橋梁混凝土結(jié)構(gòu)典型病害及其成因分析

張翼飛，耿 棟

（1.安徽省公路工程檢測中心，合肥 230051；2.橋梁與隧道工程檢測安徽省重點實驗室，合肥 230051）

隨著我國經(jīng)濟飛速發(fā)展和人們物質(zhì)生活水平的大幅提升，社會對交通出行的需求日益增長，而且要求愈來愈高。橋梁作為國家道路中的關(guān)鍵性銜接工程，有效促進了地區(qū)間的經(jīng)濟交流與合作，加速了區(qū)域城市化、國際化進程，促進了人力資源流動和區(qū)域產(chǎn)業(yè)升級，在地方區(qū)域社會與經(jīng)濟發(fā)展中具有舉足輕重的作用。近年來，我國的橋梁建設(shè)數(shù)量與日俱增，全國公路橋梁已達90 余萬座。目前，我國的橋梁建設(shè)在規(guī)模、數(shù)量及技術(shù)難度上，都處于世界領(lǐng)先地位。

隨著橋梁存量的不斷增加、持續(xù)老化及車流量的急劇增長，特別是裝運重物車輛的不斷增多，危橋數(shù)量仍呈現(xiàn)邊治邊增的趨勢，橋梁服役安全狀態(tài)形勢不容樂觀。如果不能及時對具有安全隱患的橋梁進行有效排查和維修，這些橋梁就有可能在運營過程中發(fā)生坍塌和破損，后果不堪設(shè)想，會出現(xiàn)經(jīng)濟損失、行業(yè)形象受損、人員傷亡、政府公信力受到質(zhì)疑和社會反響強烈等。近幾十年來國內(nèi)外橋梁坍塌事故多有發(fā)生，如2012 年8 月江西廣昌河東大橋垮塌，2012 年5 月湖南平江大橋垮塌等等。國外的橋梁坍塌事故也多有發(fā)生，位于美國明尼阿波利斯市，35 號洲際公路，密西西比河大橋，一座建成多年的大橋在2007 年8 月突然發(fā)生倒塌。深刻的教訓使人們認識到，防止橋梁坍塌事故的發(fā)生，需采取積極的手段對橋梁安全實施有效管理。為了保障橋梁的安全服役，采用科學的評估手段、維護對策來保障結(jié)構(gòu)的安全顯得格外重要。病害是結(jié)構(gòu)內(nèi)外部損傷的直接反映，全面了解、掌握病害是對橋梁進行技術(shù)狀況評定及安全評估的前提。本文對橋梁混凝土結(jié)構(gòu)病害進行統(tǒng)計分析，總結(jié)常見典型病害，分析了病害產(chǎn)生的原因及對橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響。

1 橋梁混凝土結(jié)構(gòu)典型病害及成因

1.1 收縮裂縫

收縮帶來的裂縫是混凝土結(jié)構(gòu)中最常見的裂縫。收縮裂縫往往是縱橫交錯，呈龜裂狀態(tài)，多數(shù)是表面裂縫，縫寬較小，沒有明顯規(guī)律的形狀，如圖1 所示?；炷潦湛s裂縫形成原因有縮水收縮、塑性收縮、自生收縮和碳化收縮等，其中前2 種容易導致混凝土體積發(fā)生變形。塑性收縮是在混凝土澆筑后，水泥水化反應(yīng)強烈，在混凝土尚未硬化情況下，出現(xiàn)水分急劇蒸發(fā)和泌水，造成混凝土失水收縮，稱為塑性收縮。塑性收縮所產(chǎn)生量級較大，較常見的有混凝土發(fā)生沉降產(chǎn)生沿鋼筋方向的裂縫、表面不規(guī)則的裂縫及平行于模板移動方向的裂縫?？s水收縮（干縮）是在混凝土結(jié)硬以后，隨著表層水分蒸發(fā)及濕度降低，混凝土內(nèi)部與表層水分損失速度不均，產(chǎn)生內(nèi)部、表面不均勻收縮，內(nèi)部混凝土約束了混凝土表面的變形收縮，當混凝土抗拉強度難以抵抗表面混凝土承受拉力時，便產(chǎn)生收縮裂縫，因此可看出主要影響因素有養(yǎng)護方法、水泥品種、水灰比、骨料品種、外摻劑和外界環(huán)境等，尤其是后期養(yǎng)護。自生收縮是水泥與水在混凝土硬化過程中形成的水化反應(yīng)導致的，其收縮主要與水泥品種有關(guān)。碳化收縮是水泥的水化物與環(huán)境中的二氧化碳發(fā)生反應(yīng)引起的收縮變形。

圖1 混凝土干縮裂縫

1.2 溫度裂縫

熱脹冷縮是材料具有的一般屬性，混凝土也不例外，當結(jié)構(gòu)內(nèi)部或環(huán)境溫度發(fā)生變化時，如日照、年溫差和驟然降溫等；另外當混凝土不同部位產(chǎn)生溫差，如箱梁內(nèi)外等，混凝土或多或少將產(chǎn)生變形受到某種約束而形成的應(yīng)力。當混凝土抗拉、抗壓強度不能抵抗這種效應(yīng)時將產(chǎn)生裂縫。溫度裂縫最主要特征是隨環(huán)境溫度變化而發(fā)生變化，裂縫可能擴張或閉合，如圖2 所示。

圖2 溫度變化引起的擠壓裂縫

1.3 施工材料質(zhì)量引起的裂縫

水泥、骨料、砂、水及外加劑等組成了混凝土。拌合混凝土采用未檢驗或不滿足規(guī)范要求的材料，同樣可形成裂縫，如水泥安定性較差等，此類裂縫容易被忽略、混淆，主要特點是在混凝土構(gòu)件表面具有普遍性。

1.4 蜂窩麻面、露骨、離析、漏漿

毋庸置疑此類病害是混凝土結(jié)構(gòu)常見病害，如圖3所示。究其原因主要是由施工工藝水平引起的，有混凝土結(jié)構(gòu)澆筑、構(gòu)件制作和起模等工序施工控制不嚴；涉及水泥品種、混凝土配合比控制、振搗、養(yǎng)護不當、模板質(zhì)量差、運輸時混凝土產(chǎn)生離析、模板反復使用未及時清理、分層灌注時違反操作規(guī)程及起模時間過早等。當然設(shè)計方面構(gòu)件配筋太密也容易造成混凝土此類型病害。

圖3 混凝土蜂窩麻面

1.5 混凝土破損

混凝土破損形成的主要原因與后期施工、運營相關(guān)，如吊裝或施工機械碰撞、施加預應(yīng)力梁端受擠壓、不同構(gòu)件接觸部位受環(huán)境及荷載等影響相互觸碰造成，如圖4 所示。

圖4 施加預應(yīng)力梁端受擠壓破損

1.6 凍脹引起的裂縫

凍脹引起的病害實際上與凍融引起的病害是有較大區(qū)別的，俗稱混凝土“凍害”。當大氣氣溫低于0 ℃時，混凝土中游離的水轉(zhuǎn)變成冰，出現(xiàn)冰凍體積膨脹，混凝土因膨脹產(chǎn)生應(yīng)力，導致裂縫出現(xiàn)。如果混凝土初凝時受凍嚴重，那么成齡后混凝土強度將會損失很大。

1.7 鋼筋外露銹蝕、混凝土剝落

鋼筋外露是一種常見且明顯的混凝土病害，第一種是混凝土質(zhì)量先天不足，施工質(zhì)量尤其是保護層厚度施工控制不嚴，造成混凝土中鋼筋外露、銹蝕，一般混凝土脫模后即可發(fā)現(xiàn)病害；第二種是順鋼筋方向有縱向裂縫并有銹跡滲出，鋼筋銹蝕和混凝土剝落嚴重，未脫落部分沿裂縫用錘輕擊，可發(fā)現(xiàn)混凝土脫落，如圖5 和圖6 所示。眾所周知，將鋼筋置于混凝土中，之所以能夠阻止鋼筋生銹，是混凝土在鋼筋表面形成的保護膜，因為混凝土具有高堿性，一旦破壞這種堿性環(huán)境，保護膜將使鋼筋銹蝕、膨脹，主要原因有混凝土碳化及氯離子侵入。當混凝土保護層厚度較薄、裂縫較多時，二氧化碳會滲透進入混凝土保護層，使鋼筋周圍混凝土堿度降低，鋼筋表面鈍化膜的破壞，造成鋼筋銹蝕混凝土開裂或崩裂，因此碳化深度是鋼筋銹蝕檢測主要指標之一的原因。當碳化深度接近或超過混凝土的保護層厚度時，鋼筋銹蝕的可能性急劇增加。另一種情況是氯離子的侵入，當鋼筋周圍氯離子含量較高時，會破壞鋼筋表面的氧化膜，鋼筋會與進入混凝土中的水分、氧氣發(fā)生銹蝕反應(yīng)，因此在潮濕或干濕交替環(huán)境下鋼筋腐蝕發(fā)展較快，而干燥環(huán)境下的鋼筋或長期處于海水下的結(jié)構(gòu)，即使氯離子濃度較大，但由于缺水、缺氧等也不易腐蝕。

圖5 混凝土內(nèi)鋼筋銹蝕嚴重

圖6 鋼筋銹蝕處混凝土剝落

可以看出造成混凝土鋼筋銹蝕主要是鋼筋周圍環(huán)境的改變，根本原因還是混凝土質(zhì)量較差，如各種原因造成的裂縫、保護層厚度較薄和混凝土密實性差等，失去了對鋼筋保護作用，鋼筋銹蝕膨脹又加劇了病害發(fā)展，從而形成惡性循環(huán)。鋼筋銹脹發(fā)展迅速，使得鋼筋截面損傷，混凝土對鋼筋的包裹力、黏結(jié)力驟減，嚴重將產(chǎn)生二者成片剝落，造成結(jié)構(gòu)承載力下降，降低結(jié)構(gòu)的安全度，縮短結(jié)構(gòu)使用年限，導致結(jié)構(gòu)破壞。

1.8 凍融引起的混凝土表面酥松起皮和剝落

此類病害主要出現(xiàn)在寒冷環(huán)境下，橋梁混凝土處于潮濕和水飽和狀態(tài)中容易發(fā)生。其多發(fā)生在經(jīng)常與水接觸的結(jié)構(gòu)水平表面，尤其是空間和毛細孔中充滿水的疏松多孔混凝土結(jié)構(gòu)中，破壞的特征是首先出現(xiàn)小塊的混凝土剝離，隨著使用年限的增加，混凝土由表及里、由小及大，剝離面積不斷增大，發(fā)展速度較快，使鋼筋混凝土橋梁構(gòu)件有效截面積減小，加速老化，誘發(fā)鋼筋銹蝕，對結(jié)構(gòu)物的承載能力造成影響。本質(zhì)上形成的原因是空隙水結(jié)凍膨脹，融解松弛，混凝土結(jié)構(gòu)在冰融循環(huán)的反復作用下產(chǎn)生凍融破壞。

1.9 堿-集料反應(yīng)引起的混凝土開裂

堿-集料反應(yīng)破壞最顯著的表現(xiàn)之一是混凝土表面呈網(wǎng)狀開裂，剛開始時，裂紋從網(wǎng)節(jié)點呈夾角約120°3 條放射狀裂紋，其形成的主要原因是混凝土孔隙中的堿性溶液與某些活性礦物集料發(fā)生反應(yīng)，因此需具有一定條件，如混凝土中有一定量的堿、混凝土中有一定的蛋白石等活性集料和使用環(huán)境有足夠的潮濕度等。在現(xiàn)場外觀檢測時，應(yīng)注意區(qū)別其與混凝土收縮裂縫。收縮裂縫出現(xiàn)時間較早，多在混凝土施工期內(nèi)，混凝土收縮裂縫程度與環(huán)境干燥狀況有關(guān)，而堿-集料反應(yīng)裂縫出現(xiàn)較晚，隨著大氣環(huán)境濕度增大多在橋梁營運多年后發(fā)展。另外，混凝土堿-集料反應(yīng)裂縫一個特有的表象是出現(xiàn)混凝土局部膨脹，以致裂縫的2 個邊緣出現(xiàn)高差。混凝土堿-集料反應(yīng)造成的開裂、剝落破壞具有整體性，對混凝土橋梁危害很大。

1.10 集料膨脹造成的混凝土開裂，表層剝離

遇水膨脹是許多材料具有的特性，在混凝土中，如果混凝土拌合前未能對集料進行相關(guān)檢測、有效控制，那么在混凝土中水分子的作用下，混入石灰碎塊、硫酸鹽和氧化鎂類集料時，集料吸水膨脹，體積增大，造成構(gòu)件開裂，表層剝離等病害，如圖7 所示。當混凝土的膨脹集料位于鋼筋后，會引起沿鋼筋向裂縫和大面積混凝土剝離。

圖7 集料膨脹導致混凝土剝離

上述10 種典型病害的歸納分析，基本涵蓋了目前橋梁混凝土常見及易發(fā)生的病害。除此之外，橋梁混凝土還存在一些其他病害，雖然不是常見病害，但同樣影響橋梁結(jié)構(gòu)安全，也應(yīng)引起足夠重視。比如，混凝土結(jié)構(gòu)過載破損，基礎(chǔ)不均勻沉降引起的結(jié)構(gòu)開裂，混凝土剝離等。

2 結(jié)束語

新中國成立70 多年來，隨著我國經(jīng)濟的大發(fā)展，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)工程中尤其是橋梁工程發(fā)展相當迅速，現(xiàn)如今我國已是世界的橋梁大國。然而，近幾十年來國內(nèi)外橋梁事故多有發(fā)生，深刻的教訓使人們認識到，為了保障橋梁的安全服役，采用科學的評估手段、維護對策來確保、保障結(jié)構(gòu)的安全顯得格外重要。病害是結(jié)構(gòu)內(nèi)外部損傷的直接反映，全面了解、掌握病害是進行橋梁技術(shù)狀況評定及安全評估的前提。隨著公路交通量的日益增加和橋梁使用年限的增長，橋梁的各種病害也日益凸顯。要及時發(fā)現(xiàn)病害，準確找出病害成因，分析病害對橋梁結(jié)構(gòu)的影響，再精準實施維修養(yǎng)護，是延長橋梁服役壽命最為有效的方法。