑施工中將混凝土HP下降所發(fā)生的化學反應稱之為混凝土碳化。也就是說，混凝土碳化現(xiàn)象的出現(xiàn)會在很大程度上降低混凝土堿性，促進其中性化發(fā)展。

1.2 混凝土碳化影響因素

第一，材料因素?；炷潦┕ぶ袝尤胪饧觿?、骨料等，不同外加劑及骨料種類、數(shù)量等會很大程度上影響到混凝土碳化速度，混凝土材料中水泥品種的選擇以及用量對碳化影響程度最大。水泥以鋁酸鈣鹽、硅酸鈣等材料為主，不同材料在成分上差異將非常容易導致混凝土基性出現(xiàn)區(qū)別，同時，受到單位體積混凝土水泥用量等方面影響，水泥水化后對碳化物質(zhì)含量程度有所區(qū)別。水泥碳化還受到水泥與水混合比例等因素影響，水泥和水的比例直接關系到混凝土結(jié)構(gòu)空隙，一般情況下，增大水灰比，混凝土孔隙率會有明顯增大，能夠為二氧化碳等有害氣體擴散提供環(huán)境，加速混凝土碳化。

第二，環(huán)境因素。對混凝土碳化周圍介質(zhì)濕度、二氧化碳濃度等存在有較多影響因素，有非常大的影響，如果混凝土持續(xù)性處于飽和水或干燥等，碳化反應速度會逐漸降低直至停止。

1.3 混凝土碳化對橋梁壽命影響

從混凝土力學性能角度出發(fā)分析考慮，混凝土碳化作用不是十分明顯，分析相關資料可發(fā)現(xiàn)，混凝土碳化深度與混凝土保護層厚度之間存在一定的相關性，相比于鋼筋保護層厚度，混凝土碳化深度更低?；炷撂蓟饔媚軌蚴够炷撩軐嵭阅苡忻黠@提升，使混凝土腐蝕抵抗性能有明顯提高。混凝土碳化作用不會直接造成混凝土劣化，能夠使混凝土耐久性有明顯提升?；炷猎诎l(fā)生碳化反應后，其堿度會有一定的下降，如果碳化深度過大，超過混凝土保護層，在有水、空氣環(huán)境中，會給混凝土性能造成一定的破壞，最終喪失對鋼筋的保護效果。鋼筋在沒有混凝土保護的情況下，其內(nèi)部腐蝕會逐漸增大?；炷撂蓟^程中孔隙溶液氫離子含量會有明顯增大，在這一過程中失去混凝土保護效果。當鋼筋發(fā)生銹蝕時，其體積會出現(xiàn)一定的膨脹，同時，受到化學反應影響，混凝土保護層會出現(xiàn)裂縫，增大鋼筋腐蝕，產(chǎn)生惡性循環(huán)，相互影響。鋼筋腐蝕如果過于嚴重，非常容易破壞其結(jié)構(gòu)，最終降低橋梁整體使用壽命。

2 混凝土裂縫對橋梁壽命影響

預應力混凝土結(jié)構(gòu)中裂縫現(xiàn)象較為常見，雖然多數(shù)裂縫的寬度不超過0.2 mm，不會影響到建筑物正常使用和結(jié)構(gòu)安全，但是對預應力結(jié)構(gòu)壽命會有較大影響，在實際應用中必須要明確裂縫出現(xiàn)的原因，給予綜合性防治措施，實現(xiàn)對裂縫病害的有效防治，降低混凝土裂縫發(fā)生率。

2.1 預應力混凝土橋梁裂縫出現(xiàn)原因

預應力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)裂縫問題的出現(xiàn)存在較多的因素，彼此相互影響和制約。具體有以下幾個方面。

第一，混凝土自身性質(zhì)。預應力橋梁工程施工中，為了滿足混凝土在強度方面要求，多數(shù)工程使用商品混凝土，商品混凝土水泥含量大，存在較大坍落度，收縮裂縫問題發(fā)生率會明顯增大?；炷亮喊迥糖俺霈F(xiàn)的裂縫以無規(guī)則收縮裂縫為主，一段時間后混凝土強度增加，收縮裂縫會逐漸呈現(xiàn)出一定的規(guī)律，一般在梁板短邊平行位置會出現(xiàn)橫向收縮裂縫，在梁板柱等澆筑過程中，梁板節(jié)點和腋下等位置也容易有裂縫出現(xiàn)，如果模板相對粗糙或者存在較大坍落度，受到模箍作用，容易出現(xiàn)水平裂縫等問題。

第二，結(jié)構(gòu)設計因素。結(jié)構(gòu)設計工作的開展，受到計算偏差、安全系數(shù)低、實際與計算偏差大等因素影響，同時，無法實現(xiàn)對結(jié)合位置的有效處理，都容易出現(xiàn)裂縫等病害。

第三，施工因素。在工程施工中如果原材料質(zhì)量差、雜質(zhì)多，模板支撐存在問題，模板張拉缺乏合理性，未能做好養(yǎng)護管理等工作，同樣容易導致混凝土出現(xiàn)裂縫。

第四，偶然荷載因素。車輛和船舶撞擊、行駛的車輛超出荷載或者有自然災害等外界因素破壞，都可能會引發(fā)裂縫問題。

第五，鋼筋銹蝕。鋼筋在出現(xiàn)銹蝕情況時可能會產(chǎn)生氫氧化鐵，鋼筋體積會有明顯增大，給周邊混凝土帶來一定的壓應力，導致混凝土出現(xiàn)開裂、脫落等問題，最終順著鋼筋出現(xiàn)縱向裂縫。

第六，其他因素。受到溫度變化、養(yǎng)護不到位、基礎沉降等因素影響，同樣可能出現(xiàn)裂縫。分析混凝土病害可知，混凝土出現(xiàn)裂縫危害最大，相比于混凝土抗壓強度，混凝土抗拉強度更低，受拉區(qū)域最容易出現(xiàn)裂縫，隨著裂縫的擴展會給結(jié)構(gòu)剛度和承載力造成影響，同時加快鋼筋銹蝕，在惡性循環(huán)情況下，會給結(jié)構(gòu)強度造成非常大的影響。本次施工中，濁峪河特大橋連續(xù)剛構(gòu)的19～23#墩承臺屬于大體積混凝土范疇，20#和22#左右幅承臺是連為一體，結(jié)構(gòu)尺寸為34.7×24.2×4.5 m，21#墩承臺結(jié)構(gòu)尺寸為13.7×24.2×4.5 m，19、23#墩承臺結(jié)構(gòu)尺寸為：13.8×8.5×3 m。計劃采取一次性澆筑，數(shù)量分別為3 778.83 m3、1 491.93 m3和351.9 m3，屬于大體積混凝土施工。在施工中受到水化熱等因素影響，導致其內(nèi)外部存在較大溫差，壓應力超過拉應力情況下會有裂縫出現(xiàn)。

2.2 混凝土裂縫對預應力混凝土橋梁壽命影響

鋼筋銹蝕后會很大程度上影響混凝土壽命和強度，在橋梁壽命方面，同樣容易受到結(jié)構(gòu)裂縫因素影響，如果裂縫寬度較大，鋼筋銹蝕會過早出現(xiàn)。隨著混凝土裂縫的發(fā)展，結(jié)構(gòu)剛度會有一定的下降，抗力減弱，最終影響整體使用壽命。

3 結(jié)語

通過研究預應力鋼筋混凝土橋梁壽命可發(fā)現(xiàn)，從設計、施工、環(huán)境、材料等多個方面考慮才能夠使橋梁壽命得到提高和延長。評價橋梁壽命和剩余壽命，能夠更好地滿足后期加固維修方案的制定，屬于橋梁結(jié)構(gòu)壽命的一個主要研究和發(fā)展方向，需要對壽命評價以及使用壽命預測等問題有充分全面地分析考慮。