旱區(qū)環(huán)境下砼橋梁碳化問題分析

2016-10-28 07:57:20黃建平

公路與汽運 2016年1期

關鍵詞：耐久性橋梁深度

黃建平

（湖南路橋建設集團有限責任公司，湖南　長沙　410004）

旱區(qū)環(huán)境下砼橋梁碳化問題分析

黃建平

（湖南路橋建設集團有限責任公司，湖南長沙410004）

針對中國西北旱區(qū)環(huán)境的橋梁工程砼碳化問題，從影響因素角度進行分析，提出了用于旱區(qū)環(huán)境的砼碳化深度研究方法；經(jīng)過大量試驗測量，闡明了碳化深度計算模型的可行性，說明了保護層厚度與砼強度對碳化深度的影響。

橋梁；碳化；旱區(qū)環(huán)境；保護層厚度；砼強度

鋼筋砼在大氣環(huán)境作用下，隨著工作年限的增長會慢慢老化，耐久性受損。旱區(qū)橋梁工程耐久性降低的主要原因是結構的保護層砼逐漸發(fā)生碳化。若碳化現(xiàn)象嚴重，則保護層砼會發(fā)生銹蝕開裂，嚴重影響橋梁工程的正常使用，需進行維修才可繼續(xù)投入使用。

1　旱區(qū)砼碳化特點及要因

1.1大氣環(huán)境影響因素

橋梁保護層碳化是一個緩慢的物理化學作用過程，影響碳化速度的因素主要是現(xiàn)場的環(huán)境溫度與濕度等條件。環(huán)境溫度與碳化系數(shù)間的關系如下：

式中：KT1、KT2分別表示T1與T2兩種大氣環(huán)境下的碳化系數(shù)。

濕度環(huán)境對砼碳化的影響公式為：

式中：kRH1、kRH2分別表示RH 1與RH 2兩種濕度環(huán)境下的碳化速度。

根據(jù)式（2），碳化速度與現(xiàn)場環(huán)境的相對濕度大小關系密切。當相對濕度小時，碳化速度快。中國西北地區(qū)空氣干燥，部分地區(qū)的溫度、濕度見表1。

表1　西北旱區(qū)部分地區(qū)的年均溫度和濕度

大氣環(huán)境的溫度與濕度之間相關性強，考慮到

式中：T為現(xiàn)場的年平均溫度（℃）；RH為現(xiàn)場環(huán)境的年均濕度（％）。

根據(jù)式（3），在年均溫度與年均濕度均較小的情況下，干旱地區(qū)的砼碳化速度更快。

1.2砼材料性能影響

抗壓能力能綜合反映砼的物理性能，通常情況下，砼抗壓強度越高，抗碳化能力越強。利用酚酞酒精溶液測得的大量實際工程砼碳化深度數(shù)據(jù)，通過線性回歸分析，得到抗壓強度與碳化系數(shù)之間的關系如下：

式中：kf表示由強度控制的砼碳化系數(shù)；fcu，k表示砼的抗壓強度標準值（MPa）。

根據(jù)中國20世紀80年代工業(yè)廠房的吊車梁檢測數(shù)據(jù)，鉆芯法測得C15砼碳化深度為70 mm。干旱地區(qū)暴露于空氣中的鋼筋銹蝕速度遠比潮濕地區(qū)鋼筋銹蝕速度慢，但砼保護層發(fā)生碳化后，暴露在空氣中的鋼筋銹蝕速度將大大增快。溫度與濕度對砼碳化速度的綜合影響，將兩個系數(shù)綜合考慮，引入一個新的變量，即環(huán)境因子，其計算公式如下：

2　旱區(qū)橋梁砼碳化規(guī)律

2.1碳化深度的檢測評價

旱區(qū)環(huán)境下評價暴露于空氣中的砼結構耐久性的重要指標是砼的碳化深度。碳化深度的現(xiàn)場測量方法主要有兩種，即彩虹與酚酞試劑法，兩種測量方法的結果較為接近，在此選擇價格相對便宜的酚酞試劑法。

（1）選擇構件。在利用碳化深度修正砼的強度時，抽取的試件數(shù)量大于10個，需大于同類構件總數(shù)的30％。

（2）測區(qū)布置。構件測量區(qū)域的布置主要根據(jù)實際構件的尺寸、材料特性及環(huán)境確定，一般位于兩個互相垂直的側面，數(shù)量為3～5個。測量區(qū)域一般應包括構件有代表性的部位。

（3）鉆孔。各個測量區(qū)域布置3個測孔，將其平均值作為該區(qū)域的測量結果代表值。在碳化深度小時，可選擇較小孔徑的測量孔；當碳化深度大時，可選擇直徑較大的測量孔。

（4）清孔。不要用水來清理測量孔中的粉末與碎屑，而應采用高壓空氣清理剩余垃圾和碎屑。

（5）測量碳化深度。將濃度1％的酚酞試劑噴于孔壁內(nèi)側邊緣，若碳化部位與未碳化部位的界限清晰明了，可直接采用深度測量工具來測量，取平均值作為測量孔的碳化深度值。

2.2旱區(qū)橋梁砼碳化深度評價

國內(nèi)外已有不少預測砼碳化深度的計算公式，但均存在一定的局限性，實際應用中誤差大。為分析干旱地區(qū)橋梁工程砼的碳化特性，選擇濕度環(huán)境差異小的砼進行檢測。首先利用無損檢測法測量砼抗壓強度，再在腹板上鉆孔并清洗干凈，噴灑濃度為1％的檢測試劑，根據(jù)顏色判斷碳化深度。檢測結果見表2。

根據(jù)表1，在梁體砼強度低時，保護層砼的碳化系數(shù)較大，隨著強度的增大，碳化系數(shù)下降，基本符合拋物線規(guī)律（見圖1）。

將表1中數(shù)據(jù)進行回歸分析，得到砼強度與碳化系數(shù)k的關系［見式（5）]和碳化深度x與年限t的關系［見式（6）]：

根據(jù)表1，受橋梁工程建造環(huán)境與場地環(huán)境的限制，檢測得到的砼強度與橋梁跨度關系較大，一般隨著跨度的增大，砼強度也增大。在砼強度低時，測量得到的碳化深度數(shù)據(jù)離散性較大。砼強度越高，碳化深度越小，碳化系數(shù)明顯下降。

3　旱區(qū)橋梁砼碳化壽命的可靠度分析

根據(jù)檢測結果，碳化深度的測量結果隨機性大，這主要是由于施工環(huán)境、施工質量、養(yǎng)護條件等導致砼保護層本身質量具有一定的隨機性。

3.1砼碳化深度可靠度分析

經(jīng)分析，碳化耐久性失效概率為：

可靠度指標為：

根據(jù)可靠度設計標準要求，結構正常使用情況下的可靠度指標不宜小于1～1.5，需考慮結構的技術狀況及社會因素。

3.2橋梁砼碳化壽命評估

為了驗證碳化深度隨機模型，以某三跨連續(xù)拱橋為例，通過對保護層厚度、碳化深度的檢測，分析評價橋梁剩余使用壽命。

表2　旱區(qū)橋梁保護層砼碳化深度檢測結果

圖1　砼強度與碳化系數(shù)的關系

拱橋由拱肋、梁、柱及橫撐組成，進行鉆芯法測量修正后的結果見表3。

表3　鉆芯法修正的砼強度測量結果MPa

對構件保護層進行檢測，檢測結果服從正態(tài)分布。建立碳化耐久性年限方程，根據(jù)橋梁重要性，可將碳化可靠度指標取為0.5，即碳化概率為30％。實測得到的橋梁碳化耐久性剩余年限見表4～6，動態(tài)可靠度指標與年限的關系見圖2～4。

根據(jù)測量結果，構件截面小的立柱受環(huán)境影響更大，保護層質量相對更差，碳化剩余壽命短。梁與主拱的體積大，支模、澆筑、養(yǎng)護條件好，砼密實性好，剩余壽命長，能滿足功能使用要求。采用可靠度分析方法，可解決測量數(shù)據(jù)離散問題，有助于正確預測砼碳化壽命。

4　結語

該文就處于干旱環(huán)境中橋梁工程砼的碳化問題，對影響砼碳化的主要因素進行了分析，結合干旱地區(qū)橋梁工程的砼強度與碳化測量，提出了適合于干旱地區(qū)對橋梁砼進行碳化預測的系數(shù)。通過實際測量，驗證了碳化深度預測模型的有效性。運用可靠度分析方法進行分析，結果表明保護層厚度與強度對碳化深度的影響顯著，在工程設計中要特別注意保護層厚度與砼強度的控制。