混凝土橋梁鹽凍腐蝕及耐久性提升技術(shù)

宋承哲

(1.遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計院有限責(zé)任公司 沈陽市 110166； 2.遼寧大通公路工程有限公司 沈陽市 110111)

我們對遼寧省在役混凝土橋梁的檢測報告進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，許多混凝土橋梁經(jīng)歷5～10年，混凝土即產(chǎn)生了凍融破損、鹽凍剝蝕等病害，腐蝕處鋼筋銹蝕也較嚴(yán)重,凍融和除冰鹽的過量使用是導(dǎo)致橋梁混凝土劣化的主要原因。常規(guī)的修補(bǔ)方式是對腐蝕區(qū)域的混凝土進(jìn)行鑿除，用聚合物修補(bǔ)砂漿進(jìn)行修補(bǔ)，很難達(dá)到良好的修補(bǔ)效果。以試驗橋泄水管下方邊梁為修補(bǔ)對象，分析產(chǎn)生病害的原因和機(jī)理，提出至上而下的綜合處治方案，達(dá)到提高混凝土橋梁耐久性的目的。

1 試驗橋梁技術(shù)狀況檢查

1.1 表觀病害

經(jīng)現(xiàn)場查看，如圖1所示，試驗橋存在泄水管周圍滲水，導(dǎo)致泄水管出水口下方及附近箱梁翼緣、腹板混凝土腐蝕剝落，泛堿現(xiàn)象，翼緣處嚴(yán)重區(qū)域可見鋼筋銹蝕外露。表面材質(zhì)惡化狀況影響了構(gòu)件結(jié)構(gòu)安全，減少了構(gòu)件使用壽命。

圖1 試驗橋表觀病害

1.2 鋼筋混凝土構(gòu)件惡化狀況評定

由于混凝土表面破損嚴(yán)重并伴有銹跡，即檢測了腹板處的鋼筋銹蝕電位。檢測結(jié)果為-488mV，表明鋼筋有銹蝕活動性，嚴(yán)重銹蝕可能性極大。由于鋼筋銹蝕電位評定標(biāo)度為4，應(yīng)檢測該區(qū)域的氯離子含量和混凝土電阻率。經(jīng)取樣檢測，氯離子含量為0.68%，評定標(biāo)度為3，有可能誘發(fā)鋼筋銹蝕。混凝土電阻率的檢測結(jié)果為14300Ω·cm，評定標(biāo)度為3。結(jié)合上述幾項檢測結(jié)果，可推斷腹板內(nèi)鋼筋銹蝕的可能性較大。

2 病害成因分析

2.1 病害類型及成因分析

現(xiàn)場查看發(fā)現(xiàn)，部分混凝土表層砂漿剝落露出堅硬骨料，部分混凝土伴有銹跡破壞嚴(yán)重，這是鹽凍破壞和凍融破壞同時存在的現(xiàn)象[1]。發(fā)生鹽凍病害的直接原因是除冰鹽的使用，同時由于泄水管長度不足、泄水孔與防撞墻未能緊密結(jié)合，導(dǎo)致了翼緣及腹板大面積腐蝕。從破壞的部位及范圍來看，防撞墻根部以及離泄水孔較遠(yuǎn)的翼緣底部也有一定的破損，極有可能是橋面防水層已失效，混凝土鋪裝層也發(fā)生凍融或鹽凍破壞。凍融介質(zhì)的來源與走向見圖2。

圖2 凍融介質(zhì)來源與走向圖

2.2 鹽凍損傷機(jī)理

關(guān)于混凝土受凍融破壞的機(jī)理，各國學(xué)者都進(jìn)行了很多研究，并提出了眾多學(xué)說[2]。目前尚沒有一種理論能夠完美地解釋混凝土結(jié)構(gòu)凍融破壞的原理。但其中的靜水壓理論和滲透壓理論，得到大部分研究人員的認(rèn)同，作為混凝土抗凍耐久性研究的理論基礎(chǔ)。

鹽凍破壞是混凝土凍融破壞的一種特殊形式，其機(jī)理既有與混凝土的一般凍融破壞相似的一面，又有其自身的很多特點。

楊全兵等[3]對鹽凍破壞作了大量的研究，他們認(rèn)為鹽的存在提高了混凝土結(jié)構(gòu)的保水程度，隨著可凍水的增多凍脹壓力也增大；干燥時，鹽從鹽溶液中析出產(chǎn)生了結(jié)晶壓，進(jìn)一步破壞了混凝土。

John J. ValenzaII和Geogre W.Scherer[4]認(rèn)為混凝土鹽凍破壞是由于表面冰層的破壞而引起的。

2.3 鹽凍影響因素

(1)分布均勻、封閉的細(xì)小孔可提高混凝土的抗凍性能，反之混凝土的抗凍性能相對較差。

(2)水灰比直接影響混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)和密實程度。

(3)合理的含氣量可提高混凝土抗凍性能，但含氣量高會降低混凝土強(qiáng)度。

(4)混凝土的飽水程度。可凍水量的多少決定著凍脹力的大小。

3 病害處治方案

為了達(dá)到良好有效的修補(bǔ)效果，結(jié)合病害產(chǎn)生的原因以及鹽凍腐蝕病害的機(jī)理，應(yīng)做到以下幾點：

(1)清除所有已腐蝕混凝土。

(2)對已發(fā)生銹蝕的鋼筋進(jìn)行除銹處理，并采取阻銹措施。

(3)維修時使用的修補(bǔ)材料應(yīng)具備抗凍性能、抗鹽凍性能、抗氯離子滲透性能。

(4)修補(bǔ)后應(yīng)進(jìn)行防護(hù)處理，有效阻止鹽溶液再次侵入到混凝土內(nèi)部。

3.1 橋面系維修方案

切除泄水管周圍橋面鋪裝瀝青混凝土及已破損的混凝土鋪裝層，范圍為泄水管中軸線兩側(cè)及橋中線方向各500mm，以及適當(dāng)清除防撞墻內(nèi)側(cè)泄水管周圍填塞砂漿，示意圖見圖3。用聚氨酯類防水材料進(jìn)行處理，范圍為切除部位的橋面板和防撞墻內(nèi)側(cè)，防水材料應(yīng)涂布到泄水管內(nèi)側(cè)50mm。之后用瀝青膠泥材料對防撞墻根部和泄水管周圍進(jìn)行嵌縫處理，范圍為縫隙兩側(cè)30mm，示意圖見圖4。橋面鋪裝切除部位使用快速修補(bǔ)料進(jìn)行填充，泄水孔周圍100mm范圍做成斜坡，修補(bǔ)料終凝以后涂刷環(huán)氧瀝青。

圖3 橋面鋪裝切除方案示意圖

圖4 橋面系防水方案示意圖

3.2 箱梁翼緣及腹板維修方案

對箱梁翼緣及腹板混凝土泛堿、剝落、露筋等病害，首先鑿除病害處疏松混凝土，露出新鮮骨料；對生銹鋼筋進(jìn)行除銹處理，并用阻銹劑進(jìn)行阻銹處理；對已銹斷的鋼筋，用等直徑的鋼筋進(jìn)行焊接補(bǔ)強(qiáng)；最后采用聚合物修補(bǔ)砂漿進(jìn)行修補(bǔ)，當(dāng)局部修補(bǔ)厚度超過30mm時加一層鋼筋網(wǎng)，分層施工，修補(bǔ)砂漿性能要求見表1，翼緣等垂面修補(bǔ)面建議提高粘結(jié)強(qiáng)度等級至1.2MPa。

表1 聚合物修補(bǔ)砂漿性能指標(biāo)要求

3.3 箱梁翼緣及腹板防腐方案

對箱梁翼緣及腹板混凝土局部病害處理完畢后，對箱梁翼緣、腹板外露面整體涂刷水泥基滲透結(jié)晶材料，并采用防腐涂層(3層)進(jìn)行防腐處理，示意圖見圖5，防腐涂層材料指標(biāo)要求見表2。

圖5 防腐方案示意圖

表2 防腐涂層材料指標(biāo)要求

4 施工中發(fā)現(xiàn)的問題及建議

(1)橋面混凝土鋪裝層腐蝕嚴(yán)重，部分區(qū)域混凝土腐蝕深度已達(dá)到箱梁頂部。這種破損很難及時發(fā)現(xiàn)，建議橋梁檢測過程中增加鉆芯取樣檢測。

(2)腹板混凝土腐蝕嚴(yán)重，部分區(qū)域混凝土已腐蝕至保護(hù)層，箍筋發(fā)生銹蝕，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)安全，見圖6。鑿除工程中發(fā)現(xiàn)，腐蝕程度要遠(yuǎn)高于表面所看到的程度，建議橋梁檢測時，增加檢測手段，準(zhǔn)確評估腐蝕厚度及橋梁技術(shù)狀況。

圖6 腹板鋼筋銹蝕

5 結(jié)語

鹽凍會對混凝土橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生嚴(yán)重的破壞，影響結(jié)構(gòu)的使用壽命及結(jié)構(gòu)安全。對于已產(chǎn)生鹽凍腐蝕病害的混凝土橋梁的耐久性維修設(shè)計，需考慮病害產(chǎn)生的原因和維修部位，選取合適的養(yǎng)護(hù)材料和處治方案。嚴(yán)寒地區(qū)混凝土橋梁耐久性提升可通過以下幾個方面實現(xiàn)：

(1)橋梁檢測時，應(yīng)更加細(xì)致、科學(xué)、系統(tǒng)地對混凝土橋梁材質(zhì)技術(shù)狀況進(jìn)行檢測和評估。由于實際腐蝕情況要嚴(yán)重于表面所看到的腐蝕情況，檢測人員應(yīng)掌握最真實的病害情況，分析病害成因，有利于耐久性維修設(shè)計。

(2)維修材料應(yīng)具有不低于原結(jié)構(gòu)的耐久性能。維修材料具備抗鹽凍性能等耐久性能，才能保證維修工程不失效，從而提高混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性。

(3)維修材料的選取應(yīng)考慮使用環(huán)境、結(jié)構(gòu)部位等因素。由于環(huán)境作用等級的不同，構(gòu)件的受力形式不同，即對修補(bǔ)材料的耐久性要求和力學(xué)性能要求均不同。為了達(dá)到更好的維修效果，應(yīng)科學(xué)、合理、經(jīng)濟(jì)地選取適宜的修補(bǔ)材料。

(4)對于鹽凍腐蝕嚴(yán)重部位，應(yīng)進(jìn)行預(yù)防性養(yǎng)護(hù)處理。防腐涂層材料能有效地防止凍融介質(zhì)及氯離子的侵入，能有效提高混凝土結(jié)構(gòu)的抗凍及抗鹽凍性能。