混凝土橋梁耐久性破壞分析

羅文強

（四川南方高速公路股份有限公司， 四川 瀘州 646000）

0 引言

混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性[1]可定義為，結(jié)構(gòu)在規(guī)定的使用年限內(nèi)，在各種環(huán)境條件作用下，不需要額外的費用加固處理就能保證其安全性、正常使用性和可接受的外觀的能力。我國80萬座公路橋梁，其中85%中小型混凝土橋梁隨著服役時間的增加，耐久性能問題日益顯著，嚴重影響了其正常使用和承載能力，每年耗費在耐久性治理的費用高達百億元。目前國內(nèi)外學者開始重視耐久性的研究，并已經(jīng)從材料層面到達結(jié)構(gòu)層面。本文就影響混凝土橋梁耐久性的七大因素進行深入剖析，從最基本的作用機理出發(fā)，并提出相應(yīng)的解決措施。

1 混凝土的碳化作用

混凝土是由水泥、水、砂和石子等組成，水泥和水發(fā)生水化反應(yīng)，生成具有強度的水泥石將散粒的砂和石子粘結(jié)起來，形成堅硬的整體。由于水泥硬化作用將生成氫氧化鈣，所以新鮮的混凝土是呈堿性的。但是，隨著混凝土齡期的增加，空氣中的二氧化碳逐漸向混凝土內(nèi)部擴散與其中的氫氧化鈣產(chǎn)生反應(yīng)，生成碳酸鹽和其他物質(zhì)，降低混凝土的堿性，這種現(xiàn)象稱為混凝土的碳化。碳化會使混凝土的強度提高，但是也會降低混凝土的PH值，使鋼筋脫鈍活化，產(chǎn)生銹蝕。有關(guān)研究表明混凝土的碳化除與空氣中二氧化碳的濃度、環(huán)境溫度、濕度有關(guān)外，還與混凝土自身的密實度有關(guān)，密實度越高，抗碳化能力越強。所以提高混凝土的抗碳化能力最好的方法是增加其自身的質(zhì)量，提高密實度。

2 堿-骨料反應(yīng)

混凝土骨料中的活性二氧化硅與堿在潮濕的環(huán)境中會發(fā)生化學反應(yīng)，生成難溶于水的硅酸鹽凝膠，造成混凝土體積膨脹和開裂，使得混凝土抗拉壓強度、抗折強度、抗剪強度、彈性模量等力學性能參數(shù)降低，同時會造成鋼筋銹蝕，耐久性降低，這種現(xiàn)象稱為混凝土的堿-骨料反應(yīng)。有關(guān)研究表明影響混凝土堿-骨料反應(yīng)的因素甚多，除了堿含量、骨料中的活性二氧化硅含量外，還與環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、骨料本身的顆粒大小、受到的阻力大小等有關(guān)。隨著溫度的升高，堿-骨料反應(yīng)速度加快，混凝土體積膨脹越大；當砂礫大小在1～5mm時，混凝土最易開裂；當混凝土受到外荷載施加的壓力小時，即鋼筋限制作用弱時，體積膨脹效應(yīng)就增強。因此提高混凝土的耐久性能，就得嚴格控制骨料中的堿含量、二氧化硅含量，減少水泥用量。

3 鋼筋的銹蝕反應(yīng)

混凝土中的骨料水化反應(yīng)后會在鋼筋表面形成致密的鈍化膜，這層鈍化膜會保證鋼筋不易發(fā)生銹蝕，但由于碳化作用、鋼筋所在環(huán)境中游離Cl-1濃度的增大，必然會導致鋼筋表面鈍化膜的破壞，在加上鋼筋表面存在的正負電位差及空氣中的氧氣、水，形成電化學腐蝕造成了鋼筋的銹蝕。為了防止鋼筋銹蝕影響結(jié)構(gòu)在規(guī)定服役時間內(nèi)的正常使用和承載能力，必須提高混凝土的致密性。目前采取的辦法主要包括以下幾個方面：增大混凝土保護層厚度（這是最簡單通用的辦法，但必須注意保證施工質(zhì)量）、延長混凝土自然養(yǎng)護齡期、控制骨料中Cl-1含量（著重注意外加劑）及PH值、降低水灰比等。

4 混凝土的凍融破壞

混凝土橋面橋墩經(jīng)常與水接觸，在凍融循環(huán)作用下會使得混凝土表面產(chǎn)生凍脹開裂、剝蝕，這一現(xiàn)象稱為混凝土的凍融破壞。凍融破壞對于我國東北地區(qū)影響、危害巨大，它會造成混凝土彈性模量、抗壓強度、抗拉強度、抗剪強度等力學性能嚴重下降，嚴重影響了結(jié)構(gòu)的使用安全。影響混凝土凍融破壞的因素眾多，主要是平均氣泡間距。平均氣泡間距越大，凍融過程需要的滲透壓、毛細孔中的靜水壓就越大，因而混凝土抗凍性能就越大。因此提高抗凍性能，必須將平均氣泡間距控制在一定的合理范圍內(nèi)。國內(nèi)外的研究表明不管是普通混凝土還是粉煤灰混凝土，平均氣泡間隔系數(shù)在500um以下均是高抗凍混凝土[2]。

5 混凝土的鹽凍破壞

在凍融破壞中還有一種特殊的破壞，即由除冰鹽引起的混凝土剝蝕和鋼筋銹蝕，這一現(xiàn)象稱為混凝土的鹽凍破壞。在我國北方（冬季晝夜溫差大，寒冷地區(qū)），鹽凍破壞是造成混凝土橋面、路面破壞的最主要因素。鹽凍破壞不同于凍融破壞，有許多自身特點，除冰鹽在能降低水的冰點，對凍融破壞有一定的抑制作用，但它造成的危害又遠遠大于凍融破壞，產(chǎn)生的不利影響主要體現(xiàn)在以下幾個方面[3～4]：（1）混凝土含鹽量越高，初始飽和度也越高，凍脹力增大；（2）濃度差使得受凍混凝土孔隙中產(chǎn)生更大的滲透壓。（3）使用除冰鹽的路面、橋面，冰雪融化時需要吸收足夠的熱量，造成混凝土降溫速度加快，同時使靜水壓力增大。國內(nèi)外的研究表明影響混凝土抗鹽凍耐久性最重要的因素是含氣量和水灰比。為保證混凝土的抗鹽凍性能，其含氣量要比一般抗凍混凝土要大，控制在6%以上；水灰比最好控制在0.45以內(nèi)。

6 化學侵蝕

混凝土橋梁完全暴露在復雜大氣中，必然處在酸、堿、硫酸鹽等侵蝕性介質(zhì)中，因遭到化學腐蝕而破壞，這一現(xiàn)象稱為混凝土的化學侵蝕。長期遭受化學侵蝕會使得混凝土的強度、耐久性能減弱。因此，國內(nèi)外學者對各種不利介質(zhì)分別開展研究，并得出以下結(jié)論：為防止混凝土遭受酸性水的侵害，一般在混凝土表面涂刷煤瀝青形成保護膜，降低混凝土的抗?jié)B性，從而提高混凝土抵抗酸性侵蝕的目的。高濃度的堿溶液比低濃度對混凝土的化學腐蝕更加嚴重。因此要控制堿溶液的濃度，一般控制在 15%以下。防止硫酸鹽的腐蝕，最有效的方法就是采用蒸汽養(yǎng)護，消除游離的氫氧化鈣，使C3A形成穩(wěn)定的水化產(chǎn)物，從而提高混凝土抗硫酸鹽侵蝕的能力。

7 表面磨損

造成混凝土橋梁的磨損主要包括兩個方面：機械磨損（主要是指行駛車輛對橋面的反復摩擦）、沖擊磨損（主要是指水流對橋墩的沖刷以及水流搬運的泥沙、礫石對橋墩的碰撞）。決定混凝土表面耐磨性能的因素很多，從根本上來說主要是面層混凝土的強度和硬度。研究表明：降低混凝土的水灰比，或采用高強度混凝土，均有利于提高混凝土的耐磨性；保證其他條件相同的情況下，可得到混凝土的耐磨性與其抗壓強度成線性變化。

8 結(jié)論

綜上所述，影響混凝土橋梁耐久性的因素甚多，因此此類工程應(yīng)該針對不同的環(huán)境、不同的使用年限采用相應(yīng)標準的骨料，著重注意混凝土耐久性能的關(guān)鍵問題，嚴格控制施工配合比。在施工過程中注意施工工藝，保證施工質(zhì)量。運營階段定期進行檢測維護，保證混凝土橋梁在設(shè)計使用年限內(nèi)耐久性滿足要求，不影響正常使用，不降低承載能力。

[1]張譽,蔣利學,張偉平,屈文俊. 《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性概論》. 上海科學技術(shù)出版社.

[2]嚴捍東，孫偉. 大摻量粉煤灰水工混凝土氣泡參數(shù)和抗凍性研究. 工業(yè)建筑， 2001,31（8）.

[3]楊全兵,吳學禮, 黃士元. 去冰鹽對混凝土剝蝕的物理機理.上海建材學院學報, 1991,4(4)

[4]楊全兵、張樹青等. 混凝土除凍鹽剝蝕破壞機制及材料設(shè)計原則. 見: 王媛俐,姚燕主編, 重點工程混凝土耐久性的研究與工程應(yīng)用. 中國建材工業(yè)出版社,2001.