郑州市中途工程咨询有限公司 史成梅

桥梁混凝土结构耐久性研究

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随着我国交通基本建设的快速发展，钢筋混凝土结构被广泛应用于桥梁建设中，一直被认为是一种具有优良耐久性的结构形式。但是，近年来大量的服役桥梁存在安全隐患，钢筋混凝土结构由于各种各样的原因而提前失效，达不到预定的服役年限。其中，有的是由于结构设计的抗力不足，有的是由于使用荷载的不利变化，更多的是由于结构的耐久性不足。耐久性失效是导致桥梁混凝土结构在正常使用状态下失效的最主要原因。加强对桥梁钢筋混凝土结构耐久性的研究，树立全寿命设计的理念，对于节约不可再生资源、保护环境和维持国民经济的可持续发展，都具有非常重要的意义。

一、影响桥梁混凝土结构耐久性的因素

1.桥梁设计的标准低。我国在上世纪80年代以前建设的桥梁的设计荷载标准较低，然而，随着经济建设的发展和交通量的日益增多、繁重，以前设计标准较低的公路桥梁却仍在使用，它们早已不能满足现阶段的交通需要，其本身的安全性和耐久性问题随时都可能发生，因此，存在较大的安全隐患。

2.桥梁设计理念不合理。在设计过程中，设计者仅考虑桥梁的结构强度、计算结果满足规范要求，却忽视从结构体系、结构构造、结构材料、结构维护、结构耐久性以及使用全过程中经常出现的人为因素等方面综合计算桥梁混凝土结构的耐久性。另外，保护层厚度过小、钢筋直径过细、构件截面过薄等等原因，都会严重影响桥梁的耐久性。

3.材料因素。

（1）钢筋的锈蚀。混凝土中的高碱性溶液可以使钢筋表面形成一层惰性的水化氧化铁薄膜，可以阻止钢筋的锈蚀。但氧化铁薄膜被破坏后，钢筋会生成铁锈，铁锈的体积比铁大的多，易引起混凝土的开裂，使钢筋和混凝土的有效工作面积减小，此外，锈蚀钢筋的强度和塑性性能下降，这些都会导致钢筋混凝土构件结构性能下降。当锈蚀的质量大于1%时，钢筋的锈蚀会减小钢筋与混凝土之间的黏结力，钢筋与混凝土之间黏结力下降，同样会导致钢筋混凝土结构性能的降低。对于预应力钢筋混凝土结构来说，钢筋锈蚀会对结构性能产生更加严重的影响。

（2）混凝土的碳化。混凝土的碳化是指空气中二氧化碳与水泥石中的碱性物质相互作用，使其成分、组织和性能发生变化，从而引起使用机能下降的一种很复杂的物理化学过程。当混凝土完全碳化后，就会出现pH＜1的情况，在这种环境下，混凝土中埋置钢筋表面的钝化膜被逐渐破坏，在其他条件具备的情况下，钢筋就会发生锈蚀等一系列不良后果。

（3）氯离子对混凝土结构的侵蚀。我国沿海地区的混凝土工程由于长期受氯离子侵蚀，混凝土中的钢筋锈蚀现象非常严重；北方地区，为保证冬季交通畅行，向道路、桥梁等抛撒融雪剂材料，大量使用的氯化钠和氯化钙，使得氯离子渗入混凝土，引起钢筋锈蚀破坏；我国还有广泛的盐碱地，腐蚀现象也很严重。从这3个方面可以看出，我国有大量的钢筋混凝土在遭受钢筋锈蚀危害，影响其结构耐久性。氯离子主要是通过破坏钝化膜、形成腐蚀电池、去极化作用和导电作用的机理对混凝土结构进行锈蚀的。

（4）混凝土的冻害。在拌制混凝土时，为了得到必要的和易性，加入的拌和水总要多于水泥的水化水，这种自由水就是导致混凝土遭受冻害的主要因素，因为水遇冷冻结成冰会发生体积膨胀，引起混凝土内部结构的破坏。当处于水饱和状态时，若毛细孔中的水结冰，则胶凝孔中的水就处于过冷状态，胶凝孔中处于过冷状态的水分子因其蒸汽压高于同温度下冰的蒸汽压而向压力毛细孔中冰的界面处渗透，于是在毛细孔中又产生一种渗透压力，使毛细孔中的冰体积进一步膨胀。当这两种压力超过混凝土的抗拉强度时，混凝土就会开裂。在反复冻融循环后，混凝土便会遭受严重破坏。

二、提高桥梁混凝土结构耐久性的措施

1.耐久性方案设计。充分考虑各种可变因素对钢筋混凝土结构使用寿命的影响，如环境温度、混凝土内应力、裂缝等，以建立使用寿命预测系统，为耐久性方案的设计提供指导和依据，制定有针对性的耐久性解决方案。

（1）提高混凝土保护层厚度。这是提高钢筋混凝土使用寿命的最直接、简单而且经济有效的方法。但是保护层厚度并不能不受限制的任意增加，当保护层厚度过厚时，由于混凝土材料本身的脆性和收缩性会导致混凝土保护层出现裂缝，反而削弱其对钢筋的保护作用。

（2）限制裂缝宽度。研究表明，相同条件下带裂缝工作的钢筋混凝土构件，其主筋锈蚀的速度为不带裂缝工作构件的3倍，箍筋锈蚀的速度可达主筋的5倍，因此，应对裂缝进行严格限制。

（3）慎重设计桥面防渗构造。桥面渗水的排除和防渗漏是提高桥梁耐久性的有效措施。从20世纪60年代起开始使用防水混凝土构造，但其实际防水效果尚未得到证实。目前国内广泛采用的是FYT型（属于柔性防水范畴）和M1500型（属于刚性防水范畴）防水构造。桥面排水系统也应通畅，泄水管的出口不能位于盖梁上或桥墩的侧面，以免混凝土结构被水饱和。

2.采用新材料、新技术、新工艺。

（1）采用高性能混凝土（HPC）。高性能混凝土的强度和耐久性都优于一般概念的混凝土，高性能混凝土中加入了比水泥颗粒小约100倍的胶凝材料（如硅粉、优质粉煤灰等），并采用高效减水剂降低水灰比，采用高强度的骨料。其结果减小了骨料与胶凝材料间的孔隙率，改善了混凝土的渗透性，从而大大提高了混凝土的耐久性。

（2）掺入耐久性改善剂。混凝土中掺入的耐久性改善剂，可填充于混凝土孔隙中，提高混凝土的密实度与抗渗性，并能进一步降低混凝土的干缩，提高混凝土的抗冻性及耐酸性。

（3）在钢筋表面涂刷防腐蚀涂层。防腐蚀涂层的致密性要好，否则水分、氧和腐蚀性介质可以穿透涂层而产生电子传递现象，同时涂层与钢筋间的黏结力要好，并且涂层要有良好的物理力学性能，如抗变形、抗摩擦等。

（4）结构表面涂层。混凝土表面的涂层可以阻止氯离子侵蚀混凝土和抑制混凝土碳化深入混凝土内部，涂层应具有足够的弹性和热稳定性，并能适应裂缝的开合而不会断裂，与混凝土表面有足够的黏结力，且能抵抗侵蚀环境的腐蚀。

（5）引气剂。在混凝土中掺加引气剂，对于提高混凝土的密实性、施工性、抗冻性等有很大的作用，特别是可成倍地提高海洋环境中混凝土的抗冻融循环能力。而我国运用引气剂较少，应大力发展，尤其在北方盐冻地区使用更具有应用价值。

（6）加强防腐蚀施工新技术的研究与应用。如，对于重要构件的阴极保护法、对已遭受氯离子侵害的上部构造的电流采用脱盐技术、增加混凝土表面密实性的渗透可控模板垫料等，虽然目前这些技术还存在着造价高的不足，但随着技术的进步和造价的降低，将逐渐成为提高混凝土耐久性的重要手段。

3.重视养护管理。

（1）充分重视桥梁的超载问题。目前，在我国公路运输中普遍存在桥梁通行的车流量超过原设计量和车辆严重违规超载的问题。一方面，会致使桥梁疲劳应力幅度加大，损伤加剧，甚至引发一些结构破坏；另一方面，由于超载造成的桥梁内部损伤不能恢复，将使得桥梁在正常荷载下的工作状态发生变化，可能严重影响桥梁的安全性和耐久性。因此，在控制桥梁通行车流量的同时，要严格管理车辆违规超载。

（2）系统检查与评定。对已建工程应定期检查与评定，对于同一个工程结构物应形成连续的资料，对于重要的构造物甚至可以安装全过程监测系统。只有积累大量的资料，才能为科研部门的研究工作和管理部门的决策提供宝贵的资料和依据。

（3）做好日常的养护工作。桥梁的养护工作主要是通过检查与评定来系统地掌握桥梁的技术状况，较早地发现缺陷、损坏等异常情况，提出养护措施，从而延长桥梁的使用寿命；另外，还要掌握交通状况，严格管理超载车、特种车过桥，并采取相应的防护、加固措施，减小桥梁损坏。对可能发生台风、暴雨、暴雪、地震、火灾、流冰、洪水危害的桥梁，应做好各种防范措施及应急处理措施。对需要进行限载、限速或停止交通的桥梁，应及时进行交通管制。对桥梁各部分经常保养，对检查发现的缺陷、损坏处进行及时的维修，对检验不能维持原设计载重等级要求的，应有计划地进行维修加固，建立和健全完整的桥梁技术档案