高寒地區(qū)混凝土梁橋的耐久性設計研究

雷亮

（新疆兵團勘測設計院（集團）有限責任公司，新疆烏魯木齊 830000）

0 引言

高寒地區(qū)工程建設一直是我國工程建設中的難點和重點。隨著我國學者對凍土的基礎理論研究取得突破（如程氏假說等），高寒地區(qū)凍土生成和變化機制等也被越來越多人所熟悉，這些基礎理論的發(fā)展推動著我國高寒地區(qū)的工程建設迅速發(fā)展。

對于高寒地區(qū)而言，橋梁可以顯著地縮減通行時間，對交通運輸起著重要作用。我國高寒地區(qū)大部分橋梁采用混凝土梁橋的結構形式，其作為一種強度高、耐久性好的材料被大量工程使用[1]，但在高寒地區(qū)惡劣環(huán)境下，混凝土橋梁耐久性問題依然需要重視。

混凝土橋梁的耐久性問題發(fā)生的誘因是多方面的：①隨著全球氣候變暖情況的加劇，高寒地區(qū)凍土退化現(xiàn)象越發(fā)明顯，極易誘發(fā)地表下沉，嚴重影響高寒地區(qū)的橋梁工程穩(wěn)定性；②高寒地區(qū)的橋梁建設有其特殊性，惡劣的環(huán)境極易引起混凝土結構劣化，出現(xiàn)病害；③混凝土橋梁在設計時設計人員大多只關注橋梁的結構安全性設計[2]，忽視混凝土梁橋的耐久性設計。

在我國西北高寒地區(qū)，對當?shù)噩F(xiàn)存橋梁進行病害狀況調研發(fā)現(xiàn)，許多混凝土梁橋存在病害，亟待解決。為使今后高寒地區(qū)混凝土橋梁的耐久性問題得到解決，本文擬通過對高寒地區(qū)混凝土梁橋的常見病害的產(chǎn)生機制進行分析，提出有針對性的設計方案，以解決混凝土梁橋的耐久性問題，為今后高寒地區(qū)的混凝土橋梁設計提供建議和指導。

1 高寒地區(qū)區(qū)位特點及其對混凝土橋梁的影響

1.1 氣候特點

我國高寒地區(qū)大多位于我國西北方，主要分布在黃河上游，如甘肅、青海、新疆等地，海拔高，常年氣溫較低，且由于這部分地區(qū)位于內陸，受秦嶺山脈的阻隔往往降雨較少，降雨季節(jié)集中在夏季，屬于溫帶大陸性氣候。

1.2 環(huán)境特點

高寒地區(qū)由于常年氣溫較低且海拔高，受太陽輻射較強，因此，大部分地區(qū)分布有季節(jié)性凍土，冬季凍脹夏季融沉，對工程有不利影響。在冬季高寒地區(qū)，橋梁經(jīng)常面臨積雪情況。

1.3 高寒地區(qū)區(qū)位特點對混凝土梁橋的影響

高寒地區(qū)特有的氣候特征和環(huán)境特點極易誘發(fā)該地區(qū)的混凝土梁橋出現(xiàn)病害。在外界凍融作用下，混凝土橋梁墩臺易出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，使得橋梁承載力被削弱，進而引發(fā)其他如混凝土碳化、鋼筋銹蝕等病害，對混凝土結構的耐久性造成影響。

高寒地區(qū)混凝土梁橋主要考慮其受彎性能，設計使用年限較長，大多數(shù)橋梁的跨徑較小，設計受力為單板受力。這種設計方式會導致板梁之間的橫向連接發(fā)生破壞，使得預制板受力達到極限，引發(fā)混凝土出現(xiàn)裂縫，從而引發(fā)鋼筋銹蝕[3]、混凝土碳化等病害[4]，影響其正常使用，對混凝土梁橋結構安全造成影響。常見的高寒地區(qū)混凝土梁橋病害圖見圖1、圖2。

圖1 梁底裂縫

圖2 橋臺腐蝕

2 高寒地區(qū)混凝土梁橋常見病害機理分析

2.1 橋梁結構凍融破壞

影響高寒地區(qū)混凝土耐久性的首要因素就是高寒地區(qū)的凍融破壞問題，混凝土在凍融的過程中強度逐步降低，直至發(fā)生破壞。關于混凝土凍融破壞的產(chǎn)生機理，國內外的學者提出了很多不同的看法，其中較為統(tǒng)一的觀點就是內部孔隙水作用影響混凝土的凍融破壞?？紫端淖饔梅绞胶屯緩降南嚓P研究中，較為著名的是Powers等人的靜水壓理論和滲透壓理論，其中靜水壓理論[5]主要是分析混凝土之所以發(fā)生凍融破壞，是由于水凍結成冰體積會膨脹9%，混凝土內部的孔隙水被凍結之后，內部孔隙逐步被冰體填滿，混凝土內部在靜水壓力作用下將導致結構出現(xiàn)裂縫發(fā)生破壞。靜水壓理論計算模型見圖3。靜水壓理論認為靜水壓力是引起破壞的全部因素，理論上只要孔隙夠大，混凝土就不會被拉裂。但是還有很多實際現(xiàn)象是靜水壓理論難以解釋的，在此基礎上發(fā)展出了滲透壓理論，滲透壓理論在考慮集料孔隙的基礎上對水泥漿體的滲透過程進行分析，認為混凝土內部溶液呈堿性，當氣溫降低內部水體結冰之后，溶液濃度隨之上升，將會與未凍水發(fā)生離子交換和水交換，在這個遷移的過程中，水分子遷移快，而離子遷移速度較慢，將會產(chǎn)生滲透壓力，這個過程中滲透壓力作用將導致混凝土結構出現(xiàn)破壞。

2.2 除冰鹽引起的結構侵蝕

高寒地區(qū)道路時常積雪對車輛通行產(chǎn)生影響，通常的解決方法是使用除冰鹽進行道路除冰。目前，已有不少研究證明除冰鹽會使得橋梁內部的鋼筋出現(xiàn)銹蝕，對混凝土橋梁的結構耐久性造成影響。高寒地區(qū)頻繁使用除冰鹽進行除冰，鹽中攜帶的氯離子滲入到混凝土內部會對混凝土內部結構產(chǎn)生侵蝕，許多學者進行了氯離子對混凝土結構的破壞機制的相關研究，認為氯離子通過破壞鋼筋表面鈍化膜，進而誘發(fā)鋼筋出現(xiàn)銹蝕破壞。鋼筋在混凝土內部時本身是帶有鈍化膜的，這是堿性的漿液環(huán)境造就的。除冰鹽中的氯離子滲透入混凝土內部并不直接改變其內部環(huán)境，而是和鈍化膜中的鐵離子進行反應生成綠銹，綠銹氧化又重新釋放氯離子，加深對鈍化膜的影響。缺少鈍化膜保護的鋼筋易發(fā)生銹蝕，在銹蝕過程中鋼筋體積膨脹擠壓混凝土，使混凝土內部出現(xiàn)裂縫，結構受力性能和承載能力降低，威脅結構安全。

2.3 混凝土碳化

混凝土碳化其實就是混凝土內部結構與水和二氧化碳發(fā)生反應的結果，這個過程會使混凝土內部環(huán)境由堿性轉化為酸性，鈍化膜被腐蝕破壞，其直接后果是混凝土內部鋼筋出現(xiàn)銹蝕?；炷涟l(fā)生碳化反應的過程見圖4。

圖3 靜水壓理論模型[5]

圖4 混凝土碳化過程

2.4 鋼筋銹蝕

鋼筋銹蝕對混凝土耐久性影響較大，其產(chǎn)生原因與環(huán)境關系密切?！痘炷两Y構耐久性設計規(guī)范》（GB/T50476—2019）將鋼筋銹蝕的環(huán)境和原因進行分類，見表1。

表1 鋼筋銹蝕分類

高寒地區(qū)的地理區(qū)位遠離海洋，且已對除冰鹽氯鹽破壞機理和混凝土碳化等過程進行分析，本文只對凍融環(huán)境下鋼筋銹蝕機理進行分析。在高寒地區(qū)，混凝土在凍融作用下極易發(fā)生表面砂漿脫落，骨料裸露在空氣中，鋼筋與水和氧氣在同一環(huán)境下產(chǎn)生銹蝕，主要是當鋼筋表面存在電位差時，相當于陰陽極，在鋼筋表面的陽極生成的Fe2+和陰極生成的(OH)-反應生成Fe(OH)2，促使鋼筋銹蝕。

3 高寒地區(qū)混凝土梁橋耐久性設計

3.1 混凝土橋梁耐久性設計原則

高寒地區(qū)混凝土橋梁的耐久性設計應因地制宜，根據(jù)實際情況制定相應的設計原則，確保項目建設科學合理，兼具經(jīng)濟性。設計原則可分為以下幾個方面：

（1）環(huán)境分區(qū)預設計。高寒地區(qū)區(qū)域廣泛，不同地區(qū)進行混凝土橋梁設計時，應根據(jù)工程當?shù)丨h(huán)境、氣溫等條件進行分區(qū)，評價環(huán)境、氣溫等因素對混凝土橋梁耐久性的影響程度，針對環(huán)境因素對耐久性進行預設計。

（2）橋孔合理布置。橋孔布置需要和當?shù)氐淖匀坏乩項l件相匹配，適應性強，滿足需求。

（3）工程材料選擇滿足適用性和經(jīng)濟性。高寒地區(qū)工程材料的選擇要充分考慮結構實際的受力需求和環(huán)境等因素，保證經(jīng)濟性和安全耐久性。

3.2 混凝土配合比設計

混凝土原材料的配合比對混凝土材料的耐久性有直接影響，合理配制混凝土可以極大地提高混凝土的抗?jié)B、抗凍、抗腐蝕、抗碳化能力。

高寒地區(qū)混凝土的材料選用之前應進行配合比設計，對水泥、集料、粉煤灰和外加劑等進行正交試驗設計，優(yōu)選出適合的混凝土配合比。此外，根據(jù)實際工程中不同部位出現(xiàn)病害的情況分析，對橋梁不同部位的混凝土配比進行分別設計，在滿足實際需求的情況下盡可能提高經(jīng)濟性。

氯鹽的大量滲入極大地破壞了混凝土的耐久性，引發(fā)混凝土橋梁發(fā)生病害，在耐久性設計中務必要提高橋梁的抗氯侵蝕能力。有關研究表明，在混凝土配合時選用較低的水膠比和水量、加入適量的粉煤灰和引氣劑等都能提高混凝土的抗?jié)B性能。除此之外，增長養(yǎng)護時間也是提高其抗?jié)B性能的重要方法。工程實踐中應根據(jù)采用材料進行相關配比設計。

混凝土梁橋結構中的混凝土在高寒地區(qū)要承受多次凍融作用，在反復凍融過程中結構易產(chǎn)生裂縫，影響其受力性能和承載能力。影響抗凍能力最主要的因素是用水量和含氣量，選擇合理的用水量和引氣劑可以有效地減少混凝土內部水凍結膨脹對結構的損傷。

合理控制水膠比可以有效抑制混凝土碳化，控制水膠比可以對混凝土的密實度產(chǎn)生影響，水膠比越大，孔隙越大，密實度越差，混凝土也就越容易被碳化。因此配合比設計中也要合理選擇水膠比。

3.3 合理增加保護層厚度

為抵抗高寒環(huán)境對混凝土橋梁結構耐久性的影響，可以通過適當增加混凝土保護層厚度的方式，提高其耐久性能。在選擇保護層的加厚厚度時，應對工程當?shù)刈匀画h(huán)境條件對混凝土的影響程度進行分析，合理選擇加厚的保護層厚度。對不同部位的保護層進行加厚時，要充分根據(jù)實際情況進行選擇。

3.4 特殊部位著重加固

對于橋梁的特殊部位，如受剪受彎位置等對橋梁結構安全影響較大的部位，應對其耐久性進行更加保守的設計，在以上設計基礎上對其進行著重加固。在結構關鍵部位進行著重加固處理，選取符合國家和行業(yè)標準的防腐涂料進行涂抹，在涂抹之前，應先對涂抹部位進行預平整，涂抹之后做好維修養(yǎng)護工作。

3.5 橋梁線形設計

橋梁的耐久性受橋梁形式影響很大，橋梁線形應盡可能簡單，避免應力集中，使結構受力更加合理，提高結構的整體性。

3.6 控制構造裂縫

混凝土橋梁出現(xiàn)病害多是由于構造裂縫導致水和空氣侵入結構內部，使得混凝土結構劣化，強度降低，因此在進行設計時應盡量避免出現(xiàn)構造裂縫，如采用預應力式、合理控制配筋間距等措施，盡可能減少構造裂縫。

4 結語

全球氣候變暖還在持續(xù)加快，高寒地區(qū)凍融循環(huán)作用會更加劇烈，高寒地區(qū)橋梁耐久性問題是一個普遍性工程問題，對高寒地區(qū)交通意義重大。今后，在高寒地區(qū)進行混凝土橋梁設計時應在關注安全性基礎上更多考慮耐久性，對已建成的橋梁需要進行定期維護修復，及時對病害進行處理加固，確保高寒地區(qū)交通通暢運行。