天津濱海地區橋梁劣化模式及應對措施

李宏祥 黃思勇

0 引言

2006年，天津濱海新區的開發開放被正式納入國家總體發展戰略。隨著濱海新區作為我國北方經濟發展引擎地位的確立和經濟的快速發展，新區范圍內工程建設規模也持續擴大。在這些建設投資中，基礎的市政交通工程是初期建設的重點，而這些工程的結構直接接觸沿海水土，造成了結構的過早劣化，特別是橋梁，處于最為惡劣的環境，因為，研究本區域的橋梁劣化模式、有針對性地進行應對，是保障橋梁耐久性的關鍵。

1 侵蝕性地下水對鋼筋混凝土的腐蝕

濱海地區侵蝕性地下水對鋼筋混凝土結構的腐蝕主要體現在以下幾方面。

1.1 地下水對混凝土的腐蝕

地下水對混凝土的侵蝕作用主要可歸納為三種:溶出性侵蝕、結晶性侵蝕和化學侵蝕。

在地下水環境下，使混凝土材料侵蝕或造成損傷的環境作用主要有凍融循環、干濕交替以及水、土中的硫酸鹽、鎂鹽、酸等化學介質的作用。

1)溶出性侵蝕。當混凝土長期與一些暫時硬度較小的水接觸時，水泥石中的Ca(OH)2溶解析出，當為靜水和無壓水時，溶出反應僅限于混凝土表面，影響不大，但在流水及壓力水作用下(如結構發生滲漏)，會不斷流失，隨著濃度不斷降低，堿度降低，水泥石中的C-S-H凝膠等隨著堿度的降低而不斷分解，使得混凝土內的孔隙增加、強度降低直至瓦解，進而造成混凝土中鋼筋的腐蝕加劇。

2)結晶性侵蝕。在污水處理池外壁地表附近，由于毛細作用，混凝土孔隙中充滿了液體，當地下水位及環境溫度變化時，液相中的鹽分析出，在一定溫度和濕度下轉化為體積膨脹的結晶水化物，體積膨脹，從而破壞混凝土結構[1］。

3)化學侵蝕。地下水中的硫酸鹽、鎂鹽還會和混凝土中的CaO·Al2O3和Ca(OH)2反應。

Ca(OH)2+MgSO4+2H2O→CaSO4·2H2O+Mg(OH)2

4CaO·Al2O3·12H2O·2H2O+3CaSO4+20H2O→3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O+Ca(OH)2

MgSO4起鎂鹽和硫酸鹽的雙重腐蝕作用，Mg(OH)2疏松無膠凝性，同時高硫型水化硫鋁酸鈣含有大量結晶水，且難溶于水，比原體積膨脹1.5倍以上，在混凝土內產生很大的膨脹應力，從而導致混凝土的開裂。

生成的CaCl2易溶于水，Mg(OH)2疏松無膠凝性。

在溫度低于15℃條件下，在硫酸鹽、碳酸鹽共同作用下，還可能形成碳硫硅鈣石(Ca3(SO4)(CO3)[Si(OH)6］×12H2O)，其結果是生成的碳硫硅鈣石毫無膠結能力，致使結構破壞。

在京津地區還可能發生的一種反應是堿骨料反應，是指混凝土中的堿或來自地下水中的堿與某些活性骨料發生化學反應，引起混凝土膨脹開裂，甚至破壞。包括堿、硅酸反應和堿、碳酸反應，不同類型堿、骨料反應的共同特征是:骨料發生膨脹和開裂。

1.2 侵蝕性地下水對鋼筋的腐蝕

鋼筋腐蝕破壞被確認為是導致鋼筋混凝土結構過早破壞的一個最主要的原因。

混凝土中鋼筋的銹蝕過程是電化學過程，在金屬表面進行任何一種化學腐蝕過程都必須具備四個條件:1)金屬表面各處之間有電位差;2)組成原電池的電解質溶液的電阻較小;3)陽極區的金屬表面處于活性狀態，能發生電離陽極反應;4)陽極區金屬表面上的電解質具有足夠數量的氧化劑(通常是水和氧)，能夠進行還原陰極反應。

研究結果表明，氯離子的侵蝕則是引起鋼筋腐蝕的首要因素。雖然對氯離子的腐蝕機理還存在許多不同觀點，但普遍認為，氯離子半徑小，活性大，進入混凝土到達鋼筋表面后，對鋼筋表面的鈍化膜具有破壞作用，促使鋼筋表面電化學反應的進行，而氯離子本身在鋼筋腐蝕過程中并不參加反應，只是不停地強化離子通道，降低陰極和陽極之間的電阻，加快電化學反應的過程。

濱海環境的地下水，由于受海水的影響，大多富含氯離子、硫酸根離子、鎂離子等對鋼筋混凝土有害的物質。隨著地下水水位的頻繁變化，特別是在近海處地下水水位受潮漲潮落變化影響的區域，鋼筋混凝土結構受到的腐蝕將最為嚴重，是結構耐久性設計應該重點考慮和解決的問題。

1.3 凍融和鹽凍作用破壞模式

凍融破壞形式是受潮混凝土在負溫條件下，由于水分結冰—融化反復作用造成的混凝土的破壞形式。混凝土受凍破壞的原理是水分結冰膨脹和相伴的由于水分遷移形成的滲透壓作用。當水分中含有鹽分時，這種破壞作用會顯著加劇。

鹽凍作用是指在負溫條件下鹽水對混凝土的凍融破壞作用。通常情況下，氯鹽對混凝土結構的腐蝕主要是通過腐蝕混凝土中的鋼筋形成的，但鹽凍作用是氯鹽對混凝土本體形成的腐蝕作用。

對于橋梁工程而言，鹽凍作用通常是由于冬季雨雪天噴灑化冰鹽水造成的，當地下水中氯離子含量較高時，也可能造成鹽凍破壞。鹽凍破壞和普通的混凝土凍融破壞在原理上并沒有本質的區別，破壞的形態也相同，但鹽凍作用更為嚴酷，因為氯離子的存在加速了凍融破壞的進程。可以認為鹽凍破壞是混凝土凍融破壞的一種特殊形式。

在天津的大量調查結果表明，如果橋面防水功能不良，由于橋面水下滲，泄水孔外壁縫隙下沿、梁的翼板下沿、腹板水流經處，以及蓋梁頂部等處經常處于潮濕狀態，為凍融破壞提供了條件。在和天津地區具有基本相同橋梁形式、氣候和使用條件的北京地區有關技術人員曾對北京市政橋梁因化冰鹽引起的腐蝕情況進行過比較系統的調查，其結果對研究天津地區橋梁受除冰鹽腐蝕的狀況具有同樣的指導性:“通過對北京地區某些立交橋混凝土結構的觀測發現，在有落水口或伸縮縫的墩柱處存在鋼筋腐蝕陽極區、順筋裂縫或層裂，墩柱根部也有不同程度的混凝土剝落現象。在負溫條件下，以上工程部位可能發生混凝土受凍破壞，以背陽面更為明顯。冬季使用化冰鹽水時加速了破壞的進程。”

2 提高鋼筋混凝土橋梁抗腐蝕性的方法

2.1 合理選擇水泥品種

不同品種的水泥，其化學成分及制成混凝土后的性能不同，其耐腐蝕程度也不相同，因此正確選擇混凝土的水泥品種十分重要。水泥通常分為5大類:硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥、礦渣水泥、火山灰硅酸鹽水泥、粉煤灰硅酸鹽水泥和特種水泥(如抗硫酸鹽水泥等)。

1)普通硅酸鹽水泥和硅酸鹽水泥性質基本相同，只是硅酸鹽水泥比普通硅酸鹽水泥純度更高。其特點是早期強度高、硬化快，制成的混凝土密實性好、堿度高，對鋼筋的保護性好。常用水泥中，普通硅酸鹽水泥混凝土的密實性最好，堿度最高，碳化速率最慢。2)礦渣水泥的耐水性和耐硫酸鹽性能略高。普通硅酸鹽水泥耐硫酸根的濃度為250 mg/L，而礦渣水泥耐硫酸根的濃度為450 mg/L。在常用水泥中，礦渣水泥耐氯化物的性能最好。但礦渣水泥混凝土的早期強度低，密實性差，干縮性大，易開裂，堿度也低于普通硅酸鹽水泥。3)火山灰質硅酸鹽水泥與礦渣水泥基本相同，但綜合性能差。火山灰質硅酸鹽水泥混凝土吸水性大，不適用于受凍融的工程，也不適用于干燥地區的結構，在一般有腐蝕的建筑工程中不推薦采用。4)抗硫酸鹽水泥由于組成中的鋁酸三鈣和硅酸三鈣低，具有較好的耐硫酸鹽性能。抗硫酸鹽水泥耐硫酸根的濃度可達2 500 mg/L。適用于有硫酸鹽腐蝕的地下和港口工程。其抗凍融和耐干濕交替性能都優于普通硅酸鹽水泥，但抗氯鹽腐蝕能力較差，在氯鹽與硫酸鹽并存的環境中(如海水)，防腐蝕效果不好，容易因鋼筋銹蝕而破壞，而且抗硫酸鹽水泥產量小，價格較貴。

2.2 合理選擇混凝土添加劑

在混凝土中摻加減水劑，可以減少拌合水量，可以達到提高混凝土密實性的目的;摻入引氣劑，可以在混凝土攪拌過程中產生大量均勻分布的微小氣泡，改善混凝土的和易性，提高混凝土的抗滲性能，達到抑制腐蝕的目的。在混凝土中摻入鹽類(如CaCl2)，對混凝土具有速凝、快硬作用，但易引起鋼筋的銹蝕，特別是對蒸汽養護混凝土。有關資料表明，混凝土中摻有18%的NaCl時，無定電流對鋼筋混凝土中鋼筋的破壞作用會增加100倍。因此，添加劑種類的選擇應該慎重。

在混凝土拌合物中加入外加劑(緩蝕劑)可以有效阻止混凝土中的鋼筋銹蝕。亞硝酸鈣是目前使用最廣的緩蝕劑，其防銹性能很好，用亞硝酸鈣與氯離子的摩爾比來表示銹蝕程序，則銹蝕的臨界范圍在0.07～0.09之間。一般摻混合料的硅酸鹽水泥要比純硅酸鹽水泥的抗腐蝕性強，但都不同程度地存在一些缺點，如早期強度偏低，降低混凝土的堿度、自收縮偏大、易開裂等。

對于污水處理廠的給排水構筑物，平面尺寸經常會超出規范伸縮縫的允許尺寸，設計上為防止混凝土開裂，有時會要求在混凝土中添加膨脹劑。不同使用目的下多種添加劑并用時，一定要采取謹慎的態度，根據施工現場試驗結果決定添加劑的種類和配比，以期達到最佳的工程效果。

另外，試驗證明在混凝土中摻用抗氯離子腐蝕和硫酸鹽腐蝕的防腐劑是抑制微生物腐蝕和地下水腐蝕的有效措施。

2.3 嚴格控制氯離子含量

氯離子是破壞鋼筋表面鈍化膜，引起鋼筋腐蝕的重要原因。混凝土中鋼筋腐蝕的氯離子臨界濃度與pH值存在著一定的關系，混凝土孔隙溶液的pH值低，則鋼筋腐蝕的氯離子臨界濃度也低。當混凝土外加劑、骨料、水等原材料的氯離子含量超標時，不得使用，否則必須采取技術措施。而外部環境的滲透則靠提高混凝土密實度、提高抗滲性、加大保護層厚度等措施來防止。

2.4 嚴格控制水膠比、水泥用量，提高混凝土耐久性能

同一水泥品種的混凝土抗侵蝕性隨著水膠比的減小而增強。水泥水化時所需的結合水，一般只占水泥質量的23%左右，混凝土硬化后，多余的水分就殘留在混凝土中形成水泡或蒸發形成毛細孔，因此水膠比過大，則混凝土密實性降低，但水膠比過小，則無法保證混凝土澆筑質量，易出現蜂窩、麻面等質量問題。濱海環境受侵蝕性地下水作用的鋼筋混凝土構筑物，混凝土的水膠比不宜大于 0.5，最好不大于 0.45。

2.5 加大保護層厚度

保護層厚度直接影響鋼筋的使用壽命，同樣條件下(環境介質、水泥用量、水膠比、水泥品種、添加劑、振搗和養護方法等)加大混凝土保護層，能延緩鋼筋混凝土的腐蝕。但應當注意，加大保護層厚度意味著加大了結構斷面的尺寸，同時當保護層超過一定厚度時，還應采取防止混凝土表面裂縫的構造措施。

2.6 用環氧樹脂涂層鋼筋

環氧樹脂涂層具有很高的化學穩定性和耐腐蝕性，且膜層具有不滲透性，能阻止水、氧、氯鹽等腐蝕介質與鋼筋接觸。且環氧樹脂涂層的彈性和耐摩擦性良好。GB 50011-2002混凝土結構設計規范規定:“三類環境下，鋼筋混凝土結構宜采用環氧樹脂涂層鋼筋”。

2.7 混凝土表面涂覆防腐涂層

根據混凝土的高堿性、含水性和多孔性特點，防腐涂層應具備耐堿性、耐久性和浸漬性的性能并且與混凝土有良好的結合力，同時涂料必須是安全、無毒和環保型的，如高滲透改性環氧樹脂，改變了以往常規環氧樹脂易收縮、不滲透等缺點，在污水處理廠、雨水泵站、地鐵等工程的防水防腐得到了廣泛應用。

2.8 從系統論角度考慮結構耐久性問題

混凝土耐久性是一個復雜的問題，科學的材料配比是基礎，而針對性的施工工藝則是關鍵，合理的養護制度是保障。針對具體工程，結合工程特點、地域環境等，制定專項工程的《設計、施工、驗收規程》，從設計之初，將耐久性問題通盤考慮，實行全過程的質量監控，執行事前控制，事中監控、調整，事后鑒證是最為經濟、可靠的措施，在這方面，我們已經取得了很多有益的經驗。

3 結語

由于鋼筋混凝土結構的復雜性及環境影響因素的不確定性，其腐蝕過程是非常復雜的。目前，隨著研究工作的不斷深入，混凝土已經從粗放轉向精細的定量化設計，污水環境下的混凝土腐蝕與防護技術已經取得了階段性的成果。耐久性觀念已經開始深入人心，并落實到工程的設計、施工、管理等規范中去。污水處理廠等工程耗資巨大，直接影響人們的健康生活，以整體論的角度考慮結構耐久性，是保證結構長期安全健康運營的必要前提，必須引起足夠重視。

[1]金偉良，趙羽習.混凝土結構耐久性[M］.北京:科學出版社，2002.

[2]重慶建筑工程學院，南京工學院.混凝土學[M］.北京:中國建筑工業出版社，1981.

[3]楊全兵.去冰鹽對混凝土腐蝕的機理[J］.上海建材學院學報，1991(4):95-97.

[4]張 愷.橋梁混凝土結構鋼筋銹蝕的重要原因——除冰鹽[Z］.