橋梁混凝土抗凍性能分析和防護措施

王曉黎

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，西安 710043)

1 概述

隨著我國基礎建設的快速發展,混凝土工程耐久性問題也越來越受到重視,這是由于它直接影響到工程的使用壽命和安全性,關切到工程的經濟和社會效益。尤其近幾年來,鐵路、公路工程快速發展,對社會經濟的發展承擔著重要的服務角色,因此混凝土的耐久性顯得格外重要。而混凝土的耐久性又是眾多因素影響的復雜系統,如混凝土的碳化、抗侵蝕性、抗凍融性以及堿骨料反應等。在我國寒冷地區,從以往的過程調查中發現,混凝土不同程度的發生凍融剝蝕病害,削弱了混凝土結構尺寸,給工程的耐久性和安全帶來隱患。

對寒冷地區部分橋梁墩臺的調查發現，跨越河流的水中墩在冬季積冰面處混凝土出現剝蝕現象，即墩臺混凝土向陽面冰水面附近20 cm左右表層混凝土有局部脫落現象。尤其是嚴寒地區水中墩施工完1～2年后就會出現混凝土剝蝕(圖1)。為此寒冷地區的混凝土工程在設計中,應考慮混凝土的抗凍性。

圖1 橋墩剝蝕現象照片

2 橋墩混凝土剝蝕狀況及認識

根據調查的具體數字統計出,發生剝蝕的橋墩占跨河橋梁橋墩總數的20%。混凝土剝蝕的橋梁工點絕大部分出現在橋墩積冰面處,向陽面比陰面剝蝕程度嚴重。橋墩混凝土剝蝕的范圍及深度各工點也不盡相同,大部分深度2～3 mm,個別橋墩深度達到10 mm。

對河水水樣進行了水質分析,按照《鐵路混凝土與砌體工程施工質量驗收標準》中環境水對混凝土侵蝕性的判定,河水均無侵蝕。混凝土表面剝蝕與環境水的腐蝕性關系不大。經過初步調查以及調研國內外有關混凝土剝蝕的資料,經初步分析,造成混凝土表層剝蝕的主要原因是該部分混凝土凍融交換劇烈所致。但是導致混凝土剝蝕發生與設計、施工中的各種條件,比如早期受凍(即混凝土在未達到臨界抗凍強度而受凍)、水膠比過大、混凝土含氣量不夠、未能按照不同部位的要求配制混凝土等因素有關系。

綜上所述,混凝土表面剝蝕從橋墩結構本身力學性能上講,結構強度等方面可以滿足受力要求,但是從工程長期耐久性上看,將影響結構的耐久性,對于已出現的橋墩混凝土剝蝕問題應及時采取補救措施,防止混凝土進一步凍融破壞。因此應采取可靠措施對混凝土剝蝕進行整治,以確保橋梁工程的耐久性。

3 國內外混凝土抗凍性研究及現狀

混凝土建筑物所處環境凡是有正負溫交替、混凝土內部含有較多水的情況,混凝土都會發生凍融循環,以至疲勞破壞。為此,國內外眾多學者在混凝土凍融性能上,從宏觀到亞微觀(氣泡參數等)均作了大量的研究,制訂了混凝土建筑物在不同環境運行條件下的抗凍耐久性設計要求。美國、日本等國在混凝土抗凍性設計上,實行了統一模式制,即無論環境條件如何,混凝土耐久性的要求就是300次凍融循環,相對耐久性指數>80%。歐洲和我國等都是根據建筑物所處的環境條件設立不同抗凍等級的設計要求。

半個世紀的實踐表明,我國混凝土整體耐久性偏低,現有的抗凍等級不能滿足混凝土結構長期耐久安全運行的要求,混凝土工程中凡是出現正負溫交替的地區,均存在有混凝土的凍融破壞問題,而且以東北、華北、西北地區較為嚴重。工程類別中又以水工、港工、路橋較為突出。因此,如何從整體上提高我國建筑物混凝土的抗凍安全性,已成為迫切需要解決的問題。

3.1 混凝土凍融破壞原因

研究混凝土凍融破壞原因很重要,只有充分了解引起混凝土凍融破壞的原因,才能正確選擇混凝土的抗凍措施。混凝土凍融破壞的主要原因有。

(1)水、負溫、凍融循環是混凝土凍融破壞的首要原因

眾所周知,有了負溫、水才能產生冰凍。在負溫條件下混凝土內部孔隙水凍結,在正溫下水融化,一凍一融,使混凝土遭到破壞。形成凍融的條件有兩種,一是氣溫正負交替；另一種是冬季水位漲落,使混凝土表面出現凍融。反復凍融循環次數越多、越頻繁,混凝土再生能力的恢復期越短,則混凝土的凍融破壞越嚴重。而且負溫和凍融循環次數比較起來,后者影響較大,因為即使溫度很低,但冰凍了后不融化或很少融化,破壞作用次數減少,危害相對輕；反之若凍融次數多,則破壞嚴重。

(2)混凝土干濕狀態的影響

水完全結冰后可產生9%的體積膨脹,如果混凝土孔隙中完全充滿水,這么大的膨脹足以使混凝土開裂破壞。理論上當混凝土中的孔隙飽水度小于91%時,混凝土就不會受凍破壞。所以混凝土是干是濕,其干濕程度、飽和狀態對混凝土的凍融破壞影響很大。

(3)施工質量

施工質量對混凝土抗凍性起決定性的影響,許多在室內試驗達到要求的混凝土,現場施工卻常常滿足不了要求,施工質量越差,問題越嚴重。

3.2 影響混凝土抗凍性的主要因素

混凝土的抗凍性與氣泡間距、凍結溫度、凍融速率、孔隙中水的含量、材料的滲透系數以及抵抗破壞的能力等因素有關。主要影響因素是水灰比、含氣量、平均氣泡間距、摻和料、施工質量等。

(1)混凝土的水灰比

混凝土的水灰比愈大,其毛細管越多,吸水率越大,其在凍融過程中產生的膨脹壓力和滲透壓力也越大,其抗凍性亦越差。

(2)混凝土的含氣量

混凝土中摻用引氣劑,其所產生的無數微小和互不連續的氣泡具有緩解凍融過程中產生膨脹壓力和滲透壓力的作用,由于混凝土中有無數不連續的小氣泡,使混凝土中孔隙飽水度難以達到91%,因而混凝土具有較高的抗凍性。

(3)摻和料對混凝土抗凍性的影響

目前許多工程都采用諸如粉煤灰、硅粉、磨細礦碴粉等混合材料,研究表明,采用優質粉煤灰,并維持一定含氣量可以提高抗凍性。摻硅粉的混凝土顯著改變了孔結構,使混凝土結構致密,有利于改善氣泡參數提高混凝土抗凍性。

3.3 混凝土抗凍性措施

從大量的資料中了解到混凝土抗凍國內外主要采取調制高性能混凝土來滿足環境造成的混凝土劣化。在抗凍性方面,根據環境設定混凝土抗凍指標、水膠比、含氣量、氣泡間距、摻和料等以抵消環境對混凝土的劣化。

4 嚴寒地區鐵路橋梁混凝土耐久性設計

在惡劣的自然環境下建設鐵路工程,混凝土材料面臨著嚴峻的挑戰。在設計前期,對混凝土首先考慮從耐久性入手,研制高性能混凝土。

考慮惡劣的自然環境多方面影響因素,混凝土必須具有七方面高性能的耐久性指標,首先混凝土的抗凍融循環性能應不小于300次。然后從抗滲性、護筋性、抗氯離子滲透性、抗裂性、耐腐蝕性、抗堿-骨料反應性能、耐風蝕性能,并在原材料、配合比、混凝土的拌制、養護等方面控制質量,而且根據不同的結構,以及同一結構不同部位的混凝土配合比均應有不同的要求,特別在水位變動區混凝土的最大水膠比、最小膠凝材料用量等項要求。

外加劑宜選用具有早強、減水、防凍、引氣、能細化孔結構等功能的復合型產品,不宜選用液體類產品。

養護：應嚴格控制混凝土的養護溫度不低于混凝土外加劑規定的最低適用溫度。當養護溫度低于0 ℃時,應采取臨時保溫措施,直至混凝土的強度達到臨界抗凍強度。

5 防止混凝土剝蝕設計方案

通過國內公路、水工等工程對混凝土剝蝕的研究和處理措施的調研,無論采取何種方法,都是對已損壞的混凝土表面進行修補或補強。因此,對剝蝕的墩身進行修補或采取隔離措施使冰(水)不直接與墩身接觸,即可保證橋墩表面不再繼續發生剝蝕。

通過對國內資料的研究和方案比較,提出工藝可行,現場操作方便,且技術較為成熟,安全可靠的方案。

外包高抗凍性混凝土和鋼板：采取在橋墩上外包高性能C30混凝土,外包鋼板。鋼板厚5 mm(采用耐候鋼板)。防腐措施采用液態環氧樹脂涂抹2 mm厚或IC531防護體系。具體方案見圖2。

圖2 外包高抗凍性混凝土和鋼板(單位：cm)

施工要求：混凝土耐久性好,抗凍性強,抗滲性能強,密實度好。抗凍性滿足F300以上,耐久性指數DF大于85%,最小膠凝材料用量450 kg/m3,水灰比0.35,含氣量6%,氣泡間距小于300 μm。

注意混凝土保溫、保濕,特別要保證混凝土的臨界抗凍強度,以避免混凝土早期受凍。

6 結語

近年來隨著我國工程建設在嚴寒地區橋梁混凝土所處的自然環境惡劣,出現了不少病害,人們對混凝土的凍融剝蝕現象,有了進一步的認識,基本掌握了混凝土凍融剝蝕原因和影響因素,提出了混凝土耐久性設計,并制定了相應規范。但是，在實踐中單從混凝土材料上提高了要求,還不能夠對一些極端的情況徹底消除,為此還必須采取工程措施進行防止,方能達到好的效果,因此對混凝土冰水交接面上下采取工程措施,并在今年多條鐵路線橋梁工程中得到應用。

[1]中國工程院土木水利與建筑學部工程結構安全性與耐久性研究咨詢項目組.混凝土結構耐久性設計與施工指南[M].北京：中國建筑工業出版社,2004.

[2]吳中偉，廉惠珍.高性能混凝土[M].北京：中國鐵道出版社,1999.

[3]李金玉，曹建國.水工混凝土耐久性的研究和應用[M].北京：中國電力出版社,2004.

[4]楊文淵,徐 犇.橋梁維修與加固[M].北京：人民交通出版社,1995.

[5]混凝土結構耐久性概論[M].上海:上海科學技術出版社,2003.

[6]陳肇元.土建結構工程的安全性與耐久性[M].北京：中國建筑工業出版社,2003.

[7]DLT5082—1998,水工建筑物抗冰設計規范[S].

[8]JTJ270—98，水運工程混凝土試驗規程[S].

[9]中國土木工程學會高強混凝土委員會.高強混凝土結構設計與施工指南[S].北京：中國建筑工業出版社，1995.

[10]馮乃謙.高性能混凝土結構[M].北京：機械工業出版社，2004.