天津濱海地區橋梁混凝土耐久性劣化模式研究

□文/王春陽 李志國

天津濱海地區橋梁混凝土耐久性劣化模式研究

□文/王春陽 李志國

混凝土耐久性設計方法研究正在醞釀和摸索過程中。天津地處渤海沿岸，是我國重要的北方港口城市，混凝土工程耐久性問題會影響工程質量和使用壽命，進而影響整個城市和地區地發展。文章在調查研究基礎上，結合國內外關于混凝土耐久性設計的研究成果，參照CCES01—2004《混凝土結構耐久性設計與施工指南》和DB/T 29—165—006《天津市鋼筋混凝土橋梁耐久性設計規程》并根據天津濱海地區的地理氣候條件，提出了天津地區混凝土結構腐蝕現狀以及環境特點，分析總結了不同的混凝土耐久性劣化模式。

耐久性；濱海地區；橋梁；混凝土；劣化

天津濱海地區平均海拔≤5 m，地下水埋深≤2 m，地下、環境水中各種鹽類含量較高；海風海水海浪及土壤和地下水環境常常對橋梁鋼筋混凝土結構造成嚴重的侵蝕。由于天津濱海地區地處北方，有雨雪和除冰鹽凍害環境。故天津濱海地區是我國鋼筋混凝土耐久性環境因素最復雜地區。

本項研究是針對天津濱海地區的環境類型，結合渤海沿岸地區公路橋梁工程建設項目，開展濱海地區腐蝕環境調研，區分腐蝕類別，確定腐蝕等級，為進行耐久性設計，提出天津濱海地區橋梁混凝土的腐蝕模式并對天津濱海地區橋梁混凝土耐久性設計提出建議。

1　天津濱海地區氣候環境及凍融次數

從文獻［1］和香港天文臺的氣象數據，得到天津和其他城市的氣象資料，見表1。

表1　天津及其他城市的氣象資料

續表1

從表1可以看出，天津有5個月的平均最低氣溫低于-5℃。采用香港天文臺30 a數據統計，天津月均最低氣溫低于-3℃，月均最高氣溫高于3℃有3～5月，屬寒冷地區。依此本文認為天津濱海地區工程結構表面的年理論“正負溫循環次數”約為105次/a，而不采用文獻［2］和［3］的假定。同理，“正負溫循環”沈陽地區95次/a，哈爾濱地區85次/a。

但考慮到實際工程中，混凝土內毛細孔水產生“有效凍結破壞作用溫度”在-10～-15℃；混凝土內毛細孔水融化，混凝土表面溫度至少要達到5～8℃，而且要有足夠的時間（t≥3～5 h），才能保證混凝土表面30～50 mm范圍內的混凝土毛細孔水融化。同時，進行混凝土結構耐久性設計，必須考慮混凝土凍融循環中最低凍結溫度。因此本文建議：當考慮100 a設計使用壽命時，可取天津地區混凝土凍融循環次數為3次/a，沈陽地區混凝土凍融循環次數為3.5次/a，哈爾濱地區混凝土凍融循環次數為4.0次/a，青藏高原地區混凝土凍融循環次數為4.5次/a并依此按“快凍法的循環次數”進行抗凍耐久性設計。

2　天津濱海地區的水土環境

本研究按JTJ 064—1998《公路工程地質勘察規范》和GB/T50123—1999《土工試驗方法標準》，對天津濱海地區進行了調查研究，結果見表2和表3，文獻的數據見表4［3］。

表2　天津濱海地區（塘沽）地下水質調研結果mg/L

表3　天津濱海地區（漢沽）地下水質調研結果mg/L

表4　天津濱海地區地下水質調研結果［1］mg/L

表2-表4表明，［SO42-］≤4 000 mg/L；［Cl-］≤60 000 mg/L；［Mg2+］≤4 000 mg/L；可見天津濱海地區鋼筋混凝土結構均存在復合鹽類腐蝕環境。漢沽地區地下水的氯離子侵蝕基本為D級；塘沽地區地下水的離子侵蝕濃度普遍高于漢沽地區，作用等級應為E級［4］。

3　天津濱海地區橋梁工程混凝土材料及結構破壞狀況

對天津濱海、秦皇島、黃驊、山東東營等環渤海地區橋梁工程進行不連續考察。發現橋梁工程混凝土耐久性破壞的普遍性：

1）破壞最為顯著的是20 a齡期以上的混凝土橋梁工程，鋼筋銹蝕導致混凝土砂漿保護層開裂、脫落現象較為普遍；

2）有部分鹽池、鹽堿地等工程環境中的混凝土構件，有明顯的鹽結晶破壞和鹽腐蝕破壞現象，如天津開發區及天津濱海地區的水泥混凝土電桿的腐蝕破壞；

3）與水接觸的部分，有受凍剝落的跡象，但不是十分明顯；鹽池中與水接觸的部分有十分嚴重的剝落、碎裂式的破壞；分析認為應屬鹽結晶、鹽腐蝕、鹽凍復合型破壞；

4）在橋梁接縫處或橋面滲漏處，明顯看出由于上部滲漏導致的腐蝕。分析認為是除冰鹽造成的鹽結晶、鹽腐蝕、鹽凍破壞。

4　天津濱海地區橋梁混凝土耐久性劣化模式

對于天津濱海地區的橋梁工程而言，其所處的耐久性環境基本符合以下3種類型。

1）模式1：淡水海水凍融和鹽凍環境。

2）模式2：鹽結晶破壞和鹽腐蝕環境。

3）模式3：海風、海浪和海水鋼銹環境。

橋梁結構耐久性劣化模式，按文獻［4］分類見圖1。

圖1　橋梁混凝土的耐久性破壞

4.1凍融和鹽凍引起的混凝土破壞模式

天津濱海地區的橋梁工程環境中也存在淡水海水凍融和鹽凍破壞模式（模式1）。這種環境，對橋梁工程中的混凝土會造成凍融循環和鹽凍型的損傷破壞。

4.1.1凍融循環

當混凝土與淡、海水接觸時，混凝土中毛細孔可快速吸水飽和。在負溫條件下，由于混凝土中毛細孔水結冰，體積增大9%，將激起靜水壓力，導致毛細孔脹裂。凍結-融化反復作用造成的混凝土凍融循環的破壞模式。

混凝土受凍破壞的原理中水分結冰膨脹和相伴的水分遷移，受到滲透壓的作用和影響。當水分中含有鹽份時，水分的遷移和擴散加劇。凍融循環破壞作用會顯著被惡化。

混凝土凍融循環造成的損傷破壞，主要取決于混凝土的飽水程度、凍融循環次數、最低凍結溫度等。通過摻加引氣劑、減小水灰比、提高混凝土強度等級，可改善混凝土抗凍性。

根據天津港灣研究所、東北勘測設計研究院、哈爾濱低溫所和哈爾濱建筑工程學院早期內部研究資料，天津濱海地區年“最大正負溫循環次數”為105次/a。比哈爾濱的年正負溫次數（85次/a）高，但天津最低負溫t≥-15℃，哈爾濱負溫t≤-30℃，故凍融損傷程度不如哈爾濱嚴酷。

4.1.2鹽凍作用

鹽凍作用是指在負溫條件下鹽水對混凝土的凍融破壞作用。通常情況下，氯鹽對鋼筋混凝土結構的腐蝕主要是通過鋼筋銹蝕形成的；而鹽凍作用是氯鹽對混凝土本體形成的凍融損傷作用。

對于橋梁工程而言，鹽凍作用通常是由于冬季雨雪天噴灑化冰鹽水造成的，當地下水中氯離子含量較高時，也可能造成鹽凍破壞。鹽凍破壞和普通的混凝土凍融破壞在原理上并沒有本質的區別，破壞的形態也相同，但鹽凍作用更為嚴酷，因為氯離子的存在加速了凍融破壞的進程。可以認為鹽凍破壞是混凝土凍融破壞的一種特殊形式。凍融伴隨著鹽的作用，混凝土破壞的進程將大大加速：

1）鹽水增大了毛細孔中水的飽和程度，飽和程度越高，冰脹壓力越大；

2）鹽水中水分凍結后，鹽分自身結晶將產生結晶壓力；

3）鹽使冰雪融化時吸收大量的熱，使冰雪覆蓋下的混凝土的溫度劇烈下降，造成“冷沖擊”，導致更加嚴酷的凍融作用。

鹽凍作用的強烈程度同樣受到鹽水濃度的影響，如果以NaCl為鹽凍介質，當其濃度為4%時，能較大幅度地增大混凝土中孔隙的飽水程度，卻不能使水的冰點有大幅度下降，此時混凝土的鹽凍損傷作用最為強烈。

在天津濱海地區的大量調查結果表明［5］，如果橋面防水功能不良，由于橋面水下滲，泄水孔外壁縫隙下沿、梁的翼板下沿、腹板水流經處以及蓋梁頂部等處，經常處于潮濕狀態，為除冰鹽結晶及鹽凍破壞提供了條件。

4.2鹽結晶及硫酸鹽、鎂鹽腐蝕引起的混凝土破壞模式

天津濱海地區的橋梁工程環境中也存在“鹽結晶及硫酸鹽、鎂鹽腐蝕破壞模式”（模式3）。這種環境，對橋梁工程中的混凝土會造成鹽結晶和鹽腐蝕型的破壞。

4.2.1鹽結晶

總結長期工程考察經驗，天津濱海地區大量存在鹽結晶破壞現象。這種鹽結晶作用，是材料中毛細孔的吸提作用，使鹽溶液被提升。普通混凝土毛細孔水吸提高度約300～600 mm；燒結粘土磚（實心紅磚）吸提約800～1 500 mm；天津市區的青磚墻體吸提高度約1 200～1 600 mm，極個別情況可達到2 500 mm。

被毛細孔吸提的鹽溶液，當空氣濕度發生變化時，其中的水分會向環境中蒸發，使得毛細孔中的鹽溶液被濃縮。當毛細孔中水分進一步蒸發后，毛細孔中會產生鹽結晶現象。

4.2.2硫酸鹽腐蝕

硫酸鹽腐蝕混凝土的過程比較復雜，但總體上看，主要由硫酸鹽和Ca（OH）2反應生成石膏（硫酸鈣）的過程以及石膏和水化鋁酸鈣反應生成水化硫鋁酸鈣（AFt）生成的過程兩部分構成，其中又包含了許多次生的過程。

無論是石膏還是高硫型硫鋁酸鈣的生成都會產生體積膨脹。初期生成的石膏將很快轉化為硫鋁酸鈣，發生體積膨脹。當SO42-含量較高時，石膏生成后不能迅速和水化鋁酸鈣反應，就形成硫鋁酸鈣和石膏混合腐蝕。生成二水石膏和鈣礬石后的體積分別增大1.24倍和1.5倍，隨著石膏和鈣礬石的不斷形成，在內部可產生高達240 MPa的巨大膨脹壓，足以造成混凝土的開裂。

混凝土發生硫酸鹽腐蝕破壞表現的特征初期為表面發白，損害從棱角處開始，隨后裂縫開展并造成混凝土表面剝落，最終使混凝土表面成為一種易碎，甚至松散的狀態。硫酸鹽腐蝕的速度隨其溶液的濃度增大而加快。

美國建筑法規對不同硫酸鹽濃度下混凝土受腐蝕程度的分類如下：

1）土壤中硫酸鹽含量＜0.1%或水中SO42-濃度＜150 mg/L時，可認為對混凝土沒有腐蝕作用；

2）土壤中硫酸鹽含量在0.1%～0.2%或水中SO42-含量為150～1 500 mg/L時，為中等腐蝕；

3）土壤中硫酸鹽含量在0.2%～2%或水中SO42-含量為1 500～10 000 mg/L時，為嚴重腐蝕；

4）土壤硫酸鹽含量超過2%或水中SO42-含量超過10 000 mg/L時，為非常嚴重腐蝕。

4.2.3鎂鹽腐蝕

當硫酸鹽以硫酸鎂的形式存在時，不僅和水化鋁酸鈣發生反應，還能和水化硅酸鈣發生反應，造成更加嚴重的腐蝕作用。

這一反應能進行得很完全，不斷地促使水化硅酸鈣分解。CaSO4·2H2O和Mg（OH）2可同時造成膨脹破壞，故鎂鹽腐蝕，屬于比較嚴重的雙重腐蝕。

4.2.4復鹽及鹽漬作用

天津濱海地區的地質層系海泥長期淤積形成，富含多種鹽離子，屬于鹽堿土水環境。硫酸鹽腐蝕、鎂鹽腐蝕、氯鹽腐蝕會交互作用。不僅如此，對于某些低洼區域，甚至會存在由于水洼處水分蒸發，導致的鹽水濃縮現象。這種現象，如同曬鹽一樣的原理，故土壤中或土壤地下水中的各類鹽及離子濃度，高得出奇。勘察極易發現，在旱季由于水分蒸發，土壤中鹽份可以通過毛細孔上升，留在地表；而存水處的水分蒸發，又使鹽濃縮結晶。從而在地表產生白色鹽霜或鹽殼，表層土中SO42-濃度遠遠高于6 000 mg/L。

綜上述，天津濱海地區高鹽含量，存在鹽結晶及硫酸鹽、鎂鹽、氯鹽等腐蝕作用；鹽結晶及硫酸鹽、鎂鹽以及氯鹽的綜合作用，會使鋼筋混凝土遭受嚴重破壞。

4.3氯鹽引起的鋼筋銹蝕破壞模式

天津濱海地區的橋梁工程環境為“風、海浪和海水鋼銹環境”模式3。這種環境中的鹽霧、鹽溶液或鹽結晶等氣、液和固體介質中存在的氯鹽，大氣中的氧氣和潮濕的水汽，對橋梁鋼筋混凝土會造成腐蝕型的破壞。

通常情況下混凝土中，堿度較高（ph≥12.5），鋼筋處于鈍化狀態，表面FeO層能有效阻止銹蝕繼續發生，反應完成式（1）后停止。

混凝土結構若處在模式3的環境下，Cl-在混凝土中運動的驅動力主要有以下3種：

1）Cl-濃度差引起的擴散作用；

2）水壓力差引起的滲透作用；

3）特殊條件下電勢差引起的遷移作用。

當鋼筋周圍混凝土孔隙溶液中Cl-含量達到一定濃度時，Cl-就會與鋼筋表面的鈍化膜作用，使FeO中的Fe2+被激活，從而使鋼筋鈍化膜破壞，使鐵與氧、水繼續反應，生成鐵銹。即在高堿度下，也能完成式（2）～（4）

生成的鐵銹Fe（OH）33H2O比原有被腐蝕鐵的體積增大6倍以上。這種銹蝕從點開始，逐步擴展，最終形成大片的銹蝕，導致混凝土砂漿保護層開裂、剝落。

對天津地區橋梁結構所處環境的分析可知，冬季化冰鹽環境是影響橋梁結構耐久性的主要因素之一。由于橋面鋪裝層易損，防水功能下降，橋面水通過泄水孔縫隙、地袱與橋面間縫隙下滲，化冰鹽水將對梁的翼板、腹板，以及帽梁產生腐蝕。關于天津濱海地區受化冰鹽作用造成橋梁混凝土Cl-含量變化情況，本研究曾做過相關調查［4］，結果表明泄水孔附近混凝土中Cl-含量明顯高于其他部位并且Cl-沿保護層厚度由表及里呈遞減分布，這種現象顯然是化冰鹽水從橋面沿孔下滲造成的。

5　小結

1）天津濱海地區的淡水海水凍融和鹽凍環境對混凝土的破壞有以下3種作用形式：

（1）淡水對混凝土結構的凍融循環（Ⅱ）；

（2）海水對混凝土的凍融循環（Ⅳ）；

（3）除冰鹽對混凝土的鹽凍作用（Ⅳ）。

2）天津濱海地區的鹽結晶破壞和鹽腐蝕環境對混凝土的破壞作用由以下4種作用構成：

（1）靠毛細孔吸提產生的鹽結晶作用（V3）；

（2）海水浪濺作用產生的鹽結晶作用（V3）；

（3）除冰鹽滲透產生的鹽結晶作用（V3）；

（4）較高的含鹽量在混凝土內部靠近表面處形成的結晶和聚集作用（Ⅴ3）。

3）天津濱海地區的海風、海浪和海水鋼銹環境對混凝土的破壞作用由以下6種作用構成：

（1）海水、地下水、除冰鹽滲透作用產生的砂漿保護層鹽類腐蝕作用（Ⅴ1）；

（2）氯鹽對混凝土中鋼筋的腐蝕作用（Ⅲ）；

（3）海水中SO42-、Mg2+的對水泥混凝土水化產物的化學腐蝕作用（Ⅴ1）；

（4）寒冷季節的凍融循環作用（Ⅱ）；

（5）浪濺區反復的干濕循環作用（Ⅴ3）；

（6）海浪和漂浮物的機械磨損和沖擊疲勞作用。

4）參照文獻［4］，天津濱海地區橋梁混凝土耐久性環境及作用等級見表4。

表4　天津濱海地區橋梁混凝土耐久性環境及等級

6　結論

對天津濱海地區的鋼筋混凝土橋梁工程，應根據破壞模式考慮施工因素，按結構部位進行耐久性設計：即在橋面防水得到保證的前提下，將橋梁結構分成上部結構和下部結構。上部結構按Ⅲ-F進行設計；下部結構按Ⅱ-D、Ⅳ-E、V3-F進行設計。

［1］劉蔭藩，古鳳才，王金明，等.天津沿海地區鋼筋混凝土電桿腐蝕原因探討及防腐研究［J］.化學工業與工程，1999，（1）：17-20.

［2］李曄，姚祖康，孫旭毅，等.鋪面水泥混凝土凍融環境量化研究［J］.同濟大學學報：自然科學版，2004，32（10）：1408-1412.

［3］李金玉，鄧正剛，曹建國，等.混凝土抗凍性的定量化設計［A］.重點工程混凝土耐久性的研究與工程應用［C］.2000.

［4］CCES01—2004，混凝土結構耐久性設計與施工指南［S］.

［5］王春陽.基于劣化模式和結構部位的橋梁混凝土耐久性設計及應用研究.［D］.天津：天津大學，2007.

□李志國/天津大學建筑工程學院土木系。

U444

C

1008-3197（2016）02-70-04

2015-10-19

王春陽/男，1975年出生，高級工程師，天津市交通設施養護管理中心，從事工程材料研究工作。

□DOI編碼：10.3969/j.issn.1008-3197.2016.02.024