京滬高速江蘇段混凝土橋梁的耐久性指標(biāo)統(tǒng)計特性分析

陳光偉，王少鵬，楊 洋，厲廣廣，趙尚傳

(1.江蘇省交通工程建設(shè)局，江蘇 南京 210004;2.交通運輸部公路科學(xué)研究院，北京 100088)

0 引言

隨著沿線社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，國內(nèi)高速公路交通量增長迅猛，部分路段已經(jīng)達到或接近飽和狀態(tài)，服務(wù)水平嚴(yán)重下降，現(xiàn)狀通行條件無法適應(yīng)重要的路網(wǎng)地位及未來交通需求的發(fā)展要求，亟需進行改擴建[1-3]。橋梁作為高速公路的關(guān)鍵節(jié)點，隨著服役時間的延長部分橋梁已出現(xiàn)不同程度的耐久性劣化。一條線路中相同服役環(huán)境的橋梁具有相近的耐久性狀況，可通過一定的統(tǒng)計數(shù)據(jù)來反映該區(qū)域橋梁整體耐久性狀況[4]。為踐行綠色可持續(xù)發(fā)展理念，并減小改擴建對交通的影響，需要最大限度利用既有橋梁，為評估橋梁的可利用價值則需要對其耐久性進行檢測評估。

基于京滬高速江蘇段改擴建工程，選取淮安境內(nèi)的10座既有混凝土橋進行耐久性數(shù)據(jù)的測試采集及統(tǒng)計特性分析，為掌握該區(qū)域混凝土橋梁的整體耐久性狀態(tài)以及指導(dǎo)改擴建中既有橋梁的再利用決策提供依據(jù)。

1 一般大氣環(huán)境混凝土橋梁耐久性指標(biāo)

碳化作用是導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)耐久性失效的主要模式，也是對我國橋梁耐久性影響最為廣泛的一種作用模式[5-6]。江蘇省氣候特點濕潤多雨，混凝土梁橋的耐久性病害按照自然環(huán)境區(qū)劃，主要考慮混凝土碳化導(dǎo)致的鋼筋銹蝕。該地區(qū)屬溫帶季風(fēng)氣候，四季分明，年平均氣溫在14.1～14.8 ℃之間，平均最高溫度31 ℃，平均最低溫度為-2 ℃。年無霜期240 d左右，年平均降水量約940 mm，平均濕度在65%～84%。

空氣中的二氧化碳擴散到混凝土中與水作用生成碳酸，碳酸與水泥水化過程中產(chǎn)生的氫氧化鈣、硅酸二鈣、硅酸三鈣反應(yīng)生成碳酸鈣，使混凝土的pH值降低，這就是混凝土碳化。當(dāng)混凝土的pH 值小于11.5時，就能引起鋼筋表面惰性氧化鐵薄膜的破壞，在空氣中的水和氧的作用下，致使鋼筋發(fā)生銹蝕引起結(jié)構(gòu)的破壞[7]。對碳化環(huán)境中混凝土結(jié)構(gòu)耐久性國內(nèi)外已開展了大量研究[8-9]，對于耐久性極限狀態(tài)一般取碳化至鋼筋表面或鋼筋銹脹產(chǎn)生裂縫。該環(huán)境中直接相關(guān)的耐久性指標(biāo)主要包括混凝土強度、碳化深度、保護層厚度，混凝土強度直接反映材料的密實狀況以及受碳化侵蝕的難易程度，通過碳化深度與保護層厚度可推算該環(huán)境下碳化系數(shù)和剩余耐久年限[10-11]。

2 耐久性指標(biāo)數(shù)據(jù)

京滬高速公路江蘇段建成于2000年，截至2021年耐久性測試時間已服役21 a，為探究既有混凝土橋梁的耐久性狀況，對京滬高速江蘇省淮安段10座混凝土橋梁進行了耐久性數(shù)據(jù)的采集測試，其中空心板梁橋8座、組合箱梁橋1座、T梁橋1座。

根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)特點確定橋梁耐久性指標(biāo)測試的主體結(jié)構(gòu)為主梁、墩臺。為準(zhǔn)確清晰探究各類構(gòu)件的測試結(jié)果，根據(jù)構(gòu)件的截面形式、受力特點和建造材料等對主體結(jié)構(gòu)進行構(gòu)件類別劃分，測試橋梁的主梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件類別有空心板梁、組合箱梁以及T梁；墩臺結(jié)構(gòu)構(gòu)件類別劃分為墩柱、蓋梁、臺帽。根據(jù)環(huán)境條件和表觀特征等劃分構(gòu)件評定單元，同一構(gòu)件類別中環(huán)境作用效應(yīng)、材料性能和表觀特征基本一致的構(gòu)件作為一個評定單元。主梁結(jié)構(gòu)中空心板梁、組合箱梁以及T梁，其邊梁與中梁所處環(huán)境效應(yīng)存在一定差異，邊梁腹板直接受到高溫暴曬和雨水沖刷的自然環(huán)境侵蝕，表觀損傷程度較重量嚴(yán)重，且邊梁腹板碳化深度較中梁更大，因此根據(jù)耐久性評定需要將主梁結(jié)構(gòu)中空心板梁、組合箱梁以及T梁均再次按構(gòu)件劃分為邊梁單元、中梁單元。墩臺結(jié)構(gòu)中的墩柱、蓋梁、臺帽構(gòu)件類別，其各自構(gòu)件所處環(huán)境效應(yīng)以及表觀狀況基本一致，故各自構(gòu)件劃分為一個評定單元，即墩柱單元、蓋梁單元、臺帽單元。構(gòu)件類別與評定單元劃分見表1。

表1 橋梁主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件類別與評定單元劃分Tab.1 Classification and evaluation unit division of bridge main structure components

2.1 混凝土強度

既有橋梁的混凝土強度依據(jù)《回彈法檢測混凝土抗壓強度技術(shù)規(guī)程》(JGJ/T23—2011)[12]通過回彈法測得。由原始設(shè)計文件查得，該線橋梁中空心板梁、組合箱梁、T梁的混凝土設(shè)計強度分別為40#，50#，50#，墩柱、蓋梁、橋臺混凝土設(shè)計強度分別為30#(其中有兩座橋墩柱混凝土設(shè)計強度為25#，經(jīng)測試其實際強度已超過30 MPa)，30#，30#。橋梁各類構(gòu)件回彈強度檢測結(jié)果如圖1所示。

圖1 橋梁各類構(gòu)件回彈強度測試結(jié)果Fig.1 Test result of rebound strengths of various bridge components

檢測結(jié)果可知，整體來看邊梁的混凝土強度略低于中梁，橋臺強度略低于蓋梁和墩柱，橋梁上部結(jié)構(gòu)混凝土強度主要在40～60 MPa之間，下部結(jié)構(gòu)主要在30～40 MPa之間。

2.2 碳化深度

既有橋梁混凝土碳化深度依據(jù)《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》(JTG/T J21—2011)[13]和《公路橋梁耐久性檢測評定規(guī)程》(報批稿)開展測試。該段線路橋梁建成于2000年，本次測試時間為2021年，混凝土經(jīng)受21 a碳化侵蝕，測得各構(gòu)件的碳化深度平均值如圖2所示?？梢钥闯?，邊梁受環(huán)境侵蝕較中梁嚴(yán)重，其碳化深度略高于中梁，上部結(jié)構(gòu)碳化深度主要在1～5 mm之間，下部結(jié)構(gòu)碳化深度主要在10～25 mm之間，上部結(jié)構(gòu)碳化深度遠小于下部結(jié)構(gòu)，這與兩種結(jié)構(gòu)所用混凝土強度不同相關(guān)，同類構(gòu)件中各橋梁碳化深度存在一定差異性，此現(xiàn)象可能與橋梁初期建造質(zhì)量(如混凝土澆注振搗差異)、運營期環(huán)境狀況(如存在滲水、迎風(fēng)與背風(fēng)面差異)等有關(guān)。

圖2 橋梁各類構(gòu)件碳化深度均值測試結(jié)果Fig.2 Test result of average carbonization depth of bridge components

2.3 保護層厚度

橋梁構(gòu)件的保護層厚度依據(jù)《混凝土中鋼筋檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ/T 152—2019)[14]進行檢測。分別進行了橋梁各構(gòu)件類中的主筋和箍筋檢測，測試結(jié)果如圖3和圖4所示，同一類橋梁結(jié)構(gòu)中有包含多個構(gòu)件的保護層測試結(jié)果，圖中柱體高度代表保護層厚度中值，上下浮動范圍以誤差線表示。上部結(jié)構(gòu)的主筋和箍筋保護層厚度分別主要在20～40 mm，30～50 mm之間，下部結(jié)構(gòu)的主筋和箍筋保護層厚度分別主要在25～50 mm，30～60 mm之間。

圖3 箍筋保護層厚度測試結(jié)果Fig.3 Test result of thickness of stirrup protective layer

圖4 主筋保護層厚度測試結(jié)果Fig.4 Test result of thickness of main reinforcement protective layer

3 耐久性指標(biāo)統(tǒng)計特性

對京滬高速江淮安段10座橋梁所采集的強度、碳化深度、保護層厚度進行了統(tǒng)計特性分析，在該統(tǒng)計特性分析中，以每個構(gòu)件的檢測結(jié)果作為數(shù)據(jù)樣本。為體現(xiàn)同類構(gòu)件耐久性指標(biāo)的統(tǒng)計規(guī)律，同時增大同類構(gòu)件的樣本數(shù)，將上部結(jié)構(gòu)中結(jié)構(gòu)功能相同且測試結(jié)果相接近的邊梁和中梁合并，僅對不同橋型的主梁進行區(qū)分，即分為空心板、組合箱梁、T梁；將下部結(jié)構(gòu)中結(jié)構(gòu)相同的臺帽和蓋梁合并組合為“臺蓋”，10座橋梁的下部結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)分為臺蓋、墩柱。對各類構(gòu)件統(tǒng)計特性中的均值、變異系數(shù)、90%保證率區(qū)間等進行了分析，并判斷其符合的分布規(guī)律。數(shù)據(jù)Q-Q圖能直觀明了地看出數(shù)據(jù)是否為滿足分布規(guī)律，當(dāng)Q-Q圖的散點呈現(xiàn)一條直線時，說明數(shù)據(jù)為符合預(yù)設(shè)的分布狀態(tài)。

3.1 混凝土強度

京滬高速江淮安段橋梁不同類構(gòu)件的混凝土強度統(tǒng)計參數(shù)如表2所示，其中采用回彈法測得的組合箱梁構(gòu)件強度均大于60 MPa，其回彈強度推測值以60 MPa計，各類構(gòu)件強度分布直方圖與Q-Q圖如圖5所示。各類構(gòu)件強度均值的大小關(guān)系為：箱梁(60)>T梁(57.52)>空心板(46.18)>墩柱(35.77)>臺蓋(33.87)，具有90%保證率的強度下限值分別為60，54.4，31.6，28.2，26.0 MPa。T梁數(shù)據(jù)來自同一個橋，變異系數(shù)很小，其他類構(gòu)件變異系數(shù)在0.17～0.18?？招陌濉梁、臺蓋的強度數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布，墩柱符合對數(shù)正態(tài)分布。

3.2 碳化深度與碳化系數(shù)

不同類構(gòu)件經(jīng)21 a碳化作用后其碳化深度統(tǒng)計參數(shù)如表3所示，各類構(gòu)件碳化深度分布直方圖與Q-Q圖如圖6所示。各類構(gòu)件碳化深度均值的大小關(guān)系為：墩柱(17.63)>臺蓋(16.36)>空心板(3.43)>T梁(1.76)>箱梁(1.07)，碳化深度與混凝土強度有很強的相關(guān)性，下部結(jié)構(gòu)碳化深度較上部結(jié)構(gòu)高出一個量級。各類構(gòu)件的碳化深度普遍具有很高的變異性，變異系數(shù)在0.35～0.61，墩柱的碳化深度變異性最小，空心板變異性最大。箱梁碳化深度最小，且其具有90%保證率的碳化深度上限值僅為1.75 mm。箱梁、臺蓋、墩柱符合正態(tài)分布，空心板和T梁符合對數(shù)正態(tài)分布。

表2 混凝土強度統(tǒng)計數(shù)據(jù)(單位：MPa)Tab.2 Statistics of concrete strength(unit：MPa)

圖5 混凝土強度直方圖與Q-Q圖Fig.5 Histograms and Q-Q diagrams of concrete strength

碳化深度與時間的平方根成正比[15-16]，即：

(1)

式中，x為碳化深度；k為碳化系數(shù)；t0為碳化時間。

以式(1)計算各類構(gòu)件的碳化系數(shù)，其統(tǒng)計參數(shù)如表4所示，上部結(jié)構(gòu)碳化系數(shù)均值95%置信區(qū)間上限在0.23～0.75 mm/a0.5范圍，下部結(jié)構(gòu)碳化系數(shù)均值95%置信區(qū)間上限在3.57～3.85 mm/a0.5范圍。碳化系數(shù)的分布規(guī)律與碳化深度分布規(guī)律相同。

表3 碳化深度統(tǒng)計數(shù)據(jù)(單位：mm)Tab.3 Statistics of carbonization depths(unit：mm)

表4 碳化系數(shù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)(單位：mm·a-0.5)Tab.4 Statistics of carbonization coefficients(unit：mm·a-0.5)

圖6 碳化深度直方圖與Q-Q圖 Fig.6 Histograms and Q-Q diagrams of carbonization depth

3.3 保護層厚度

分別對各類構(gòu)件的箍筋和主筋保護層厚度數(shù)據(jù)進行了分析，統(tǒng)計參數(shù)如表5所示。箍筋作為外層鋼筋最早受到碳化侵蝕，各類構(gòu)件箍筋保護層厚度分布直方圖與Q-Q圖如圖7所示。可以看出保護層厚度均值的大小關(guān)系為：墩柱>臺蓋>箱梁>空心板>T梁，具有90%保證率的箍筋保護層厚度下限值分別為18.48，22.78，15.73，24.50，27.17 MPa。除了空心板主筋、箱梁箍筋和墩柱主筋的混凝土保護層厚度基本呈對數(shù)正態(tài)分布以外，其余均為正態(tài)分布。各類構(gòu)件保護層厚度變異性較為穩(wěn)定，變異系數(shù)穩(wěn)定在0.20～0.32范圍，箱梁的保護層厚度變異性最小，T梁的變異性最大。

表5 混凝土保護層厚度統(tǒng)計數(shù)據(jù)(單位：mm)Tab.5 Statistics of concrete protective layer thicknesses(unit：mm)

圖7 箍筋保護層厚度直方圖與Q-Q圖Fig.7 Histograms and Q-Q diagrams of stirrup protective layer thickness

3.4 碳化深度/系數(shù)與強度的關(guān)系

數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果表明，碳化深度與混凝土強度有很強的相關(guān)性[17]。以測試構(gòu)件的強度為橫坐標(biāo)、碳化深度為縱坐標(biāo)只做散點圖，如圖8所示，可以看出，經(jīng)21 a時間的碳化侵蝕，混凝土強度在20～30 MPa 對應(yīng)的碳化深度約在20～35 mm之間；混凝土強度在30～40 MPa對應(yīng)的碳化深度約在8～22 mm之間；混凝土強度在40～60 MPa對應(yīng)的碳化深度在1～8 mm之間。以指數(shù)衰減函數(shù)對經(jīng)21 a碳化侵蝕構(gòu)件的強度與碳化深度進行擬合，得到其關(guān)系式如下：

y=124.707e-x/18.52-4.029,

(2)

式中，y為碳化深度；x為混凝土強度。決定系數(shù)R2為0.877，具有較好的擬合優(yōu)度。

圖8 混凝土與碳化深度關(guān)系Fig.8 Relationship between concrete and carbonation depth

圖9 混凝土與碳化系數(shù)關(guān)系Fig.9 Relationship between concrete and carbonation coefficient

由式(1)將碳化深度轉(zhuǎn)換為碳化系數(shù)，得到碳化系數(shù)與混凝土強度關(guān)系為：

y=27.213e-x/18.52-0.879,

(3)

式中，k為碳化系數(shù)；x為混凝土強度。碳化系數(shù)與混凝土強度關(guān)系圖如圖9所示。

4 碳化剩余耐久年限預(yù)測

根據(jù)碳化深度與保護層厚度的數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果，對該線路中的混凝土橋梁不同構(gòu)件進行剩余耐久年限的估測。該線路為高速公路，等級高，安全系數(shù)更大，且上部結(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力構(gòu)件，故以碳化至鋼筋表面作為耐久性極限狀態(tài)，即以構(gòu)件外層鋼筋即箍筋失去混凝土堿性環(huán)境保護為碳化耐久壽命臨界點[9,18]。

以式(4)對橋梁不同構(gòu)件的剩余耐久年限進行估測：

(4)

式中，t為剩余耐久年限；c為保護層厚度。

同一類構(gòu)件中包含多個構(gòu)件，每個構(gòu)件由于其碳化系數(shù)與保護層厚度不同，故而具有各自的剩余耐久年限。為對同一類構(gòu)件進行整體的估測，碳化深度與碳化系數(shù)為環(huán)境作用特點，以具有95%保證率的均值上限作為特征值。箍筋保護層厚度分別取均值95%置信區(qū)間下限、雙側(cè)90%保證率區(qū)間下限作為計算值，即分別表示有50%構(gòu)件鋼筋開始銹蝕、有5%的構(gòu)件鋼筋開始銹蝕。

對整體剩余耐久壽命的均值進行估測，各類構(gòu)件剩余耐久年限測算結(jié)果如表6所示。該線路橋梁上部結(jié)構(gòu)具有較好的碳化剩余耐久年限，下部結(jié)構(gòu)碳化剩余耐久年限較弱。橋梁上部結(jié)構(gòu)與下部結(jié)構(gòu)碳化剩余耐久年限的差異與其混凝土強度相關(guān)，上部結(jié)構(gòu)混凝土強度主要在40～60 MPa之間，下部結(jié)構(gòu)主要在30～40 MPa之間，混凝土強度的差異造成上部結(jié)構(gòu)與下部結(jié)構(gòu)碳化深度的不同，上部結(jié)構(gòu)碳化深度主要在1～5 mm之間，下部結(jié)構(gòu)碳化深度主要在10～25 mm之間，上部結(jié)構(gòu)碳化深度遠小于下部結(jié)構(gòu)，因而造成了碳化剩余耐久年限預(yù)測值的差異。

表6 橋梁各類構(gòu)件剩余耐久年限均值測算結(jié)果(單位：a)Tab.6 Calculation result of average residual durability life of various bridge components(unit：a)

5 結(jié)論

本研究對京滬高速江蘇淮安段10座橋梁(8座空心板橋、1座組合箱梁橋、1座T梁橋)耐久性指標(biāo)中的混凝土強度、碳化深度與碳化系數(shù)、鋼筋保護層厚度進行了數(shù)據(jù)采集與統(tǒng)計特性分析，得到該地區(qū)該線路混凝土橋梁的耐久性狀況。

(1)混凝土強度、碳化深度(碳化系數(shù))、保護層厚度符合正態(tài)分布或?qū)?shù)正態(tài)分布。

(2)各類構(gòu)件的混凝土強度變異性較小，變異系數(shù)在0.17～0.18。

(3)各類構(gòu)件的碳化深度普遍具有很高的變異性，變異系數(shù)在0.35～0.61，墩柱的碳化深度變異性最小，空心板變異性最大。

(4)各類構(gòu)件保護層厚度變異性較為穩(wěn)定，變異系數(shù)穩(wěn)定在0.20～0.32范圍，箱梁的保護層厚度變異性最小，T梁的變異性最大。

(5)箱梁混凝土強度為60 MPa，具有90%保證率的碳化深度上限為1.75 mm，保護層變異性最小，其狀況最優(yōu)。

(6)上部結(jié)構(gòu)碳化系數(shù)均值95%置信區(qū)間上限在0.23～0.75 mm·a-0.5范圍，下部結(jié)構(gòu)碳化系數(shù)均值95%置信區(qū)間上限在3.57～3.85 mm·a-0.5范圍。

(7)碳化深度及碳化系數(shù)與混凝土強度有很強的相關(guān)性，符合指數(shù)衰減函數(shù)，得到混凝土碳化深度與強度的擬合關(guān)系符合y=124.707e-x/18.52-4.029；碳化系數(shù)與強度的擬合關(guān)系y=27.213e-x/18.52-0.879。