寒冷海洋環境混凝土橋梁耐久性提升方法研究

劉 青

(西南交通大學土木工程學院，四川 成都 610031)

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寒冷海洋環境混凝土橋梁耐久性提升方法研究

劉 青

(西南交通大學土木工程學院，四川 成都 610031)

分析了影響寒冷海洋環境混凝土橋梁耐久性的因素，從設計階段和運營階段，論述了提升混凝土橋梁耐久性的方法，并總結了現有耐久性提升方法的修復機理和注意事項，從而延長寒冷海洋環境混凝土橋梁的使用壽命。

寒冷海洋環境，橋梁，混凝土，耐久性

0 引言

近年來，隨著社會經濟水平的大幅提高，我國公路交通事業進入了快速發展時期，大型的跨海跨河橋梁工程也不斷涌現。橋梁作為道路交通的重要組成部分，其服役性能非常關鍵，特別是在寒冷海洋環境下，混凝土橋梁的耐久性研究更為復雜，要同時考慮鋼筋銹蝕和海水氯鹽侵蝕等多種作用對其的影響。混凝土結構的耐久性是其抵抗大氣影響、化學侵蝕和其他劣化過程從而長期維持其性能的能力[1]。在寒冷海洋環境下各種復雜環境介質影響下，使混凝土材料的內部發生損傷從而帶來混凝土結構耐久性失效。

本文以曹妃甸工業區跨納潮河2號大橋工程項目為依托，展開寒冷海洋環境混凝土橋梁耐久性提升方法研究。納潮河2號大橋位于渤海灣寒冷海洋環境中，是曹妃甸工業區的重點市政工程，全長2 380 m，橋梁全長1 015.3 m，主橋為7跨連續梁總長525 m，設計使用年限為100年。

1 橋梁結構混凝土耐久性的影響因素

耐久性極大程度地影響著混凝土橋梁結構的服役壽命，由于結構耐久性缺陷而導致的后果也是相當嚴重。近年來，由于混凝土結構耐久性問題，造成建筑物功能喪失，需要停用、修繕、廢棄、拆除和重建的事件多有發生，甚至發生嚴重事故，造成十分巨大的經濟、社會損失，威脅公共安全[2]。而對于寒冷海洋環境混凝土橋梁結構的耐久性問題更是嚴峻，需要引起我們的高度重視，采取適當措施進行應對。

影響混凝土橋梁耐久性的因素是非常多的，各種影響因素之間也是相互關聯的。針對本文研究的寒冷海洋環境，影響混凝土橋梁耐久性的主要因素包括鋼筋銹蝕、氯鹽侵蝕、凍融破壞和施工質量等。

1)鋼筋銹蝕。混凝土橋梁中的鋼筋表面有一層非常致密的鈍化膜，在一般情況下可以防止鋼筋發生銹蝕，但是如果鈍化膜遭到破壞，鋼筋在外界惡劣環境下就會發生銹蝕。鋼筋銹蝕會導致鋼筋有效截面面積減少，同時鋼筋銹蝕產物也會造成體積膨脹，對混凝土壓力增大從而破壞混凝土的保護層。

2)氯鹽侵蝕。海洋環境中，混凝土橋梁中鋼筋會受到氯離子的嚴重侵蝕，所以鋼筋表面氯離子含量的多少是可以用來衡量混凝土在海洋環境中耐久性非常重要的指標。氯離子的來源除了外界的海水環境，還有很大一部分來自混凝土的組成原材料中。氯離子進入混凝土內部的方式很多，主要包括擴散、滲透和毛細吸附。

3)凍融破壞。北方的嚴寒，混凝土毛細孔中的水在正負溫度反復交替作用下會發生凍融循環過程。混凝土在整個凍融循環過程中會受到水滲透和凍脹壓力的共同作用，持續發生疲勞損傷，結果導致混凝土從內到外逐漸發生剝蝕破壞。

4)施工質量。寒冷海洋環境的混凝土橋梁的整體耐久性和其在施工過程中的質量控制緊密相關，組成混凝土原材料的質量不過關以及配合比設計不合理都會使混凝土整體性能較差，加上在施工過程中操作不細致，這些因素都會加速混凝土的破壞，因此優良的施工組織管理工作對施工環節的質量保證意義重大。

2 橋梁結構混凝土耐久性提升方法

現階段我國橋梁建設高速發展，如果能有效提升橋梁結構混凝土的耐久性，將會給基礎設施建設帶來非常可觀的經濟和社會效益。提升橋梁結構混凝土的耐久性也是符合我國可持續發展戰略的舉措，因為耐久性的提高可以大幅降低相關的維修費用，減少結構過早破壞的重建從而避免浪費資源。

2.1 混凝土橋梁結構設計耐久性提升方法

JGJ/T 259—2012混凝土結構耐久性修復與防護技術規程[3]對混凝土耐久性提升是從“預防”和“治理”兩個方面進行說明的。“預防”是指根據相應的環境條件，在混凝土結構設計階段從結構設計、材料選用以及構造措施幾個方面提前預防混凝土的耐久性下降。

2.1.1 混凝土的結構設計

對于混凝土的結構設計，應盡量避免混凝土的截面幾何形狀突變，規整平滑的截面形狀才能保證構件的傳力路徑簡潔合理，應力分布均勻和緩。結構構件除了要滿足承載力足夠的條件，還必須具有相應的整體穩定性，整體性良好的結構不但形態美觀，同時也是力流平滑的保證。由于混凝土橋梁防排水系統的壽命與橋梁的整體使用壽命相比偏短，所以混凝土表面形狀還應該便于防水排水。此外在進行結構設計時，應盡量使結構便于進行后期的檢修工作以降低檢修費用。

2.1.2 混凝土原材料選用質量控制

需要從鋼筋選用、水泥品種、集料級配、摻合料和外加劑等方面進行原材料的選用和控制。對于寒冷海洋環境的混凝土橋梁結構，應采用符合現行國家規范標準質量規定的熱處理鋼筋、鋼絲和鋼絞線。水泥宜選用質量合格的硅酸鹽水泥，需保證配制的混凝土強度達標、和易性良好和收縮小。還需注意選用堅固耐久、有害物含量小的集料，并保證其級配連續良好。混凝土摻合料和外加劑的選用首先要滿足對混凝土的質量無影響，品種和用量要根據具體的環境條件選用，符合相應規范的要求。

2.1.3 混凝土構造設計

對于混凝土的構造設計要求，主梁截面尺寸的擬定非常關鍵，除了要滿足受力需要，還應該便于施工，同時考慮耐久性的需要，各關鍵尺寸要保證混凝土能良好灌注和振搗。鋼筋的布置對結構耐久性也是影響較大，除了保證鋼筋就位方便，還應能使周圍混凝土振搗充分，受力鋼筋和構造鋼筋要封閉連接，提高結構的整體受力性能。相關試驗研究表明混凝土保護層厚度的增加會使鋼筋銹蝕開始時間發生平方關系的增加，由此混凝土保護層厚度對于其耐久性的重要性可見一斑，特別是對于寒冷海洋環境的混凝土橋梁耐久性的需要，在滿足極限承載能力要求情況下，通過合理措施，混凝土保護層厚度相應增大一些是很有必要的。

2.2 既有混凝土橋梁結構耐久性提升方法

既有混凝土結構耐久性提升就是從“治理”的角度出發，對混凝土結構進行修復，提升混凝土耐久性從而延長使用壽命。氯離子侵蝕會破壞鋼筋表面的鈍化膜從而加速鋼筋銹蝕，根據鋼筋銹蝕機理可以將既有混凝土結構耐久性提升方法分為物理隔斷型、陰極保護型、鋼筋保護膜型以及除氯并恢復鈍化膜型4種主要形式。

2.2.1 物理隔斷型

物理隔斷型修補法是通過隔斷氯離子、氧氣和水等進入混凝土內部的通道來提升其耐久性，物理隔斷型修補法包括表面處理法和填充法等。1)表面處理法。對結構整體強度影響不大的混凝土構件表面裂縫，一般可以采用表面處理法，此方法通常是使用滲透性防水劑和彈性覆膜防水材料等來恢復結構耐久性。2)填充法適用于裂縫寬度已發展較大的混凝土結構，其原理就是把環氧樹脂等填充料填充到混凝土裂縫孔隙內部，以此來恢復混凝土構件耐久性和整體性。物理隔斷型修補法通過適宜的修復材料修復混凝土裂縫，從而減少有害物質侵入混凝土內部來提升其耐久性。該方法原理簡單，施工便利，關鍵是選擇的修補材料要確保能有效隔斷有害侵入物質。

2.2.2 陰級保護型

陰極保護型修補方法的原理是防止在鋼筋表面形成電化學腐蝕電池從而提升結構耐久性，主要有犧牲陽極法和外加電流輔助陽極法。犧牲陽極法是在鋼筋上連接一塊更為活躍的金屬，使該金屬代替鋼筋成為新的陽極，這樣鋼筋就成為了被保護的陰極。外加電流輔助陽極法就是將直流電的負極直接連接鋼筋，正極連接難溶性的陽極，以此來保護鋼筋不被腐蝕。陰極保護型修補可以有效保護鋼筋，但是它也存在主要的缺點就是在建設過程中需要對混凝土結構提前設置保護系統，同時需要有人專門護理，因此成本較高。

2.2.3 鋼筋保護膜型

鋼筋保護膜型修補法是在被氯離子破壞了鈍化膜的鋼筋上重新生成新的保護膜，使鋼筋和有害物質隔離，具有代表性的方法是遷移性阻銹劑和電遷移性阻銹劑。遷移性阻銹劑(MCI)是以胺、醇胺及其鹽或酯為主的混合型溶液，將其涂抹在混凝土表面，阻銹劑就會以水為介質進入混凝土內部。當阻銹劑到達鋼筋表面時會形成穩定的保護膜，使鋼筋與氯離子等有害物質隔離從而阻止鋼筋進一步銹蝕。由于遷移性阻銹劑到達鋼筋表面速度較慢并且對于較厚混凝土阻銹效果欠佳，為了改善這些問題，通過增加電場作用的電遷移性阻銹劑逐漸發展起來，在原來遷移性阻銹劑的基礎上阻銹效果顯著提升[4]。此方法要重點考慮使用的阻銹劑是否影響環境，還有阻銹劑自身的穩定性及作用效率。

2.2.4 除氯并恢復鈍化膜型

除氯并恢復鈍化膜型修補法是一種新型的綜合性方法，它提高混凝土耐久性的工作原理就是轉移混凝土內部的氯離子并且將已經破壞的鋼筋鈍化膜進行恢復，其中具有代表性的方法有電化學脫鹽法和雙向電滲法。電化學脫鹽法將外部電極作為陽極，鋼筋作為陰極，兩者之間通直流電后鋼筋周圍水得電子生成的OH-會和Cl-一起向混凝土表面的陽極移動，最終的效果就是降低混凝土內部氯離子濃度的同時使混凝土表面pH得以恢復[5]。文獻[6]提出了雙向電滲法，這是在電化學脫鹽法的基礎上在外部電解液中加入陽離子阻銹劑，從而降低混凝土內部氯離子濃度的同時也使鋼筋表面加上一層阻銹劑，阻止鋼筋銹蝕。綜合來看，除氯并恢復鈍化膜型修復法能比較徹底地移除混凝土中的氯離子并恢復其堿性環境，但是也存在如設備復雜、施工難度大和費用較高等問題。

3 結語

寒冷海洋環境混凝土橋梁的耐久性是其設計、施工和使用過程中需要重點關注的問題，耐久性不足給橋梁帶來安全隱患問題的同時，也大幅增加了后期維修費用投入，可見進行橋梁耐久性提升方法研究的意義重大。從控制鋼筋銹蝕機理的角度出發，將耐久性提升方法總體分成四類，實際應用中應根據具體情況，選用適宜的方法。做到“防”“治”結合，優化結構設計方案，運營過程中定期檢測并及時修復損傷，做到有效提升寒冷海洋環境混凝土橋梁耐久性以延長其使用壽命。

[1] 陳肇元.混凝土結構的耐久性設計方法[J].建筑技術，2003，34(5)：328-333.

[2] 吉 林，繆昌文，孫 偉.結構混凝土耐久性及其提升技術[M].北京：人民交通出版社，2011.

[3] JGJ/T 259—2012，混凝土結構耐久性修復與防護技術規程[S].

[4] 唐軍務，李森林，蔡偉成,等.鋼筋混凝土結構電滲阻銹技術研究[J].海洋工程，2008，26(3)：83-88.

[5] 徐建芝，丁 鑄，邢 峰.鋼筋混凝土電化學脫鹽修復技術研究現狀[J].混凝土，2008(9)：22-24.

[6] 金偉良，吳航通，許 晨，等.鋼筋混凝土耐久性提升技術研究進展[J].水利水電科技進展，2015，35(5)：68-76.

Research on durability improvement method of concrete bridge in cold marine environment

Liu Qing

(CivilEngineeringSchool,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,China)

This paper analyzed the durability influence factors of concrete bridge in cold marine environment, from the design stage and operation stage, discussed the methods to improve the concrete bridge durability, and summarized the repair mechanism and precautions of existing durability enhancing methods, so as to prolong the service life of concrete bridge in cold marine environment.

cold marine environment, bridge, concrete, durability

1009-6825(2017)10-0173-02

2017-01-24

劉 青(1992- )，男，在讀碩士

U445.73

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