鋼筋混凝土橋梁耐久性不足成因分析及對策

【摘要】本文首先介紹了鋼筋混凝土橋梁耐久性不足的原因，并分析了混凝土結(jié)構(gòu)耐久性失效機(jī)理，最后介紹了鋼筋混凝土橋梁耐久性的對策研究。

【關(guān)鍵詞】鋼筋混凝土，橋梁耐久性不足，成因，對策

一、前言

現(xiàn)今橋梁混凝土的施工中很重要的方面就是混凝土的耐久性，混凝土的耐久性不足會對橋梁的施工質(zhì)量造成嚴(yán)重的威脅。因此了解鋼筋混凝土橋梁耐久性不足成因并找到應(yīng)對對策非常重要。

二、鋼筋混凝土橋梁耐久性不足的原因

1、混凝土的碳化

混凝土是以水泥沙漿為基體，以骨料為加勁材料的復(fù)合材料。混凝土材料具有一定的滲透性，空氣中的二氧化碳擴(kuò)散到混凝土中與水作用生成碳酸，碳酸與水泥水化熱過程中產(chǎn)生的氫氧化鈣、硅酸二鈣、硅酸三鈣反應(yīng)生成碳酸鈣，在自由水的作用下碳酸鈣沉淀在混凝土內(nèi)部的孔穴中，這個過程就是混凝土碳化。

2、混凝土的凍融破壞

混凝土是多孔結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料，外部的水分會滲入到混凝土的毛細(xì)孔和凝膠孔中。當(dāng)溫度降至冰點以下時，孔隙中的水凍結(jié)膨脹，其體積大約可增加9%，只有當(dāng)孔隙至少91.7%充滿水時，水結(jié)冰才產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。孔隙體積膨脹，孔壁受壓變形，冰融化后，就可能使孔壁產(chǎn)生拉應(yīng)力，當(dāng)作用于孔壁的拉應(yīng)力大于混凝土的極限抗拉強(qiáng)度時，就會產(chǎn)生微裂縫。

3、鋼筋的銹蝕

鋼筋在混凝土中處于一種強(qiáng)堿性環(huán)境。在這種環(huán)境中，鋼筋表面形成一層惰性的氧化鐵薄膜，它使鋼筋表面不存在活性狀態(tài)的鐵，鋼筋就不會產(chǎn)生銹蝕。通常，鋼筋表面氧化鐵薄膜遭到破壞的原因主要有兩個：一是混凝土碳化，使鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)保護(hù)層的PH值降低，進(jìn)而破壞氧化鐵薄膜；二是氯離子的作用而破壞氧化鐵薄膜。鋼筋的銹蝕會逐漸造成混凝土與鋼筋的粘結(jié)力下降，鋼筋的斷面減小，鋼筋延性降低等問題。

4、結(jié)構(gòu)設(shè)計不完善

我國現(xiàn)行的公路鋼筋混凝土橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工規(guī)范主要考慮的是荷載作用下結(jié)構(gòu)安全性與適用性的需要，并未能充分考慮耐久性要求，而且在具體的設(shè)計條文中也沒有充分體現(xiàn)出來。這就導(dǎo)致在以往及現(xiàn)在橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計中普遍存在重視結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計而輕視耐久性設(shè)計的問題。

三、混凝土結(jié)構(gòu)耐久性失效機(jī)理

1、鋼筋腐蝕

一般埋在混凝土中鋼筋不會銹蝕，這是由于混凝土呈高度堿性，會在鋼筋表面形成一層防止銹蝕發(fā)展的保護(hù)膜（鈍化膜）。但是混凝土結(jié)構(gòu)在混凝土碳化、混凝土堿-集料反應(yīng)、氯離子侵蝕等作用下，鋼筋外面的混凝土中性化或出現(xiàn)開裂等情況，鋼筋失去堿性混凝土的保護(hù)，鈍化膜破壞并開始銹蝕，逐漸失去了對其內(nèi)部鋼筋的保護(hù)作用。銹蝕的鋼筋不但截面積有所減少，材料的各項性能也會發(fā)生衰退，影響混凝土構(gòu)件的承載能力和使用性能。鋼筋銹蝕會引起混凝土保護(hù)層脹裂，銹脹裂縫產(chǎn)生后鋼筋的銹蝕會加速。

2、混凝土碳化

碳化是空氣中二氧化碳與水泥石中的堿性物質(zhì)相互作用。使其成分、組織和性能發(fā)生變化，使用機(jī)能下降的一種很復(fù)雜的物理化學(xué)過程。碳化會降低混凝土的堿度，破壞鋼筋表面的鈍化膜，使混凝土失去對鋼筋的保護(hù)作用，給混凝土中鋼筋銹蝕帶來不利的影響，同時，混凝土碳化會加劇混凝土的收縮，這些都能導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生裂縫和結(jié)構(gòu)的破壞，混凝土碳化與混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性密切相關(guān)，是衡量鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)物可靠度的重要指標(biāo)。

3、混凝土堿-集料反應(yīng)

混凝土堿-集料反應(yīng)是指混凝土中的堿與集料中的活性組分之間發(fā)生的破壞性膨脹反應(yīng)。該反應(yīng)發(fā)生于混凝土中的活性骨料與混凝土中的堿之間，其反應(yīng)產(chǎn)物為硅膠體，這種硅膠體遇水膨脹，產(chǎn)生很大的膨脹壓力，從而引起混凝土開裂。混凝土發(fā)生堿-集料反應(yīng)破壞表現(xiàn)為：外觀上主要是表面裂縫、變形和滲出物，而內(nèi)部特征主要有內(nèi)部凝膠、反應(yīng)環(huán)、活性堿-集料、內(nèi)部裂縫、堿含量等。混凝土結(jié)構(gòu)一旦發(fā)生堿-集料反應(yīng)出現(xiàn)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。

四、鋼筋混凝土橋梁耐久性的對策研究

1、橋梁結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計理論

橋梁設(shè)計決定著承載構(gòu)件的工作狀態(tài)和結(jié)構(gòu)耐久性。我國橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計采用極限狀態(tài)設(shè)計法，在標(biāo)準(zhǔn)荷載和材料標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度等取值方面已采用數(shù)理統(tǒng)計手段，但在實用上，仍采用了部分經(jīng)驗手段進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)整，屬半概率極限狀態(tài)設(shè)計方法。由于采用分項系數(shù)表達(dá)式，因此，計算模式不定系數(shù)對正常使用極限狀態(tài)可靠度的影響最大，荷載效應(yīng)次之；由于混凝土材料的離散性，所以，混凝土構(gòu)件自身對正常使用可靠度也有較大影響。混凝土構(gòu)件服役一段時間后，會發(fā)生碳化等混凝土中性化現(xiàn)象，鋼筋的銹蝕會導(dǎo)致鋼筋面積減小，混凝土保護(hù)層漲裂等問題，對結(jié)構(gòu)的使用性能和耐久性能產(chǎn)生不利影響。而結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計則應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)工作環(huán)境的情況，確定耐久性極限狀態(tài)及標(biāo)志。耐久性設(shè)計就是根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)破損的規(guī)律，來驗算結(jié)構(gòu)在設(shè)計使用壽命期內(nèi)抵抗環(huán)境作用的能力，是否大于環(huán)境對結(jié)構(gòu)的作用。

2、材料使用方面

提高材料本身的耐久性是保證混凝土橋梁結(jié)構(gòu)耐久性的基礎(chǔ)和前提。主要手段有：盡量選用低堿水泥、堿活性低且堅固耐久的骨料或加入一定量的摻合料（如粉煤灰、硅粉、礦渣等）來取代部分水泥以降低混凝土的堿性，控制混凝土中的堿一骨料反應(yīng)；通過加入減水劑降低水灰比，減少混凝土中的孔隙，以減少或阻止環(huán)境中的水分浸入混凝土，從而能起到阻止堿一骨料反應(yīng)的作用。

3、結(jié)構(gòu)設(shè)計方面

在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，設(shè)計者除了進(jìn)行強(qiáng)度設(shè)計外，還應(yīng)該針對不同的使用條件、環(huán)境和地區(qū)，對結(jié)構(gòu)作一定的耐久性設(shè)計，以達(dá)到預(yù)定的使用壽命。如對混凝土的各項性能指標(biāo)、結(jié)構(gòu)構(gòu)造等方面提出一定的具體要求。如果在設(shè)計上就存在缺陷或薄弱環(huán)節(jié)，那么結(jié)構(gòu)就有可能從這些部位或環(huán)節(jié)開始破壞。

4、使用條件方面

盡量使鋼筋混凝土橋梁避免水的影響，使其處于干燥狀態(tài)。對鋼筋來講，最不利的環(huán)境是干濕交替。因此，提高普通鋼筋混凝土橋梁結(jié)構(gòu)耐久性的首要途徑就是增加混凝土材料自身的密實性，并增加鋼筋的混凝土保護(hù)層厚度。必要時還可采用其他各種方法，如抹面、涂層等來減緩或防止橋梁結(jié)構(gòu)受水分、二氧化碳和有害介質(zhì)等的作用。

5、管理方面

加強(qiáng)管理，進(jìn)行定期的檢測和維護(hù)，這樣可以及時地發(fā)現(xiàn)問題、處理問題，避免事故的發(fā)生。如四川宜賓的南門大橋發(fā)生橋面塌落事故，就是因為橋面結(jié)構(gòu)與主拱之間的吊桿在連接處發(fā)生銹蝕所致，如果進(jìn)行定期檢測，事故將可能避免。

6、鋼筋混凝土橋梁耐久性劣化和力學(xué)性能現(xiàn)狀

主要調(diào)查某市公路系統(tǒng)的鋼筋混凝土橋梁。從現(xiàn)場進(jìn)行的鉆孔取樣，并根據(jù)要求制樣，以測定起氯離子滲透性、碳化程度和強(qiáng)度。①鋼筋混凝土氯離子滲透性的檢測。鋼筋混凝土橋梁混凝土試樣的導(dǎo)電量大部分超過4000C，說明混凝土的康氯離子滲透性能已經(jīng)很差，混凝土耐久性能收到嚴(yán)重劣化，混凝土對鋼筋的保護(hù)作用已經(jīng)很弱。中部試樣的導(dǎo)電量大約為兩側(cè)混凝土導(dǎo)電量的3/4，說明中部混凝土的抗氯離子滲透性也受到了較強(qiáng)的劣化。

五、結(jié)束語

我國鋼筋橋梁混凝土的建設(shè)再有了巨大發(fā)展的同時，也存在很多亟待需要解決的問題。混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性一直是我們工程技術(shù)人員努力的方向。為了保證鋼筋混凝土橋梁的結(jié)構(gòu)耐久性，應(yīng)針對鋼筋腐蝕的原因采取合理的防治措施，選擇合理的混凝土材料。

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