特殊檢測對橋梁承重構(gòu)件耐久性的影響初探

胡春華， 朱 喬， 馬小舟， 余 芳

(湖北工業(yè)大學土木工程與建筑學院， 湖北 武漢 430068)

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特殊檢測對橋梁承重構(gòu)件耐久性的影響初探

胡春華， 朱 喬， 馬小舟， 余 芳

(湖北工業(yè)大學土木工程與建筑學院， 湖北 武漢 430068)

為能更全面準確地掌握橋梁的耐久性狀況，對橋梁主要承重構(gòu)件的現(xiàn)狀做出綜合評定和橋梁檢算、荷載試驗提供進一步可靠數(shù)據(jù)。在橋梁常規(guī)檢測的基礎上，采用一些專門技術和檢測設備，對一些重點部位的鋼筋銹蝕、混凝土碳化、保護層厚度以及構(gòu)件質(zhì)強進行特殊檢測。通過對室內(nèi)試驗與室外檢測的實驗數(shù)據(jù)進行分析。結(jié)果表明：這些特殊檢測內(nèi)容對結(jié)構(gòu)耐久性都有著一定的影響，而且這些影響因素之間也存在互相影響關系。

鋼筋銹蝕； 混凝土碳化； 保護層厚度； 構(gòu)件質(zhì)強

特殊檢測是一種局部的病害診斷，應用模糊數(shù)學進行單因素評價[1]，將整個結(jié)構(gòu)用局部量化的數(shù)據(jù)來判別結(jié)構(gòu)目前承載能力和安全使用度，更多的是對混凝土結(jié)構(gòu)中的材料(混凝土與鋼筋兩種主要材料)性能與變化狀態(tài)更深層次的研究，通過實測數(shù)據(jù)掌握現(xiàn)時態(tài)橋梁的結(jié)構(gòu)耐久使用性能，對橋梁殘存壽命是一個重要的參考檢測。

此次橋梁結(jié)構(gòu)的特殊檢測，選取中部某高速路段上樁號K75+600的中橋進行特殊檢測，通車年限已有10 a。對混凝土碳化、橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件強度、鋼筋銹蝕狀態(tài)以及鋼筋保護層的這些特殊檢測內(nèi)容做了數(shù)據(jù)采集，在實測數(shù)據(jù)的基礎上分析這些因素的變化對混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的影響。

1 混凝土保護層厚度的檢測

采用電磁檢測方法，對主要承重構(gòu)件或承重構(gòu)件的主要受力部件，或鋼筋銹蝕電位測試結(jié)果表明鋼筋可能銹蝕活化的部位進行無損檢測。通過鋼筋位置測定儀測得混凝土結(jié)構(gòu)鋼筋分布狀況與保護層厚度數(shù)據(jù)見表1。

表1 橋梁左幅第1跨第3片梁(L1-3)的鋼筋間距以及保護層厚度探測數(shù)值

根據(jù)該梁板測量部位各測點混凝土厚度實測值，求出混凝土保護層厚度平均值Dn和標準差SD，精確至0.1 mm，再按照下式計算確定檢測構(gòu)件或部位的鋼筋保護層Dnd厚度特征值Dne，如

式中：K—判定系數(shù)，按規(guī)范取用)。

據(jù)檢測構(gòu)件或部位的鋼筋保護層厚度特征值Dne與其設計值Dnd的比值，按照《公路橋梁技術狀況評定標準JTG/TH21—2011》中的混凝土保護層厚度對結(jié)構(gòu)鋼筋耐久性的影響評判標準。對以上檢測結(jié)果進行評判，判斷結(jié)果見表2。

表2 混凝土保護層厚度對結(jié)構(gòu)鋼筋耐久性的影響評判表

檢測評定結(jié)果表明：該橋L1-3板鋼筋混凝土空心板混凝土保護層厚度以及鋼筋間距都比設計值要小，對鋼筋耐久性有中度影響，評定標度為2。由表1數(shù)據(jù)可以看出，在施工過程存在的問題也是后期使用年限內(nèi)保護層厚度不足而導致混凝土碳化嚴重的原因。如果鋼筋保護層厚度未達到設計要求，那么鋼筋銹蝕率會顯著增大，這再一次說明施工質(zhì)量對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的重要性[2]。

2 混凝土碳化深度檢測

混凝土碳化深度對鋼筋銹蝕及材料強度均有一定影響。混凝土碳化深度測試與混凝土強度測試同時進行，待混凝土強度測試完成后，可在同一測區(qū)鉆孔，每個構(gòu)件不少于10個測點。然后在測孔中滴入1%酒精酚酞試劑，用碳化深度儀量測從混凝土表面測孔中酚酞變色前緣的距離。混凝土碳化深度檢測結(jié)果見表3。

表3 混凝土碳化深度檢測結(jié)果表

本橋上構(gòu)空心板混凝土保護層設計厚度30 mm，下構(gòu)橋墩混凝土保護層設計厚度為50 mm。根據(jù)《公路橋梁技術狀況評定標準JTG/TH21—2011》中的混凝土碳化深度對鋼筋銹蝕影響的評判標準，計算測區(qū)混凝土碳化深度平均值與實測保護層厚度平均值的比值Kc，對以上檢測結(jié)果進行評判，評判結(jié)果見表4。

表4 混凝土碳化深度評判結(jié)果表

結(jié)果表明：該橋所測構(gòu)件碳化現(xiàn)象正常，且所有碳化深度均小于混凝土保護層厚度50%，對結(jié)構(gòu)耐久性無影響，評定標度值為1。由表3中L1-3板的碳化結(jié)果可以看出：同一構(gòu)件碳化深度有差別，混凝土碳化影響因素決定了混凝土碳化深度具有很大的隨機性。施工因素對混凝土的影響主要指的是混凝土攪拌、振搗和養(yǎng)護等條件的影響，它主要是通過影響混凝土密實度來影響混凝土碳化[3]。僅僅只看Kc這個指標判定結(jié)構(gòu)是否處于安全使用狀態(tài)是單一不全面的，要探究混凝土碳化對鋼筋銹蝕以及構(gòu)件質(zhì)強的影響。

3 橋梁構(gòu)件質(zhì)強檢測

混凝土強度檢測主要采用超聲回彈綜合法或回彈法。目前為了彌補單一法在較高強度區(qū)或在較低強度區(qū)各自的不足，回彈—取芯綜合法檢測強度更可靠[1]。此次檢測的橋梁中，按照回彈法規(guī)范要求，采取布置測點間距5 cm，方形網(wǎng)15 cm × 15 cm。檢測結(jié)果見表5。

1)推定強度勻質(zhì)系數(shù)：

式中：Rit為混凝土實測強度推定值；R為混凝土設計強度等級。

2)平均強度勻質(zhì)系數(shù)：

式中：Rim為混凝土測區(qū)平均換算強度值。

f推定值=f換算值1.645 ×δ

依據(jù)混凝土橋梁結(jié)構(gòu)或構(gòu)件實測強度推定值或測區(qū)平均換算強度值，按下式計算其推定強度勻質(zhì)系數(shù)Kbt或平均強度勻質(zhì)系數(shù)Kbm，按承重構(gòu)件實測強度狀況評定標準規(guī)定確定混凝土強度評定標度。本橋上構(gòu)空心板混凝土設計強度為C40，下構(gòu)墩身帽梁混凝土設計強度為C25，根據(jù)《公路橋梁技術狀況評定標準JTG/TH21—2011》中評定混凝土強度的方法，對以上檢測結(jié)果進行評判，評定結(jié)果見表6。

表5 混凝土強度及碳化深度測試結(jié)果

表6 橋梁構(gòu)件質(zhì)強評判結(jié)果表

結(jié)果分析：橋墩主要承受上部傳下來的的壓力荷載，而橋梁空心板承受的荷載是很復雜的。有試驗結(jié)果表明:拉應力加快了混凝土碳化的速度，壓應力可以減緩混凝土碳化的速度；但當壓應力水平超過一定限值時，會引起混凝土內(nèi)部新的裂紋發(fā)展，從而加速碳化[4-5]。由表6的判定結(jié)果及表5的實測數(shù)據(jù)可以看出碳化深度越大，鋼筋混凝土空心板的質(zhì)強是減小的，結(jié)構(gòu)的耐久性也開始降低。由表5與文獻[6]知，當回彈值相當時，碳化深度值越大其對應的混凝土檢測強度值越低。

4 混凝土鋼筋銹蝕電位與混凝土電阻率檢測

大氣環(huán)境下混凝土內(nèi)鋼筋銹蝕主要是由混凝土中性化和氯離子侵蝕引起[5]，中性化主要是混凝土保護層碳化。混凝土中的鋼筋銹蝕程度對于判定結(jié)構(gòu)耐久性是很重要的，銹蝕程度大，構(gòu)件更有可能因抗剪強度不足而發(fā)生耐久性失效。混凝土中鋼筋銹蝕電位宜采用半電池電位法，鋼筋銹蝕狀況檢測范圍應為主要承重構(gòu)件的主要受力部位，或根據(jù)一般檢查結(jié)果存在銹蝕的部位。每一測區(qū)的測點數(shù)不宜少于20個。混凝土電阻率可采用四電極阻抗法測定，混凝土電阻率大，若鋼筋銹蝕，則發(fā)展速度慢，擴散能力弱；混凝土電阻率小，銹蝕發(fā)展速度塊，擴散能力強。現(xiàn)場兩類檢測結(jié)果見表7、表8。

表7 L1-3板鋼筋銹蝕電位檢測結(jié)果表

表8 L1-3板電阻率檢測結(jié)果表

結(jié)果分析：根據(jù)《公路橋梁技術狀況評定標準JTG/TH21—2011》中評定鋼筋銹蝕的方法，在測試的空心板中，電位均在-200～-300 mV之間，腐蝕出現(xiàn)在高電位處；電阻率在15 000～20 000Ω·cm之間。承重構(gòu)件有輕微銹蝕現(xiàn)象，評定標度值均為2，說明此次對鋼筋銹蝕的檢測是可靠的。另外選取現(xiàn)場檢測銹蝕不同區(qū)的數(shù)據(jù)，整理結(jié)果見表9。無銹蝕區(qū)混凝土的碳化深度明顯小于鋼筋出現(xiàn)銹蝕情況的碳化深度，說明碳化深度超過一定值時，會伴隨鋼筋銹蝕態(tài)的發(fā)生；由于銹蝕與碳化共同作用，混凝土測區(qū)抗壓強度值減小。在檢測中發(fā)現(xiàn)鋼筋銹蝕嚴重區(qū)域混凝土脫落嚴重，可能是由于鋼筋銹蝕導致混凝土保護層的開裂，鋼筋混凝土粘結(jié)錨固性能降低甚至產(chǎn)生一定的滑移[7]。

表9 銹蝕不同區(qū)參數(shù)數(shù)據(jù)整理

5 實驗

在實驗室進行了A、B兩組加速碳化實驗：混凝土強度等級都是C40，相同環(huán)境、 相同持續(xù)時間，28 d養(yǎng)護齡期后加速碳化20 d。實驗數(shù)據(jù)以及相關參數(shù)關系見表10。

由圖1、圖2可以看出未加速碳化前，養(yǎng)護齡期28 d內(nèi)實驗室測得的抗壓強度與回彈法測定的推定強度都是隨著時間而增長，隨混凝土齡期的增加，碳化深度增長,碳化深度總趨勢是減小，這種碳化現(xiàn)象對結(jié)構(gòu)有利；28 d兩組實驗強度數(shù)據(jù)雖然存在一定的差別，但從圖中對數(shù)函數(shù)擬合曲線和擬合度R2來看，兩種不同測法的強度曲線關系符合混凝土強度真實的對數(shù)函數(shù)關系，擬合度很高，說明實驗室和回彈法測得數(shù)據(jù)可靠有效。

由表10分析得出，混凝土試塊經(jīng)過加速碳化，碳化深度增大較快，回彈值隨著時間增加的幅度減緩，但加速碳化后推定強度是降低的，表明混凝土碳化嚴重后，其強度下降；由表10和圖3，對于相同環(huán)境、相同持續(xù)時間、相同混凝土強度等級，混凝土碳化深度都具有很大的隨機性；正如文獻[8]、文獻[9]指出的：混凝土碳化深度是一個隨著時間隨機分布的過程，混凝土抗壓強度與回彈值之間沒有唯一確定的關系。

表10 實驗室混凝土試塊碳化以及強度數(shù)據(jù)

圖2 未加速碳化前回彈法推定強度變化

由圖3和圖4中7、14、28d碳化深度與混凝土空隙率的變化曲線，可以看出隨著碳化深度加深，空隙率逐漸減小，空隙率斜率減小幅度放慢，因為碳化后碳化區(qū)域結(jié)構(gòu)變得密實，改善了混凝土的空隙結(jié)構(gòu)，孔隙變小，混凝土結(jié)構(gòu)變得密實。但是這種結(jié)構(gòu)密實只是單因素的空隙率變小，不能簡單地認為碳化后，混凝土結(jié)構(gòu)強度是長期加強的，從實驗中可以看出：碳化深度較大時，推定強度明顯減小。

圖3 不同時間碳化深度與回彈值的變化

圖4 不同時間碳化引起的空隙率變化

6 結(jié)論

混凝土碳化嚴重后，其強度下降；混凝土抗壓強度與回彈值、混凝土表面碳化深度有關，但二者之間沒有唯一確定的關系；混凝土碳化后易發(fā)生的鋼筋銹蝕問題嚴重影響著結(jié)構(gòu)的耐久性能及使用壽命；隨著碳化深度加深，混凝土結(jié)構(gòu)空隙率逐漸減小，理論上混凝土結(jié)構(gòu)變得密實，但嚴重碳化是降低混凝土強度的；對于相同環(huán)境、相同持續(xù)時間、相同混凝土強度等級，混凝土碳化深度隨機性也表現(xiàn)得很明顯；確保混凝土有效保護層厚度是減小混凝土碳化以及鋼筋銹蝕對結(jié)構(gòu)耐久性影響的防護措施。

[1] 萬 平.鋼筋混凝土橋梁安全性評估方法研究[D].武漢： 武漢理工大學,2006.

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[3] 李 侃,王啟軍. 混凝土碳化對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)影響的探討[A]. 土木建筑學術文庫(第13卷)[C],2010:2.

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[7] 潘慧敏.鋼纖維混凝土碳化和鋼筋銹蝕性能研究[D].成都：西南交通大學,2006.

[8] 張海燕,把多鐸,王正中.混凝土碳化深度的預測模型[J].武漢大學學報(工學版),2006(05):42-45.

[9] 宋 力,李 鵬,湯進偉,等.工程檢測中回彈法測強不確定性影響因素分析[J].長江科學院院報,2009(12):98-101,105.

[責任編校： 張巖芳]

Preliminary Investigation into the Influence of Special Testing on Bridge Structure Durability

HU Chunhua, ZHU Qiao, MA Xiaozhou, YU Fang

(SchoolofCivilEngin.andArchitecture,HubeiUniv.ofTech.,Wuhan430068,China)

Based on the bridge routine examination, the steel corrosion, concrete carbonation, the thickness of the protective layer and component quality of the key parts of bridge were detected using the expertise technology and testing equipments. This may provide technical data for the next bridge inspection count and load test. The indoor experiment and outdoor test results show that: the special inspection contents have certain effects the structure durability, and those influencing factors also affect each other.

steel corrosion; concrete carbonation; the thickness of the protective layer; component quality

2014-07-13

胡春華(1973-)， 男， 湖北黃岡人，湖北工業(yè)大學教授，研究方向為公路工程

1003-4684(2015)01-0098-05

U443.3, U446.3

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