化冰鹽對(duì)混凝土橋梁的危害及應(yīng)對(duì)措施

李振平

摘要：描述了化冰鹽對(duì)橋梁混凝土結(jié)構(gòu)危害的種類和形式，剖析了氯離子侵蝕和凍融循環(huán)的破壞機(jī)理，明確了影響兩種破壞形式的因素，給出解決化冰鹽危害的應(yīng)對(duì)措施，對(duì)橋梁的設(shè)計(jì)、施工、檢測(cè)及維修加固均有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：化冰鹽； 橋梁；混凝土

冬季，我國(guó)北方地區(qū)道路上的大量積雪若不及時(shí)清除，將嚴(yán)重影響道路暢通及行車安全，對(duì)此問(wèn)題我們普遍采用的方法是撒布除冰鹽。采用除冰鹽除雪，成果是短暫的。在公路工程中橋梁結(jié)構(gòu)仍是以鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)為主，僅從遼寧省內(nèi)高速公路橋梁來(lái)看，凡除冰鹽侵蝕到的部位，結(jié)構(gòu)缺損已相當(dāng)嚴(yán)重。

能誘發(fā)鋼筋銹蝕的除冰鹽是現(xiàn)階段橋梁耐久性的元兇，在其長(zhǎng)期侵蝕下，橋梁結(jié)構(gòu)往往遠(yuǎn)達(dá)不到設(shè)計(jì)壽命混凝土就出現(xiàn)嚴(yán)重的剝落、鋼筋銹蝕，甚至承載能力不足等不良后果，需要投入大量資金進(jìn)行檢測(cè)、維修和改造，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和不良的社會(huì)影響。所以，分析和研究化冰鹽對(duì)橋梁的危害，并提出應(yīng)對(duì)措施，對(duì)公路工程有重要意義。

1 化冰鹽對(duì)橋梁的危害

根據(jù)國(guó)內(nèi)外的研究成果，化冰鹽對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的危害主要有兩個(gè)方面：氯離子侵蝕和凍融破壞。由于北方冬季有較大的晝夜溫差，這兩種破壞形式往往以鹽溶液條件下的凍融耦合破壞而存在。

（1）氯離子侵蝕的危害。

氯離子侵蝕直接造成鋼筋銹蝕，導(dǎo)致鋼筋強(qiáng)度下降，極限延伸率會(huì)大幅度降低。鋼筋銹蝕的產(chǎn)物是一層結(jié)構(gòu)疏松的氧化物，在鋼筋與混凝土之間形成一層隔離層，降低了鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)作用。而且銹層膨脹產(chǎn)生巨大的徑向力，該力達(dá)到一定程度就會(huì)使混凝土開裂。帶肋鋼筋銹蝕后，其肋基本退化、脫落，嚴(yán)重時(shí)鋼筋與混凝土之間的機(jī)械咬合力基本消失。

（2）凍融破壞的危害。

凍融破壞會(huì)導(dǎo)致混凝土抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、彈性模量、變形特征等基本力學(xué)性能和變形性能降低，從而影響混凝土結(jié)構(gòu)的使用性能和承載能力，甚至影響到橋梁工程的安全運(yùn)行。

2 化冰鹽破壞機(jī)理分析

2.1 氯離子侵蝕機(jī)理

從外界進(jìn)入混凝土中的氯離子，只有極少數(shù)可被固化成難容的化合物，其余大多數(shù)都以自由氯離子存在，當(dāng)起濃度達(dá)到0.2%時(shí)就很可能引起鋼筋銹蝕。關(guān)于氯離子引起鋼筋銹蝕的三種可能的途徑如下：

（1）形成腐蝕原電池。氯離子半徑小，活性大，能從鈍化膜的缺陷處滲進(jìn)去將其穿透，與金屬原子發(fā)生反應(yīng)，露出的金屬便是陽(yáng)極，未被穿透的鈍化膜區(qū)域作為陰極，從而形成電池，能使鋼筋產(chǎn)生坑蝕。

（2）局部酸化。氯離子與其他陰離子共存并競(jìng)相被吸附時(shí)，氯離子與其他陰離子共存并競(jìng)爭(zhēng)吸附，氯離子具有優(yōu)先吸附趨勢(shì)，鋼表面鈍化層是局部酸化，氯離子使鋼表面陽(yáng)極電解液PH值降低，從而使鈍化膜溶解。

（3）催化作用。在表面氯化物的催化下，鋼腐蝕小電池陽(yáng)極反應(yīng)產(chǎn)物運(yùn)出Fe + 2，大大加快了鋼的腐蝕速度，因?yàn)槁入x子是可以重復(fù)利用的，因此一旦氯離子侵蝕發(fā)生，后期就不容易修復(fù)。

氯離子從外界進(jìn)入混凝土中，主要以擴(kuò)散為途徑，現(xiàn)階段研究認(rèn)為，影響擴(kuò)散的主要因素有以下四個(gè)方面：

（1）表面氯離子濃度。表面氯離子的濃度越大，會(huì)造成內(nèi)外氯離子濃度差越大，其由高濃度向低濃度擴(kuò)散的速度就越大。

（2）擴(kuò)散系數(shù)。所謂擴(kuò)散系數(shù)是通過(guò)擴(kuò)散速度與實(shí)測(cè)濃度的關(guān)系，進(jìn)行擬合，它不僅與混凝土內(nèi)在因素有關(guān)，也與外界因素有關(guān)。

（3）氯離子的臨界值。氯離子含量越大鋼筋銹蝕的可能性就越大，但也不單純?nèi)Q于鋼筋附近游離的氯離子濃度，更要看氯離子與氫氧根離子的比值。

（4）混凝土保護(hù)層厚度。混凝土保護(hù)層厚度越大，氯離子擴(kuò)散到鋼筋的時(shí)間就越長(zhǎng)，耐久性就越好，反之，耐久性越差。

2.2 凍融破壞機(jī)理

混凝土是一個(gè)與水泥漿與骨料組成的有毛細(xì)孔和微裂縫的復(fù)合材料，其中毛細(xì)孔和微裂縫是造成凍害的主要因素，關(guān)于其破壞機(jī)理主流的觀點(diǎn)有兩種：膨脹壓力和滲透壓力。

膨脹壓力理論：冬季毛細(xì)孔和微裂縫中的水變成了冰，體積膨脹，其周圍結(jié)構(gòu)產(chǎn)生拉應(yīng)力，該拉應(yīng)力超出結(jié)構(gòu)容許拉引力時(shí)就會(huì)開裂、剝落。

滲透壓力理論：滲透壓是冰和冷凍水造成一個(gè)洞之間的自由能之間的區(qū)別，在一定溫度下，由于冰自由能小于液態(tài)水的自由能，當(dāng)凍結(jié)時(shí)，凝膠孔隙水流的毛細(xì)孔和微裂縫，當(dāng)水達(dá)到毛細(xì)孔和微裂縫，會(huì)發(fā)生凍結(jié)，冰體積逐漸增加，形成更大壓力，從而損傷混凝土微觀結(jié)構(gòu)。

影響凍融破壞的因素挺多，但主要因素有以下四個(gè)方面：

（1）含氣量。混凝土中加入引氣劑，形成微細(xì)氣孔，可以使毛細(xì)孔和微裂縫中的靜水壓力減少，起到減壓作用，因此工程上常摻入引氣劑來(lái)提高混凝土的抗凍性。

（2）水灰比。水灰比影響混凝土的孔隙率，水灰比越大，其平均孔徑也越大，抗凍性就越低。

（3）飽水度。水在混凝土中的存在形式有三種：吸附水、結(jié)合水和自由水。吸附水在凝膠體表面形成一層非常薄的膜，所以水量很少，而且結(jié)冰溫度很低，對(duì)混凝土影響很小。結(jié)合水是水泥水化產(chǎn)物的組成部分，但溫度的變化對(duì)它沒有影響。自由水廣泛存在于混凝土孔隙之中，這部分水在毛細(xì)孔中是可以遷移的，在常壓下，隨溫度升高可以蒸發(fā)，溫度降低時(shí)結(jié)冰膨脹。

3 應(yīng)對(duì)措施

由以上病害形式和形成機(jī)理可知，化冰鹽對(duì)橋梁危害的根本原因與混凝土材料自身特性和所處環(huán)境密切相關(guān)，與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工以及養(yǎng)護(hù)管理也有重要聯(lián)系。綜合國(guó)內(nèi)外研究成果和工程經(jīng)驗(yàn)，一般從以下幾個(gè)方面進(jìn)行解決：

（1）最大限度的減少化冰鹽的使用量，發(fā)揮機(jī)械、熱力、人工等多種除雪方式，研發(fā)新型除雪劑。

（2）采用高耐久性混凝土，提高混凝土自身抗破損的能力。

（3）加強(qiáng)橋面排水和防水層設(shè)計(jì)，改善橋梁環(huán)境條件。

（4）改進(jìn)橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用具有防腐保護(hù)的鋼筋；加強(qiáng)構(gòu)造配筋，控制裂縫發(fā)展；加大混凝土保護(hù)層厚度；加長(zhǎng)泄水管、邊梁設(shè)置滴水檐等。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著橋梁運(yùn)營(yíng)時(shí)間越來(lái)越長(zhǎng)，化冰鹽所引起的混凝土剝落、酥松乃至鋼筋外露、銹蝕等病害越發(fā)嚴(yán)重，是公路養(yǎng)護(hù)部門亟待解決的問(wèn)題，但要解決問(wèn)題首先要研究其形成原因。本文主要通過(guò)探討化冰鹽所攜帶的氯離子的危害機(jī)理，剖析出化冰鹽對(duì)橋梁混凝土危害的微觀過(guò)程，并對(duì)癥下藥，給出四個(gè)方面的應(yīng)對(duì)措施，在橋梁設(shè)計(jì)、施工、檢測(cè)及維修加固等多方面都有一定的借鑒意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]洪乃豐.氯鹽類融雪劑的腐蝕危害與試驗(yàn)方法的討論.工業(yè)建筑，2006，36（10）：6164.