寒冷地區公路混凝土橋梁病害養護及修復技術研究

戴鵬飛

(遼寧省高速公路運營管理有限責任公司 沈陽市 110003)

0 引言

社會經濟的快速發展，離不開公路的建設。隨著國民經濟的發展和人民生活水平的提高，人們對公路的需求也與日俱增，我國的公路建設事業快速發展，公路總長度迅速增長。橋梁是公路中不可或缺的一部分，混凝土結構橋梁本身具有施工方便、價格低廉的優點，廣泛應用于我國的中小型河谷和各種水利工程中。但是由于混凝土結構橋梁的設計、施工工藝、原材料質量以及服役環境的影響，混凝土橋梁很容易出現老化、裂縫、破損等破壞現象，尤其在寒冷地區，混凝土結構橋梁受到嚴寒氣候的影響，還會出現凍融破壞，導致混凝土承載能力急劇下降，形成危橋，嚴重影響行車安全，對混凝土結構橋梁進行定期的養護和修復工作的重要性不容忽視。

1 寒冷地區混凝土橋梁病害類型分析

1.1 凍融破壞

混凝土在嚴寒地區最常出現的病害是凍融破壞。這種病害會使混凝土結構產生變形，甚至損壞構件，嚴重影響混凝土結構橋梁的使用。我國有很大一部分疆土位于寒冷地區，冬季極低的氣溫會對混凝土結構橋梁帶來極大的安全隱患。

混凝土內部具有多孔結構，外界水能從混凝土表面縫隙進入混凝土內部，填充在毛細孔里，形成飽水狀態。寒冷地區氣溫在0℃以下時，混凝土在飽水狀態下，內部水結冰產生體積膨脹，迫使過冷水發生遷移，混凝土內部結構遭到嚴重破壞。

當凍融破壞過大時，混凝土結構橋梁的橋面及一些構件會產生變形，甚至損壞。比如橋梁上部結構的伸縮縫，秋冬季節的雨水、降雪，會使其產生積水，積水不及時排除，冬季氣溫驟降，積水處混凝土在長期凍融循環作用下會出現裂縫，并且水分進入混凝土內部，會使鋼筋發生銹蝕。當混凝土結構橋梁部分部位的混凝土失去作用時，橋梁的截面有效尺寸和受力形式等都發生變化，影響橋梁承載力，難以維持使用功能。

混凝土結構橋梁的凍融破壞會對橋梁使用的功能性和安全性帶來極大的影響，應對其進行定期的養護與維修，保證橋梁的安全使用。

1.2 鹽凍破壞

鹽凍破壞是寒冷地區混凝土結構橋梁最常出現，也是對混凝土危害最大的病害。冬季降雪量大，為了確保公路的正常使用，通常會用融雪鹽進行快速消雪，融雪鹽中含有大量的氯離子，在凍融循壞的作用下，加速氯離子進入混凝土內部，混凝土內部鹽濃度上升，使混凝土內部毛細孔的吸水能力增強，導致飽水度升高，混凝土內部更容易產生膨脹壓力和水壓力，從而加劇混凝土的凍融破壞，對混凝土橋梁造成更大的破壞。

2 橋梁上部結構的修復措施

橋梁的主要結構包含橋面鋪裝和承重體系，其中橋面體系是最容易在冬季受到凍融破壞和鹽凍破壞的部位，橋面伸縮縫、橋面排水系統及橋面鋪裝的維修是非常重要的。

2.1 橋面伸縮縫

伸縮縫位于梁兩端的薄弱位置，直接承受車輛荷載的作用，并且暴露在大自然之中，非常容易受到環境的影響，在冬季降雪時，融雪劑的使用讓其暴露在氯離子濃度較大的鹽環境之中，因此常出現嚴重的凍融破壞。所以，要對橋梁的伸縮縫定期進行養護和維修，伸縮縫的破壞主要表現在伸縮縫過渡區錨固混凝土結構的破壞，要根據損壞程度考慮是否對其進行更換，目前快速更換伸縮縫錨固混凝土方法的相關研究比較少，技術不夠成熟，所以對于損壞的伸縮縫混凝土，一般選用合適的快速修補材料對其進行修復。寒冷地區的伸縮縫混凝土快速修補材料的選用，要考慮到修補材料的抗凍性和抗氯離子侵蝕性能，并且修補材料本身要具有快硬早強的特點。馮琦用礦渣、粉煤灰、水玻璃和NaOH為主要原料制備地聚合物基修補砂漿，并通過纖維和有機聚合物對修補材料的性能進行改性，通過試驗研究發現地聚合物基修補砂漿的力學性能和工作性都能滿足快速修補材料的要求，其快硬早強、耐久性強的性能能夠滿足修補之后快速開放交通的要求[1]。

2.2 泄水孔

在混凝土結構橋梁的設計中，排水問題一直是重中之重。在寒冷地區，橋梁的排水系統一旦損壞，橋面積水不能及時排出，結冰之后不僅會對行車帶來很大的安全隱患，還會加劇混凝土的凍融破壞，所以對泄水孔的修復養護是橋梁養護工作中極為重要的一環。

目前，在橋梁工程中常見的泄水孔主要有兩種，分別是PVC泄水管和鑄鐵泄水管，目前使用更為廣泛的是鑄鐵泄水管。泄水孔由于設計、施工、腐蝕等原因，在長年累月的使用中，會出現堵塞、老化等損壞。寒冷地區冬季降雪量大，為了保證公路的通暢，會使用大量融雪劑進行除雪，融雪劑里大量的氯離子會加速泄水孔所在位置混凝土的侵蝕，從而使泄水孔嚴重腐蝕、堵塞，使得泄水孔滲漏水，失去排水功能。對于泄水孔的修復，需要找出泄水孔出現問題的根源所在，根據損壞程度，考慮是否更換泄水孔。張順農提出泄水孔的滲漏損壞，分為一般滲漏、中等滲漏及嚴重滲漏三個階段，并分別提出了修復方法，修復方法的關鍵點在于對泄水孔所處位置的混凝土涂抹防水材料[2]。

泄水孔的修復中，泄水管的修復也是很重要的一環，對于銹蝕比較嚴重的泄水管，可以更換耐腐蝕能力和抗老化能力優異的PVC泄水管，對于受損較輕的泄水管，在泄水管外露部分涂上防腐涂料，保護其免受腐蝕。

2.3 防撞墻

防撞墻是橋梁工程中的重要附屬結構，它是保證橋梁行車安全最主要的構件。防撞墻結構本身保護層比較薄，極容易受到自然環境的影響，凍融循環、鹽凍腐蝕、氯離子侵蝕以及大氣碳化等都會對其帶來很大的損害，在寒冷地區服役的混凝土橋梁，長時間暴露在嚴寒環境下，凍融循環、融雪劑的大量使用所造成的鹽凍腐蝕會導致防撞墻表面開裂、鋼筋銹蝕甚至混凝土表面脫落，嚴重威脅行車安全。

經研究發現，嚴寒地區混凝土橋梁中防撞墻產生破壞的主要原因是氣溫變化大，混凝土內部不斷地進行著凍融循環，融雪劑的使用加速了凍融循環，導致其混凝土內部結構損壞嚴重，鋼筋也會因為氯離子的不斷滲入而銹蝕。所以對防撞墻的修復和養護工作，首先應該清除其表面腐蝕層，然后用聚合物砂漿對其進行填抹，填抹完成后考慮提高其混凝土耐久性，阻止病害繼續發展。提高防護墻耐久性的主要方法是對其進行防腐涂料的涂刷，楊奇對適用于寒冷地區的六種常用防腐涂層體系進行了研究，設置對比試驗，分別研究6種涂層體系對混凝土耐久性的影響規律，得出結論：溶劑型環氧-氟碳體系、水性環氧-聚氨酯體系以及聚脲體系能有效提高混凝土的抗凍性能，混凝土結構采取涂刷防腐涂層的防護措施，可明顯降低氯離子腐蝕環境對混凝土結構產生的破壞[3]。

3 不同防腐涂層體系對混凝土耐久性的影響

要保證混凝土結構橋梁的長期安全使用，不僅要從修復入手，在施工的時候，對混凝土結構涂抹防腐涂層是目前非常有效的方法。在寒冷地區，在混凝土表面涂抹防腐涂層尤為重要，防腐涂層能有效防止鹽離子和水分進入混凝土結構內部，從而起到提高混凝土耐久性的作用。選取了幾種不同防腐涂層體系，研究其對混凝土抗凍性和抗氯離子侵蝕性能的影響。

3.1 原材料

(1) 水泥：選用P.O42. 5級普通硅酸鹽水泥。

(2) 礦物摻合料：選用粉煤灰作為礦物摻合料，粉煤灰氧化物組成見表1。

表1 粉煤灰氧化物組成

(3) 細骨料：篩選粒徑為0.1～4.5mm的天然河砂作為細骨料。

(4) 粗骨料：篩選粒徑為4.5～20mm的碎石作為粗骨料。

(5) 水：用自來水用作混凝土拌和用水。

(6) 防腐涂層體系：通過查閱資料，選取如表2所示三種防腐涂層體系作對比試驗。

表2 防腐涂層體系

3.2 試驗方法

參照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》，混凝土抗凍性試驗采用“快凍法”進行研究，抗氯離子侵蝕性采用“氯離子電遷移快速試驗(RCM)”方法，通過測定氯離子在混凝土中非穩態遷移系數來確定混凝土抗氯離子侵蝕性能。

根據快凍法試驗要求，制備強度等級為C30的混凝土試塊，抗凍性試驗試塊大小為“100mm×100mm×400mm”的棱形試塊。

根據RCM法試驗要求，制備Φ100mm±1mm，高度為50mm±2mm的混凝土圓柱體試件，養護24h后拆模。

在混凝土表面涂抹三種體系的防腐涂層，并設不涂防腐涂料的試塊做對比試驗。

3.3 試驗結果

3.3.1防腐涂層對混凝土抗凍性的影響

對未涂抹和涂抹了三種不同體系防腐涂層的混凝土試塊進行凍融循環試驗，如圖1、圖2所示，未涂抹涂層的混凝土試塊在經過300次凍融破壞之后，質量和動彈性模量都有嚴重的損失，三種不同體系的防腐涂層均對混凝土的抗凍性有一定的提高。從圖中可以看出，涂抹涂層體系1、3的混凝土試塊凍融循環次數達到300次之后，動彈性模量及質量損失比無涂層的混凝土試塊小得多，涂抹體系2的混凝土試塊凍融循環次數達到500次之后，動彈性模量及質量才開始有明顯損失。由此可見，涂抹防腐涂層會對混凝土的抗凍性有較大提升，其中“溶劑型環氧-溶劑型環氧-氟碳面漆”涂層體系對混凝土抗凍性提升最為明顯。

圖1 混凝土試件動彈性模量變化曲線

圖2 混凝土試件質量變化曲線

3.3.2防腐涂層對混凝土抗氯離子侵蝕性能的影響

如表3、圖3所示，未涂抹防腐涂層的混凝土試塊的氯離子擴散系數相較于涂抹了防腐涂層的試塊大很多，無涂層的混凝土試塊的氯離子擴散系數達到了15.81×10-12m2/s。涂抹了涂層體系3的混凝土試塊氯離子擴散系數最小，只有0.81×10-12m2/s,涂抹涂層體系1、2的混凝土試塊較體系3高，在0.9×10-12～0.95×10-12m2/s之間。涂層體系3由于其底漆是水性環氧，可參與混凝土內部的反應，形成防護網結構，所以對混凝土的抗氯離子侵蝕性能提升是三種體系中最好的[3]。

表3 不同防腐涂層體系混凝土氯離子擴散系數

圖3 混凝土試件氯離子擴散系數

4 結論

在寒冷地區服役的混凝土結構橋梁受到來自環境的不良因素影響比較大，更容易產生結構破壞，凍融循環、鹽凍腐蝕、凍脹等病害都會對橋梁的使用帶來較大的安全隱患。針對于寒冷地區的病害特征進行分析，對混凝土結構橋梁的各個部位提出針對性的修復措施，對路面、伸縮縫、防撞墻及墩臺的混凝土腐蝕產生的裂縫進行修補時，選擇強度、工作性能都較為優秀的修補材料或注漿材料，在修復之后對混凝土表面涂抹性能優異的防腐涂層，通過試驗研究，防腐涂層能有效提高混凝土的抗凍性能和抗腐蝕性能，是保護寒冷地區混凝土結構橋梁的有效途徑。