西北干寒地區混凝土橋梁凍融病害機理及防治技術探究

蒲元海

（甘肅省遠大路業集團有限公司，甘肅蘭州 730001）

0 概述

近年來，我國西北干寒地區建設了大量重要混凝土橋涵工程，在該地區惡劣的氣候環境下，部分混凝土橋梁的在遠未達到設計使用壽命時，就已經出現耐久性嚴重退化的現象，這種現象嚴重影響了橋梁的正常使用[1]。因此，探究西北干寒地區混凝土橋梁的凍融病害機理及防治技術已顯得尤為重要，為了延長其耐久性和使用壽命，就必須針對存在的不同問題進行必要的日常維修與預防性養護。

1 干寒地區混凝土橋梁凍融病害的主要類型

目前橋梁養護仍不同程度存在的養路不養橋、對橋梁養護的重要性認識不足等現象，特別是橋面日常小修保養、伸縮縫與排水系統的清理、結構裂縫以及缺陷未及時處治，工作常落實不到位，使橋梁病害進一步擴大蔓延時有發生。主要存在以下問題：

（1）梁體混凝土松動剝落、鋼筋裸露。橋梁梁體在凍融循環環境下，混凝土梁體常出現裂縫，裂縫的產生會導致外界環境水和侵蝕性氣體的大量侵入，這些有害氣體的侵入會使混凝土內部發生物理和化學反應，混凝土內部會出現鋼筋銹蝕、暴露、表面混凝土掉塊、剝落的現象。

（2）梁體進水、開裂、甚至斷裂。梁體在干濕循環、凍融交替環境和鹽類侵蝕環境下，導致梁體開裂，有的縱向裂縫寬達60 mm，錯臺30 mm。具體見圖1和圖2。

圖1 梁體開裂錯臺

圖2 梁體進水開裂

（3）鉸縫進水、掉塊。干寒地區鉸接板橋的鉸接縫會出現進水現象，在凍脹力的作用下，發生掉塊的現象，見圖3。

圖3 鉸縫剝落

（4）橋梁修建中有些質量較低，造成了橋梁本身存在不足。橋梁投入運營后，由于施工和交付使用出現的變位、沉陷、空洞、裂縫等病害，在日常養護中沒有及時修補，造成混凝土剝落、鋼筋外露銹蝕、活動支座失去活動能力等，這類問題不及時處理可能釀成大病害。也有部分梁板在建造時由于混凝土保護層的強度、厚度不夠，在養護中又沒能得到很好的處理，因此梁板出現了不少的結構性裂縫，且露筋現象嚴重，經過若干年運行，這些裂縫變成受力裂縫。

（5）橋梁的檢查、檢測與技術狀況評定工作不到位，不能及時對橋梁使用狀況進行綜合的評價、及時掌握橋梁的技術狀況并了解橋梁安全性和結構的穩定性。

（6）建成多年的橋梁原橋設計、竣工資料丟失或無從收集，歷年的運行狀況不清楚，不能及時歸檔造成資料不全。

2 混凝土材料的一般破壞機理

混凝土材料的破壞一般是指混凝土內部微裂縫隨著混凝土內部應力的增加裂縫擴大化而成為相互連通的宏觀裂縫，直至混凝土整體性下降而喪失承載力的過程。在荷載作用下，微裂縫首先產生于骨料與砂漿的界面和砂漿內部，隨著荷載的增加，混凝土內部應力增大，微裂縫不斷的延伸和擴展成為相互連通的宏觀裂縫，砂漿內部裂縫的產生導致混凝土內部骨料之間失去了聯結，混凝土整體性破壞并喪失承載力，最后產生混凝土材料的破壞[2]。當水泥砂漿的強度遠低于骨料的強度時，裂縫一般都發生在砂漿內部。

3 混凝土損傷本構模擬

對混凝土損傷本構模型的研究，Loland和Marzars的工作開展的較早，他們在模擬混凝土本構關系時應用了損傷理論，并建立了混凝土損傷本構模型[3]：Loland模型和Mazars模型，這兩種模型是較早用損傷來研究混凝土單軸拉伸力學行為得出的結論；勒梅特在這方面也提出了自己的觀點。

（1）Loland模型

該模型認為在應力達到應力最大值以前，即ε≤εp（εp是對應于應力最大值點的應變值）的時候，認為裂紋僅在體元中萌生和擴展，且保持在一個很小的限度內。此時的混凝土存在如下的本構關系：

式中，E為混凝土的彈性模量；ε為混凝土的應變；D0為初始損傷為混凝土損傷后的應力；D為損傷變量，其中D=0對應無損傷狀態；D=1對應完全損傷(斷裂或破壞)狀態；0＜D＜1對應不同程度的損傷。β和C1為常數，其表達式見式3。

D0為初始損傷。

當應力達到甚至超過了應力最大值以后，即εp＜ε≤εU（εU為極限應變值）的時候，認為裂紋在破壞區內部穩定擴展。此時的混凝土存在如下的本構關系：

式中：C2為常數。由邊界條件，通過式（3）可以定出常數 β、C1和 C2。

（2）Mazars模型

該模型認為應力達到應力最大值以前，即（是對應于應力最大值點的應變值）的時候，即使有混凝土內部存在損傷，也認為曲線變化是線性的。于是此時的混凝土本構關系為：

當應力達到甚至超過了應力最大值以后，即εp＜ε≤εU（εU（為極限應變值）的時候，認為宏觀裂縫形成及快速失穩擴展，剛度急劇下降。于是此時混凝土的本構關系為：

式中：σP為損傷應力臨界值，At,Bt為材料的特性參數，其值可由材料的單向拉伸全曲線確定。

（3）勒梅特的觀點

混凝土是一種準脆性材料，承載后，在宏觀上呈現應力-應變曲線的非線性是因微裂紋萌生和擴展，而不是由于其塑性變形引起的。因此，可用彈性損傷力學的本構關系來描述混凝土的細觀單元各相的力學性質。按照勒梅特(Lemaitre)應變等價原理[5]，受損材料的本構關系可通過無損材料中的名義應力σ與ε應變關系表示，即：

式中：E0為初始彈性模量；E為損傷后的彈性模量；D為損傷變量。

4 混凝土凍融過程的細觀數值模擬

基于混凝土細觀損傷數值模型，建立由骨料、砂漿和界面過渡區組成凍融混凝土的受壓試件的數值模型?；贛azars損傷模型，將三維級配曲線轉化為試件內截面任一點D＜D0具有骨料直徑的內截圓出現的概率[6]：

式中：Dmax為最大骨料顆粒直徑；Pk為骨料(包括粗骨料和細骨料)占混凝土總體積的百分比，一般取Pk=0.75。

該混凝土試件為兩級配[7]，最大骨料粒徑小于40 mm，粗骨料中小石粒徑為5～20 mm，中石粒徑為20～40 mm。二級配骨料中小石∶中石為55%∶45%，由式（7）可計算得到：

最終確定骨料顆粒數目為：中骨料粒徑(D=40～20 mm)30 mm顆粒數取6粒；小骨料粒徑(D=20～5 mm)12 mm，顆粒數取56粒。

骨料、砂漿和界面過渡區材料參數見表1。

表1 混凝土各相組分材料參數

考慮《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》（GB/T50082-2009）的有關規定，采用快凍法進行凍融數值模擬，凍融循環次數選擇25次，標準規定每次凍融循環應在2～4 h內完成，且用于融化的時間不得小于整個凍融循環時間的1/4。凍融循環25次后節點凍脹變形圖及應力圖分別見圖4和圖5。

同時通過對凍融后的砂漿進行抗壓試驗，繪制其壓力-應變關系曲線，見圖6。

圖4 凍脹變形圖

圖5 應力圖

圖6 凍融后砂漿壓力-應變圖

基于彈性損傷的混凝土細觀結構模型，利用有限元分析軟件ANSYS分析凍融對混凝土彈性模量的影響，由圖6可知，混凝土試件所呈現的應力應變關系與基于損傷理論由計標所得結果相符。

5 混凝土橋梁自防治技術

采用自防治措施提高混凝土抗凍性的方法之一是采用礦渣粉超量替代水泥的技術[4]在混凝土中摻加磨細礦渣和高效減水劑。

另一種提高混凝土抗凍性的自防治措施是在混凝土中摻入引起劑，引氣劑可以在混凝土攪拌過程中引入均勻分布的空氣泡，而根據凍融病害機理可知，空氣泡的引入可以明顯降低孔溶液凍結產生的水壓力。而且這些氣泡混雜在混凝土的毛細孔中，阻止了外界水分的進入，從而提高了混凝土的抗滲性，從整體上提高混凝土的抗凍性。

在混凝土中摻加活性礦物摻合料也是提高混凝土抗凍性的一種自防治技術，比如在混凝土中摻入纖維可以明顯提高混凝土的抗拉強度，提高抗裂能力，提高凍融環境下混凝土的耐久性。另外摻入粉煤灰也可以提高混凝土的抗凍性。

為了提高混凝土的抗凍性，也可以在混凝土配合比設計的時候，在首先考慮強度設計、工作性能等因素后，盡量減小水灰比和水泥含量。

6 結語

西北干寒地區公路橋梁維修及預防性養護作為橋梁經常性、周期性的保養措施，應引起足夠的重視。各級橋梁主管部門都應提高對預防性養護的認識，不斷開展橋梁維修及預防性養護技術研究，針對可能出現的橋梁病害、缺陷的類型和損害程度，選擇正確、合理的養護維修措施，加大預防性養護經費的投資，使橋梁養護更加科學化、規范化，從而切實維護橋梁安全工作狀態，達到延長橋梁使用壽命的目的，為國家經濟發展和人民生活水平的提高提供便利安全的公路交通條件。

[1]李金平,盛煜,丑亞玲.混凝土凍融破壞研究現狀[J].路基工程,2007（3）：1-3.

[2]尚巖,杜成斌.基于細觀損傷的混凝土力學性能數值模擬研究進展[J].水利與建筑工程學報,2004（1）：23-28.

[3]馬懷發,陳厚群,黎保琨.混凝土試件細觀結構的數值模擬[J].水利學報,2004（10）：27-35.

[4]孫家瑛,吳初航,周承功,楊華祖.鋼筋混凝土橋梁耐久性調查及防治措施研究[J].混凝土,2003（3）：15-18.

[5]Lemaitre J and Chaboche J L.Mechanics of Solid Materials[M].Cambridge University.Press,1990：67-125.

[6]余天慶，錢濟成.損傷理論及其應用[M].北京：國際工業出版社，1993.

[7]汪在芹,李家正,周世華,石妍.凍融循環過程中混凝土內部微觀結構的演變[J].混凝土,2012（1）：13-14.