橋梁混凝土結構耐久性研究

鄭州市中途工程咨詢有限公司 史成梅

橋梁混凝土結構耐久性研究

鄭州市中途工程咨詢有限公司 史成梅

隨著我國交通基本建設的快速發展，鋼筋混凝土結構被廣泛應用于橋梁建設中，一直被認為是一種具有優良耐久性的結構形式。但是，近年來大量的服役橋梁存在安全隱患，鋼筋混凝土結構由于各種各樣的原因而提前失效，達不到預定的服役年限。其中，有的是由于結構設計的抗力不足，有的是由于使用荷載的不利變化，更多的是由于結構的耐久性不足。耐久性失效是導致橋梁混凝土結構在正常使用狀態下失效的最主要原因。加強對橋梁鋼筋混凝土結構耐久性的研究，樹立全壽命設計的理念，對于節約不可再生資源、保護環境和維持國民經濟的可持續發展，都具有非常重要的意義。

一、影響橋梁混凝土結構耐久性的因素

1.橋梁設計的標準低。我國在上世紀80年代以前建設的橋梁的設計荷載標準較低，然而，隨著經濟建設的發展和交通量的日益增多、繁重，以前設計標準較低的公路橋梁卻仍在使用，它們早已不能滿足現階段的交通需要，其本身的安全性和耐久性問題隨時都可能發生，因此，存在較大的安全隱患。

2.橋梁設計理念不合理。在設計過程中，設計者僅考慮橋梁的結構強度、計算結果滿足規范要求，卻忽視從結構體系、結構構造、結構材料、結構維護、結構耐久性以及使用全過程中經常出現的人為因素等方面綜合計算橋梁混凝土結構的耐久性。另外，保護層厚度過小、鋼筋直徑過細、構件截面過薄等等原因，都會嚴重影響橋梁的耐久性。

3.材料因素。

（1）鋼筋的銹蝕。混凝土中的高堿性溶液可以使鋼筋表面形成一層惰性的水化氧化鐵薄膜，可以阻止鋼筋的銹蝕。但氧化鐵薄膜被破壞后，鋼筋會生成鐵銹，鐵銹的體積比鐵大的多，易引起混凝土的開裂，使鋼筋和混凝土的有效工作面積減小，此外，銹蝕鋼筋的強度和塑性性能下降，這些都會導致鋼筋混凝土構件結構性能下降。當銹蝕的質量大于1%時，鋼筋的銹蝕會減小鋼筋與混凝土之間的黏結力，鋼筋與混凝土之間黏結力下降，同樣會導致鋼筋混凝土結構性能的降低。對于預應力鋼筋混凝土結構來說，鋼筋銹蝕會對結構性能產生更加嚴重的影響。

（2）混凝土的碳化。混凝土的碳化是指空氣中二氧化碳與水泥石中的堿性物質相互作用，使其成分、組織和性能發生變化，從而引起使用機能下降的一種很復雜的物理化學過程。當混凝土完全碳化后，就會出現pH＜1的情況，在這種環境下，混凝土中埋置鋼筋表面的鈍化膜被逐漸破壞，在其他條件具備的情況下，鋼筋就會發生銹蝕等一系列不良后果。

（3）氯離子對混凝土結構的侵蝕。我國沿海地區的混凝土工程由于長期受氯離子侵蝕，混凝土中的鋼筋銹蝕現象非常嚴重；北方地區，為保證冬季交通暢行，向道路、橋梁等拋撒融雪劑材料，大量使用的氯化鈉和氯化鈣，使得氯離子滲入混凝土，引起鋼筋銹蝕破壞；我國還有廣泛的鹽堿地，腐蝕現象也很嚴重。從這3個方面可以看出，我國有大量的鋼筋混凝土在遭受鋼筋銹蝕危害，影響其結構耐久性。氯離子主要是通過破壞鈍化膜、形成腐蝕電池、去極化作用和導電作用的機理對混凝土結構進行銹蝕的。

（4）混凝土的凍害。在拌制混凝土時，為了得到必要的和易性，加入的拌和水總要多于水泥的水化水，這種自由水就是導致混凝土遭受凍害的主要因素，因為水遇冷凍結成冰會發生體積膨脹，引起混凝土內部結構的破壞。當處于水飽和狀態時，若毛細孔中的水結冰，則膠凝孔中的水就處于過冷狀態，膠凝孔中處于過冷狀態的水分子因其蒸汽壓高于同溫度下冰的蒸汽壓而向壓力毛細孔中冰的界面處滲透，于是在毛細孔中又產生一種滲透壓力，使毛細孔中的冰體積進一步膨脹。當這兩種壓力超過混凝土的抗拉強度時，混凝土就會開裂。在反復凍融循環后，混凝土便會遭受嚴重破壞。

二、提高橋梁混凝土結構耐久性的措施

1.耐久性方案設計。充分考慮各種可變因素對鋼筋混凝土結構使用壽命的影響，如環境溫度、混凝土內應力、裂縫等，以建立使用壽命預測系統，為耐久性方案的設計提供指導和依據，制定有針對性的耐久性解決方案。

（1）提高混凝土保護層厚度。這是提高鋼筋混凝土使用壽命的最直接、簡單而且經濟有效的方法。但是保護層厚度并不能不受限制的任意增加，當保護層厚度過厚時，由于混凝土材料本身的脆性和收縮性會導致混凝土保護層出現裂縫，反而削弱其對鋼筋的保護作用。

（2）限制裂縫寬度。研究表明，相同條件下帶裂縫工作的鋼筋混凝土構件，其主筋銹蝕的速度為不帶裂縫工作構件的3倍，箍筋銹蝕的速度可達主筋的5倍，因此，應對裂縫進行嚴格限制。

（3）慎重設計橋面防滲構造。橋面滲水的排除和防滲漏是提高橋梁耐久性的有效措施。從20世紀60年代起開始使用防水混凝土構造，但其實際防水效果尚未得到證實。目前國內廣泛采用的是FYT型（屬于柔性防水范疇）和M1500型（屬于剛性防水范疇）防水構造。橋面排水系統也應通暢，泄水管的出口不能位于蓋梁上或橋墩的側面，以免混凝土結構被水飽和。

2.采用新材料、新技術、新工藝。

（1）采用高性能混凝土（HPC）。高性能混凝土的強度和耐久性都優于一般概念的混凝土，高性能混凝土中加入了比水泥顆粒小約100倍的膠凝材料（如硅粉、優質粉煤灰等），并采用高效減水劑降低水灰比，采用高強度的骨料。其結果減小了骨料與膠凝材料間的孔隙率，改善了混凝土的滲透性，從而大大提高了混凝土的耐久性。

（2）摻入耐久性改善劑。混凝土中摻入的耐久性改善劑，可填充于混凝土孔隙中，提高混凝土的密實度與抗滲性，并能進一步降低混凝土的干縮，提高混凝土的抗凍性及耐酸性。

（3）在鋼筋表面涂刷防腐蝕涂層。防腐蝕涂層的致密性要好，否則水分、氧和腐蝕性介質可以穿透涂層而產生電子傳遞現象，同時涂層與鋼筋間的黏結力要好，并且涂層要有良好的物理力學性能，如抗變形、抗摩擦等。

（4）結構表面涂層。混凝土表面的涂層可以阻止氯離子侵蝕混凝土和抑制混凝土碳化深入混凝土內部，涂層應具有足夠的彈性和熱穩定性，并能適應裂縫的開合而不會斷裂，與混凝土表面有足夠的黏結力，且能抵抗侵蝕環境的腐蝕。

（5）引氣劑。在混凝土中摻加引氣劑，對于提高混凝土的密實性、施工性、抗凍性等有很大的作用，特別是可成倍地提高海洋環境中混凝土的抗凍融循環能力。而我國運用引氣劑較少，應大力發展，尤其在北方鹽凍地區使用更具有應用價值。

（6）加強防腐蝕施工新技術的研究與應用。如，對于重要構件的陰極保護法、對已遭受氯離子侵害的上部構造的電流采用脫鹽技術、增加混凝土表面密實性的滲透可控模板墊料等，雖然目前這些技術還存在著造價高的不足，但隨著技術的進步和造價的降低，將逐漸成為提高混凝土耐久性的重要手段。

3.重視養護管理。

（1）充分重視橋梁的超載問題。目前，在我國公路運輸中普遍存在橋梁通行的車流量超過原設計量和車輛嚴重違規超載的問題。一方面，會致使橋梁疲勞應力幅度加大，損傷加劇，甚至引發一些結構破壞；另一方面，由于超載造成的橋梁內部損傷不能恢復，將使得橋梁在正常荷載下的工作狀態發生變化，可能嚴重影響橋梁的安全性和耐久性。因此，在控制橋梁通行車流量的同時，要嚴格管理車輛違規超載。

（2）系統檢查與評定。對已建工程應定期檢查與評定，對于同一個工程結構物應形成連續的資料，對于重要的構造物甚至可以安裝全過程監測系統。只有積累大量的資料，才能為科研部門的研究工作和管理部門的決策提供寶貴的資料和依據。

（3）做好日常的養護工作。橋梁的養護工作主要是通過檢查與評定來系統地掌握橋梁的技術狀況，較早地發現缺陷、損壞等異常情況，提出養護措施，從而延長橋梁的使用壽命；另外，還要掌握交通狀況，嚴格管理超載車、特種車過橋，并采取相應的防護、加固措施，減小橋梁損壞。對可能發生臺風、暴雨、暴雪、地震、火災、流冰、洪水危害的橋梁，應做好各種防范措施及應急處理措施。對需要進行限載、限速或停止交通的橋梁，應及時進行交通管制。對橋梁各部分經常保養，對檢查發現的缺陷、損壞處進行及時的維修，對檢驗不能維持原設計載重等級要求的，應有計劃地進行維修加固，建立和健全完整的橋梁技術檔案