高速公路橋梁鹽堿蝕破壞病害分析及養護對策研究

劉國明

（河北省交通規劃設計院，河北 石家莊050000）

0 引言

根據河北省2009～2011 年的高速公路橋梁技術狀況檢測相關資料[1-3]，經分析發現，有相當大比例的橋梁存在與鹽堿蝕有關的病害，嚴重影響橋梁結構的耐久性與行車安全[4]。近年來河北省橋梁鹽堿蝕病害統計見表1，病害發展趨勢見圖1，從中可見橋梁鹽堿蝕病害有逐年加重的趨勢。

表1 近年來河北省橋梁鹽堿蝕病害統計表

圖1 近年來河北省橋梁鹽堿蝕病害發展趨勢圖

此外，橋梁年檢記錄資料顯示，混凝土的鹽堿蝕病害如未得到及時修復，將從起初的滲水泛白逐漸發展為混凝土剝落、鋼筋銹蝕，從而嚴重影響橋梁的耐久性與承載力，若此時再進行加固維修，耗資將十分巨大。可見，對于橋梁腐蝕問題的病理研究與防治養護已刻不容緩。

1 橋梁鹽堿蝕破壞機理分析

橋梁混凝土的鹽堿蝕，是指橋梁結構與其所處環境之間的物理、化學作用引起的結構本身強度降低的現象。通過對在役橋梁檢測資料的分析研究，本文對鹽堿蝕破壞機理進行了如下總結。

1.1 水泥混凝土碳化

水泥的水化反應使混凝土的pH 值一般在12.5～13.6之間。在這種高堿性環境中，鋼筋表面被鈍化，從而較好地保護了鋼筋。

由于外界環境（主要是二氧化碳和水）的影響，混凝土的堿性降低或失去堿性，降低了對鋼筋的保護作用，這個反應過程稱為混凝土碳化，其化學反應式為：

混凝土碳化主要取決于兩個因素：混凝土的孔隙率和濕度。研究表明：當相對濕度在50%～75%之間時，碳化速度最快；當濕度較低時，沒有溶解態的氫氧化鈣與二氧化碳發生反應；當濕度較高時，混凝土孔洞內的水又阻止了二氧化碳的進入。因此，干濕交替的環境，將會加速碳化進程。

1.2 水泥混凝土的凍融

當水發生相變，轉化為冰時，其體積膨脹率在9%左右。如果水泥混凝土處于飽和吸水狀態，混凝土孔洞內的水結冰，就會對孔洞壁產生擠壓力。這種結冰與融化的反復循環，就會造成混凝土結構疏松，失去強度，嚴重時甚至脫落。

1.3 氯離子

氯離子來源于海水、海洋大氣、除冰鹽等，還有一些內摻材料。

氯離子會引起鋼筋銹蝕。由氯離子引起的鋼筋銹蝕，是一個鋼筋局部腐蝕現象。它首先破壞鋼筋鈍化環境，進而使鋼筋產生局部銹蝕。這種局部破壞，會減小鋼筋的截面積。

氯離子還會引起混凝土劣化。氯離子，會與混凝土中的氫氧化鈣及水合鋁酸鈣發生反應，生成易溶的氯化鈣和帶有大量結晶水的固相化合物，造成混凝土的膨脹。

海水中約含3%的海鹽，其中氯鹽的含量最多，氯離子含量約為19 300ppm。在海水腐蝕過程中，氯鹽對混凝土中鋼筋腐蝕危害最大，也是防腐防護的重點。

1.4 硫酸根離子

硫酸根離子來源于酸雨、工業大氣環境以及pH值小于5.6的天然降水。

硫酸根離子會引起混凝土劣化。工業大氣中的二氧化硫，同二氧化碳的作用方式一樣，會使混凝土產生硫化反應，也會使得混凝土中性化和酸化。另外，形成的酸雨，還會以硫酸根離子的形式，侵蝕混凝土，產生鹽結晶，發生膨脹，使混凝土脹裂。

海水中硫酸鹽的含量約為2000～2500ppm。

在濱海鹽漬地區，硫酸鹽的含量比較高，它與氯鹽共同作用，對混凝土本身的腐蝕破壞以及鋼筋銹蝕破壞的作用更大。

1.5 鋼筋混凝土腐蝕模型

鋼筋混凝土腐蝕模型見圖2。

圖2 鋼筋混凝土腐蝕模型

1.6 橋梁腐蝕破壞的主要模式[5]

（1）凍融循環破壞模式：混凝土在飽和吸水狀態下被循環凍脹。如果飽和水中含鹽，便會加劇這種凍融破壞。

（3）鋼筋銹蝕模式：如果混凝土保護層偏薄、有裂縫、抗滲性能差且有氯鹽侵入，在滲入的水與無機鹽、氧氣的共同作用下，會導致鋼筋銹蝕，并脹裂混凝土保護層，形成加劇破壞的惡性循環。

（4）堿骨料反應破壞模式：骨料的活性成分與混凝土的堿發生反應，導致混凝土脹裂。這種破壞需要三個條件：一是活性骨料的存在；二是混凝土中含堿量過高；三是混凝土中有反應所需要的水分。

綜合上述幾種破壞模式的分析研究，可以得出如下結論：凍融循環、鹽凍和鋼筋銹蝕是鋼筋混凝土破壞的主要模式；這些破壞模式都離不開水，也就是說，水是引起一切破壞的元兇，如果混凝土內部沒有足夠的水分，一切破壞都不會發生。因此，防水是橋梁防腐防護的前提[6]。

2 鹽堿蝕病害預防措施

通過對橋梁結構鹽堿蝕破壞機理的分析研究，以防水為前提，結合設計、施工、養護階段的工程經驗，本文提出以下預防措施。

2.1 設計階段

對于橋梁結構混凝土鹽堿腐蝕病害預防性養護工作，在初始設計階段應著重注意以下幾點。

（1）在設計文件中可規定使用非活性集料。活性集料是堿集料反應的基本組分，如果集料不具有堿活性，堿集料反應自然不會發生。使用非活性集料可以根治堿集料反應，其實施需要有良好的資源和可靠的檢驗方法。

（2）在設計文件中規定使用低堿水泥，從而將混凝土的總堿量控制在足夠低的水平，有效防止堿集料反應的發生。通常所說的低堿水泥是指其堿含量低于水泥重量的0.6%（以氧化鈉當量計）的水泥。

（3）在設計文件中對混凝土的總堿量作出限制。混凝土結構中存在一定量的堿是其發生堿集料反應的必要條件之一，因此，限制混凝土中堿的總含量可以預防堿集料反應。該措施與使用低堿水泥的目標一致，但它將混凝土中各組分所帶入的總堿量作出規定，控制條件更嚴格，技術上也更合理。

重慶市的地質災害有滑坡、崩塌、泥石流、地面塌陷等，其中以滑坡、崩塌為主，泥石流分布較少。重慶市近年來通過地質災害排查，市境內現有地質災害點16076個，其中泥石流329個，占災害點總數的2.04%[1]。主要分布三峽庫區及非庫區的渝東南、渝中地區。近年來，重慶市發生泥石流災害以1986年、1987年、1998年、2006年、2014年、2016年發生的泥石流災害損失嚴重[2]。重慶地區以稀性、小型泥石流為主，但其形成的危害也不容忽視。

（4）在設計文件中規定可采取提高混凝土密實度或采用復合纖維混凝土，以增強混凝土抗滲性，阻止水分的侵入。

（5）在進行高速公路橋梁結構設計時，可適當增加上部結構局部構造的厚度，如梁板頂板及橋面防水混凝土厚度，以達到更加有效的阻水目的。

（6）對于橋梁結構易發生雨雪水沖刷侵蝕的部位（如伸縮縫處墩臺蓋梁、護欄），可采取表面防護、適當增加保護層厚度及噴涂鋼筋阻銹劑等預防性措施，以保證結構的耐久性。

2.2 施工階段

在實際的施工過程中應明確要求施工單位做到嚴格按圖施工、服從監理及業主管理，從施工技術、材料、設備、工藝等幾方面著手，并注意做好施工準備階段及施工過程中的檢驗工作，以保證橋梁結構的施工質量[7]。

2.3 養護階段

對于橋梁鹽堿腐蝕病害預防性養護工作，在養護階段應著重做好以下幾點[8]：

（1）要做到日常檢查與維修并舉，及時清理伸縮縫及泄水孔，以防連鎖性破壞；

（2）經常清理排水溝，疏導涵洞，尤其是土邊溝的，要經常清理水溝雜物，確保排水暢通；

（3）清理和維護支座；清潔和油飾鋼結構及金屬構件；維護系桿拱橋錨頭；

（4）對構件表面缺損、滲水部位進行維修；封閉細微裂縫；對保護層偏薄、混凝土孔隙率大、環境濕度大的部位進行防水處理；

（5）冬季初雪選用除雪劑時，要盡量選用對混凝土結構損壞較小的產品；

（6）對局部抗拉強度不足的部位采用碳纖維進行加固，或提高幾個構件間的協同受力效果，或粘貼鋼板進行加固。

3 “LH透明防腐防護體系”介紹

對于傳統的防腐措施在實施效果方面尚存在的問題與防護體系的缺失，本文從鹽堿腐蝕病害防治機理入手，結合所提出的鹽堿蝕病害預防措施，深入研究了新材料、新技術和新工藝，并提出一套完備的防治方案，即“LH 透明防腐防護體系”。

“LH 透明防腐防護體系”屬于預防性防腐措施。它采用“滲透防水”與“透明防護涂層”相結合的方式，可以有效阻擋水和有害離子的侵入，在保護橋梁免遭腐蝕的同時，又保持了橋梁混凝土的原貌和可見性。

3.1 技術內容

該體系包含兩項技術內容。

（1）剛性防水技術

采用滲透型防水材料（LH101）預滲透進混凝土表層，使混凝土本身具備防水性能。

（2）透明涂層防護技術

采用優異耐水耐候性的彈性透明涂膜（LH309），在剛性防水的基礎上實施薄層柔性防護，徹底阻擋有害離子與混凝土表面的接觸。

由于承載結構的混凝土細微裂縫具有活動性，這種剛柔并濟的防護方式可以很好地起到防腐防護作用。

3.2 防護材料

“LH309 透明混凝土防護涂料”為單組份水性材料。它以強耐水性高分子成膜物質為基材，經硅改性、氟改性和納米改性而具備很高的附著力、抗紫外線能力和抗污染能力。涂料固化后，形成無色透明有光澤的防護涂層，該涂層還具有優異的透氣性、耐久性、憎水性、耐候性和耐酸堿鹽性，徹底封閉混凝土表面，能有效保護橋梁結構混凝土免遭水、化冰鹽、酸雨以及海洋和工業環境的腐蝕破壞。

LH309 屬于透明型混凝土表面防護材料，集封閉、防水防腐、防塵透氣和長效耐久功能于一身。與“LH101 滲透型高效防水劑”配合使用，可預先將LH101 防水劑滲透進混凝土表層，在混凝土表層防水的基礎上，再實施LH309 防護涂層處理，形成“LH 混凝土防護體系”，這樣可以大大提高防護體系的耐久性，從而起到更好的防護作用。

3.3 LH透明防腐防護體系的特點

（1）不改變混凝土原貌和基面顏色；對于橋梁結構的裂縫病害，可以及時準確地觀測到其病害程度與發展情況；

（2）具備“剛性防水”與“柔性防水”相結合的功能；

（3）對基面的干燥程度要求不苛刻，只要無明水，即可施工；對基面處理要求不苛刻，允許有小氣洞和輕微麻面；施工費用低，可維護性好；

（4）由于透明防腐涂層的隔離功能，能徹底阻擋有害物質的侵害，即使透明涂層意外受損，由于結構表層的剛性防水特性，也能起到一定的防護作用。

（5）采用水性環保材料，無毒，不燃燒，無污染。

4 石安高速上跨和平路橋工程應用

石安高速公路和平路橋為現澆箱梁結構，存在許多貫通細微裂縫，由于雨水鹽水淋浸，已經出現局部腐蝕病害。于2011 年5 月采用透明防腐體系對該橋進行了防腐施工處理，起到了很好的預防性防腐防護作用。經過兩年的觀察，涂層體系完好，橋梁混凝土本身未發現新病害。石安高速公路和平路橋透明防腐涂層施工2年后的效果見圖3。

圖3 石安高速和平路橋透明防腐涂層施工2年后的效果照片

自2008年以來的6年時間內，“LH混凝土病害修復防護體系”的材料、技術與工藝，已經在河北省高速公路數千座橋涵的混凝土腐蝕病害修復防護工程中得到應用。經過實際工程考核與驗證，從質量上達到了防水防護耐久、黏結牢固不脫層、強度適中無裂縫的水平，從外觀上達到了與水泥混凝土結構顏色基本一致且平整光滑美觀的效果。

綜上，該體系很好地解決了混凝土腐蝕缺陷病害的耐久性修復防護技術難題，取得了非常滿意的效果，成為工程中非常實用成熟的技術與工藝。

多年來的實際工程考核充分說明：“LH混凝土病害修復防護體系”無論在材料、技術還是施工工藝上，已經達到了耐久性修復的要求和耐久性防護的目的。

5 結語

本文對河北省高速公路橋梁鹽堿蝕病害的現狀、特征、發展概況和發展趨勢進行了廣泛深入的調查分析，探究了橋梁混凝土鹽堿蝕病害的成因與機理，從鹽堿蝕病害的防治機理入手，研發了新材料、新技術和新工藝，使之成為一整套完備的防治方案的關鍵技術材料環節，最后結合工程實例，檢驗了防治修復效果，從而為科研檢測人員對同類病害的防治提供了重要的技術參考。

[1] JTG D62—2004，公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范[S].

[2] 范立礎，徐光輝. 橋梁工程[M]. 北京：人民交通出版社，2001.

[3] 葉見曙. 結構設計原理[M]. 2 版. 北京：人民交通出版社，2005.

[4] 劉國明.河北交通規劃設計院.高速公路橋梁鹽蝕、堿蝕破壞病害分析及養護對策研究[R].河北：河北交通規劃設計院，2013.

[5] 吳建華，趙永韜.鋼筋混凝土的腐蝕監測/檢測[J].腐蝕與防護，2003（10）：421-427.

[6] 洪乃豐. 混凝土中鋼筋腐蝕與結構物的耐久性[J]. 公路，2001（2）：66-69.

[7] 黃明，沈德建.海洋環境下混凝土中鋼筋的防腐蝕設計[J].混凝土，2006（11）：13-15.

[8] 張晏清. 鋼筋表面防腐蝕涂層的性能[J]. 建筑材料學報，2005（5）：577-579.