塔里木河大橋一橋的病害調(diào)查及成因分析

王 榮 姚明星 唐海云

(1塔里木大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院， 新疆 阿拉爾 843300)(2第一師阿拉爾市建筑材料檢測中心， 新疆 阿拉爾 843300)(3塔里木高級(jí)中學(xué)， 新疆 阿拉爾 843300)

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塔里木河大橋一橋的病害調(diào)查及成因分析

王 榮1姚明星2唐海云3

(1塔里木大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院， 新疆 阿拉爾 843300)(2第一師阿拉爾市建筑材料檢測中心， 新疆 阿拉爾 843300)(3塔里木高級(jí)中學(xué)， 新疆 阿拉爾 843300)

通過對(duì)塔里木河大橋一橋的病害調(diào)查，以期得到產(chǎn)生病害的主要原因，以便為今后的大橋加固提供科學(xué)的理論依據(jù)。塔里木河大橋地處南疆阿拉爾市，長期自然環(huán)境的影響及外荷載作用，使其產(chǎn)生了裂縫、材料剝落等病害。利用橋梁無損檢測技術(shù)對(duì)塔里木河大橋進(jìn)行檢測，得出產(chǎn)生橋墩梁病害的主要原因是由于鹽漬土的腐蝕，而主梁則是由于長期的自然環(huán)境影響下的外荷載作用。

塔里木河大橋； 無損檢測； 病害； 成因

1 工程背景

塔里木河環(huán)流于塔克拉瑪干沙漠北邊緣，全長2 137公里，流域面積約10萬平方公里，是我國最長的沙漠內(nèi)陸河流。它是一條從未規(guī)劃整治的原始性荒漠河流，主河道在80～120公里流域?qū)挾壬嫌问幉欢ǎ哪c綠洲換位頻繁。塔里木河大橋位于新疆南疆阿拉爾市，是連接阿拉爾市南北城區(qū)的主要通道之一。該橋跨徑布置為80×20 m，總長1602 m，橋面凈寬為9 m。設(shè)計(jì)荷載為汽車-15級(jí)， 掛車-80。上部結(jié)構(gòu)為跨徑20 m 的鋼筋混凝土T梁， 橋面橫向布置為5片 T 梁；下部結(jié)構(gòu)為雙柱式橋墩，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。該橋于1982 年建成通車。在長期外荷載及自然環(huán)境的影響下，塔里木河大橋已經(jīng)出現(xiàn)了開裂、腐蝕剝落等病害現(xiàn)象，為避免影響交通能力，有必要對(duì)其進(jìn)行病害檢測。

2 橋墩病害及檢測

2.1 表觀檢測

混凝土受腐蝕與否的鑒別方法主要靠表觀、顏色、錘擊等來鑒別。新鮮的水泥混凝土顏色呈灰、白色，致密，堅(jiān)硬。受腐蝕的水泥混凝土顏色異常，疏松，用小錘敲擊時(shí)剝落比較嚴(yán)重。表面粗化、露石、沿配筋方向有條狀鼓突，開裂或變色[1]。從現(xiàn)場觀察來看，大橋的下部結(jié)構(gòu)混凝土都有不同程度的腐蝕。主要表現(xiàn)為：在地表向上10 cm的距離，橋梁墩身砂石外漏，且出現(xiàn)了裂縫和砂石剝落現(xiàn)象；40 cm左右的位置有白色粉末一圈，寬度在1～5 cm，在此位置以下的墩臺(tái)顏色較深，往上部位的顏色較淺。墩帽上也出現(xiàn)了白色粉末，整個(gè)橋墩上有縱向和橫向分布的裂縫。位于主河道上的橋墩墩身被腐蝕的高度大約在距地面50 cm左右。如圖1及圖2所示。

圖1 河灘處橋墩腐蝕 圖2 河槽橋墩腐蝕

2.2 強(qiáng)度檢測

橋墩的強(qiáng)度檢測采用無損檢測技術(shù)，利用回彈法測定混凝土強(qiáng)度。其測區(qū)及檢測如圖3所示。

(a)墩柱外觀(b)強(qiáng)度檢測

將回彈值換算為混凝土強(qiáng)度時(shí)，沒有對(duì)橋墩鉆心取樣測碳化深度，所以在后面的回彈值推算砼強(qiáng)度時(shí)，按公式2.1至公式2.3推算混凝土抗壓強(qiáng)度：

Rn=0.025N2

(2.1)

式中：Rn—水泥砼的抗壓強(qiáng)度，MPa；N—測區(qū)砼平均回彈值。

本次檢測取墩帽測區(qū)3個(gè)，蓋梁測區(qū)3個(gè)，墩身測區(qū)10個(gè)，按不同測區(qū)數(shù)按下列公式計(jì)算構(gòu)件強(qiáng)度：

n<10個(gè)時(shí)：fcu=Rnmin

(2.2)

n≥10時(shí)：fcu=f-1. 645 s

(2.3)

式中：fcu—強(qiáng)度推定值；f—測區(qū)平均值；s—測區(qū)標(biāo)準(zhǔn)差。

實(shí)測橋墩回彈值并根據(jù)公式推算出橋墩的強(qiáng)度如表1。反查混凝土抗壓強(qiáng)度換算值表可以得出平均碳化深度值。

表1 回彈法測定的橋墩回彈值及換算強(qiáng)度 (單位：MPa)

2.3 檢測結(jié)果與評(píng)價(jià)

通過外觀檢測和回彈法檢測橋墩的強(qiáng)度發(fā)現(xiàn)，橋墩表面有腐蝕剝落材料并呈現(xiàn)粉末狀，混凝土有石子外漏，未發(fā)現(xiàn)有鋼筋漏出，近地面附近有離析層。利用回彈法測強(qiáng)，墩身上部強(qiáng)度較高，越靠近地表強(qiáng)度越低，低于設(shè)計(jì)強(qiáng)度C20。

3 主梁病害及檢測

3.1 現(xiàn)場檢測

超聲回彈綜合法測強(qiáng)是通過混凝土抗壓強(qiáng)度與混凝土超聲波傳播速度和表面回彈值之間存在的統(tǒng)計(jì)關(guān)系，用于檢驗(yàn)建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件的普通混凝土抗壓強(qiáng)度。檢測時(shí)選取中主梁為檢測對(duì)象，因?yàn)槠洳粌H承受恒載及活載作用，還承受著明顯的車輪沖擊荷載作用。塔里木河大橋由于中間跨徑受到檢測條件的限制不能得到檢測，本次檢測就選取了從北向南走向第4跨徑為檢測對(duì)象。將第4跨徑中主梁分為5個(gè)測區(qū)，每個(gè)測區(qū)測取3個(gè)點(diǎn)。主梁上翼緣板分為4個(gè)測區(qū)，每個(gè)測區(qū)檢測3個(gè)部位，每個(gè)部位測取3個(gè)點(diǎn)。

3.2 結(jié)果與評(píng)價(jià)

3.2.1 強(qiáng)度檢測

利用非金屬超聲波儀進(jìn)行超聲回彈綜合法測強(qiáng)推定出的塔里木河大橋主梁及翼緣板強(qiáng)度如圖4所示。從圖中可以看出：中主梁的平均強(qiáng)度為10. 3 MPa，上翼緣板的平均值為10 MPa，整個(gè)上部結(jié)構(gòu)的主要構(gòu)件強(qiáng)度水平低下，均小于設(shè)計(jì)混凝土強(qiáng)度C20，已不能滿足設(shè)計(jì)要求。波形圖可以看出主梁的接近跨中部位的波形比較差，翼緣板的波形也是接近跨中部位波形較差，與主梁部位相一致。由于本橋是簡支梁橋，跨中部位受力最不利，承受的荷載最大，所以上部結(jié)構(gòu)的混凝土強(qiáng)度也比較低。

(a)塔里木河大橋中主梁強(qiáng)度計(jì)算 (b)塔里木河大橋上翼緣板強(qiáng)度計(jì)算 (c)塔里木河大橋主梁波形圖(d)塔里木河大橋翼緣板波形圖

3.2.2 評(píng)價(jià)

利用超聲波回彈綜合法測強(qiáng)對(duì)橋梁主梁和板進(jìn)行了強(qiáng)度檢測，發(fā)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度均已不能達(dá)到設(shè)計(jì)要求的強(qiáng)度，強(qiáng)度低，裂縫較多。已不能滿足設(shè)計(jì)要求，橋梁現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)該橋已經(jīng)進(jìn)行過局部的補(bǔ)強(qiáng)加固。

4 地基土檢測

地基土檢測分為土壤含鹽量檢測及土壤細(xì)觀結(jié)構(gòu)影像觀測兩部分，土壤含鹽量檢測要求檢測出土壤中總鹽含量及各離子含量，細(xì)觀結(jié)構(gòu)影像采用體視顯微鏡觀測。

4.1 含鹽量及含鹽類型測定

為了能準(zhǔn)確模擬工程實(shí)際情況，從橋墩下取土進(jìn)行含鹽量及離子成分測定。分別取塔里木河水及河邊坑洼積水各一份；橫向取橋臺(tái)、河灘處橋墩及水中橋墩處土樣，并在此基礎(chǔ)上縱向取土，從地表開始，每20 cm取土一次，取至地表以下60 cm。經(jīng)過樣品分析化驗(yàn)得到以下結(jié)論：

4.1.1 水樣結(jié)果顯示：河水中含鹽量沒有河邊坑洼積水的含鹽量高。積水中含鹽量為總含鹽量為0. 26%。

4.1.2 土樣結(jié)果顯示：橫向比較后得出橋墩臺(tái)附近的含鹽量比河水中含鹽量高，橋墩處的為最大；縱向比較后得到地表含鹽量最大，為2. 3%，隨著深度的增加含鹽量減小。

4.1.3 通過含鹽量測定，根據(jù)鹽漬土按含鹽成分的分類方法得出橋址所在地的鹽漬土類型為亞硫酸鹽漬土并且是中鹽漬土[2]。

(a)含鹽量變化圖 (b)離子含量變化圖

4.2 墩柱和地基土細(xì)觀結(jié)構(gòu)

4.2.1 橋墩材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)圖像采集

塔里木河大橋現(xiàn)場調(diào)研時(shí)發(fā)現(xiàn)橋墩在地表吸附區(qū)有剝落，將剝落材料及橋址處土壤樣本采回，進(jìn)行了細(xì)觀圖像觀察，如圖6。

4.2.2 地基土細(xì)觀結(jié)構(gòu)圖像采

將沿橋墩不同深度位置處的地基土取樣觀察，得到細(xì)觀的影像圖如圖7。

從上述圖片可以看出：

橋墩剝落材料表面和內(nèi)部均有結(jié)晶鹽，并且內(nèi)部多于外部。從橋址處的土體影像看，表土中含鹽量最大，隨著深度的增加，土體中看不到結(jié)晶鹽。

4.3 細(xì)觀結(jié)構(gòu)與實(shí)測結(jié)果對(duì)比分析

對(duì)不同深度土壤細(xì)觀結(jié)構(gòu)與不同土壤深度含鹽量試驗(yàn)檢測對(duì)比分析，土壤細(xì)觀結(jié)構(gòu)中隨著土壤深度的增加，影像中鹽的成分是減少的；不同土壤深度含鹽量試驗(yàn)檢測結(jié)果也是隨著深度的增加，含鹽量也減少，地表含鹽量最高，這與橋墩腐蝕情況也一致。說明橋墩地表的破壞主要是由于鹽類腐蝕的結(jié)果。

(a)橋墩表面剝落層 (b)橋墩內(nèi)部剝落材料

(a)表土 (b)10cm (c)20cm

5 病害及成因分析

5.1 主要病害

新疆地區(qū)氣候干燥、冬季寒冷，在凍融的反復(fù)作用下較易造成墩臺(tái)的裂縫、腐蝕等病害。因此，墩臺(tái)的病害主要有：墩臺(tái)的變位、材料的老化、鋼筋的銹蝕、混凝土開裂、剝落等。塔里木河大橋的主要病害表現(xiàn)為：

5.1.1 剝落、露石。調(diào)查發(fā)現(xiàn)剝落及露石均發(fā)生在橋墩地表吸附區(qū)，在地表向上10 cm的距離，橋梁墩身砂石外漏，且出現(xiàn)了裂縫和砂石剝落現(xiàn)象，并且砂石剝落嚴(yán)重。在地表處還有5 cm左右的離析層。

5.1.2 裂縫。裂縫是反映混凝土結(jié)構(gòu)的晴雨表，調(diào)查發(fā)現(xiàn)在橋墩上分布著大量縱向及橫向的裂縫，包括結(jié)構(gòu)裂縫和非結(jié)構(gòu)裂縫。整體上看，橋墩上的裂縫開展不大，較細(xì)微；另外豎向裂縫開展的寬度大于橫向裂縫。主梁由于進(jìn)行過體外加固，整體上裂縫很少，只在兩梁接頭處存在縱向裂縫，并且裂縫開展較寬，利用裂縫測寬儀進(jìn)行檢測，平均裂縫寬度在0. 4 mm以上，部分裂縫大于2 mm。

5.2 病害成因分析

結(jié)合橋梁的病害情況，從設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營管理的角度對(duì)橋梁病害的主要成因分析如下：

5.2.1 設(shè)計(jì)原因

探討全面深化改革時(shí)期中國特色社會(huì)主義的新特色，關(guān)鍵是要深刻洞察全面深化改革時(shí)期國情和世情的新特點(diǎn)。全面深化改革時(shí)期的國情和世情的新特點(diǎn)有很多，但是必有一個(gè)是最重要的最根本的，這里的討論主要集中于這個(gè)最重要最根本的特點(diǎn)。

塔里木河大橋建于1982年，設(shè)計(jì)荷載為汽-15、掛-80。但是隨著南疆地區(qū)經(jīng)濟(jì)事業(yè)的發(fā)展，橋梁荷載等級(jí)已經(jīng)不能滿足交通運(yùn)輸事業(yè)的需要，大噸位的車輛以及嚴(yán)重的超載現(xiàn)象造成橋梁的撓度變大，裂縫增加，進(jìn)而導(dǎo)致橋梁的承載能力降低，形成一種惡性的循環(huán)，最終造成橋梁的破壞。

5.2.2 施工質(zhì)量問題

在早期的橋梁施工過程中由于施工技術(shù)以及施工條件的限制，導(dǎo)致橋梁整體的施工質(zhì)量低下。本橋由于橋墩混凝土在澆筑過程中沒有振搗填充均勻，造成了地面附近大約10 cm厚的離析層。

5.2.3 自然環(huán)境影響[3]

5.2.3.1 大溫差。新疆地區(qū)晝夜溫差較大，最大可達(dá)20°左右，這種大溫差作用在混凝土結(jié)構(gòu)上，使結(jié)構(gòu)內(nèi)外產(chǎn)生溫度梯度，而導(dǎo)致了溫度應(yīng)力的產(chǎn)生。結(jié)構(gòu)內(nèi)外部溫度應(yīng)力越大，會(huì)降低混凝土強(qiáng)度，使其耐久性降低。

5.2.3.2 風(fēng)沙。風(fēng)沙現(xiàn)象是指風(fēng)挾帶起大量沙塵，按一定路徑移動(dòng)擴(kuò)散，造成空氣渾濁、能見度顯著降低的現(xiàn)象。風(fēng)沙在活動(dòng)過程中，對(duì)地表物質(zhì)發(fā)生的侵蝕、搬運(yùn)和堆積作用，稱為風(fēng)沙作用。阿拉爾市特殊的地理位置形成了每年2月至8月期間經(jīng)常發(fā)生沙塵暴現(xiàn)象。風(fēng)沙中的細(xì)砂顆粒對(duì)橋梁的體表產(chǎn)生摩擦、侵蝕等，空氣中的氯離子和橋梁混凝土?xí)a(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，造成橋梁強(qiáng)度降低。

5.2.3.3 凍融。新疆地區(qū)冬季時(shí)間較長、溫度很低，阿拉爾市冬季晝夜溫差最高可達(dá)20℃。由于晝夜溫差大，在正負(fù)溫度的交替作用下，造成混凝土表層酥松、剝落。混凝土凝結(jié)硬化后，內(nèi)部會(huì)形成很多的微細(xì)小孔，而為了得到較好的和易性，在攪拌混凝土?xí)r使用的水遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過水泥水化作用所需要的水，這些水在混凝土中以自由水的形式存在，并在這些微小細(xì)孔中擴(kuò)散。當(dāng)溫度降低時(shí)，這些自由水結(jié)冰，體積可增大百分之九左右，使混凝土產(chǎn)生膨脹應(yīng)力，與此同時(shí)，混凝土中尚未結(jié)冰的自由水在微小細(xì)孔中遷移重分布，造成滲透壓力，使混凝土的膨脹應(yīng)力變大。經(jīng)過凍融的反復(fù)循環(huán)，造成混凝土內(nèi)部損傷嚴(yán)重，內(nèi)部出現(xiàn)裂縫，混凝土強(qiáng)度損失。

5.2.3.4 腐蝕。從對(duì)塔里木河大橋的現(xiàn)場調(diào)研情況來看，橋墩的破壞主要原因是由于腐蝕造成的。土壤中含有大量的硫酸鹽和氯鹽，經(jīng)過離子檢測，土壤類型屬于亞硫酸鹽中鹽漬土，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)有較強(qiáng)的腐蝕性。鹽漬土中的硫酸鹽和混凝土中的水泥水化產(chǎn)物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成新的水化物的過程中，發(fā)生膨脹，使混凝土失去膠結(jié)性能而產(chǎn)生剝落、潰散現(xiàn)象，導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)開裂破壞，稱為化學(xué)侵蝕。化學(xué)侵蝕一般有兩種，一種是石膏型化學(xué)侵蝕，另一種是鈣礬石型化學(xué)侵蝕，從晶體結(jié)構(gòu)上看，鈣礬石由于結(jié)合了大量的結(jié)晶水，體積增大，一般為石膏的8倍，也是造成混凝土結(jié)構(gòu)主要膨脹開裂的原因。鹽漬土中的硫酸鹽不與混凝土中的水泥水化產(chǎn)物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，而是形成相應(yīng)的鹽結(jié)晶，結(jié)晶的體積膨脹，導(dǎo)致混凝土開裂破壞，稱為物理侵蝕[4]。不管是化學(xué)侵蝕還是物理侵蝕，最終導(dǎo)致了混凝土的開裂，強(qiáng)度降低。

5.2.3.5 混凝土的碳化[5]。混凝土的碳化是指混凝土中氫氧化鈣與滲透進(jìn)混凝土中的二氧化碳或其它酸性氣體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的過程。一般情況下混凝土呈堿性，在鋼筋表面形成堿性薄膜，保護(hù)鋼筋免遭酸性介質(zhì)的侵蝕，起到了“鈍化”保護(hù)作用。碳化的實(shí)質(zhì)是混凝土的中性化，使混凝土的堿性降低，鈍化膜破壞，在水分和其它有害介質(zhì)侵入的情況下，鋼筋就會(huì)發(fā)生銹蝕。

5.2.4 使用維護(hù)不當(dāng)

沒有對(duì)橋梁的使用期間進(jìn)行正常的維護(hù)也是造成橋梁病害的原因之一。不能對(duì)橋梁進(jìn)行定期的檢查，對(duì)橋梁的病害不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并進(jìn)行有效的養(yǎng)護(hù)維修和加固，造成病害的進(jìn)一步加劇等。混凝土表面的碳化剝落，鋼筋銹蝕等病害沒有進(jìn)行及時(shí)的修補(bǔ)、加固，造成病害的進(jìn)一步加劇。

6 小結(jié)

6.1 通過對(duì)塔里木河大橋處的工程地質(zhì)條件進(jìn)行勘察，最終確定橋址處鹽漬土類型為亞硫酸鹽中鹽漬土，并且其含鹽量隨著土壤深度的增加而降低，地表的含鹽量最大為2. 3%。

6.2 針對(duì)橋梁現(xiàn)場調(diào)研時(shí)出現(xiàn)的病害問題，利用非金屬超聲波儀對(duì)塔里木河大橋進(jìn)行了現(xiàn)場檢測，通過超聲回彈綜合法測強(qiáng)以及橋梁振動(dòng)能量采集分析，得出橋梁上部結(jié)構(gòu)破壞主要是由于在自然環(huán)境的影像下，外荷載作用以及長期的使用維護(hù)不當(dāng)使得橋梁的整體強(qiáng)度低于設(shè)計(jì)強(qiáng)度。

6.3 針對(duì)橋墩在地表吸附區(qū)發(fā)生了剝落、露石并且有鹽析出等現(xiàn)象，通過體視顯微鏡檢測可以看出材料上有鹽晶體，并且外部多于內(nèi)部，說明土壤中的鹽分向混凝土結(jié)構(gòu)中擴(kuò)散、侵蝕。土壤中的鹽分含量隨著深度的增加而減少，表面含鹽量最多，地下50 cm往下基本含鹽量為零。試塊經(jīng)過腐蝕凍融之后，體內(nèi)有鹽分的析出，從而得出造成橋墩破壞的主要原因是由于鹽漬土的腐蝕，同時(shí)耦合凍融、干濕循環(huán)等多因素的作用。

6.4 針對(duì)橋梁的病害調(diào)查以及產(chǎn)生病害的原因，對(duì)塔里木河大橋一橋提出相應(yīng)的防護(hù)加固措施，以便為大橋今后的加固提供一定的技術(shù)方法。首先，對(duì)大橋要進(jìn)行定期的檢測維護(hù)；其次，將主梁及橋墩進(jìn)行加固處理，主梁可以采用黏貼玄武巖纖維布。橋墩的離析層可以用加入短切的玄武巖纖維的混凝土進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)后在地表上下50 cm范圍內(nèi)包裹玄武巖纖維布，以此來提高墩柱的強(qiáng)度和阻隔鹽分向墩柱內(nèi)擴(kuò)散遷移。

[1] 交通部西部交通建設(shè)科技項(xiàng)目管理中心.鹽漬土地區(qū)公路橋涵及構(gòu)造物防腐蝕技術(shù)指南[M].2010：1-11.

[2] 新疆鹽漬土地區(qū)公路路基路面設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范XJTJ01-2001[S],2001：4-5.

[3] 張建軍.新疆地區(qū)橋梁病害及其修繕方法研究[D]. 西安：長安大學(xué)，2010.

[4] 韓勁草.青海鹽漬土地區(qū)半埋混凝土耐久性研究[D].西安：長安大學(xué)，2012：9-13.

[5] 楊斌.混凝土碳化的機(jī)理及影響要素[J].廣西質(zhì)量監(jiān)督導(dǎo)報(bào). 2010(10)：48-49.

Disease Investigation and Analysis of the Tarim River Bridge

Wang Rong1Yao Mingxing2Tang Haiyun3

(1 College of Water Conservancy and Architecture Engineering,Tarim University，Alar，Xingjiang 843300)

(2 First Division Alar Building Materials Testing Center， Alar， Xingjiang 843300)

(3 The Tarim Senior High School， Alar， Xingjiang 843300)

In order to get the main disease cause of Tarim River Bridge, The disease cause was investigated，so that to provide scientific basis for the future reinforcement of bridge. Tarim River Bridge is located in southern Xinjiang alar city, effects of long-term natural environment and external loading, to produce cracks, material spalling and other diseases. By using the Nondestructive detection technology to detect the Tarim River Bridge, Results shown: the main causes of diseases of bridge pier beam is the corrosion of saline soil, while the beam is due to external loads under the influence of the long-term natural environment.

Tarim River Bridge; nondestructive detection; disease; causes

2014-06-14

塔里木大學(xué)校長基金項(xiàng)目(TDZKSS201416)；塔里木大學(xué)校長基金重大培育項(xiàng)目(TDZKPY201401)。

王榮(1983-)，女，漢族，講師，碩士，主要從事道路橋梁方面的教學(xué)、科研工作。E-mail：wrong.com.cn@163.com

1009-0568(2015)01-0117-07

U

ADOI：10.3969/j.issn.1009-0568.2015.01.021