旱區環境下砼橋梁碳化問題分析

2016-10-28 07:57:20黃建平

公路與汽運 2016年1期

關鍵詞：耐久性橋梁深度

黃建平

（湖南路橋建設集團有限責任公司，湖南　長沙　410004）

旱區環境下砼橋梁碳化問題分析

黃建平

（湖南路橋建設集團有限責任公司，湖南長沙410004）

針對中國西北旱區環境的橋梁工程砼碳化問題，從影響因素角度進行分析，提出了用于旱區環境的砼碳化深度研究方法；經過大量試驗測量，闡明了碳化深度計算模型的可行性，說明了保護層厚度與砼強度對碳化深度的影響。

橋梁；碳化；旱區環境；保護層厚度；砼強度

鋼筋砼在大氣環境作用下，隨著工作年限的增長會慢慢老化，耐久性受損。旱區橋梁工程耐久性降低的主要原因是結構的保護層砼逐漸發生碳化。若碳化現象嚴重，則保護層砼會發生銹蝕開裂，嚴重影響橋梁工程的正常使用，需進行維修才可繼續投入使用。

1　旱區砼碳化特點及要因

1.1大氣環境影響因素

橋梁保護層碳化是一個緩慢的物理化學作用過程，影響碳化速度的因素主要是現場的環境溫度與濕度等條件。環境溫度與碳化系數間的關系如下：

式中：KT1、KT2分別表示T1與T2兩種大氣環境下的碳化系數。

濕度環境對砼碳化的影響公式為：

式中：kRH1、kRH2分別表示RH 1與RH 2兩種濕度環境下的碳化速度。

根據式（2），碳化速度與現場環境的相對濕度大小關系密切。當相對濕度小時，碳化速度快。中國西北地區空氣干燥，部分地區的溫度、濕度見表1。

表1　西北旱區部分地區的年均溫度和濕度

大氣環境的溫度與濕度之間相關性強，考慮到

式中：T為現場的年平均溫度（℃）；RH為現場環境的年均濕度（％）。

根據式（3），在年均溫度與年均濕度均較小的情況下，干旱地區的砼碳化速度更快。

1.2砼材料性能影響

抗壓能力能綜合反映砼的物理性能，通常情況下，砼抗壓強度越高，抗碳化能力越強。利用酚酞酒精溶液測得的大量實際工程砼碳化深度數據，通過線性回歸分析，得到抗壓強度與碳化系數之間的關系如下：

式中：kf表示由強度控制的砼碳化系數；fcu，k表示砼的抗壓強度標準值（MPa）。

根據中國20世紀80年代工業廠房的吊車梁檢測數據，鉆芯法測得C15砼碳化深度為70 mm。干旱地區暴露于空氣中的鋼筋銹蝕速度遠比潮濕地區鋼筋銹蝕速度慢，但砼保護層發生碳化后，暴露在空氣中的鋼筋銹蝕速度將大大增快。溫度與濕度對砼碳化速度的綜合影響，將兩個系數綜合考慮，引入一個新的變量，即環境因子，其計算公式如下：

2　旱區橋梁砼碳化規律

2.1碳化深度的檢測評價

旱區環境下評價暴露于空氣中的砼結構耐久性的重要指標是砼的碳化深度。碳化深度的現場測量方法主要有兩種，即彩虹與酚酞試劑法，兩種測量方法的結果較為接近，在此選擇價格相對便宜的酚酞試劑法。

（1）選擇構件。在利用碳化深度修正砼的強度時，抽取的試件數量大于10個，需大于同類構件總數的30％。

（2）測區布置。構件測量區域的布置主要根據實際構件的尺寸、材料特性及環境確定，一般位于兩個互相垂直的側面，數量為3～5個。測量區域一般應包括構件有代表性的部位。

（3）鉆孔。各個測量區域布置3個測孔，將其平均值作為該區域的測量結果代表值。在碳化深度小時，可選擇較小孔徑的測量孔；當碳化深度大時，可選擇直徑較大的測量孔。

（4）清孔。不要用水來清理測量孔中的粉末與碎屑，而應采用高壓空氣清理剩余垃圾和碎屑。

（5）測量碳化深度。將濃度1％的酚酞試劑噴于孔壁內側邊緣，若碳化部位與未碳化部位的界限清晰明了，可直接采用深度測量工具來測量，取平均值作為測量孔的碳化深度值。

2.2旱區橋梁砼碳化深度評價

國內外已有不少預測砼碳化深度的計算公式，但均存在一定的局限性，實際應用中誤差大。為分析干旱地區橋梁工程砼的碳化特性，選擇濕度環境差異小的砼進行檢測。首先利用無損檢測法測量砼抗壓強度，再在腹板上鉆孔并清洗干凈，噴灑濃度為1％的檢測試劑，根據顏色判斷碳化深度。檢測結果見表2。

根據表1，在梁體砼強度低時，保護層砼的碳化系數較大，隨著強度的增大，碳化系數下降，基本符合拋物線規律（見圖1）。

將表1中數據進行回歸分析，得到砼強度與碳化系數k的關系［見式（5）]和碳化深度x與年限t的關系［見式（6）]：

根據表1，受橋梁工程建造環境與場地環境的限制，檢測得到的砼強度與橋梁跨度關系較大，一般隨著跨度的增大，砼強度也增大。在砼強度低時，測量得到的碳化深度數據離散性較大。砼強度越高，碳化深度越小，碳化系數明顯下降。

3　旱區橋梁砼碳化壽命的可靠度分析

根據檢測結果，碳化深度的測量結果隨機性大，這主要是由于施工環境、施工質量、養護條件等導致砼保護層本身質量具有一定的隨機性。

3.1砼碳化深度可靠度分析

經分析，碳化耐久性失效概率為：

可靠度指標為：

根據可靠度設計標準要求，結構正常使用情況下的可靠度指標不宜小于1～1.5，需考慮結構的技術狀況及社會因素。

3.2橋梁砼碳化壽命評估

為了驗證碳化深度隨機模型，以某三跨連續拱橋為例，通過對保護層厚度、碳化深度的檢測，分析評價橋梁剩余使用壽命。

表2　旱區橋梁保護層砼碳化深度檢測結果

圖1　砼強度與碳化系數的關系

拱橋由拱肋、梁、柱及橫撐組成，進行鉆芯法測量修正后的結果見表3。

表3　鉆芯法修正的砼強度測量結果MPa

對構件保護層進行檢測，檢測結果服從正態分布。建立碳化耐久性年限方程，根據橋梁重要性，可將碳化可靠度指標取為0.5，即碳化概率為30％。實測得到的橋梁碳化耐久性剩余年限見表4～6，動態可靠度指標與年限的關系見圖2～4。

根據測量結果，構件截面小的立柱受環境影響更大，保護層質量相對更差，碳化剩余壽命短。梁與主拱的體積大，支模、澆筑、養護條件好，砼密實性好，剩余壽命長，能滿足功能使用要求。采用可靠度分析方法，可解決測量數據離散問題，有助于正確預測砼碳化壽命。

4　結語

該文就處于干旱環境中橋梁工程砼的碳化問題，對影響砼碳化的主要因素進行了分析，結合干旱地區橋梁工程的砼強度與碳化測量，提出了適合于干旱地區對橋梁砼進行碳化預測的系數。通過實際測量，驗證了碳化深度預測模型的有效性。運用可靠度分析方法進行分析，結果表明保護層厚度與強度對碳化深度的影響顯著，在工程設計中要特別注意保護層厚度與砼強度的控制。