鐵路混凝土橋梁耐久性設(shè)計研究

李曉波

（中國鐵路設(shè)計集團(tuán)有限公司，天津 300308）

鐵路鋼筋混凝土橋梁結(jié)構(gòu)在設(shè)計使用年限內(nèi)很少因強度不足而影響結(jié)構(gòu)使用功能，但由于耐久性問題不滿足設(shè)計使用要求的情況卻時有發(fā)生，造成巨額的加固維修費用，大大增加了鋼筋混凝土橋梁全壽命周期成本，因此有必要開展鐵路混凝土橋梁耐久性設(shè)計研究。

TB 10005-2010《鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計規(guī)范》［1］針對鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計歸納了6 種不同的環(huán)境類別，本文對不同環(huán)境類別下混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕機理以及腐蝕影響因素進(jìn)行了系統(tǒng)的論述。研究成果可為鐵路鋼筋混凝土橋梁結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計提供參考。

1 混凝土腐蝕機理

1.1 碳化環(huán)境

混凝土碳化是指CO2氣體滲透到孔隙水中與水泥的水化產(chǎn)物氫氧化鈣（Ca（OH）2）等發(fā)生持續(xù)的中和反應(yīng)，導(dǎo)致孔隙周圍混凝土pH 降低；當(dāng)混凝土碳化發(fā)生在鋼筋附近時會破壞鋼筋鈍化膜，引起鋼筋脫鈍，加速鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的退化。

1.2 氯鹽環(huán)境

環(huán)境中氯離子不斷向混凝土內(nèi)部滲透擴散引起鋼筋表面pH 降低，造成鋼筋脫鈍并處于電化學(xué)活化狀態(tài)，與鈍化膜尚未破壞區(qū)域產(chǎn)生電勢差，在水和氧氣的共同參與下，即可發(fā)生鋼筋的電化學(xué)腐蝕反應(yīng)。當(dāng)陽極的氧化反應(yīng)和陰極的還原反應(yīng)相距較遠(yuǎn)時，發(fā)生宏電池反應(yīng)，表現(xiàn)為鋼筋的坑蝕；當(dāng)兩個反應(yīng)相距較近或處于同一位置時，發(fā)生微電池反應(yīng)，表現(xiàn)為鋼筋的均勻腐蝕。混凝土橋墩氯鹽環(huán)境下侵蝕破壞如圖1所示。

圖1 混凝土橋墩氯鹽環(huán)境下侵蝕破壞圖

1.3 化學(xué)侵蝕環(huán)境

硫酸鹽侵蝕按照有無化學(xué)反應(yīng)可分為化學(xué)侵蝕環(huán)境作用和鹽類結(jié)晶破壞環(huán)境作用，這兩種侵蝕類型往往同時存在。化學(xué)侵蝕是指硫酸鹽與混凝土中水化產(chǎn)物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成鈣礬石（CA3·3CaSO4·H32）、石膏（CaSO4·2H2O）等膨脹性礦物，最終導(dǎo)致混凝土膨脹開裂。

1.4 鹽類結(jié)晶破壞環(huán)境

鹽類結(jié)晶破壞是指硫酸鹽溶液滲透擴散進(jìn)入到結(jié)構(gòu)內(nèi)部，孔隙溶液蒸發(fā)導(dǎo)致硫酸鹽結(jié)晶析出，當(dāng)產(chǎn)生的結(jié)晶壓力超過混凝土抗拉強度時，會在混凝土孔隙壁上形成內(nèi)部裂紋。內(nèi)部裂紋形成后會導(dǎo)致硫酸鹽介質(zhì)更易進(jìn)入混凝土內(nèi)部，內(nèi)部裂紋產(chǎn)生和發(fā)展將更加迅速，最終加速混凝土結(jié)構(gòu)的宏觀劣化。

1.5 凍融破壞環(huán)境

混凝土凍融破壞是北方嚴(yán)寒地區(qū)常見病害，主要由于混凝土在施工過程中殘留在孔隙中的游離水，在溫度急劇變化的情況下，孔隙之間產(chǎn)生的膨脹壓力及滲透壓力大于混凝土抗拉強度，引起混凝土產(chǎn)生微觀損傷裂紋，且在頻繁的凍融循環(huán)作用下混凝土內(nèi)部損傷逐漸積累，使得裂紋不斷擴大，從而產(chǎn)生由內(nèi)向外的剝蝕，最終導(dǎo)致混凝土服役性能下降。混凝土橋墩凍融破壞如圖2所示。

圖2 混凝土橋墩凍融破壞圖

1.6 磨蝕環(huán)境

磨蝕環(huán)境包含風(fēng)沙吹蝕和水沙沖磨兩種環(huán)境。風(fēng)蝕主要是指挾沙風(fēng)對橋梁混凝土表面產(chǎn)生撞擊作用，從而引起混凝土表面的物理性損傷破壞；水沙沖磨導(dǎo)致混凝土表面沖磨破壞原因由兩部分組成：第一部分為沖擊作用導(dǎo)致的混凝土表面的變形，第二部分為顆粒的切削作用導(dǎo)致的混凝土材料的剝落。混凝土橋墩水沙沖蝕破如圖3所示。

圖3 混凝土橋墩水沙沖蝕破壞圖

2 影響因素

2.1 水灰比

水灰比是混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計的關(guān)鍵指標(biāo)，對不同腐蝕環(huán)境下混凝土耐久性能均有顯著影響。水灰比越大，滲透性越強，氯離子以及硫酸鹽等腐蝕介質(zhì)侵蝕速度越快，試驗表明降低水灰比進(jìn)而增加混凝土的密實度可以延緩鋼筋銹蝕的發(fā)生以及銹蝕發(fā)展的速率［2-3］。凍融環(huán)境下，水灰比越大，混凝土中大孔徑孔隙的數(shù)量越多，孔隙中游離水在凍融循環(huán)作用下產(chǎn)生的凍脹壓力也越大。試驗研究表明，碳化速率與水灰比呈正比關(guān)系，而混凝土耐磨性能與水灰比呈反比關(guān)系［4-5］。

2.2 礦物摻合料

礦物摻合料粉煤灰、磨細(xì)礦渣等能提高水泥漿體的均勻性和致密性，對混凝土提升耐久性能起著重要作用。但Collepardi 等［6］利用加速碳化試驗證實，加入過量礦物摻合料會造成混凝土堿度降低，降低了混凝土抗碳化能力儲備。國內(nèi)相關(guān)試驗表明，過量粉煤灰的摻入將會降低混凝土的抗凍性能。但在試驗室模擬氯鹽環(huán)境與化學(xué)侵蝕環(huán)境作用，電化學(xué)測試的結(jié)果表明礦物摻合料能夠大幅度地提高混凝土抗氯鹽以及抗化學(xué)侵蝕的能力［7-8］。

2.3 其它材料因素

水泥組份中的C3A 將會與硫酸鹽化學(xué)反應(yīng)，生成鈣礬石、石膏等膨脹性產(chǎn)物［9］，可顯著影響混凝土結(jié)構(gòu)抗硫酸侵蝕性能。

混凝土中含氣量會顯著影響混凝土抗凍性能，譚克峰［10］通過試驗研究發(fā)現(xiàn)，適量的引氣劑可在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生大量的封閉微氣泡，這些氣泡位于混凝土孔隙中間可顯著減小氣泡間距，切斷孔隙之間原有的毛細(xì)管，緩解混凝土中孔隙水凍結(jié)時由于體積膨脹而產(chǎn)生的膨脹壓力。在鹽類結(jié)晶破壞環(huán)境下，混凝土中適當(dāng)引氣同樣可以釋放硫酸鹽結(jié)晶造成的破壞壓力。

2.4 環(huán)境影響因素

橋梁結(jié)構(gòu)所處環(huán)境的溫度、相對濕度以及腐蝕介質(zhì)的濃度均會對混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕速率產(chǎn)生顯著影響。在化學(xué)侵蝕環(huán)境下，硫酸鹽中SO42-的濃度以及陽離子的種類均會對硫酸鹽侵蝕的產(chǎn)物造成影響，宏觀上混凝土結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為不同的耐久性問題。上述環(huán)境影響因素難以規(guī)避，只能通過混凝土配合比設(shè)計以及其它防腐措施來應(yīng)對。而針對磨蝕環(huán)境，沖磨速率和角度均會顯著影響混凝土磨蝕損傷，且相關(guān)研究表明磨蝕角度在90°損傷最為顯著［11］。

3 耐久性設(shè)計及強化措施

3.1 耐久性設(shè)計要求

控制混凝土的水灰比是保證混凝土質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)，在混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計中，依據(jù)不同環(huán)境類別和環(huán)境作用等級嚴(yán)格確定水灰比參數(shù)限值。通常北方橋梁混凝土水灰比不大于0.45［12］，對于海洋環(huán)境以及硫酸鹽侵蝕環(huán)境，水灰比宜控制在0.40 以下，對于極端環(huán)境，水灰比不宜超過0.36，以增加混凝土的密實度。

對于礦物摻合料通常采用最大值進(jìn)行控制，混凝土橋梁通常粉煤灰的摻量不宜超過30%，磨細(xì)礦渣不宜超過40%；對于凍融環(huán)境，礦物摻合料宜控制在20%以下。而在氯鹽環(huán)境與化學(xué)侵蝕環(huán)境的混凝土制備時必須添加足夠量的礦物摻合料，因此，在混凝土制備時粉煤灰的摻量應(yīng)大于30%，或磨細(xì)礦渣的摻量大于50%。

對于其它材料因素，在硫酸鹽化學(xué)侵蝕環(huán)境下，需嚴(yán)控水泥中C3A 含量，通常高抗硫水泥C3A 含量≤3%，中抗硫水泥C3A 含量≤5%。在凍融及鹽類結(jié)晶破壞環(huán)境下，含氣量不低于4%，硬化混凝土氣泡間距系數(shù)應(yīng)小于300 μm，但引氣劑并不是越多越好［13］，含氣量的增加會降低混凝土強度，對抗凍有要求的混凝土含氣量最高不能超過7%。

對于環(huán)境影響因素，在橋梁工程設(shè)計中應(yīng)避免攻角90°情況出現(xiàn)；合理的墩形同樣可有效減少磨蝕作用，研究表明橋墩表面形態(tài)抗磨蝕損傷能力：圓形墩柱＞圓端型墩柱＞方形墩柱［14］，因此在磨蝕損傷嚴(yán)重地區(qū)盡量采用圓形橋墩。

3.2 腐蝕強化措施

嚴(yán)重腐蝕環(huán)境下，僅依靠混凝土配合比設(shè)計以及其它構(gòu)造措施難以保證混凝土橋梁結(jié)構(gòu)在設(shè)計使用期內(nèi)耐久性要求，須采取防腐強化措施來進(jìn)一步提升結(jié)構(gòu)的耐久性能。表面硅烷侵漬利用硅烷滲入混凝土毛細(xì)孔數(shù)個毫米并與水泥發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成牢固憎水屏障，阻止水和氯化物滲透，憎水效果可達(dá)15年以上［15］。滲透結(jié)晶涂料刷涂在混凝土表面，能向混凝土內(nèi)部逐漸滲透達(dá)300 mm，遇水結(jié)晶并對裂縫具有自愈合封閉作用。表面硅烷侵漬以及滲透結(jié)晶涂層適用于各種惡劣腐蝕環(huán)境。對于氯鹽侵蝕環(huán)境，還可采用涂層鋼筋以及鋼筋陰極保護(hù)措施，此類措施在沿海混凝土橋梁工程中得到廣泛應(yīng)用，有效減少了氯離子侵蝕破壞。我國東部沿海分布大量的鹽漬土，西北地區(qū)有上千個內(nèi)陸鹽湖，混凝土橋梁建設(shè)面臨嚴(yán)重的化學(xué)侵蝕與鹽類結(jié)晶侵蝕，必要時可采用降低地下水位和換填土的方法來減少環(huán)境作用。

3.3 腐蝕環(huán)境耦合作用

實際工程中，混凝土橋梁破壞往往是多種環(huán)境共同耦合作用導(dǎo)致。北方海洋環(huán)境中混凝土橋梁在凍融-氯鹽耦合作用下，極易發(fā)生鹽凍破壞。為滿足混凝土在海洋環(huán)境中的抗凍性要求，混凝土水灰比不宜大于0.4，并建議將氣泡間隔200～250 μm 作為混凝土抗鹽凍性能的含氣量設(shè)計值。硫酸鹽侵蝕與凍融破壞之間有相互促進(jìn)作用，采用低水灰比、低摻量礦物摻合料混凝土抗侵蝕性好，且在此基礎(chǔ)上摻加高效引氣劑、混雜纖維和膨脹劑后能顯著提高混凝土的抗侵蝕性［16］。在硫酸鹽+干濕循環(huán)雙重因素作用下，干濕循環(huán)會加速硫酸鹽的擴散，因此除采用大摻量礦物摻合料外，還可以引入混雜纖維來進(jìn)一步提升混凝土耐蝕性能［17］。

4 結(jié)束語

本文論述了6 種不同環(huán)境類別下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕機理，結(jié)合國內(nèi)外研究成果，闡述了水灰比、礦物摻合料等不同影響因素對混凝土結(jié)構(gòu)耐久性能的影響，提出了不同環(huán)境類別作用下混凝土橋梁的耐久性設(shè)計要求以及強化措施，并針對實際工程中常見的耦合環(huán)境作用給出了具體的設(shè)計建議，為設(shè)計者開展橋梁混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計提供了借鑒。