公路混凝土橋梁耐久性研究與探討

楊 雯

（山西省交通科技研發(fā)有限公司，山西 太原 030032）

結構耐久性是指結構在預期作用和預定的維護條件下，能在規(guī)定期限內(nèi)長期維持其設計性能要求的能力[1]。

隨著我國公路交通的跨越式發(fā)展，先后興建了一大批不同類型的公路橋梁，其中中小跨徑橋梁占比最大，而這些橋梁中采用混凝土結構約95%以上。由于早期理論對混凝土結構的認識不足，設計理念的不完善以及施工因素等，造成了部分橋梁“服役”不久就不同程度地出現(xiàn)了結構劣化、開裂、保護層剝落、鋼筋銹蝕等病害，嚴重影響了橋梁結構的承載力和耐久性。隨著服役期的延長，早期修建的大量混凝土橋梁陸續(xù)將進入檢測、維修加固階段，混凝土結構的耐久性問題將變得更加嚴峻，已引起了國內(nèi)外學術界和工程界的極大重視。

1 影響混凝土結構損傷或破壞的主要因素

1.1 碳化

碳化是指大氣中的水與混凝土中的堿性物質(zhì)作用的過程，用化學式表示為：

CO2+H2O→H2CO3，

Ca(OH)2+H2CO3→CaCO3+2H2O.

鋼筋在混凝土的高堿度環(huán)境中，表面形成一層鈍化膜，能夠使鋼筋免受腐蝕。通常保護鋼筋的臨界pH值=11.5，而混凝土碳化后pH約為8～9，鋼筋會因其表面鈍化膜遭到破壞而腐蝕。現(xiàn)階段碳化模型主要有理論模型和各種經(jīng)驗模型，各種模型均認為碳化深度和碳化時間有關，可簡單表示為：式中：D為碳化深度；α為系數(shù)。

1.2 氯離子侵蝕

在沿海地區(qū)修建混凝土結構時必須考慮氯離子侵蝕作用，同時在內(nèi)陸嚴寒地區(qū)，冬季撒鹽也是一種很普遍的化雪除冰方法，這就不可避免地會使氯離子進入混凝土。氯離子侵蝕會使鋼筋表面的鈍化膜遭到破壞，在侵蝕區(qū)域形成腐蝕電池，其去極化作用及導電作用會進一步加劇鋼筋的銹蝕。基本過程可表述為：

Fe2++2Cl—+2H2O→Fe(OH)2+2HCl，

4Fe(OH)2+O2+2H2O→4Fe(OH)3.

Fe(OH)3失水后形成FeOH（紅銹），不完全氧化的變成Fe3O4（黑銹），此即為鋼筋表面的銹層。

1.3 鋼筋銹蝕

鋼筋銹蝕是影響構件及結構耐久性的重要因素。眾多學者通過分析保護層開裂前后鋼筋的銹蝕量與裂縫寬度間的關系，提出了鋼筋銹蝕的預測模型。預測模型基本分為兩類：一類是理論模型，如牛荻濤等[2]建立的預測模型；另一類是根據(jù)實際工程調(diào)研和試驗數(shù)據(jù)歸納，基于構件特征參數(shù)建立的經(jīng)驗模型，如惠云玲[3]基于試驗結果得到的鋼筋銹蝕重量損失率、裂縫寬度與各因素之的影響關系等。

1.4 堿-骨料反應（AAR）

堿-骨料反應是混凝土內(nèi)在原因造成的破壞，其作用機理并不完全清楚。一般認為是由于混凝土中某些骨料表面的膠凝體遇水膨脹，從而導致周邊混凝土開裂。由于堿骨料反應開展緩慢，初期不易察覺，然而一旦開裂便很難阻止，進而形成惡性循環(huán)，因此常被人們稱為混凝土的“癌癥”。在預防堿骨料反應時，應選用非活性集料，并控制混凝土堿含量及濕度，同時可以使用礦物摻合料及化學外加劑加以抑制。

1.5 凍融循環(huán)

目前公認程度較高的是美國學者T.C.Powerse提出的膨脹與滲透壓力理論。而經(jīng)驗模型由于依據(jù)試驗數(shù)據(jù)，無法反映真實環(huán)境中的混凝土抗凍性，尚有不足之處。

2 耐久性設計方法

第一類可以稱之為傳統(tǒng)方法。陳肇元[4]指出，傳統(tǒng)方法應區(qū)分不同使用年限、不同環(huán)境類別和作用等級對應不同的設計要求。環(huán)境類別的劃分，《公路工程混凝土結構防腐技術規(guī)范》[1]（以下簡稱公路06防腐規(guī)范）和即將使用的《公路工程混凝土結構耐久性設計規(guī)范》[5]（以下簡稱公路19耐久規(guī)范）中一致，均分為7類；《混凝土結構耐久性設計規(guī)范》[6]（以下簡稱08耐久規(guī)范）中分為5類，相比而言公路規(guī)范更加細化、更全面，也說明公路混凝土結構面臨的環(huán)境更加復雜多變。而環(huán)境作用等級基本一致，均分為六大類（A～F），規(guī)范對比見表 1。

表1 環(huán)境作用等級劃分

第二類可以統(tǒng)稱為驗算法。這類方法先根據(jù)結構設計使用年限及工作環(huán)境確定腐蝕等級，再通過耐久性極限方程利用極限狀態(tài)法對耐久性極限狀態(tài)進行驗算。

3 耐久性評估與壽命預測方法

3.1 耐久性評估方法

目前，混凝土結構耐久性評估方法主要分為三類：a）傳統(tǒng)經(jīng)驗法；b）借助模糊數(shù)學、神經(jīng)網(wǎng)絡等人工智能手段的綜合評估方法；c）基于可靠度理論的混凝土結構耐久性評估法。

3.2 耐久性壽命預測理論

耐久性壽命預測理論可概括為三大類：

a）第一類鋼筋脫鈍壽命理論，該理論以鋼筋表面鈍化膜失效為混凝土極限狀態(tài)，據(jù)此預測混凝土構件壽命。

b）第二類保護層開裂壽命理論，該理論以表層混凝土開裂作為失效原則，從而預測混凝土構件壽命。

c）第三類抗力壽命理論，該理論以抗力作為隨機變量，荷載作為隨機過程，分析抗力衰減的可靠度指標函數(shù)，以此推測混凝土構件壽命。

4 改善混凝土橋梁耐久性的措施

混凝土耐久性是一項復雜多變、多層次且學科交叉的系統(tǒng)性問題，若能從根本上解決，將對混凝土結構的應用產(chǎn)生重大且深遠的影響。從混凝土結構的耐久性研究現(xiàn)狀可以看出，改善和提高混凝土橋梁的耐久性可以從以下幾方面入手：

a）提高混凝土性能。混凝土性能是結構耐久性的內(nèi)因，采用高耐久性混凝土，增強其自身抗破損能力對混凝土結構的耐久性有重要意義。各規(guī)范都對影響混凝土耐久性的幾個主要指標：混凝土最低強度等級、最大水膠比、單位最小膠凝材料等作出了限制規(guī)定。其中公路19耐久規(guī)范相比公路06防腐規(guī)范根據(jù)作用環(huán)境、結構類型、各構件位置的不同要求的混凝土等級不同，其更加細化、明確，可操作性更強。

b）改進結構設計。（a）選用合理結構體系，改善結構受力。如預制結構應根據(jù)受力需要設置必要的橫隔板；優(yōu)化鋼束設置，適當增加應力儲備；優(yōu)化支撐系統(tǒng)，避免因施工不當造成后期單板受力。（b）加大混凝土保護層厚度，加強構造鋼筋、抗裂鋼筋，防控混凝土裂縫寬度等。規(guī)范中對混凝土最小保護層厚度均作出了規(guī)定，本次公路規(guī)范中修訂了保護層厚度以最外側鋼筋外緣起算。（c）水是誘發(fā)侵蝕的主要通道，應完善結構的防排水設計，如橋面防水層的設計、泄水管的設置，護欄外包或懸臂端設置滴水槽，齒板處涂防水層、伸縮縫、橋臺處的排水設計等。（d）加強附屬結構設計，如橋梁與路基護欄的過渡、泄水管孔徑、材質(zhì)的選擇、伸縮縫型號的選擇及施工等。

表2 橋涵結構混凝土最低強度等級（100年）

c）改善混凝土抵抗氯鹽侵蝕性能。近海環(huán)境或內(nèi)地除冰鹽環(huán)境，應控制混凝土中氯離子的含量，從而降低氯離子侵蝕而產(chǎn)生的鋼筋銹蝕，提高混凝土橋梁耐久性。公路06防腐規(guī)范中要求控制氯離子擴散系數(shù)DRCM，公路19耐久規(guī)范則對混凝土抗氯離子滲透性能、游離氯離子含量做了規(guī)定，具體見表3、表4。

表3 混凝土抗氯離子滲透性能

表4 游離氯離子含量限制

d）增強混凝土的抗凍性，改善凍融破壞。公路19耐久規(guī)范相比公路06防腐規(guī)范增加了使用年限30年要求，并與50年同等對待，相比08耐久規(guī)范要求有所提高，一定程度上提高了混凝土的抗凍性。