遼寧地區混凝土橋梁耐久性檢驗與評價研究

張 績

(遼寧新發展公路科技養護有限公司 沈陽市 110005)

0 引言

橋梁是公路的重要組成部分,長期處于氣候變化、凍融循環、除雪劑與海水氯腐蝕介質等因素作用之下,加速了混凝土的破壞。對遼寧省橋梁的初步調研發現,許多橋梁的使用時間不足10a,混凝土即產生了非常嚴重的剝蝕,鋼筋銹蝕也較嚴重,路橋的使用壽命遠未達到其設計使用年限。其主要原因:一是凍融對混凝土腐蝕問題比較突出。凍融次數、最低氣溫、溫差是造成水泥混凝土破壞的主要因素、在反復凍融作用下不僅混凝土產生凍害, 更加劇鋼筋銹蝕。二是冬天采用含鹽除雪劑,個別采用鹵水除冰雪,致使橋梁混凝土與鋼筋腐蝕造成極大損害。“鹽與凍”破壞在一座橋上可能同時存在。三是橋梁防排水構造和混凝土材質缺陷,水不能迅速排出,使混凝土長期處在水或鹽溶液浸泡下,促使混凝土加速破壞。

1 混凝土凍融環境耐久性檢驗

1.1 檢驗指標

在結構設計使用年限以內(100a),鹽凍環境其耐久性檢驗指標:(1)材料控制指標;(2)混凝土抗凍性,以混凝土抗凍耐久性指數DF確定抗凍融等級;(3)混凝土抗氯離子滲透性能,以混凝土抗氯離子遷移系數DRCM確定。

1.1.1混凝土材料與保護層:

依據《公路工程混凝土結構防腐蝕技術規范》[1](JTG/T B07-01—2006)。混凝土材料與保護層在不同環境下的檢驗指標見表1。

表1 混凝土材料與保護層狀態檢驗指標

1.1.2凍融環境混凝土抗凍指標

混凝土抗凍性指標[2-3]為抗凍耐久性指數DF,見表2:抗凍耐久性指數DF為300次快速凍融循環后的動彈性模量與初始值的比值。

表2 混凝土抗凍耐久性指數 DF 單位:%

DF=(N/300)×0.6

式中:N為試件彈性模量降低60%,或重量損失超過5%時凍融循環次數。

混凝土的凍融破壞與水密切相關,在純凍情況下,混凝土的強度不降低, 因而將遼寧地區凍融期的降水量與混凝土凍融次數相乘,簡稱為次水積 (次·mm )。該值越大則混凝土受到的凍害越嚴重。按次水積的高低將遼寧省混凝土的凍融等級劃分為2個等級,次水積 <8000 次·mm 和次水積 ≥8000 次·mm ,分別對應遼-1級、遼-2級。

1.1.3抗凍等級

混凝土抗凍等級標準:目前混凝土耐久性檢驗評定標準規定,當采用快凍法時以F50～F400確定抗凍等級、用慢凍法時用D50～D20表示。

混凝土的凍融等級應考慮凍融次數、受凍溫度、溫差與溫度變化速率、受凍時混凝土的飽水程度、環境中鹽的種類與濃度、水膠比(水灰比)、混凝土的含氣量與氣孔結構、養護程度等許多因素有關。在確定混凝土的抗凍等級時需要綜合考慮環境條件等因素,在確定凍融等級時尚需考慮與耐久性指數相協調。

1.2 凍融耐久性檢驗方法

1.2.1凍融損傷外觀技術狀態檢驗

(1)凍融破壞外觀特征

凍脹裂縫沿骨料邊緣互相連通,凍融破壞嚴重時骨料周圍的膠凝材料酥松,水泥砂漿剝落。表現在物理力學特性方面即混凝土的動彈性模量、抗壓強度等會嚴重下降。

(2)凍融損傷檢驗要點

正確確定橋梁環境類別和作用等級,凍融損傷發生時間,凍融損傷歷史數據、損傷是否在發展、凍融損傷發生在構件什么部位,對橋梁承載能力安全影響程度分析。掌握外觀損傷特征,有利于我們對橋梁技術狀態進行評價與預測,進而采取相應維修加固措施。

1.3 凍融損傷評價方法

凍融損傷評價[4]一般有兩種方法:(1)通過對混凝土構件表觀病害調查如混凝土抗壓強度損失率、表層混凝土剝落面積,保護層厚度損失率、氯離子濃度等因素,采用層次分析和多因素綜合評價技術對橋梁進行綜合評估,最終確定橋梁等級;(2)考慮混凝土凍融損傷造成構件剝落、鋼筋開始銹蝕的耐久性評價方法,對實橋進行驗證。

混凝土表層(x=0)開始明顯剝落的凍融循環次數N0:

No=Nin/δio

式中:N0為表層(x=0)開始明顯剝落的凍融循環次數;Nin為結構建成后至檢測時經歷的凍融循環次數;δio為檢測時構件表層混凝土強度損失率。

凍融后混凝土抗壓強度損失率δf:

式中:δf為凍融后混凝土抗壓強度損失率 ;fcf為凍融后混凝土軸心抗壓強度;fc為未凍前混凝土軸心抗壓強度。

在預測t年其凍融循環次數N時的混凝土抗壓強度損失率δft:

δft=mte-nx×Nt

式中:X為檢測點距混凝土表面距離,單位mm;Nt為預測t年凍融循環次數。

式中:δix為檢測時距表面x處的混凝土強度損失率;h為N1次凍融循環后混凝土剝落深度,單位mm。

1.3.1凍融損傷耐久性評定等級

當今我國橋梁管理系數將橋梁技術狀態劃分5個級別,第1級別狀態最優,第5級別為耐久性不滿足要求,詳見表3。

表3 橋梁技術狀態分級

表3式中:Nt為混凝土表層出現明顯凍融損傷的剩余凍融循環次數;Ne為結構在下一個目標使用年限內將經受的凍融循環次數;γ0為耐久重要性系數,γ0取0.9～1.1。

1.3.2凍融損傷后鋼筋銹蝕耐久性評定

考慮混凝土碳化與凍融后加速鋼筋銹蝕耐久性分析

混凝土碳化系數:

嚴重剝落深度x:

式中:t0為凍融嚴重剝落時間。

鋼筋開始銹蝕時間tcr:

2 鹽腐蝕狀態耐久性檢驗與評價

2.1 鹽損傷外觀技術狀態檢驗

純除冰鹽情況破壞與純凍融破壞的特征是有區別的。在純除冰鹽情況下,混凝土表面砂漿層剝落,骨料暴露,表面凹凸不平,但剝蝕層下混凝土依然密實,純粹鹽腐蝕混凝土強度不受影響,破壞從表層逐步向內部發展,而混凝土的動彈性模量、抗壓強度基本不會降低。

2.2 鹽腐蝕狀態耐久性評價方法

正確確定橋梁環境類別和作用等級,鹽腐蝕發生時間,損傷歷史數據、腐蝕是否在發展、損傷發生部位,氯離子濃度及其分布撿測,鋼筋銹蝕程度對橋梁承載能力安全影響程度分析。硏究混凝土鹽凍融損傷造成構件剝落、鋼筋開始銹蝕的耐久性評價方法的修正并對實橋進行驗證。

2.2.1氯鹽腐蝕損傷評價極限狀態

混凝土出現表觀可接受缺陷或鋼筋允許銹蝕深度作為鹽凍腐蝕耐久性極限狀態。

2.2.2不考慮凍融氯鹽腐蝕損傷評價方法

(1) 不考慮氯離子擴散系數時間依賴性,鋼筋開始銹蝕時間:(水灰比>0.55, 或擴散系數已穩定)

式中:ti為鋼筋開始銹蝕時間,單位a ;c為混凝土保護層厚度,單位mm;K為氯鹽侵蝕系數;D為氯鹽子擴散系數;erf為誤差函數 ;Ms為混凝土表面氯離子濃度;Mcr為鋼筋銹蝕臨界氯離子濃度。

(2)考慮擴散系數時間依賴性不穩定或水灰比<0.55,鋼筋開始銹蝕時間:

式中:D0為檢測時刻的氯離子擴散系數;a為時間依賴系數。

(3) 氯離子擴散系數

式中:x為氯離子擴散深度,單位mm ;t0為結構建成至檢測時的時間,單位a;M(x,t0)為檢測時x深度處的氯離子濃度,單位% ;Ms為實測擬合混凝土表面氯離子濃度,單位%。

(4)擴散系數與時間關系

Dt=D0(t0/t)α

α=0.2+0.4(%FA/50+%SG/70)

式中:%FA為粉煤灰占膠凝材料百分比;%SG為礦渣占膠凝材料百分比。

(5)保護層銹脹開裂時間tcr

普通硅酸鹽混凝土鋼筋腐蝕電流密度

式中:Msl為鋼筋表面氯離子濃度,單位kg/m3;mcl為局部環境系數;T為大氣環境溫度。

ρ混凝土電阻率:

保護層開裂前鋼筋年平均銹蝕率λcl:

λcl=11.6×i×10-3mm/a

式中:i為鋼筋腐蝕電流密度,單位μA/cm2

保護層開裂時鋼筋臨界銹蝕深度δcr:

δcr=0.012c/d+0.00084fcuk+0.018

式中:d為鋼筋直徑,單位mm ;c為混凝土保護層,單位mm。

鋼筋開始銹蝕至保護層銹脹開裂時間tc:

保護層銹脹開裂時間tcr:

tcr=ti+tc

2.2.3考慮凍融因素氯鹽腐蝕損傷耐久性檢驗方法

(1) 氯鹽環境鋼筋開始銹蝕時間

不考慮氯離子擴散系數時間依賴性,鋼筋開始銹蝕時間:(水灰比>0.55,或擴散系數已穩定、或偏于保守)

(2) 混凝土凍融剝落深度x時需經受似凍融循環次數Nx

式中:N0為表層出現明顯凍融損傷t0時的循環次數,N0=t0×Ai。

(3)混凝土橋梁所在地區鋼筋開始銹蝕所需凍融循次數

(4) 同時考慮氯鹽、凍融環境鋼筋開始銹蝕時間混凝土剝落深度

Nx=Ni

(5)損傷前鋼筋年平均銹蝕速率λcl

λcl=11.6×i×10-3

(6)損傷后鋼筋年平均銹蝕速率

λcli=(4.5-26λcl)λcl

(7) 鋼筋銹蝕率η時的時間

3 鐵四線昌圖5號橋施工案例分析

昌圖5號橋位于沈四高速公路鐵嶺段 K112+737處,建成于1998年。橋梁全長83.4m,斜交角為50°,跨徑布置為5×16.0m,橋面凈寬14.25m,橋面鋪裝采用瀝青混凝土,上部結構為無翼緣12片預應力簡支空心板,橋面連續。下部結構為鋼筋混凝土肋板臺和3柱式橋墩,基礎采用鉆孔灌注樁基礎。設計荷載:汽-超20、掛車-120。示意圖見圖1～圖3。

圖1 昌圖中橋5立面示意圖(單位:cm)

圖2 昌圖中橋5平面示意圖

圖3 昌圖中橋5橫斷面示意圖(單位:cm)

2007年檢測空心板混凝土強度45.4～47.4MPa;2010年檢測,混凝土表層水泥漿脫落、骨料外露,混凝土強度11.4MPa、碳化深度11.9mm。未損傷部位混凝土強度34.0MPa,碳化深度10.6mm。

3.1 凍融損傷構件剝落耐久性評定

(1)2010年檢測時構件表層混凝土強度損失率

(2)2010年檢測時凍融循環次數Nin:由遼寧省部分地區氣象資料統計開原站地表最低溫度小于t℃的天數為98.8d。

Nin=98.8×12=1185.6次

(3)混凝土表層(x=0)開始明顯剝落的凍融循環次數N0

No=Nin/δio=1185.6/ 0.7489=1583.12次

出現凍融嚴重損傷時間t0=1583.12/98.8=16.02(而實測為12年已開始混凝土剝落,但不嚴重)。

(4) 混凝土出現嚴重凍融損傷剩余的凍融次數Nt

Nt=N0-Nin=1583.12-1185.6=397.52次

(5) 保特橋梁技術狀態第4等級其耐久性指數1.0,橋梁需要維修剩余時間t

3.2 考慮凍融損傷加速鋼筋銹蝕耐久性評定

(1)m、n系數

式中:δfx為檢測時x截面的強度損失率;δfo為檢測時表面截面的強度損失率;x為檢測點距混凝土表面的距離,x=50mm。

假定x截面尚未損傷強度同未損傷表層混凝土抗壓強度34.0MPa ,則檢測時距表面x處的混凝土強度損失率δfx:

δfx=1-34/45.4=0.251

mf=δfo/Nin=0.7489/1185.6=0.00063

(2) 預測20aN=98.8×20=1976次空心板在凍融后混凝土抗壓強度損失率δf

δf=mfe-nx×N=0.00063×e-0.0219×50×1976=0.4165

(3) 預測20a空心板在x=50mm處凍融后混凝土抗壓強度fcf

3.3 凍融加速鋼筋銹蝕耐久性分析

凍融嚴重剝落時間t0=16.02 a。嚴重剝落深度x:

得x=33.99=34。則鋼筋開始銹蝕時間t1

3.4 按氯鹽腐蝕耐久性檢驗

鐵四線昌圖5號橋主梁混凝土設計強度為C40,2007年檢測空心板混凝土強度45.4～47.4MPa;2010年檢測,混凝土表層水泥漿脫落、骨料外露混凝土強度11.4MPa、碳化深度11.9mm。未損傷部位混凝土強度34.0MPa,碳化深度10.6mm。表面氯離子濃度0.254%(混凝土質量比),鋼筋表面氯離子濃度0.0321%～0.044%t0=12a,擴散系數D=45.2×10-6m2/a。

3.4.1鋼筋開始銹蝕時間:擴散系數已穩定

誤差函數erf-1(1-0.058/0.254)=0.85D=45.2×10-6

3.4.2鋼筋開始銹蝕至保護層銹脹開裂時間tc

普通硅酸鹽混凝土鋼筋腐蝕電流密度:

實測鋼筋表面氯離子濃度Msl=0.044%=1.056kg/m3

保護層開裂前鋼筋年平均銹蝕率λcl:

λcl=11.6×i×10-3=11.6×0.4991×10-3=0.00579 mm/a

保護層開裂時鋼筋銹蝕深度δcr

δcr=0.012c/d+0.00084fcuk+0.018=0.012×50/12+0.00084×0.668×40+0.018=0.0904mm

鋼筋開始銹蝕至保護層銹脹開裂時間tc

3.4.3保護層銹脹開裂時間tcr

tcr=ti+tc=19.2+15.62=34.82a

3.5 考慮凍融與氯鹽環境下混凝土耐久性評定方法

由上文可知:k=0.0114;c=50 mm;n=0.0219;δi0=0.7489。

No=1583.12次;t0=16.02;λcl=0.00579mm/a;λcli=0.0252 mm/a。

鋼筋開始銹蝕時間:

4 結語

文章對混凝土在純凍融和鹽凍兩種環境下的耐久性評價指標進行修正,并根據實橋檢測結果進行驗證。通過驗證結果來看,修正后的評價指標基本符合現場檢測結果。

對實橋三種環境狀態進行評估:凍融狀態、氯鹽環境入浸狀態、凍融與氯鹽共同作用狀態。從評估分析結果來看,凍融與氯鹽共同環境對鋼筋銹蝕作用最明顯,凍融環境對鋼筋銹蝕作用次之,氯鹽環境對鋼筋銹蝕作用最輕。