橋梁耐久性的影響因素及控制措施

崔巍

摘 要：連四海，路通八方，橋梁的興建與暢通，促進了人類社會的文化和經濟生活的繁榮與發展。但是橋梁一旦發生倒塌事故，就會帶來巨大的損失和災難。因此，政府和民眾都對橋梁安全非常重視，近年來橋梁結構的耐久性問題日益被人們所重視，該文論述了橋梁結構耐久性的內涵，綜述了國內外橋梁結構耐久性問題的影響因素，并提出了相關對策措施。以期引起人們對此問題的高度重視，促進我國橋梁建設事業的發展。

關鍵詞：橋梁結構 耐久性 影響因素 對策措施

中圖分類號：U441 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）12（a）-0088-02

混凝土是一種耐久性能良好的建筑材料，因而忽視了橋梁結構耐久性問題，造成了橋梁結構耐久性研究的相對滯后。因此，鋼筋混凝土結構耐久性問題是一個十分重要也是迫切需要加以解決的問題，通過開展對鋼筋混凝土結構耐久性的研究，一方面能對已有的建筑結構物進行科學的耐久性評定和剩余壽命預測，以選擇對其正確的處理方法；另一方面可對新建項目進行耐久性設計，揭示影響結構壽命的內部與外部因素，從而提高工程的設計水平和施工質量。因此，它既有服務于服役結構的現實意義，又有指導待建結構進行耐久性設計的理論意義，同時，對于豐富和發展鋼筋混凝土結構可靠度理論也具有一定的理論價值。

1 橋梁耐久性影響因素

1.1 設計上的影響

在我國現行鋼筋混凝土橋梁結構規范中主要考慮的是荷載作用下結構安全性與適用性的需要，并未能充分考慮結構耐久性要求，而且在具體的條文中也沒有充分體現出來。因此在以往的乃至現在的橋梁結構設計中普遍存在著重強度設計而輕耐久性設計的現象。如在沿海城市和地區修建的橋梁未能充分考慮水土中鹽類侵蝕和大氣中的鹽霧作用，北方修建的橋梁沒有考慮可能遭受的除冰鹽外的侵蝕。京津地區的城市立交橋由于冬天撒冰鹽及冰凍作用，使用十幾年后就出現問題，需限載、大修或拆除。跨海大橋浪濺區構件仍舊改用不耐氯鹽侵蝕的混凝土和較簿的保護層厚度，公路橋面板的混凝土保護層厚度有的僅為2 cm。這些做法在國外的通用標準中是不許可的，但并不違反我國規范的規定。因此可能就導致混凝土橋梁結構在設計的時候就存在了缺陷或者薄弱環節，那么混凝土橋梁結構的耐久性不足就是必然會出現的。

1.2 材料方面的影響

1.2.1 堿一骨料反應

堿骨料反應是混凝土組成中水泥、外加劑、摻合料或拌和水中的可溶性堿溶于混凝土孔隙中，與骨料中能與堿反應的活性成分在混凝土硬化后逐漸發生的一種化學反應。反應生成物堿硅凝膠有吸水膨脹的特性，在有水分存在的條件下，膨脹使混凝土產生內應力，導致混凝土開裂、剝落和膨脹疏松，稱為堿骨料反應損傷。堿骨料反應損傷產生須具備三個條件，即要有足夠的堿份、堿活性骨料和水。混凝土發生堿一集料反應破壞表現為：外觀上主要是表面裂縫、變形和滲出物，而內部特征主要有內部凝膠、反應環、活性堿一集料、內部裂縫、堿含量等。混凝土結構一旦發生堿一集料反應出現裂縫后，會加速混凝土的其他破壞，如空氣、水、二氧化碳等侵入，會使混凝土碳化和鋼筋銹蝕速度加快[4]。

1.2.2 碳化反應

所謂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，使用機能下降的一種很復雜的物理化學過程。

影響結構耐久性的因素很多，其中混凝土碳化是一個重要的因素。通常情況下，早期混凝土具有很高的堿性，其pH值一般大于12.5，在這樣高的堿性環境中埋置的鋼筋容易發生鈍化作用，使得鋼筋表面產生一層鈍化膜，能夠阻止混凝土中鋼筋的銹蝕。但當有二氧化碳和水汽從混凝土表面通過孔隙進入混凝土內部時，和混凝土材料中的堿性物質中和，從而導致了混凝土的pH值的降低。當混凝土完全碳化后，就出現pH<1這種情況，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，在其它條件具備的情況下，鋼筋就會發生銹蝕。鋼筋銹蝕又將導致混凝土保護層開裂、鋼筋與混凝土之間粘結力破壞、鋼筋受力截面減少、結構耐久性能降低等一系列不良后果。

1.2.3 鋼筋的腐蝕

鋼筋銹蝕是造成橋梁結構耐久性損傷的最主要原因。根據其產生原因可分為：（1）鋼筋在外部介質作用下發生電化反應，逐步生成氫氧化鐵即鐵銹，體積增大使混凝土產生順筋裂縫，便于腐蝕介質滲入鋼筋，加快結構的損壞；（2）氯離子對鋼筋表面鈍化膜有特殊的破壞作用，當混凝土中氯含量超過標準時鋼筋會銹蝕，當混凝土開裂后，便形成惡性循環；（3）鋼筋在拉應力和腐蝕性介質共同作用下形成脆性斷裂，這種破壞可在較低拉應力和微弱介質作用下產生破壞；（4）鋼筋的氫脆現象。鋼筋銹蝕的直接后果是鋼筋的有效截面面積減少，不均勻銹蝕導致鋼筋表面凸凹不平，產生應力集中現象，使鋼筋的強度降低、脆性增大、延性變差，導致構件承載能力降低。

1.3 施工方面的原因

國內外多座橋梁的突然破壞與倒塌，已使工程界對橋梁安全性問題倍加關注。一般的看法認為當前的工程事故主要是野蠻施工和管理腐敗所導致。對于短期內發生的諸如突然破壞與倒塌，多是由于施工質量沒有達到規范和設計要求，典型的問題包括材料強度不足和施工工藝不合格等；也有個別橋梁存在諸如偷工減料、以次充好等嚴重的管理問題，更是對橋梁安全造成致命的損害。大多數橋梁在使用期間出現了病害與劣化，離預期的使用年限還相差很遠，就已經無法正常使用了，施工質量低下是導致這一結果的罪魁禍首，典型的問題有鋼筋保護層不足及目前廣泛存在于施工現場嚴重的構件開裂問題（主要原因包括：水泥選用、混凝土配合比、振搗、養護不當及預應力施加不合理等）。這些施工上的缺陷雖然短期不會對橋梁的正常使用產生明顯的影響，但卻會對結構的長期耐久性產生非常不利的危害。

2 提高橋梁結構耐久性的措施

2.1 完善混凝土結構的耐久性設計endprint

（1）詳細勘察結構所處的環境條件，從中確定主導破壞因素（如大氣和雨雪造成混凝土干縮循環和凍融循環作用、地表水或地下水中的侵蝕性介質影響等），實現考慮環境條件的建筑結構設計。

（2）嚴格遵守設計規范的要求，結構布置力求簡單，合理布置排水及各種結構縫；構件截面應設計成利于潮氣散發的形狀，惡劣環境應慎用薄肋型構件。對于結構中使用環境較差的構件，宜設計成便于檢測、維護和更換的構件；對變形縫、施工縫、預應力鋼筋的錨固端等易遭侵蝕的薄弱關鍵部位采取專門的措施。

（3）合理選擇混凝土和鋼筋品種。對于暴露在侵蝕性環境中的結構構件，宜采用有利于提高結構耐久性的高性能混凝土和鋼纖維混凝土等；針對鋼筋的腐蝕可采用對混凝土進行表面處理宜采用耐腐蝕鋼筋；混凝土中摻加鋼筋阻銹劑、陰極保護技術、電化學驅氯和電化學再堿化等措施。

（4）合理確定保護層厚度。保護層厚度小，既滿足不了鋼筋的有效錨固，也對鋼筋起不到任何保護作用；保護層厚度過大，有可能會導致裂縫寬度增大，而且還有可能造成不必要的浪費。

（5）根據概念設計理論，按結構幾何尺寸與荷載可以合理預防和控制的裂縫。保證結構截面尺寸具有足夠的配筋率，控制垂直于主筋方向裂縫；合理選擇鋼筋直徑和混凝土保護層厚度，控制平行于主筋方向的順筋裂縫。

（6）受重復荷載的結構構件應進行疲勞驗算和磨損驗算，并根據具體情況合理控制裂縫。

2.2 施工對耐久性能的保證

施工是保證混凝土質量的關鍵，是結構耐久性設計的組成部分，大量關于耐久性的調查報告都表明很多結構耐久性低下并造成結構損傷的現象都是由于施工造成的缺陷引起的。因此，應切實做到以下幾點[5]。

（1）提高施工質量、施工技術工藝水平，完善施工管理工作，強化對施工過程的監督、檢查，嚴格按照混凝土結構驗收規范要求進行施工。

（2）施工時的砂、石、水泥、鋼筋必須符合質量要求，外加劑必須試驗合格后方可使用。不定期對攪拌時間及混凝土拌合物的稠度、含氣量、水灰比、水泥含量及均勻性等進行測量，混凝土配合比要隨時跟著適時測定砂、石的含水率進行及時調整。

（3）澆筑混凝土時，振搗工序會直接影響到混凝土的成品質量。混凝土保護層的厚度及鋼筋位置要確保準確性，但前提是混凝土適宜入膜后；振搗時間、振搗工具、振搗方式和順序，要根據混凝土的標號進行選擇。

（4）混凝土要在合理的養護下才能正常硬化并產生足夠強度。養護措施要確保是在澆筑完成后12 h內進行，才可控制混凝土表面裂縫；且澆水養護不得少于7 d。氣溫過低時，須采用保溫措施。對不同水泥品種、外加劑、摻料、齡期的混凝土，合理地選用潮濕養護、水養護和養護劑養護方法，以取得良好的養護效果。

2.3 提高常規混凝土的品質

由于我國還是一個發展中國家，地域廣闊，經濟發展很不平衡，因此常規混凝土仍廣泛應用。因此應依據使用條件對混凝土的各項性能指標及結構構造提出具體要求。如水灰比的控制要求、混凝土的抗凍性、抗滲性能要求、保護層厚度要求、裂縫控制要求、設計使用壽命期間受到的氯離子侵害的保護措施。并在施工期間，嚴格控制原材料質量和生產程序，從而減少混凝土性能上的變異，提高混凝土的品質——整體質量，以確保橋梁結構的安全度和提高耐久性。

3 結論

橋梁安全性和耐久性不足已成為迫切需要解決的問題，要積極借鑒國外成功的經驗和做法，除了加強施工質量管理外，要從橋梁設計理念和結構體系和構造的角度做好耐久性的設計。合理的選擇原材料品種、較好的配合比設計、引入適當的外摻劑、精確的結構設計、先進的施工技術、超載的有效控制以及及時到位的維修養護，同時需要研究疲勞和超載對于橋梁結構耐久性的影響都能有效提高橋梁結構耐久性。

參考文獻

[1] 中華人民共和國行業標準.橋梁設計荷載標準[S].北京：中國建筑工業出版社，1998.

[2] 中國土木工程學會.中國土木工程學會第九屆年會論文集.工程安全及耐久性[M].北京：中國水利水電出版社，2000.

[3] 第十四屆全國橋梁學術會議論文集.上海：同濟大學出版社，2000.

[4] 第十五屆全國橋梁學術會議論文集.上海：同濟大學出版社，2002.

[5] 孔祥威.橋梁耐久性的原因與建議[J].河南機電高等專科學校學報，2006（6）.endprint