京滬高速江蘇段混凝土橋梁的耐久性指標統計特性分析

陳光偉，王少鵬，楊 洋，厲廣廣，趙尚傳

(1.江蘇省交通工程建設局，江蘇 南京 210004;2.交通運輸部公路科學研究院，北京 100088)

0 引言

隨著沿線社會經濟的快速發展，國內高速公路交通量增長迅猛，部分路段已經達到或接近飽和狀態，服務水平嚴重下降，現狀通行條件無法適應重要的路網地位及未來交通需求的發展要求，亟需進行改擴建[1-3]。橋梁作為高速公路的關鍵節點，隨著服役時間的延長部分橋梁已出現不同程度的耐久性劣化。一條線路中相同服役環境的橋梁具有相近的耐久性狀況，可通過一定的統計數據來反映該區域橋梁整體耐久性狀況[4]。為踐行綠色可持續發展理念，并減小改擴建對交通的影響，需要最大限度利用既有橋梁，為評估橋梁的可利用價值則需要對其耐久性進行檢測評估。

基于京滬高速江蘇段改擴建工程，選取淮安境內的10座既有混凝土橋進行耐久性數據的測試采集及統計特性分析，為掌握該區域混凝土橋梁的整體耐久性狀態以及指導改擴建中既有橋梁的再利用決策提供依據。

1 一般大氣環境混凝土橋梁耐久性指標

碳化作用是導致橋梁結構耐久性失效的主要模式，也是對我國橋梁耐久性影響最為廣泛的一種作用模式[5-6]。江蘇省氣候特點濕潤多雨，混凝土梁橋的耐久性病害按照自然環境區劃，主要考慮混凝土碳化導致的鋼筋銹蝕。該地區屬溫帶季風氣候，四季分明，年平均氣溫在14.1～14.8 ℃之間，平均最高溫度31 ℃，平均最低溫度為-2 ℃。年無霜期240 d左右，年平均降水量約940 mm，平均濕度在65%～84%。

空氣中的二氧化碳擴散到混凝土中與水作用生成碳酸，碳酸與水泥水化過程中產生的氫氧化鈣、硅酸二鈣、硅酸三鈣反應生成碳酸鈣，使混凝土的pH值降低，這就是混凝土碳化。當混凝土的pH 值小于11.5時，就能引起鋼筋表面惰性氧化鐵薄膜的破壞，在空氣中的水和氧的作用下，致使鋼筋發生銹蝕引起結構的破壞[7]。對碳化環境中混凝土結構耐久性國內外已開展了大量研究[8-9]，對于耐久性極限狀態一般取碳化至鋼筋表面或鋼筋銹脹產生裂縫。該環境中直接相關的耐久性指標主要包括混凝土強度、碳化深度、保護層厚度，混凝土強度直接反映材料的密實狀況以及受碳化侵蝕的難易程度，通過碳化深度與保護層厚度可推算該環境下碳化系數和剩余耐久年限[10-11]。

2 耐久性指標數據

京滬高速公路江蘇段建成于2000年，截至2021年耐久性測試時間已服役21 a，為探究既有混凝土橋梁的耐久性狀況，對京滬高速江蘇省淮安段10座混凝土橋梁進行了耐久性數據的采集測試，其中空心板梁橋8座、組合箱梁橋1座、T梁橋1座。

根據橋梁結構特點確定橋梁耐久性指標測試的主體結構為主梁、墩臺。為準確清晰探究各類構件的測試結果，根據構件的截面形式、受力特點和建造材料等對主體結構進行構件類別劃分，測試橋梁的主梁結構構件類別有空心板梁、組合箱梁以及T梁；墩臺結構構件類別劃分為墩柱、蓋梁、臺帽。根據環境條件和表觀特征等劃分構件評定單元，同一構件類別中環境作用效應、材料性能和表觀特征基本一致的構件作為一個評定單元。主梁結構中空心板梁、組合箱梁以及T梁，其邊梁與中梁所處環境效應存在一定差異，邊梁腹板直接受到高溫暴曬和雨水沖刷的自然環境侵蝕，表觀損傷程度較重量嚴重，且邊梁腹板碳化深度較中梁更大，因此根據耐久性評定需要將主梁結構中空心板梁、組合箱梁以及T梁均再次按構件劃分為邊梁單元、中梁單元。墩臺結構中的墩柱、蓋梁、臺帽構件類別，其各自構件所處環境效應以及表觀狀況基本一致，故各自構件劃分為一個評定單元，即墩柱單元、蓋梁單元、臺帽單元。構件類別與評定單元劃分見表1。

表1 橋梁主體結構構件類別與評定單元劃分Tab.1 Classification and evaluation unit division of bridge main structure components

2.1 混凝土強度

既有橋梁的混凝土強度依據《回彈法檢測混凝土抗壓強度技術規程》(JGJ/T23—2011)[12]通過回彈法測得。由原始設計文件查得，該線橋梁中空心板梁、組合箱梁、T梁的混凝土設計強度分別為40#，50#，50#，墩柱、蓋梁、橋臺混凝土設計強度分別為30#(其中有兩座橋墩柱混凝土設計強度為25#，經測試其實際強度已超過30 MPa)，30#，30#。橋梁各類構件回彈強度檢測結果如圖1所示。

圖1 橋梁各類構件回彈強度測試結果Fig.1 Test result of rebound strengths of various bridge components

檢測結果可知，整體來看邊梁的混凝土強度略低于中梁，橋臺強度略低于蓋梁和墩柱，橋梁上部結構混凝土強度主要在40～60 MPa之間，下部結構主要在30～40 MPa之間。

2.2 碳化深度

既有橋梁混凝土碳化深度依據《公路橋梁承載能力檢測評定規程》(JTG/T J21—2011)[13]和《公路橋梁耐久性檢測評定規程》(報批稿)開展測試。該段線路橋梁建成于2000年，本次測試時間為2021年，混凝土經受21 a碳化侵蝕，測得各構件的碳化深度平均值如圖2所示。可以看出，邊梁受環境侵蝕較中梁嚴重，其碳化深度略高于中梁，上部結構碳化深度主要在1～5 mm之間，下部結構碳化深度主要在10～25 mm之間，上部結構碳化深度遠小于下部結構，這與兩種結構所用混凝土強度不同相關，同類構件中各橋梁碳化深度存在一定差異性，此現象可能與橋梁初期建造質量(如混凝土澆注振搗差異)、運營期環境狀況(如存在滲水、迎風與背風面差異)等有關。

圖2 橋梁各類構件碳化深度均值測試結果Fig.2 Test result of average carbonization depth of bridge components

2.3 保護層厚度

橋梁構件的保護層厚度依據《混凝土中鋼筋檢測技術標準》(JGJ/T 152—2019)[14]進行檢測。分別進行了橋梁各構件類中的主筋和箍筋檢測，測試結果如圖3和圖4所示，同一類橋梁結構中有包含多個構件的保護層測試結果，圖中柱體高度代表保護層厚度中值，上下浮動范圍以誤差線表示。上部結構的主筋和箍筋保護層厚度分別主要在20～40 mm，30～50 mm之間，下部結構的主筋和箍筋保護層厚度分別主要在25～50 mm，30～60 mm之間。

圖3 箍筋保護層厚度測試結果Fig.3 Test result of thickness of stirrup protective layer

圖4 主筋保護層厚度測試結果Fig.4 Test result of thickness of main reinforcement protective layer

3 耐久性指標統計特性

對京滬高速江淮安段10座橋梁所采集的強度、碳化深度、保護層厚度進行了統計特性分析，在該統計特性分析中，以每個構件的檢測結果作為數據樣本。為體現同類構件耐久性指標的統計規律，同時增大同類構件的樣本數，將上部結構中結構功能相同且測試結果相接近的邊梁和中梁合并，僅對不同橋型的主梁進行區分，即分為空心板、組合箱梁、T梁；將下部結構中結構相同的臺帽和蓋梁合并組合為“臺蓋”，10座橋梁的下部結構數據分為臺蓋、墩柱。對各類構件統計特性中的均值、變異系數、90%保證率區間等進行了分析，并判斷其符合的分布規律。數據Q-Q圖能直觀明了地看出數據是否為滿足分布規律，當Q-Q圖的散點呈現一條直線時，說明數據為符合預設的分布狀態。

3.1 混凝土強度

京滬高速江淮安段橋梁不同類構件的混凝土強度統計參數如表2所示，其中采用回彈法測得的組合箱梁構件強度均大于60 MPa，其回彈強度推測值以60 MPa計，各類構件強度分布直方圖與Q-Q圖如圖5所示。各類構件強度均值的大小關系為：箱梁(60)>T梁(57.52)>空心板(46.18)>墩柱(35.77)>臺蓋(33.87)，具有90%保證率的強度下限值分別為60，54.4，31.6，28.2，26.0 MPa。T梁數據來自同一個橋，變異系數很小，其他類構件變異系數在0.17～0.18。空心板、T梁、臺蓋的強度數據符合正態分布，墩柱符合對數正態分布。

3.2 碳化深度與碳化系數

不同類構件經21 a碳化作用后其碳化深度統計參數如表3所示，各類構件碳化深度分布直方圖與Q-Q圖如圖6所示。各類構件碳化深度均值的大小關系為：墩柱(17.63)>臺蓋(16.36)>空心板(3.43)>T梁(1.76)>箱梁(1.07)，碳化深度與混凝土強度有很強的相關性，下部結構碳化深度較上部結構高出一個量級。各類構件的碳化深度普遍具有很高的變異性，變異系數在0.35～0.61，墩柱的碳化深度變異性最小，空心板變異性最大。箱梁碳化深度最小，且其具有90%保證率的碳化深度上限值僅為1.75 mm。箱梁、臺蓋、墩柱符合正態分布，空心板和T梁符合對數正態分布。

表2 混凝土強度統計數據(單位：MPa)Tab.2 Statistics of concrete strength(unit：MPa)

圖5 混凝土強度直方圖與Q-Q圖Fig.5 Histograms and Q-Q diagrams of concrete strength

碳化深度與時間的平方根成正比[15-16]，即：

(1)

式中，x為碳化深度；k為碳化系數；t0為碳化時間。

以式(1)計算各類構件的碳化系數，其統計參數如表4所示，上部結構碳化系數均值95%置信區間上限在0.23～0.75 mm/a0.5范圍，下部結構碳化系數均值95%置信區間上限在3.57～3.85 mm/a0.5范圍。碳化系數的分布規律與碳化深度分布規律相同。

表3 碳化深度統計數據(單位：mm)Tab.3 Statistics of carbonization depths(unit：mm)

表4 碳化系數統計數據(單位：mm·a-0.5)Tab.4 Statistics of carbonization coefficients(unit：mm·a-0.5)

圖6 碳化深度直方圖與Q-Q圖 Fig.6 Histograms and Q-Q diagrams of carbonization depth

3.3 保護層厚度

分別對各類構件的箍筋和主筋保護層厚度數據進行了分析，統計參數如表5所示。箍筋作為外層鋼筋最早受到碳化侵蝕，各類構件箍筋保護層厚度分布直方圖與Q-Q圖如圖7所示。可以看出保護層厚度均值的大小關系為：墩柱>臺蓋>箱梁>空心板>T梁，具有90%保證率的箍筋保護層厚度下限值分別為18.48，22.78，15.73，24.50，27.17 MPa。除了空心板主筋、箱梁箍筋和墩柱主筋的混凝土保護層厚度基本呈對數正態分布以外，其余均為正態分布。各類構件保護層厚度變異性較為穩定，變異系數穩定在0.20～0.32范圍，箱梁的保護層厚度變異性最小，T梁的變異性最大。

表5 混凝土保護層厚度統計數據(單位：mm)Tab.5 Statistics of concrete protective layer thicknesses(unit：mm)

圖7 箍筋保護層厚度直方圖與Q-Q圖Fig.7 Histograms and Q-Q diagrams of stirrup protective layer thickness

3.4 碳化深度/系數與強度的關系

數據統計結果表明，碳化深度與混凝土強度有很強的相關性[17]。以測試構件的強度為橫坐標、碳化深度為縱坐標只做散點圖，如圖8所示，可以看出，經21 a時間的碳化侵蝕，混凝土強度在20～30 MPa 對應的碳化深度約在20～35 mm之間；混凝土強度在30～40 MPa對應的碳化深度約在8～22 mm之間；混凝土強度在40～60 MPa對應的碳化深度在1～8 mm之間。以指數衰減函數對經21 a碳化侵蝕構件的強度與碳化深度進行擬合，得到其關系式如下：

y=124.707e-x/18.52-4.029,

(2)

式中，y為碳化深度；x為混凝土強度。決定系數R2為0.877，具有較好的擬合優度。

圖8 混凝土與碳化深度關系Fig.8 Relationship between concrete and carbonation depth

圖9 混凝土與碳化系數關系Fig.9 Relationship between concrete and carbonation coefficient

由式(1)將碳化深度轉換為碳化系數，得到碳化系數與混凝土強度關系為：

y=27.213e-x/18.52-0.879,

(3)

式中，k為碳化系數；x為混凝土強度。碳化系數與混凝土強度關系圖如圖9所示。

4 碳化剩余耐久年限預測

根據碳化深度與保護層厚度的數據統計結果，對該線路中的混凝土橋梁不同構件進行剩余耐久年限的估測。該線路為高速公路，等級高，安全系數更大，且上部結構為預應力構件，故以碳化至鋼筋表面作為耐久性極限狀態，即以構件外層鋼筋即箍筋失去混凝土堿性環境保護為碳化耐久壽命臨界點[9,18]。

以式(4)對橋梁不同構件的剩余耐久年限進行估測：

(4)

式中，t為剩余耐久年限；c為保護層厚度。

同一類構件中包含多個構件，每個構件由于其碳化系數與保護層厚度不同，故而具有各自的剩余耐久年限。為對同一類構件進行整體的估測，碳化深度與碳化系數為環境作用特點，以具有95%保證率的均值上限作為特征值。箍筋保護層厚度分別取均值95%置信區間下限、雙側90%保證率區間下限作為計算值，即分別表示有50%構件鋼筋開始銹蝕、有5%的構件鋼筋開始銹蝕。

對整體剩余耐久壽命的均值進行估測，各類構件剩余耐久年限測算結果如表6所示。該線路橋梁上部結構具有較好的碳化剩余耐久年限，下部結構碳化剩余耐久年限較弱。橋梁上部結構與下部結構碳化剩余耐久年限的差異與其混凝土強度相關，上部結構混凝土強度主要在40～60 MPa之間，下部結構主要在30～40 MPa之間，混凝土強度的差異造成上部結構與下部結構碳化深度的不同，上部結構碳化深度主要在1～5 mm之間，下部結構碳化深度主要在10～25 mm之間，上部結構碳化深度遠小于下部結構，因而造成了碳化剩余耐久年限預測值的差異。

表6 橋梁各類構件剩余耐久年限均值測算結果(單位：a)Tab.6 Calculation result of average residual durability life of various bridge components(unit：a)

5 結論

本研究對京滬高速江蘇淮安段10座橋梁(8座空心板橋、1座組合箱梁橋、1座T梁橋)耐久性指標中的混凝土強度、碳化深度與碳化系數、鋼筋保護層厚度進行了數據采集與統計特性分析，得到該地區該線路混凝土橋梁的耐久性狀況。

(1)混凝土強度、碳化深度(碳化系數)、保護層厚度符合正態分布或對數正態分布。

(2)各類構件的混凝土強度變異性較小，變異系數在0.17～0.18。

(3)各類構件的碳化深度普遍具有很高的變異性，變異系數在0.35～0.61，墩柱的碳化深度變異性最小，空心板變異性最大。

(4)各類構件保護層厚度變異性較為穩定，變異系數穩定在0.20～0.32范圍，箱梁的保護層厚度變異性最小，T梁的變異性最大。

(5)箱梁混凝土強度為60 MPa，具有90%保證率的碳化深度上限為1.75 mm，保護層變異性最小，其狀況最優。

(6)上部結構碳化系數均值95%置信區間上限在0.23～0.75 mm·a-0.5范圍，下部結構碳化系數均值95%置信區間上限在3.57～3.85 mm·a-0.5范圍。

(7)碳化深度及碳化系數與混凝土強度有很強的相關性，符合指數衰減函數，得到混凝土碳化深度與強度的擬合關系符合y=124.707e-x/18.52-4.029；碳化系數與強度的擬合關系y=27.213e-x/18.52-0.879。