海域混凝土橋梁腐蝕及劣化機理研究

白 杜 娟

(陜西凱達公路橋梁工程建設有限公司，陜西 西安 710068)

1 概述

近年來，我國交通事業不斷發展，隨著人民生活水平的提高，對交通方式的要求也進一步增強。跨海橋梁作為連接兩岸的最佳方式，例如港珠澳大橋、杭州灣大橋等也相繼落成，并將進一步發展。然而，由于鋼筋混凝土本身的特性，在海洋環境中，其結構耐久性容易降低，受海洋環境中氯離子的影響，鋼筋易被侵蝕，進而形成惡性循環，結構耐久性不斷下降。

鋼筋銹蝕對混凝土結構的影響是普遍的，而且一旦發生，受劣化區域隱蔽的影響，結構往往難以維修，鋼筋混凝土耐久性將加速降低。對于沿海地區、跨海區域混凝土橋梁結構，氯離子含量充足，氯離子一旦到達鋼筋并濃度增加到一定程度，將會對鋼筋表層的鈍化膜造成損害，進而鋼筋發生銹蝕，橋梁結構發生劣化，嚴重時將影響橋梁結構正常使用，大大降低橋梁結構的使用壽命。因此，在橋梁設計及日常養護過程中，沿海地區、跨海區域橋梁結構腐蝕問題成為橋梁工作者無法回避的一個問題。對海域混凝土橋梁腐蝕及劣化機理進行研究，進而指導橋梁結構的安全性能評估與病害治理，具有非常重要的理論價值和指導意義。

2 海域環境下鋼筋混凝土的腐蝕機理研究

2.1 海域混凝土橋梁腐蝕現狀

本文以福建地區沿海大量的橋梁為研究對象，通過對其調查分析發現，腐蝕最嚴重部位在設計高水位以上1.0 m至設計高水位以下0.5 m的區段。而終年在水下的部位腐蝕損壞較少，其他部位介于二者之間。

海域環境水下水域寬闊，受潮汐影響水位落差較小，以溪尾特大橋為例，對其下部結構進行水下腐蝕性檢測，如圖1所示。9號 墩右幅1號樁的立柱在福鼎方向與右側轉角處，樁帽往上破損，長約為15 cm，高約為10 cm，深約為3 cm；在福鼎方向與左側轉角處，樁帽往上破損，長約為40 cm，高約為10 cm，深約為20 cm；立柱在寧德方向與右側轉角處，樁帽往上破損，長約為25 cm，高約為15 cm，深約為10 cm。

2.2 海域環境下鋼筋混凝土的腐蝕機理

混凝土耐久性受多種因素的影響，海域環境中，影響鋼筋混凝土橋梁耐久性主要因素為鋼筋銹蝕，海域混凝土構件長期處于潮濕環境中，該環境對氯離子自由擴散及傳播具有促進作用，氯離子一旦侵蝕鋼筋混凝土結構，該病害將難以治理，并將加速結構耐久性的破壞。

假定混凝土為均勻構件，氯離子的擴散為一維擴散，則有：

(1)

其中，t為時間；C為距混凝土表面x處的氯離子濃度；D為氯離子擴散系數；x為距混凝土表面的距離。

當t=0，x>0時，C=0；當x=0，t>0時，C=Cs。可知，上述方程的解為：

(2)

其中，Cs為氯離子濃度，等于混凝土構件在暴露環境介質的氯離子濃度；erf為誤差函數。

氯離子擴散系數是反映混凝土耐久性的重要指標。通過測量不同工作時間的擴散系數，可以建立擴散系數與時間之間的關系，從而可以預測結構的未來服務時間。因此，菲克第二定律中的擴散系數實際上是當結構從開始暴露到檢測時擴散系數的平均值。它是有效的擴散系數，隨時間變化。

3 海域環境中鋼筋混凝土構件劣化研究

3.1 銹蝕鋼筋性能退化研究

鋼筋表面與氣體或其他物質接觸將發生化學作用，之后鋼筋發生銹蝕現象，該現象為化學腐蝕，此時，腐蝕僅作用在構件表面，未發生電子之間的移動，腐蝕區域較小。然而，當鋼筋表面處于潮濕空氣，或者是溶液環境中，鋼筋銹蝕將大大加快，該銹蝕屬于電化學銹蝕，在此過程中，電子將發生運動，如圖2所示。

鋼筋發生銹蝕后，其屈服荷載降低，直接影響到橋梁結構承載力，通過理論計算，鋼筋的銹蝕率分別為0%，5%，10%，15%，20%時，其荷載—位移曲線如圖3所示。

可以看出：隨著銹蝕率的增大，鋼筋的屈服荷載迅速下降，二者呈線性關系。

3.2 劣化構件力學性能

為了研究銹蝕構件剛度演化規律，進而確切的掌握已銹蝕鋼筋混凝土構件的力學性能指標，試驗制作了15根混凝土短柱試件，編號為G1～G15，構件截面尺寸b×h×l=180 mm×220 mm×1 300 mm，混凝土保護層厚度G1～G10為20 mm，G11～G15壓區為35 mm，拉區為40 mm；縱筋全截面配筋螺紋鋼4φ12對稱布置，箍筋采用圓鋼φ6，柱身中段箍筋間距為100 mm，搭接區段為50 mm。

為了模擬已銹蝕鋼筋混凝土構件，對構件進行加速銹蝕，加速試驗采用半干法通電加速銹蝕，在環境濕度方面，本次試驗擬采用室溫20 ℃環境，將覆蓋用濕沙在5%的NaCl溶液中浸泡，試驗中提取6%濕度的含鹽濕沙覆蓋在試件的試驗區域，在濕沙上面再蓋上5%鹽水濕潤的半干棉布。15根試驗柱的銹蝕情況如表1所示。

表1 試件柱銹蝕情況

根據荷載試驗結果，繪制15根試驗柱的荷載—撓度曲線，如圖4，圖5所示。

根據實驗過程中，構件的破壞形態及荷載—撓度曲線可知：

1)構件破壞之前，當鋼筋銹蝕率低于6%時，作用相同的荷載，偏心受壓構件變形差異較小；構件破壞之前，當鋼筋銹蝕率高于6%時，作用相同的荷載，偏心受壓構件變形差異較大，并隨著銹蝕率的增大，變形較大；

2)當鋼筋混凝土構件銹蝕率相同時，偏心距增大，結構剛度變化較為明顯；當加載儀加載點一致時，隨著銹蝕率增加，鋼筋混凝土構件屈服中點撓度較小；

3)通過G2,G3鋼筋混凝土構件受壓試驗可知，構件受壓區域鋼筋銹蝕率對結構抗彎剛度影響較小。

4 結語

1)海域環境下鋼筋混凝土構件銹蝕最嚴重的區域發生在設計高水位以下0.5 m及以上1.0 m之間的區段；

2)隨著銹蝕率的增大，鋼筋的屈服荷載迅速下降，二者呈線性關系；

3)銹蝕率高于6%時，構件的抗彎剛度退化顯著，相較于受拉區鋼筋混凝土構件，受壓區主筋的銹蝕對構件的抗彎剛度影響較小。