桥梁结构耐久性病害现象及防治措施研究

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  摘要:既有桥梁结构经过多年运营后,由于各种原因会产生很多病害,如车辆碰撞引起结构和构件的破坏,超载运营造成结构承载力降低,锈蚀和自然老化等。为保证既有城市桥梁的安全运营和尽可能延长其安全使用寿命,对既有桥梁的病害现象及防治措施的研究十分有必要。本文阐述了混凝土结构耐久性研究的现状,对城市桥梁结构中常见病害及其产生的原因进行了讨论和分析研究,从而提出了改善和增强钢筋混凝土桥梁结构耐久性的一系列措施。
  关键词:钢筋混凝土;耐久性;影响因素;措施
   随着城市建设的发展,各种形式、各类体系的跨河(江) 大桥、高架桥、立交桥、人行桥等如道道彩虹耸立都市之中,为现代化都市文明增色添彩,在城市经济发展中发挥着巨大的推动促进作用。在这些工程中,钢筋混凝土构筑物的量不断增加,就目前所修的桥梁结构而言,绝大部分为钢筋混凝土结构。相对于其他材料而言,混凝土材料最为经济和耐久,因此成为现在最为广泛使用的建筑材料之一。然而,由于混凝土结构材料自身和使用环境的特点,使得混凝土结构仍不可避免地存在着耐久性的问题。大量的混凝土结构由于各方面的原因没有达到预期的设计使用年限而提前失效,其中有部分是设计不当造成的,而更大部分则是源于混凝土结构本身的耐久性不足。
  1 混凝土结构耐久性研究的现状
   混凝土结构耐久性的定义论述
   我国《建筑结构可靠度设计统一标准》(GB50068-2001)总则中,明确指出结构在规定的设计使用年限内应满足下列功能要求:
   (1)正常施工和正常使用时,能承受可能出现的各种作用;
   (2)在正常使用时具有良好的工作性能;
   (3)在正常维护下具有足够的耐久性能;
   (4)在设计规定的偶然事件发生时及发生后,仍能保持必要的整体稳定性。
   這四项功能中,第(1)、第(4)两项是结构安全性的要求,第(2)项是结构适用性的要求,第(3)项是结构耐久性的要求,统起来可概括为结构可靠性的要求。根据上述规定,不难理解,结构的耐久性与其安全性、适用性属同一范畴,同样是保证结构可靠性不可缺乏的一个要求。
   钢筋混凝土结构的耐久性问题,分为材料的耐久性、构件的耐久性和结构的耐久性等三个层次。
  1.1 材料层次上的耐久性研究
   1.1.1混凝土碳化研究
  
   混凝土在空气中的碳化是最常见的一种形式。大气中的二氧化碳时刻在向混凝土的内部扩散,与混凝土中的氢氧化钙等发生反应,生成碳酸盐或者其他物质,从而使水泥石原有的强碱性降低,这种现象就称为混凝土的碳化。同时,混凝土的碳化还会加剧混凝土的收缩,这些都可能导致混凝土的裂缝和结构的破坏,对混凝土的耐久性产生严重影响。
   1.1.2氯离子(Cl-)扩散机理及影响因素的研究
   与混凝土碳化速度相比, Cl-的扩散速度比混凝土的碳化快得多。Y.Masuda研究了Cl-对混凝土的渗透机理,并考虑了混凝土表面Cl-的随机性,H.K.Cook,W.J.McCoy,P.C.LPeterson等研究除冰盐对桥面的渗透破坏,一般说来,Cl-扩散符合FICK第二定律,Cl-在混凝土中的积聚量沿深度方向呈双曲线分布,影响Cl-扩散速度的因素几乎与混凝土碳化是一样的,根据暴露试验的结果,Cl-浓度随水灰比的降低而明显减少,此外,混凝土的碳化会使已固定的Cl-水化物发生分解反应,从而增加孔隙溶液中的游离态Cl-。
   1.1. 3钢筋锈蚀研究
   混凝土中钢筋的锈蚀控制过程比直接暴露的钢筋复杂得多,原因是混凝土的包裹使钢筋得以保护或控制锈蚀介质的直接侵蚀,混凝土是高碱材料,在这种环境下,钢筋表面形成钝化膜,即使有氧和水出现,钢筋也不会锈蚀,但当这种保护受到破坏时,钢筋便可能腐蚀了。生成的铁锈体积比原金属增大2-4倍,产生膨胀压力,造成混凝土顺筋裂缝,从而成为腐蚀介质渗入钢筋的通道,使钢筋的锈蚀加剧,加快结构的损坏。
   1. 1. 4 冻融破坏研究
   当结构处于冰点以下环境时,部分混凝土内孔隙中的水将结冰,产生体积膨胀,过冷的水发生迁移,形成各种压力,当压力大于混凝土的抗拉强度时,混凝土即产生开裂破坏。
   1. 1.5温湿度变化的影响与碱骨料反应
   混凝土热胀冷缩会导致混凝土内部组织的破坏最终会削弱结构抗力。碱骨料反应会产生鸡爪形裂缝,从而影响混凝土结构的使用。
  1.2 构件层次上的耐久性研究
   在腐蚀环境中,当材料性能发生劣化后,结构构件的承载力和适用性也随之降低,从而影响结构的安全和正常使用。
   Mangat研究过钢筋锈蚀后受弯构件性能;Sanchun对荷载作用下梁的钢筋锈蚀的影响进行试验研究;金伟良研究了均匀锈蚀的钢筋锈胀力机理,并提出计算模型;邸小坛等提出钢筋锈蚀后对受弯构件性能影响的计算公式并进行试验研究,史庆轩等[1]则对偏心受压构件进行试验研究,陶峰等[2]对实际工程中更换下来的构件进行试验研究,惠云玲[3]对各种基本构件的钢筋锈蚀后承载力损伤及评估方法进行分析研究。
  1.3结构层次上的耐久性研究
   钢筋混凝土结构是由多种构件构成的结构体系,因此在钢筋遭受腐蚀后,构件性能的劣化,最终会影响整个结构的安全。
   有关结构的耐久性评定,已取得不少的研究成果,对于钢筋混凝土桥梁,现行的耐久性的评估,利用可靠度理论的居多。除裂缝外,综合考虑钢筋锈蚀、冻融循环、碱-骨料反应等因素长时间使结构的抗力呈劣化的趋势,利用可靠度理论综合进行评判。
  2桥梁结构耐久性病害现象及影响因素
   既有城市混凝土桥梁结构的许多病害往往是由于设计考虑不周、施工不当、养护管理不善以及混凝土本身老化等方面的原因所产生的,如梁体裂缝过大并超过规范规定值,沉降变形超过规范规定引起局部塌陷;伸缩缝、支座破坏失效;路面撕裂和破坏、人行道、栏杆破坏等。
  2.1桥梁结构常见耐久性病害现象
   1.桥面铺装破坏
   在车辆(尤其是超载、超限车辆)的长期作用下,尚未达到预期年限的桥面板经常出现凸凹不平或网状开裂等破坏现象。桥面铺装的过早破坏是世界范围的难题,特别是在气候寒冷需要采用除冰盐消除桥面积雪的国家和地区,因为氯盐侵蚀和冻融破坏的共同作用,桥面铺装寿命短、病害严重的情况非常普遍。
   2.桥头跳车
   经过数年运营后,普遍存在台后填土下沉的现象,使桥头跳车成为一种常见的病害。引起桥头跳车的主要原因是桥台后填土及路基与桥台间的不均匀沉降。桥头跳车一方面使行车不稳定,增加汽车故障率;另一方面,过往车辆对桥台和梁体产生过大冲击力,诱发或加重桥梁病害;同时加快了伸缩缝和支座的损坏,并影响桥梁的耐久性与使用寿命。
   3.混凝土开裂
   混凝土表面缺陷主要是根据桥梁结构形式、构件种类、建桥环境、施工质量以及使用情况等的不同,在基本构件上缺陷产生的部位、种类和程度也不同。对于钢筋混凝土桥梁上部结构的基本构件,缺陷往往以表面裂缝、蜂窝、麻面、空洞、露筋、剥落、游离石灰、缝隙夹层等为主。混凝土裂缝对结构耐久性产生影响主要是因为裂缝增大了混凝土的渗透性,使空气中的有害气体或物质容易渗入混凝土内,致使钢筋钝化膜较早破坏而产生锈蚀。
   4.钢筋锈蚀
   钢筋锈蚀分为先裂后锈和先锈后裂两种,其中引起两个主要原因是混凝土的碳化及氯离子的侵蚀。由于钢筋锈蚀,导致表面混凝土开裂甚至成块脱落,混凝土开裂或脱落又使原来处于混凝土保护层下的钢筋暴露于空气中,随着钢筋锈蚀程度的增大,钢筋与混凝土之间的粘结力减小、共同作用受到损害,从而引起构件承载力下降。混凝土开裂后又使原来处于混凝土保护层下的钢筋暴露于空气中,加快了钢筋锈蚀速度,造成恶性循环。
   5.桥梁设施的病害
   (l)伸缩缝
   伸缩缝设置在梁端相对薄弱的部位,受桥面温度变化的影响和车辆荷载的作用频繁地伸缩变形,极易损坏。伸缩缝损坏后,不仅影响行车的舒适性,而且可能造成水的下渗,进而导致桥梁主体结构和支座的腐蚀及老化。
   (2)支座
   活动支座应能保证上部主梁结构的自由变形(转动或移动等)。当有异物填充或钢板支座锈蚀、螺母松动或螺栓脱落及橡胶支座出现老化时,上部主梁结构可能会丧失自由伸缩的能力,导致应力重新分布,可能引起开裂等病害。
  2.2桥梁结构耐久性病害的影响因素
   通过对大量桥梁的调查,既有城市混凝土桥梁结构产生上述病害主要有受下几个方面的影响。
   1. 设计方面的因素:原有设计标准偏低, 结构与构造细节不合理等。
   2. 计算方面的因素:桥梁设计和计算过程中,未充分考虑混凝土徐变、收缩及温度应力等非荷载因素的影响; 在构件的特殊部位,如构件的角隅处,预应力钢筋的锚固处,在局部应力传递与分布的影响下,会出现应力突变,由于计算手段和理论的局限,往往出现构造配筋布置不足或不当的问题等。
   3.施工质量低,成本分布不合理。
   4.施工工期安排不合理:桥梁结构,特别是混凝土桥梁结构的耐久性需要有足够的施工养护期来保证。
   5. 磨损、撞击损坏、超载等以及由于养护管理跟不上,桥梁缺乏经常性的维修养护等。
   6.风雨侵袭及自然环境作用、受到意外强烈冲击、温度的变化导致的力及应力重分布、地震、洪水等自然灾害等。
   桥梁的耐久性病害和原因并不完全是一一对应的,往往一个因素是诱发病害的主要起因,其他因素则加速或促进病害的发展。
  3提高结构混凝土耐久性的措施
  3.1结构混凝土耐久性的基本要求
  中国现行公路桥梁施工的技术规范对混凝土耐久性提出的基本要求见表1。
  
  
  3.2保证和增强结构混凝土耐久性措施
   在保证混凝土强度和力学性能的前提下,应尽量限制和降低耐久性不利因素的影响,根据使用环境,选择合理的混凝土技术参数,使混凝土具有良好的综合性能。
   3.2.1原材料的选择
   1.控制水泥用量,选用优质水泥
   水泥用量过小,难以保证强度,用量过大,则水化热加大,易产生收缩裂缝,同时使含碱量增加,将可能导致碱骨料病害。对于混凝土强度要求较高的一般水泥用量偏多,最好选用高强、低水化热和低碱水泥。
   2.采用矿渣超量替代水泥技术
   采用矿渣超量替代水泥技术,可以大幅度提高混凝土强度和抗氯离子渗透性能,并随超量系数增加而相应提高。当矿渣超量系数为1.4时,混凝土强度和抗氯离子渗透性能最佳。
   3.降低水胶比
   较小的水胶比能够减少混凝土的泌水量,提高抗渗性和密实度,从而使耐久性也得到提高,还可采用高效减水剂来降低拌和水量。
   4.限制混凝土中的氯離子含量
   混凝土骨料拌和水、外加剂等带入混凝土中的氯离子总量一般不得超过水泥重量的0.1%~0.3%。
   3.2.2设计质量保证
   1.提高混凝土保护层厚度。
   2.使用低渗透性聚合物保护层来提高混凝土耐久性能。
   3.钢筋强度设计的保证:使用环氧树脂涂层钢筋--有锌、锌铝合金和环氧树脂等;严密孔道灌浆;严防预应力钢筋的应力腐蚀等。
   4.混凝土施工与养护:施工单位应根据施工对象、环境、水泥品种、外加剂以及对混凝土性能的要求,提出具体的养护方案包括养护程序和方法、养护时间及养护要求,并严格执行规定的养护制度,使混凝土保持合理的温度与湿度,从而保障混凝土后期各种预期性能的形成与增长。
   3.2.3后期的维护和补强
   1.结构的日常检测与维护:结构耐久性和使用寿命的概念,与使用阶段的检测、维护和修理不能分割,对处于露天和恶劣环境下的基础设施工程来说尤其如此。为了保证结构安全性和耐久性,一些工程在建成后的使用过程中,应该进行定期检测和正常的维护修理,杜绝人为的破坏现象,及时发现,及时修理,确保混凝土结构的正常使用。
   2.裂缝的加固和补强措施
   针对上述各种裂缝产生的原因,根据加固补强的目的,采取有效措施,可以在一定范围内防止裂缝的产生、封闭已产生的裂缝和提高既有裂缝结构的承载力。通常加固方法主要有表面涂抹封闭法、表面粘贴加固、喷浆等。
  参考文献
   [1] 史庆轩,李小健,牛荻涛等.锈蚀钢筋混凝土偏心受压构件承载力试验研究[J].工业建筑, 2001(5):14-17.
   [2] 陶峰,王林科,王庆霖.服役钢筋混凝土构件承载力的试验研究[J].工业建筑,1996(4):17-21.
   [3] 惠云玲.混凝土结构钢筋锈蚀耐久性损伤评估及寿命预测方法[C].第四届全国混凝土耐久性学术交流会,1996.
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