张 绩

(辽宁新发展公路科技养护有限公司 沈阳市 110005)

0 引言

桥梁是公路的重要组成部分,长期处于气候变化、冻融循环、除雪剂与海水氯腐蚀介质等因素作用之下,加速了混凝土的破坏。对辽宁省桥梁的初步调研发现,许多桥梁的使用时间不足10a,混凝土即产生了非常严重的剥蚀,钢筋锈蚀也较严重,路桥的使用寿命远未达到其设计使用年限。其主要原因:一是冻融对混凝土腐蚀问题比较突出。冻融次数、最低气温、温差是造成水泥混凝土破坏的主要因素、在反复冻融作用下不仅混凝土产生冻害, 更加剧钢筋锈蚀。二是冬天采用含盐除雪剂,个别采用卤水除冰雪,致使桥梁混凝土与钢筋腐蚀造成极大损害。“盐与冻”破坏在一座桥上可能同时存在。三是桥梁防排水构造和混凝土材质缺陷,水不能迅速排出,使混凝土长期处在水或盐溶液浸泡下,促使混凝土加速破坏。

1 混凝土冻融环境耐久性检验

1.1 检验指标

在结构设计使用年限以内(100a),盐冻环境其耐久性检验指标:(1)材料控制指标;(2)混凝土抗冻性,以混凝土抗冻耐久性指数DF确定抗冻融等级;(3)混凝土抗氯离子渗透性能,以混凝土抗氯离子迁移系数DRCM确定。

1.1.1混凝土材料与保护层:

依据《公路工程混凝土结构防腐蚀技术规范》[1](JTG/T B07-01—2006)。混凝土材料与保护层在不同环境下的检验指标见表1。

表1 混凝土材料与保护层状态检验指标

1.1.2冻融环境混凝土抗冻指标

混凝土抗冻性指标[2-3]为抗冻耐久性指数DF,见表2:抗冻耐久性指数DF为300次快速冻融循环后的动弹性模量与初始值的比值。

表2 混凝土抗冻耐久性指数 DF 单位:%

DF=(N/300)×0.6

式中:N为试件弹性模量降低60%,或重量损失超过5%时冻融循环次数。

混凝土的冻融破坏与水密切相关,在纯冻情况下,混凝土的强度不降低, 因而将辽宁地区冻融期的降水量与混凝土冻融次数相乘,简称为次水积 (次·mm )。该值越大则混凝土受到的冻害越严重。按次水积的高低将辽宁省混凝土的冻融等级划分为2个等级,次水积 <8000 次·mm 和次水积 ≥8000 次·mm ,分别对应辽-1级、辽-2级。

1.1.3抗冻等级

混凝土抗冻等级标准:目前混凝土耐久性检验评定标准规定,当采用快冻法时以F50～F400确定抗冻等级、用慢冻法时用D50～D20表示。

混凝土的冻融等级应考虑冻融次数、受冻温度、温差与温度变化速率、受冻时混凝土的饱水程度、环境中盐的种类与浓度、水胶比(水灰比)、混凝土的含气量与气孔结构、养护程度等许多因素有关。在确定混凝土的抗冻等级时需要综合考虑环境条件等因素,在确定冻融等级时尚需考虑与耐久性指数相协调。

1.2 冻融耐久性检验方法

1.2.1冻融损伤外观技术状态检验

(1)冻融破坏外观特征

冻胀裂缝沿骨料边缘互相连通,冻融破坏严重时骨料周围的胶凝材料酥松,水泥砂浆剥落。表现在物理力学特性方面即混凝土的动弹性模量、抗压强度等会严重下降。

(2)冻融损伤检验要点

正确确定桥梁环境类别和作用等级,冻融损伤发生时间,冻融损伤历史数据、损伤是否在发展、冻融损伤发生在构件什么部位,对桥梁承载能力安全影响程度分析。掌握外观损伤特征,有利于我们对桥梁技术状态进行评价与预测,进而采取相应维修加固措施。

1.3 冻融损伤评价方法

冻融损伤评价[4]一般有两种方法:(1)通过对混凝土构件表观病害调查如混凝土抗压强度损失率、表层混凝土剥落面积,保护层厚度损失率、氯离子浓度等因素,采用层次分析和多因素综合评价技术对桥梁进行综合评估,最终确定桥梁等级;(2)考虑混凝土冻融损伤造成构件剥落、钢筋开始锈蚀的耐久性评价方法,对实桥进行验证。

混凝土表层(x=0)开始明显剥落的冻融循环次数N0:

No=Nin/δio

式中:N0为表层(x=0)开始明显剥落的冻融循环次数;Nin为结构建成后至检测时经历的冻融循环次数;δio为检测时构件表层混凝土强度损失率。

冻融后混凝土抗压强度损失率δf:

式中:δf为冻融后混凝土抗压强度损失率 ;fcf为冻融后混凝土轴心抗压强度;fc为未冻前混凝土轴心抗压强度。

在预测t年其冻融循环次数N时的混凝土抗压强度损失率δft:

δft=mte-nx×Nt

式中:X为检测点距混凝土表面距离,单位mm;Nt为预测t年冻融循环次数。

式中:δix为检测时距表面x处的混凝土强度损失率;h为N1次冻融循环后混凝土剥落深度,单位mm。

1.3.1冻融损伤耐久性评定等级

当今我国桥梁管理系数将桥梁技术状态划分5个级别,第1级别状态最优,第5级别为耐久性不满足要求,详见表3。

表3 桥梁技术状态分级

表3式中:Nt为混凝土表层出现明显冻融损伤的剩余冻融循环次数;Ne为结构在下一个目标使用年限内将经受的冻融循环次数;γ0为耐久重要性系数,γ0取0.9～1.1。

1.3.2冻融损伤后钢筋锈蚀耐久性评定

考虑混凝土碳化与冻融后加速钢筋锈蚀耐久性分析

混凝土碳化系数:

严重剥落深度x:

式中:t0为冻融严重剥落时间。

钢筋开始锈蚀时间tcr:

2 盐腐蚀状态耐久性检验与评价

2.1 盐损伤外观技术状态检验

纯除冰盐情况破坏与纯冻融破坏的特征是有区别的。在纯除冰盐情况下,混凝土表面砂浆层剥落,骨料暴露,表面凹凸不平,但剥蚀层下混凝土依然密实,纯粹盐腐蚀混凝土强度不受影响,破坏从表层逐步向内部发展,而混凝土的动弹性模量、抗压强度基本不会降低。

2.2 盐腐蚀状态耐久性评价方法

正确确定桥梁环境类别和作用等级,盐腐蚀发生时间,损伤历史数据、腐蚀是否在发展、损伤发生部位,氯离子浓度及其分布捡测,钢筋锈蚀程度对桥梁承载能力安全影响程度分析。硏究混凝土盐冻融损伤造成构件剥落、钢筋开始锈蚀的耐久性评价方法的修正并对实桥进行验证。

2.2.1氯盐腐蚀损伤评价极限状态

混凝土出现表观可接受缺陷或钢筋允许锈蚀深度作为盐冻腐蚀耐久性极限状态。

2.2.2不考虑冻融氯盐腐蚀损伤评价方法

(1) 不考虑氯离子扩散系数时间依赖性,钢筋开始锈蚀时间:(水灰比>0.55, 或扩散系数已稳定)

式中:ti为钢筋开始锈蚀时间,单位a ;c为混凝土保护层厚度,单位mm;K为氯盐侵蚀系数;D为氯盐子扩散系数;erf为误差函数 ;Ms为混凝土表面氯离子浓度;Mcr为钢筋锈蚀临界氯离子浓度。

(2)考虑扩散系数时间依赖性不稳定或水灰比<0.55,钢筋开始锈蚀时间:

式中:D0为检测时刻的氯离子扩散系数;a为时间依赖系数。

(3) 氯离子扩散系数

式中:x为氯离子扩散深度,单位mm ;t0为结构建成至检测时的时间,单位a;M(x,t0)为检测时x深度处的氯离子浓度,单位% ;Ms为实测拟合混凝土表面氯离子浓度,单位%。

(4)扩散系数与时间关系

Dt=D0(t0/t)α

α=0.2+0.4(%FA/50+%SG/70)

式中:%FA为粉煤灰占胶凝材料百分比;%SG为矿渣占胶凝材料百分比。

(5)保护层锈胀开裂时间tcr

普通硅酸盐混凝土钢筋腐蚀电流密度

式中:Msl为钢筋表面氯离子浓度,单位kg/m3;mcl为局部环境系数;T为大气环境温度。

ρ混凝土电阻率:

保护层开裂前钢筋年平均锈蚀率λcl:

λcl=11.6×i×10-3mm/a

式中:i为钢筋腐蚀电流密度,单位μA/cm2

保护层开裂时钢筋临界锈蚀深度δcr:

δcr=0.012c/d+0.00084fcuk+0.018

式中:d为钢筋直径,单位mm ;c为混凝土保护层,单位mm。

钢筋开始锈蚀至保护层锈胀开裂时间tc:

保护层锈胀开裂时间tcr:

tcr=ti+tc

2.2.3考虑冻融因素氯盐腐蚀损伤耐久性检验方法

(1) 氯盐环境钢筋开始锈蚀时间

不考虑氯离子扩散系数时间依赖性,钢筋开始锈蚀时间:(水灰比>0.55,或扩散系数已稳定、或偏于保守)

(2) 混凝土冻融剥落深度x时需经受似冻融循环次数Nx

式中:N0为表层出现明显冻融损伤t0时的循环次数,N0=t0×Ai。

(3)混凝土桥梁所在地区钢筋开始锈蚀所需冻融循次数

(4) 同时考虑氯盐、冻融环境钢筋开始锈蚀时间混凝土剥落深度

Nx=Ni

(5)损伤前钢筋年平均锈蚀速率λcl

λcl=11.6×i×10-3

(6)损伤后钢筋年平均锈蚀速率

λcli=(4.5-26λcl)λcl

(7) 钢筋锈蚀率η时的时间

3 铁四线昌图5号桥施工案例分析

昌图5号桥位于沈四高速公路铁岭段 K112+737处,建成于1998年。桥梁全长83.4m,斜交角为50°,跨径布置为5×16.0m,桥面净宽14.25m,桥面铺装采用沥青混凝土,上部结构为无翼缘12片预应力简支空心板,桥面连续。下部结构为钢筋混凝土肋板台和3柱式桥墩,基础采用钻孔灌注桩基础。设计荷载:汽-超20、挂车-120。示意图见图1～图3。

图1 昌图中桥5立面示意图(单位:cm)

图2 昌图中桥5平面示意图

图3 昌图中桥5横断面示意图(单位:cm)

2007年检测空心板混凝土强度45.4～47.4MPa;2010年检测,混凝土表层水泥浆脱落、骨料外露,混凝土强度11.4MPa、碳化深度11.9mm。未损伤部位混凝土强度34.0MPa,碳化深度10.6mm。

3.1 冻融损伤构件剥落耐久性评定

(1)2010年检测时构件表层混凝土强度损失率

(2)2010年检测时冻融循环次数Nin:由辽宁省部分地区气象资料统计开原站地表最低温度小于t℃的天数为98.8d。

Nin=98.8×12=1185.6次

(3)混凝土表层(x=0)开始明显剥落的冻融循环次数N0

No=Nin/δio=1185.6/ 0.7489=1583.12次

出现冻融严重损伤时间t0=1583.12/98.8=16.02(而实测为12年已开始混凝土剥落,但不严重)。

(4) 混凝土出现严重冻融损伤剩余的冻融次数Nt

Nt=N0-Nin=1583.12-1185.6=397.52次

(5) 保特桥梁技术状态第4等级其耐久性指数1.0,桥梁需要维修剩余时间t

3.2 考虑冻融损伤加速钢筋锈蚀耐久性评定

(1)m、n系数

式中:δfx为检测时x截面的强度损失率;δfo为检测时表面截面的强度损失率;x为检测点距混凝土表面的距离,x=50mm。

假定x截面尚未损伤强度同未损伤表层混凝土抗压强度34.0MPa ,则检测时距表面x处的混凝土强度损失率δfx:

δfx=1-34/45.4=0.251

mf=δfo/Nin=0.7489/1185.6=0.00063

(2) 预测20aN=98.8×20=1976次空心板在冻融后混凝土抗压强度损失率δf

δf=mfe-nx×N=0.00063×e-0.0219×50×1976=0.4165

(3) 预测20a空心板在x=50mm处冻融后混凝土抗压强度fcf

3.3 冻融加速钢筋锈蚀耐久性分析

冻融严重剥落时间t0=16.02 a。严重剥落深度x:

得x=33.99=34。则钢筋开始锈蚀时间t1

3.4 按氯盐腐蚀耐久性检验

铁四线昌图5号桥主梁混凝土设计强度为C40,2007年检测空心板混凝土强度45.4～47.4MPa;2010年检测,混凝土表层水泥浆脱落、骨料外露混凝土强度11.4MPa、碳化深度11.9mm。未损伤部位混凝土强度34.0MPa,碳化深度10.6mm。表面氯离子浓度0.254%(混凝土质量比),钢筋表面氯离子浓度0.0321%～0.044%t0=12a,扩散系数D=45.2×10-6m2/a。

3.4.1钢筋开始锈蚀时间:扩散系数已稳定

误差函数erf-1(1-0.058/0.254)=0.85D=45.2×10-6

3.4.2钢筋开始锈蚀至保护层锈胀开裂时间tc

普通硅酸盐混凝土钢筋腐蚀电流密度:

实测钢筋表面氯离子浓度Msl=0.044%=1.056kg/m3

保护层开裂前钢筋年平均锈蚀率λcl:

λcl=11.6×i×10-3=11.6×0.4991×10-3=0.00579 mm/a

保护层开裂时钢筋锈蚀深度δcr

δcr=0.012c/d+0.00084fcuk+0.018=0.012×50/12+0.00084×0.668×40+0.018=0.0904mm

钢筋开始锈蚀至保护层锈胀开裂时间tc

3.4.3保护层锈胀开裂时间tcr

tcr=ti+tc=19.2+15.62=34.82a

3.5 考虑冻融与氯盐环境下混凝土耐久性评定方法

由上文可知:k=0.0114;c=50 mm;n=0.0219;δi0=0.7489。

No=1583.12次;t0=16.02;λcl=0.00579mm/a;λcli=0.0252 mm/a。

钢筋开始锈蚀时间:

4 结语

文章对混凝土在纯冻融和盐冻两种环境下的耐久性评价指标进行修正,并根据实桥检测结果进行验证。通过验证结果来看,修正后的评价指标基本符合现场检测结果。

对实桥三种环境状态进行评估:冻融状态、氯盐环境入浸状态、冻融与氯盐共同作用状态。从评估分析结果来看,冻融与氯盐共同环境对钢筋锈蚀作用最明显,冻融环境对钢筋锈蚀作用次之,氯盐环境对钢筋锈蚀作用最轻。