遼寧地區(qū)混凝土橋梁耐久性檢驗與評價研究

張 績

(遼寧新發(fā)展公路科技養(yǎng)護(hù)有限公司 沈陽市 110005)

0 引言

橋梁是公路的重要組成部分,長期處于氣候變化、凍融循環(huán)、除雪劑與海水氯腐蝕介質(zhì)等因素作用之下,加速了混凝土的破壞。對遼寧省橋梁的初步調(diào)研發(fā)現(xiàn),許多橋梁的使用時間不足10a,混凝土即產(chǎn)生了非常嚴(yán)重的剝蝕,鋼筋銹蝕也較嚴(yán)重,路橋的使用壽命遠(yuǎn)未達(dá)到其設(shè)計使用年限。其主要原因:一是凍融對混凝土腐蝕問題比較突出。凍融次數(shù)、最低氣溫、溫差是造成水泥混凝土破壞的主要因素、在反復(fù)凍融作用下不僅混凝土產(chǎn)生凍害, 更加劇鋼筋銹蝕。二是冬天采用含鹽除雪劑,個別采用鹵水除冰雪,致使橋梁混凝土與鋼筋腐蝕造成極大損害?！胞}與凍”破壞在一座橋上可能同時存在。三是橋梁防排水構(gòu)造和混凝土材質(zhì)缺陷,水不能迅速排出,使混凝土長期處在水或鹽溶液浸泡下,促使混凝土加速破壞。

1 混凝土凍融環(huán)境耐久性檢驗

1.1 檢驗指標(biāo)

在結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限以內(nèi)(100a),鹽凍環(huán)境其耐久性檢驗指標(biāo):(1)材料控制指標(biāo);(2)混凝土抗凍性,以混凝土抗凍耐久性指數(shù)DF確定抗凍融等級;(3)混凝土抗氯離子滲透性能,以混凝土抗氯離子遷移系數(shù)DRCM確定。

1.1.1混凝土材料與保護(hù)層:

依據(jù)《公路工程混凝土結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)范》[1](JTG/T B07-01—2006)。混凝土材料與保護(hù)層在不同環(huán)境下的檢驗指標(biāo)見表1。

表1 混凝土材料與保護(hù)層狀態(tài)檢驗指標(biāo)

1.1.2凍融環(huán)境混凝土抗凍指標(biāo)

混凝土抗凍性指標(biāo)[2-3]為抗凍耐久性指數(shù)DF,見表2:抗凍耐久性指數(shù)DF為300次快速凍融循環(huán)后的動彈性模量與初始值的比值。

表2 混凝土抗凍耐久性指數(shù) DF 單位:%

DF=(N/300)×0.6

式中:N為試件彈性模量降低60%,或重量損失超過5%時凍融循環(huán)次數(shù)。

混凝土的凍融破壞與水密切相關(guān),在純凍情況下,混凝土的強(qiáng)度不降低, 因而將遼寧地區(qū)凍融期的降水量與混凝土凍融次數(shù)相乘,簡稱為次水積 (次·mm )。該值越大則混凝土受到的凍害越嚴(yán)重。按次水積的高低將遼寧省混凝土的凍融等級劃分為2個等級,次水積 <8000 次·mm 和次水積 ≥8000 次·mm ,分別對應(yīng)遼-1級、遼-2級。

1.1.3抗凍等級

混凝土抗凍等級標(biāo)準(zhǔn):目前混凝土耐久性檢驗評定標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,當(dāng)采用快凍法時以F50～F400確定抗凍等級、用慢凍法時用D50～D20表示。

混凝土的凍融等級應(yīng)考慮凍融次數(shù)、受凍溫度、溫差與溫度變化速率、受凍時混凝土的飽水程度、環(huán)境中鹽的種類與濃度、水膠比(水灰比)、混凝土的含氣量與氣孔結(jié)構(gòu)、養(yǎng)護(hù)程度等許多因素有關(guān)。在確定混凝土的抗凍等級時需要綜合考慮環(huán)境條件等因素,在確定凍融等級時尚需考慮與耐久性指數(shù)相協(xié)調(diào)。

1.2 凍融耐久性檢驗方法

1.2.1凍融損傷外觀技術(shù)狀態(tài)檢驗

(1)凍融破壞外觀特征

凍脹裂縫沿骨料邊緣互相連通,凍融破壞嚴(yán)重時骨料周圍的膠凝材料酥松,水泥砂漿剝落。表現(xiàn)在物理力學(xué)特性方面即混凝土的動彈性模量、抗壓強(qiáng)度等會嚴(yán)重下降。

(2)凍融損傷檢驗要點

正確確定橋梁環(huán)境類別和作用等級,凍融損傷發(fā)生時間,凍融損傷歷史數(shù)據(jù)、損傷是否在發(fā)展、凍融損傷發(fā)生在構(gòu)件什么部位,對橋梁承載能力安全影響程度分析。掌握外觀損傷特征,有利于我們對橋梁技術(shù)狀態(tài)進(jìn)行評價與預(yù)測,進(jìn)而采取相應(yīng)維修加固措施。

1.3 凍融損傷評價方法

凍融損傷評價[4]一般有兩種方法:(1)通過對混凝土構(gòu)件表觀病害調(diào)查如混凝土抗壓強(qiáng)度損失率、表層混凝土剝落面積,保護(hù)層厚度損失率、氯離子濃度等因素,采用層次分析和多因素綜合評價技術(shù)對橋梁進(jìn)行綜合評估,最終確定橋梁等級;(2)考慮混凝土凍融損傷造成構(gòu)件剝落、鋼筋開始銹蝕的耐久性評價方法,對實橋進(jìn)行驗證。

混凝土表層(x=0)開始明顯剝落的凍融循環(huán)次數(shù)N0:

No=Nin/δio

式中:N0為表層(x=0)開始明顯剝落的凍融循環(huán)次數(shù);Nin為結(jié)構(gòu)建成后至檢測時經(jīng)歷的凍融循環(huán)次數(shù);δio為檢測時構(gòu)件表層混凝土強(qiáng)度損失率。

凍融后混凝土抗壓強(qiáng)度損失率δf:

式中:δf為凍融后混凝土抗壓強(qiáng)度損失率 ;fcf為凍融后混凝土軸心抗壓強(qiáng)度;fc為未凍前混凝土軸心抗壓強(qiáng)度。

在預(yù)測t年其凍融循環(huán)次數(shù)N時的混凝土抗壓強(qiáng)度損失率δft:

δft=mte-nx×Nt

式中:X為檢測點距混凝土表面距離,單位mm;Nt為預(yù)測t年凍融循環(huán)次數(shù)。

式中:δix為檢測時距表面x處的混凝土強(qiáng)度損失率;h為N1次凍融循環(huán)后混凝土剝落深度,單位mm。

1.3.1凍融損傷耐久性評定等級

當(dāng)今我國橋梁管理系數(shù)將橋梁技術(shù)狀態(tài)劃分5個級別,第1級別狀態(tài)最優(yōu),第5級別為耐久性不滿足要求,詳見表3。

表3 橋梁技術(shù)狀態(tài)分級

表3式中:Nt為混凝土表層出現(xiàn)明顯凍融損傷的剩余凍融循環(huán)次數(shù);Ne為結(jié)構(gòu)在下一個目標(biāo)使用年限內(nèi)將經(jīng)受的凍融循環(huán)次數(shù);γ0為耐久重要性系數(shù),γ0取0.9～1.1。

1.3.2凍融損傷后鋼筋銹蝕耐久性評定

考慮混凝土碳化與凍融后加速鋼筋銹蝕耐久性分析

混凝土碳化系數(shù):

嚴(yán)重剝落深度x:

式中:t0為凍融嚴(yán)重剝落時間。

鋼筋開始銹蝕時間tcr:

2 鹽腐蝕狀態(tài)耐久性檢驗與評價

2.1 鹽損傷外觀技術(shù)狀態(tài)檢驗

純除冰鹽情況破壞與純凍融破壞的特征是有區(qū)別的。在純除冰鹽情況下,混凝土表面砂漿層剝落,骨料暴露,表面凹凸不平,但剝蝕層下混凝土依然密實,純粹鹽腐蝕混凝土強(qiáng)度不受影響,破壞從表層逐步向內(nèi)部發(fā)展,而混凝土的動彈性模量、抗壓強(qiáng)度基本不會降低。

2.2 鹽腐蝕狀態(tài)耐久性評價方法

正確確定橋梁環(huán)境類別和作用等級,鹽腐蝕發(fā)生時間,損傷歷史數(shù)據(jù)、腐蝕是否在發(fā)展、損傷發(fā)生部位,氯離子濃度及其分布撿測,鋼筋銹蝕程度對橋梁承載能力安全影響程度分析。硏究混凝土鹽凍融損傷造成構(gòu)件剝落、鋼筋開始銹蝕的耐久性評價方法的修正并對實橋進(jìn)行驗證。

2.2.1氯鹽腐蝕損傷評價極限狀態(tài)

混凝土出現(xiàn)表觀可接受缺陷或鋼筋允許銹蝕深度作為鹽凍腐蝕耐久性極限狀態(tài)。

2.2.2不考慮凍融氯鹽腐蝕損傷評價方法

(1) 不考慮氯離子擴(kuò)散系數(shù)時間依賴性,鋼筋開始銹蝕時間:(水灰比>0.55, 或擴(kuò)散系數(shù)已穩(wěn)定)

式中:ti為鋼筋開始銹蝕時間,單位a ;c為混凝土保護(hù)層厚度,單位mm;K為氯鹽侵蝕系數(shù);D為氯鹽子擴(kuò)散系數(shù);erf為誤差函數(shù) ;Ms為混凝土表面氯離子濃度;Mcr為鋼筋銹蝕臨界氯離子濃度。

(2)考慮擴(kuò)散系數(shù)時間依賴性不穩(wěn)定或水灰比<0.55,鋼筋開始銹蝕時間:

式中:D0為檢測時刻的氯離子擴(kuò)散系數(shù);a為時間依賴系數(shù)。

(3) 氯離子擴(kuò)散系數(shù)

式中:x為氯離子擴(kuò)散深度,單位mm ;t0為結(jié)構(gòu)建成至檢測時的時間,單位a;M(x,t0)為檢測時x深度處的氯離子濃度,單位% ;Ms為實測擬合混凝土表面氯離子濃度,單位%。

(4)擴(kuò)散系數(shù)與時間關(guān)系

Dt=D0(t0/t)α

α=0.2+0.4(%FA/50+%SG/70)

式中:%FA為粉煤灰占膠凝材料百分比;%SG為礦渣占膠凝材料百分比。

(5)保護(hù)層銹脹開裂時間tcr

普通硅酸鹽混凝土鋼筋腐蝕電流密度

式中:Msl為鋼筋表面氯離子濃度,單位kg/m3;mcl為局部環(huán)境系數(shù);T為大氣環(huán)境溫度。

ρ混凝土電阻率:

保護(hù)層開裂前鋼筋年平均銹蝕率λcl:

λcl=11.6×i×10-3mm/a

式中:i為鋼筋腐蝕電流密度,單位μA/cm2

保護(hù)層開裂時鋼筋臨界銹蝕深度δcr:

δcr=0.012c/d+0.00084fcuk+0.018

式中:d為鋼筋直徑,單位mm ;c為混凝土保護(hù)層,單位mm。

鋼筋開始銹蝕至保護(hù)層銹脹開裂時間tc:

保護(hù)層銹脹開裂時間tcr:

tcr=ti+tc

2.2.3考慮凍融因素氯鹽腐蝕損傷耐久性檢驗方法

(1) 氯鹽環(huán)境鋼筋開始銹蝕時間

不考慮氯離子擴(kuò)散系數(shù)時間依賴性,鋼筋開始銹蝕時間:(水灰比>0.55,或擴(kuò)散系數(shù)已穩(wěn)定、或偏于保守)

(2) 混凝土凍融剝落深度x時需經(jīng)受似凍融循環(huán)次數(shù)Nx

式中:N0為表層出現(xiàn)明顯凍融損傷t0時的循環(huán)次數(shù),N0=t0×Ai。

(3)混凝土橋梁所在地區(qū)鋼筋開始銹蝕所需凍融循次數(shù)

(4) 同時考慮氯鹽、凍融環(huán)境鋼筋開始銹蝕時間混凝土剝落深度

Nx=Ni

(5)損傷前鋼筋年平均銹蝕速率λcl

λcl=11.6×i×10-3

(6)損傷后鋼筋年平均銹蝕速率

λcli=(4.5-26λcl)λcl

(7) 鋼筋銹蝕率η時的時間

3 鐵四線昌圖5號橋施工案例分析

昌圖5號橋位于沈四高速公路鐵嶺段 K112+737處,建成于1998年。橋梁全長83.4m,斜交角為50°,跨徑布置為5×16.0m,橋面凈寬14.25m,橋面鋪裝采用瀝青混凝土,上部結(jié)構(gòu)為無翼緣12片預(yù)應(yīng)力簡支空心板,橋面連續(xù)。下部結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土肋板臺和3柱式橋墩,基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。設(shè)計荷載:汽-超20、掛車-120。示意圖見圖1～圖3。

圖1 昌圖中橋5立面示意圖(單位:cm)

圖2 昌圖中橋5平面示意圖

圖3 昌圖中橋5橫斷面示意圖(單位:cm)

2007年檢測空心板混凝土強(qiáng)度45.4～47.4MPa;2010年檢測,混凝土表層水泥漿脫落、骨料外露,混凝土強(qiáng)度11.4MPa、碳化深度11.9mm。未損傷部位混凝土強(qiáng)度34.0MPa,碳化深度10.6mm。

3.1 凍融損傷構(gòu)件剝落耐久性評定

(1)2010年檢測時構(gòu)件表層混凝土強(qiáng)度損失率

(2)2010年檢測時凍融循環(huán)次數(shù)Nin:由遼寧省部分地區(qū)氣象資料統(tǒng)計開原站地表最低溫度小于t℃的天數(shù)為98.8d。

Nin=98.8×12=1185.6次

(3)混凝土表層(x=0)開始明顯剝落的凍融循環(huán)次數(shù)N0

No=Nin/δio=1185.6/ 0.7489=1583.12次

出現(xiàn)凍融嚴(yán)重?fù)p傷時間t0=1583.12/98.8=16.02(而實測為12年已開始混凝土剝落,但不嚴(yán)重)。

(4) 混凝土出現(xiàn)嚴(yán)重凍融損傷剩余的凍融次數(shù)Nt

Nt=N0-Nin=1583.12-1185.6=397.52次

(5) 保特橋梁技術(shù)狀態(tài)第4等級其耐久性指數(shù)1.0,橋梁需要維修剩余時間t

3.2 考慮凍融損傷加速鋼筋銹蝕耐久性評定

(1)m、n系數(shù)

式中:δfx為檢測時x截面的強(qiáng)度損失率;δfo為檢測時表面截面的強(qiáng)度損失率;x為檢測點距混凝土表面的距離,x=50mm。

假定x截面尚未損傷強(qiáng)度同未損傷表層混凝土抗壓強(qiáng)度34.0MPa ,則檢測時距表面x處的混凝土強(qiáng)度損失率δfx:

δfx=1-34/45.4=0.251

mf=δfo/Nin=0.7489/1185.6=0.00063

(2) 預(yù)測20aN=98.8×20=1976次空心板在凍融后混凝土抗壓強(qiáng)度損失率δf

δf=mfe-nx×N=0.00063×e-0.0219×50×1976=0.4165

(3) 預(yù)測20a空心板在x=50mm處凍融后混凝土抗壓強(qiáng)度fcf

3.3 凍融加速鋼筋銹蝕耐久性分析

凍融嚴(yán)重剝落時間t0=16.02 a。嚴(yán)重剝落深度x:

得x=33.99=34。則鋼筋開始銹蝕時間t1

3.4 按氯鹽腐蝕耐久性檢驗

鐵四線昌圖5號橋主梁混凝土設(shè)計強(qiáng)度為C40,2007年檢測空心板混凝土強(qiáng)度45.4～47.4MPa;2010年檢測,混凝土表層水泥漿脫落、骨料外露混凝土強(qiáng)度11.4MPa、碳化深度11.9mm。未損傷部位混凝土強(qiáng)度34.0MPa,碳化深度10.6mm。表面氯離子濃度0.254%(混凝土質(zhì)量比),鋼筋表面氯離子濃度0.0321%～0.044%t0=12a,擴(kuò)散系數(shù)D=45.2×10-6m2/a。

3.4.1鋼筋開始銹蝕時間:擴(kuò)散系數(shù)已穩(wěn)定

誤差函數(shù)erf-1(1-0.058/0.254)=0.85D=45.2×10-6

3.4.2鋼筋開始銹蝕至保護(hù)層銹脹開裂時間tc

普通硅酸鹽混凝土鋼筋腐蝕電流密度:

實測鋼筋表面氯離子濃度Msl=0.044%=1.056kg/m3

保護(hù)層開裂前鋼筋年平均銹蝕率λcl:

λcl=11.6×i×10-3=11.6×0.4991×10-3=0.00579 mm/a

保護(hù)層開裂時鋼筋銹蝕深度δcr

δcr=0.012c/d+0.00084fcuk+0.018=0.012×50/12+0.00084×0.668×40+0.018=0.0904mm

鋼筋開始銹蝕至保護(hù)層銹脹開裂時間tc

3.4.3保護(hù)層銹脹開裂時間tcr

tcr=ti+tc=19.2+15.62=34.82a

3.5 考慮凍融與氯鹽環(huán)境下混凝土耐久性評定方法

由上文可知:k=0.0114;c=50 mm;n=0.0219;δi0=0.7489。

No=1583.12次;t0=16.02;λcl=0.00579mm/a;λcli=0.0252 mm/a。

鋼筋開始銹蝕時間:

4 結(jié)語

文章對混凝土在純凍融和鹽凍兩種環(huán)境下的耐久性評價指標(biāo)進(jìn)行修正,并根據(jù)實橋檢測結(jié)果進(jìn)行驗證。通過驗證結(jié)果來看,修正后的評價指標(biāo)基本符合現(xiàn)場檢測結(jié)果。

對實橋三種環(huán)境狀態(tài)進(jìn)行評估:凍融狀態(tài)、氯鹽環(huán)境入浸狀態(tài)、凍融與氯鹽共同作用狀態(tài)。從評估分析結(jié)果來看,凍融與氯鹽共同環(huán)境對鋼筋銹蝕作用最明顯,凍融環(huán)境對鋼筋銹蝕作用次之,氯鹽環(huán)境對鋼筋銹蝕作用最輕。