關于橋梁耐久性的研究及展望
2011-10-17 來源：中國鳴網(wǎng)
現(xiàn)役橋梁中，以鋼筋混凝土橋梁與索結(jié)構橋梁居多。20世紀70年代，混凝土耐久性問題開始在發(fā)達國家大量出現(xiàn)，80年代美國有報告顯示：在美國約有25.3萬座混凝土橋面結(jié)構處于不同程度的壞化狀態(tài)，而且每年還會增加3.5萬座新的有害結(jié)構。日本也對部分沿海范圍內(nèi)修建的15座混凝土橋梁進行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)它們在建成后不久出現(xiàn)了由于鹽分侵蝕引起的鋼筋銹蝕、混凝土剝落、預應力筋損傷等各種病害。對于索結(jié)構橋梁，拉索的壽命是不可預測的，據(jù)統(tǒng)計斷索壽命為2～16年，約為橋梁設計壽命的1/10至1/5，在此期間，任何時候拉索都有破斷的可能。根據(jù)歐美日發(fā)達國家的經(jīng)驗，因為結(jié)構耐久性原因而產(chǎn)生的維修費、加固費是昂貴的，例如索結(jié)構橋梁拉索破斷毀橋的修復費用，達全橋建造當年總價的2～4倍。故提高橋梁的耐久性成為迫切需要解決的問題。
耐久性指結(jié)構在預期作用和預定的維護條件下，能在造物的使用年限內(nèi)長期維持其設計性能要求的能力。本文總結(jié)了影響耐久性的因素，并提出了幾個提高橋梁耐久性的思路以供參考。
1、影響橋梁耐久性的因素
橋梁的耐久性問題實際上是各種影響介質(zhì)對結(jié)構的作用，這些介質(zhì)不僅包括荷載作用，還包括環(huán)境侵蝕作用等，歸納起來，有內(nèi)因和外因兩個方面。
1.1內(nèi)因
1.1.1材料自身特性
混凝土收縮與徐變，收縮應變導致內(nèi)部拉應力，當其超過混凝土的抗拉強度，材料發(fā)生開裂，破壞混凝土整體性，降低其耐久性。
1.1.2結(jié)構設計不完善
我國現(xiàn)行的公路鋼筋混凝土橋梁結(jié)構設計與施工規(guī)范主要考慮的是荷載作用下結(jié)構安全性與適用性的需要，并未能充分考慮耐久性要求。這就導致在橋梁結(jié)構設計中普遍存在重視結(jié)構強度設計而輕視耐久性設計的問題。許多橋梁設計時也并沒有從結(jié)構體系、構造、材料、維護及施工全過程中可能存在的問題等方面去加強和保證結(jié)構的耐久性。
1.1.3施工質(zhì)量等問題
許多短期內(nèi)發(fā)生突然破壞與倒塌的橋梁，多是由于施工質(zhì)量沒有達到規(guī)范和設計要求，比較典型的問題包括混凝土質(zhì)量不合格，振搗不密實；橋梁建設中偷工減料、以次充好；不適當?shù)丶涌焓┕みM度，沒有保證混凝土橋梁所需要的足夠的施工養(yǎng)護期；鋼筋保護層厚度不足，影響了鋼筋混凝土橋梁的耐久性和安全性。次外，在大多數(shù)鋼筋混凝土橋梁的正常使用過程中，也缺乏合理的維護和管理。還有沒有對橋梁進行定期監(jiān)測和維護，在出現(xiàn)問題后又沒有及時維修，使橋梁的使用年限減少，耐久性和安全性降低。
1.2外因
1.2.1環(huán)境
（1）混凝土的凍融破壞
當溫度降至冰點以下時，部分混凝土內(nèi)孔隙中的水將結(jié)冰，產(chǎn)生體積膨脹，使孔壁受壓變形，冰融化后，就可能使孔壁產(chǎn)生拉應力，當作用于孔壁的拉應力大于混凝土的極限抗拉強度時，就會產(chǎn)生微裂縫。隨著凍融循環(huán)，裂寬和裂深逐漸加大，達到鋼筋表面時，就會加劇鋼筋的腐蝕，降低混凝土結(jié)構的耐久性。
（2）鋼筋的銹蝕
鋼筋在混凝土中處于一種強堿性環(huán)境。在這種環(huán)境中，鋼筋表面形成一層惰性的氧化鐵薄膜，它使鋼筋表面不存在活性狀態(tài)的鐵，鋼筋就不會產(chǎn)生銹蝕。而一旦鈍化膜被破壞，在有水和氧氣的條件下，鋼筋就會產(chǎn)生銹蝕。鋼筋銹蝕是造成鋼筋混凝土橋梁耐久性損傷的最主要和最直接因素，也是混凝土橋梁耐久性破壞的主要形式之一。
通常，鋼筋表面氧化鐵薄膜遭到破壞的原因主要有兩個：一是混凝土碳化，混凝土材料具有一定的滲透性，空氣中的二氧化碳擴散到混凝土中與水作用生成碳酸，碳酸與水泥水化過程中產(chǎn)生的氫氧化鈣、硅酸二鈣、硅酸三鈣反應生成碳酸鈣，在自由水的作用下碳酸鈣沉淀在混凝土內(nèi)部的孔穴中，這個過程就是混凝土碳化?；炷撂蓟瘯够炷恋膒H值降低，當混凝土的pH值小于l1.5且碳化發(fā)生在鋼筋附近時，就能引起鋼筋表面惰性氧化鐵薄膜的破壞，在空氣中的水和氧的作用下，還會引起平行于鋼筋的裂紋和混凝土的崩裂；二是氯離子的作用而破壞氧化鐵薄膜。氯離子本身并不直接危害混凝土，但它的存在會破壞鋼筋的鈍化，使鋼筋暴露在腐蝕的危險下。
（3）硫酸鹽的侵蝕
混凝土碳化的速度一般比較緩慢，但當環(huán)境為酸性條件時，碳化速度急劇加快，因為初始碳化形成的防護層被酸溶解而流失，從而使新的表面不斷地暴露在侵蝕環(huán)境下，加深腐蝕，使混凝土密實性加速喪失。
1.2.2荷載作用
結(jié)構面臨的最普遍的一種自然環(huán)境就是荷載作用，包括靜力作用和動力作用。在荷載作用下，結(jié)構發(fā)生變形，在約束條件下，荷載應變一應力有可能超過材料的強度而使結(jié)構產(chǎn)生裂縫，耐久性降低。橋梁拉索就是隨機荷載環(huán)境與隨機介質(zhì)環(huán)境下的腐蝕、疲勞及鋼索的腐蝕疲勞等共同作用的結(jié)果，導致其壽命的不可預測性。
1.2.3混凝土結(jié)構的裂縫
混凝土結(jié)構的裂縫最容易成為因水分滲入導致鋼筋銹蝕的通道?；炷两Y(jié)構的裂縫可分為受力裂縫、非受力裂縫兩大類。非受力裂縫大多與結(jié)構耐久性有關，即使現(xiàn)在對承載能力沒有影響，但必須考慮對結(jié)構長期使用過程中與外界環(huán)境的接觸時有害物質(zhì)的滲入，所以合理控制裂縫寬度、數(shù)量以及裂縫開展速度，無疑會改善結(jié)構的耐久性。
還有一種造成混凝土開裂的原因即為堿一集料反應，堿一集料反應指集料中活性硅與水泥漿中氫氧離子作用生成水化硅酸鈣的反應，其體積膨脹足以使混凝土破裂。水泥中含堿量過高（0.6），骨料中水分過大，及骨料中的活性骨料含量過高，是引起堿一集料反應的3個條件。堿一集料反應一旦發(fā)生，體積迅速增大，對混凝土結(jié)構破壞的發(fā)展速度非常快，破壞程度也更嚴重，發(fā)生堿一骨料反應的主要原因是混凝土結(jié)構中使用含活性硅的骨料。
2、提高橋梁耐久性的幾個思路
2.1從材料入手
（1）采用高性能混凝土
所謂高性能混凝土即為高強度、高施工性能、高耐久性混凝土。高性能混凝土具有低水灰比，高強度骨料的特點，從而減小了骨料與膠凝材料間的孔隙率，改善了混凝土的滲透性，阻止了堿一骨料反應，大大提高了混凝土的耐久性的同時也提高了混凝土強度。
（2）摻入引氣劑和鋼筋阻銹劑
將引氣劑加入到混凝土中能夠在混凝土內(nèi)形成分布均勻的封閉型微氣孔，有利于混凝土的抗凍性、抗?jié)B透性和抗腐蝕性，但要注意適量。將少量鋼筋阻銹劑摻人混凝土中能起到阻止或減緩鋼筋銹蝕的作用。
2.2從防腐蝕入手
（1）環(huán)氧涂層鋼筋與鋼絞線
環(huán)氧涂層鋼筋或環(huán)氧涂層鋼絞線是一種在普通鋼筋或裸鋼絞線表面涂覆了一層環(huán)氧樹脂薄膜保護層，涂層厚度一般在0.15～0.30mm，能有效防止處于惡劣環(huán)境條件下的鋼筋被腐蝕，從而提高工程結(jié)構的耐久性。防腐涂層的致密性要好，否則水分、氧和腐蝕性介質(zhì)可以穿透涂層而產(chǎn)生電子傳遞現(xiàn)象，同時涂層與鋼筋間的粘結(jié)力要好，并且涂層要有良好的物理力學性能，如抗變形、抗磨擦等。
（2）耐候鋼
耐候鋼是在鋼中加入少量的合金元素，使其在金屬基體表面形成保護層，以提高鋼材的耐腐蝕性能。
（3）其他
對于斜拉橋斜拉束，可采用環(huán)氧樹脂涂層鋼絲等耐腐蝕性材料等。
2.3結(jié)構設計方面
設計人員在進行結(jié)構設計時，要選擇合適的結(jié)構尺寸，提高實際構件混凝土質(zhì)量的保證率，同時還要針對不同的使用條件，環(huán)境和地區(qū)，對結(jié)構作特別的耐久性設計，以達到預定的使用壽命。具體做法有幾下幾個方面：
增加鋼筋的混凝土保護層厚度，以此來對付凍融損害以及混凝土碳化來保護鋼筋免銹蝕等。
加強構造配筋．防止和控制混凝士裂縫。裂縫的存在增加了混凝土的滲透性，提供了使侵蝕破壞作用逐步升級、混凝土耐久性不斷下降的渠道。控制混凝土的裂縫，除按規(guī)范要求控制正常使用極限狀態(tài)的工作裂縫以外，更重要的是要采取構造措施，增加構造鋼筋來控制混凝土施工及使用過程大量出現(xiàn)的非工作裂縫。
橋面鋪裝和防水層對橋面的防滲漏有重要作用，必需精心設計與施工。橋面鋪裝層項面應設置防水層，特別是連續(xù)梁（或懸臂梁）的負彎矩段容易出現(xiàn)裂縫，所以更應重視防水層設計。對于暴露在空氣中的混凝土結(jié)構以及沿海地區(qū)的橋梁工程，由于受到空氣中的鹽分等元素的侵蝕，影響混凝土的耐久性，縮短了混凝土橋梁的使用年限，可采取外表涂裝的方法進行防腐處理。
總之，結(jié)構設計要充分考慮各方面因素，盡量減少因設計上存在缺陷而影響結(jié)構耐久性的問題。
2.4施工及維護方面
提高施工及管理水平，保證工程質(zhì)量。在施工過程中，要嚴格控制材料用量，確?；炷潦┕べ|(zhì)量和鋼筋保護層厚度以及足夠的施工養(yǎng)護期。施工中常常出現(xiàn)的問題是：為了趕工期，人為減少混凝土的養(yǎng)護時間，養(yǎng)護方法不正確，混凝土保護層施工誤差較大等等。應該克服急功近利的思想，從影響結(jié)構壽命的角度出發(fā)，保證養(yǎng)護時間。還要防止因振搗不實產(chǎn)生蜂窩、麻面、漏漿，以及因養(yǎng)護不當產(chǎn)生干縮裂縫等缺陷部位。
定期對橋梁進行檢測，發(fā)現(xiàn)問題后要及時處理，以免問題嚴重后造成事故的發(fā)生。重視電子監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)研究，通過實時跟蹤檢測混凝土構造物的應力、應變、變形及腐蝕損傷狀況。
3、結(jié)語
提高橋梁結(jié)構的耐久性，首先應該因地制宜，認真調(diào)查橋梁所處的環(huán)境情況，給出一套周全的設計理念，耐久性設計不是另一種設計理論，而是考慮更周到的力學設計以及相應的功能設計，包括采用合理的結(jié)構形式，確定相應的耐久性材料等。此外加強試驗、監(jiān)測手段以及防腐蝕施工新技術的研究與使用，有些技術存在著造價高等缺點，但是隨著技術的進步，造價的降低，將逐漸成為提高橋梁耐久性的重要手段。
