鋼筋砼橋梁病害的主要成因及修補(bǔ)加固范例
2014-06-11
1. 前言
交通運(yùn)輸與國計(jì)民生息息相關(guān)，而橋梁則是交通命脈的咽喉。據(jù)20世紀(jì)末統(tǒng)計(jì)，我國的鐵路橋梁約有3700多座，橋梁總長(zhǎng)近2400公里，公路橋梁約有近28萬座，橋梁總長(zhǎng)近10300公里。其中大部分的橋梁為鋼筋砼（含預(yù)應(yīng)力梁）結(jié)構(gòu)，約占橋梁總數(shù)的90％以上。解放后尤其是改革開放以來我國的橋梁建設(shè)發(fā)展速度蒸蒸日上，方興未艾，有力地促進(jìn)了國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，而且橋梁的設(shè)計(jì)、施工技術(shù)水平不斷得到提高和發(fā)展，尤其是在長(zhǎng)江中已竣工通車的數(shù)十座特大橋和最近已在長(zhǎng)三角地區(qū)修建的東海超長(zhǎng)跨海特大橋和杭州灣大橋的技術(shù)水平已達(dá)國際的領(lǐng)先地位。在大好形勢(shì)下，我們還必須保持清醒的頭腦，據(jù)上世紀(jì)末統(tǒng)計(jì)顯示，公、鐵路混凝土橋梁的失格率達(dá)到了20％左右，有的已成了危橋，還在負(fù)荷運(yùn)營，報(bào)載橋垮、車毀、人亡的惡性事故報(bào)導(dǎo)，已屢見不鮮。為此，21世紀(jì)以來，已引起工程界特別是橋梁界的嚴(yán)重關(guān)切，由中國科協(xié)工程聯(lián)合會(huì)、中國鐵道學(xué)會(huì)、中國公路學(xué)會(huì)、中國土木工程協(xié)會(huì)相繼聯(lián)合舉辦了“2003年橋梁病害診治論壇”；同年12月中國腐蝕與防護(hù)學(xué)會(huì)防腐蝕工程專業(yè)委員會(huì)在廣西北海市召開了“2003年全國承工、橋梁結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)交流會(huì)”，2004年由中國交通部《公路運(yùn)輸文摘·橋梁》雜志和中國科協(xié)工程聯(lián)合會(huì)共同在海南省海口市舉辦了“橋梁耐久性研討會(huì)”…，所有這些重要全國會(huì)議的與會(huì)專家、學(xué)者針對(duì)我國目前橋梁存在的病害提出了各自的精辟見解和對(duì)策建議，通過調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)了從設(shè)計(jì)、施工、管理體制、養(yǎng)護(hù)加固等存在的人為因素、缺陷、環(huán)境惡化、交通量劇增、超載嚴(yán)重等客觀因素對(duì)橋梁帶來的危害等一系列原因，進(jìn)行了分析和診斷，認(rèn)為必須刻不容緩的認(rèn)真對(duì)待和處理，已基本取得了共識(shí)，那就是對(duì)原來一些傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念和模式必須更新，既要重視結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，也要重視整體的安全性能和耐久性措施，對(duì)施工質(zhì)量的保證措施必須要有嚴(yán)格且便于執(zhí)行的工藝；對(duì)橋梁的養(yǎng)護(hù)管理必須加強(qiáng)健康監(jiān)測(cè)及時(shí)組織有經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)人員通過先進(jìn)可靠的檢測(cè)設(shè)施對(duì)橋梁進(jìn)行了正確的診斷分析，做劍對(duì)癥下“藥”，在此基礎(chǔ)上分清輕重緩急，采用先進(jìn)的技術(shù)、工藝和產(chǎn)品進(jìn)行維修和加固，做到未雨綢繆，確保運(yùn)輸安全和延長(zhǎng)使用壽命。
2. 我國鋼筋砼橋梁病害的主要成因及對(duì)策建議
（1）早期設(shè)計(jì)的鋼筋砼橋梁，混凝土強(qiáng)度標(biāo)號(hào)偏低，防水和抗凍性能不強(qiáng)，一般抗?jié)B標(biāo)號(hào)只有S8～S12左右，加上施工時(shí)選材不嚴(yán)，攪拌不均勻，振搗不密實(shí)，往往存在蜂窩麻面及微裂縫的缺陷，有的橋體過于強(qiáng)求輕巧薄型以致鋼筋保護(hù)層過薄，多在10～20mm左右。
?。?）溫度應(yīng)力促使存在缺陷的砼產(chǎn)生微裂縫，防水涂料達(dá)不到防水作用時(shí)，空氣中的水氣在毛細(xì)管引力的作用下滲入到微裂隙中，若達(dá)到鋼筋表面在水與氧的作用下形成腐蝕電池破壞其鈍化膜，導(dǎo)致鋼筋銹蝕。在近海地區(qū)的砼橋梁，氯離子的侵入導(dǎo)致鋼筋銹蝕是主要原因。鋼筋銹蝕后，必然出現(xiàn)體積膨脹，膨脹量為原體積的4～5倍，這樣勢(shì)必對(duì)砼產(chǎn)生很大的膨脹應(yīng)力，加上保護(hù)層較薄，促使鋼筋銹蝕部位的砼開始起裂，形成沿鋼筋裂縫，即順筋裂縫，繼而出現(xiàn)保護(hù)層的剝落。
（3）環(huán)境化學(xué)腐蝕，有二種情況：一是當(dāng)砼存在缺陷時(shí)，大氣中的二氧化碳CO2與砼中的氫氧化鈣Ca（OH）2起化學(xué)反應(yīng)，生成中性的碳酸鈣（碳化作用），即：
CO2+ Ca（OH）2=CaCO3+H2O
而在潮濕和高濃度的CO2環(huán)境中，CO2在水中能夠溶解CaCO3生成溶于水的碳酸氫鈣Ca（HCO3）2，它隨著水沿毛細(xì)管或微裂縫到達(dá)砼表面又可發(fā)生分解，析出Ca-CO2。即：
CO2+H2O+ CaCO3=Ca（HCO3）2
Ca（HCO3）2= CaCO3+CO2+H2O
砼發(fā)生碳化溶蝕后，其PH值可降低至9以下，鋼筋的防腐得不到保證，促使鋼筋表面鈍化膜遭到破壞，在氧和水作用下氧化銹蝕。即：
4Fe+2H2O+3O2=4Fe（OH）
第二種情況是近年來大氣環(huán)境污染產(chǎn)生的酸雨對(duì)砼結(jié)構(gòu)的危害日趨嚴(yán)重，我國的酸雨覆蓋面已達(dá)到國土的30％以上，SO2和進(jìn)一步氧化的SO3均可使混凝土中性化和酸化，同樣可直接促使鋼筋的電化學(xué)腐蝕，同時(shí)產(chǎn)生的硫酸鹽又會(huì)對(duì)砼進(jìn)一步膨脹產(chǎn)生侵蝕作用。故在酸雨地區(qū)SO2與酸雨對(duì)鋼筋砼結(jié)構(gòu)物的危害比碳化更為嚴(yán)重。腐蝕過程化學(xué)反應(yīng)如下：
2 SO2+O2+2H2O→2H2SO4
2H2O4+Ca（OH）2→CaSO4·2H2O
3CaO·AL2O3+3（CaSO4·2H2O）+26H2O
→3CaO·ALO3·3CaSO4·32H2O
由于生成物帶有大量的結(jié)晶水，因此其體積要比原來的體積大得多，產(chǎn)生膨脹，促使砼的裂壞。在潮濕的空氣中SO2與Fe發(fā)生化學(xué)反應(yīng)：
SO2+O2+Fe→FeSO4
4FeSO4+O2+6H2O→4FeO（OH）+4H2SO4
最終反應(yīng)產(chǎn)物除氧化鐵之外，還有硫酸。硫酸于是能分解更多的鐵，進(jìn)一步促使鐵銹形成。
（4）凍融循環(huán)對(duì)砼產(chǎn)生的物理破壞作用，當(dāng)砼結(jié)構(gòu)有裂隙時(shí)，水份侵入后，遇冰點(diǎn)以下低溫時(shí)結(jié)凍產(chǎn)生膨脹，孔隙受壓變形，當(dāng)環(huán)境溫度升高后，冰凍面受熱融化反過來又使孔隙受到拉應(yīng)力，這樣反復(fù)凍結(jié)、融化，當(dāng)作用于孔隙的拉應(yīng)力大于砼的極限抗拉強(qiáng)度時(shí)，即可使砼孔隙擴(kuò)大成裂縫仍至崩裂。尤其在北方地區(qū)的橋梁橋面，在冬季為了交通安全大量撒鹽來促使化雪降低冰點(diǎn)，于是鹽水滲入砼縫隙內(nèi)，導(dǎo)致橋面砼內(nèi)的鋼筋受到氯離子破壞、銹蝕愈演愈烈，不僅促使橋面上的鋪裝層大面積碎裂，乃至逐漸擴(kuò)展到梁體，若梁體頂面存有裂隙，也將導(dǎo)致病害的加深。
（5）堿骨料反應(yīng)（AAR）其特點(diǎn)是反應(yīng)緩慢，但持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，砼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的AAR破壞，一般要在一年以上，有時(shí)甚至達(dá)20～30年。一旦發(fā)生這種破壞將很難補(bǔ)救。其成因主要是由于砼所配好的各種混合料中的含鋮（NaO或K2O）量偏高，與骨料中的活性成份（氧化硅、碳酸鹽等）發(fā)生反應(yīng)生成硅酸凝膠，堿硅酸凝膠吸水膨脹后產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)致砼開裂。顯然，AAR反應(yīng)的發(fā)生需要三個(gè)條件：即堿量高、骨料中含有活性成分，有水滲入，缺一不可，故一般是可以預(yù)防的。
（6）溶液性侵蝕，主要是環(huán)境介質(zhì)水溶液對(duì)防水構(gòu)造不合理、防水質(zhì)量不可靠，從而出現(xiàn)經(jīng)常性滲漏的砼結(jié)構(gòu)部位的Ca（OH）2產(chǎn)生溶解，促使其濃度不斷下降，固相中Ca（OH）2不斷被溶出，于是在砼中與Ca（OH）2濃度有關(guān)的水化生成物的穩(wěn)定度遭到破壞，造成這些水化物不斷分解出CaO，CaO又溶于水隨水沖走，水泥石的結(jié)構(gòu)不斷破壞，從而導(dǎo)致砼的PH值降低，孔隙率增大．鋼筋銹蝕病害發(fā)生，砼表層起鼓剝離現(xiàn)象就會(huì)出現(xiàn)。
綜上所述六種病害產(chǎn)生的主要成因均與砼結(jié)構(gòu)的密實(shí)度與防水效果息息相關(guān)。目前提出的對(duì)策措施從下面幾點(diǎn)考慮：
一是提高砼的密實(shí)度，宜采用高性能砼．摻硅粉、粉煤灰、礦渣等超細(xì)礦物摻合料，并與適當(dāng)?shù)耐饧觿┫嘟Y(jié)合最大限度提高砼的密實(shí)度，提高其抗?jié)B標(biāo)號(hào)；二是采用水化熱較低的水泥品種并調(diào)整好配合比；三是適當(dāng)增加砼對(duì)鋼筋的保護(hù)層厚度；四是采用具有永久性的砼表面防護(hù)涂層的材料。
在這里提供一個(gè)信息，《大眾科技報(bào)》著名記者邵斌同志在2003年9月21日在該報(bào)的頭版和四版上，較詳細(xì)薈萃了專家的意見和建議，推薦了XYPEX（賽柏斯）這種剛性無機(jī)滲透結(jié)晶防水材料，其所含化學(xué)物質(zhì)對(duì)水有很強(qiáng)的親和力，以灰漿的形式涂刷或噴涂到砼表面后，充塞到砼的微孔和毛細(xì)管道中，催化未完全水化的水泥顆粒，生成枝蔓狀的晶體填塞細(xì)小的滲漏水通道，從而提高了砼的密實(shí)度和達(dá)到特佳的防水效果。XYPEX已在我圈多座橋梁、橋面防水和耐久性加固中應(yīng)用，取得了較好的效果，國家建設(shè)部在2001年和2004年兩次將其作為科技成果推廣指南項(xiàng)目向全國推薦并出具證明，茲將在國內(nèi)采用XYPEX材料修復(fù)加固的橋梁實(shí)例簡(jiǎn)介如下。
3. 經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)的幾座橋梁病害修復(fù)加固的范例
?。?）上海鐵路局杭州分局杭州工務(wù)段所管轄的長(zhǎng)牛線近長(zhǎng)興縣的#6、#7、#10、#11橋和南京分局蕪湖工務(wù)段管轄蕪銅線繁昌縣城附近的#10橋等都是上世紀(jì)50年代后陸續(xù)修建的鋼筋混凝土橋梁，由于施工質(zhì)量較差，原設(shè)計(jì)的砼強(qiáng)度標(biāo)號(hào)偏低，以及在運(yùn)營過程中，環(huán)境惡化等因素對(duì)砼的綜合影響，梁體砼的弱點(diǎn)不斷暴露出來．尤其是裂紋的增多，砼碳化的弊端不斷出現(xiàn)，砼表面的鋼筋保護(hù)層碎裂剝落，鋼筋裸露銹蝕越來越嚴(yán)重，曾按照傳統(tǒng)的環(huán)氧樹脂砂漿作為修補(bǔ)的材料，同時(shí)用環(huán)氧樹脂漿液進(jìn)行表面封閉。從物理角度來看，這種靠薄膜包裹的做法一時(shí)確能起到防水作用，但這種有機(jī)材料在紫外線的作用下，受氧化和溫度影響較大，容易產(chǎn)生老化和龜裂剝離．且對(duì)砼結(jié)構(gòu)本身內(nèi)部得不到補(bǔ)強(qiáng)作用和耐久性效果．不僅施工有毒性，且操作工藝復(fù)雜，因此否定了這種治標(biāo)不治本的修補(bǔ)方法。最后杭州鐵路分局和北京市城建設(shè)計(jì)研究院合作子1997年11月對(duì)長(zhǎng)牛線#11橋#1、#2粱體用XYPEX材料進(jìn)行修補(bǔ)試驗(yàn)，經(jīng)鑒定委員會(huì)專家測(cè)試報(bào)告結(jié)果認(rèn)為：“原有裂紋通過XYPEX涂料已封閉，未發(fā)生重新開裂、剝落掉皮現(xiàn)象，與未經(jīng)修補(bǔ)的梁形成鮮明對(duì)比，梁體表面完整，達(dá)到預(yù)期效果，實(shí)踐證明XYPEX材料用于砼結(jié)構(gòu)的破損修補(bǔ)其性能優(yōu)越，施工工藝設(shè)備簡(jiǎn)單，能夠滿足修補(bǔ)質(zhì)量要求，經(jīng)過工程考驗(yàn)，質(zhì)量可靠，效果明顯。拓寬了應(yīng)用領(lǐng)域，這種材料不僅可用于靜載作用下的防水工程，而且可應(yīng)用于動(dòng)載作用下鐵路橋梁結(jié)構(gòu)的修復(fù)。對(duì)傳統(tǒng)的修復(fù)方法有所創(chuàng)新，居國內(nèi)領(lǐng)先水平，并達(dá)到國際先進(jìn)水平。選用XYPEX產(chǎn)品屬元機(jī)材料，可稱為“綠色材料”，應(yīng)用地域廣闊，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益…”同時(shí)提出進(jìn)一步對(duì)修補(bǔ)的橋梁在正常運(yùn)行狀態(tài)下進(jìn)行觀察和資料積累的建議。據(jù)此，按要求進(jìn)行長(zhǎng)達(dá)兩年半的觀察，并于2000年4月又請(qǐng)有關(guān)專家進(jìn)行了認(rèn)真的復(fù)查，經(jīng)修復(fù)的梁體情況良好，為此，對(duì)長(zhǎng)牛線#11橋的剩余第3、4、5孔以及該線的#10、#7、#6橋和位于南京分局蕪湖工務(wù)段管內(nèi)的蕪銅線#10橋，都利用XYPEX材料和工藝進(jìn)行了修補(bǔ)工作，經(jīng)過觀察分析，其結(jié)果和長(zhǎng)牛線#11橋的第1、2孔的效果相同，事隔8年后的2005年5月有關(guān)專家又去復(fù)查，所有修補(bǔ)過的橋梁完好狀況令人滿意。由此證明，XYPEX用于補(bǔ)強(qiáng)、防水和對(duì)砼密實(shí)度的加強(qiáng)和保護(hù)效果都是良好的，在反復(fù)動(dòng)載的沖擊作用下，抗疲勞性能也是良好的。“利用XYPEX材料修補(bǔ)鐵路鋼筋砼梁技術(shù)”這個(gè)項(xiàng)目早已獲得上海市2001年優(yōu)秀發(fā)明選拔賽的二等獎(jiǎng)，目前已用于國內(nèi)橋梁橋面防水獲得較佳效果的有北京八達(dá)嶺高速公路上的東老峪1#、2#、3#橋，在完工后近五年內(nèi)，沒有任何滲漏及銹水現(xiàn)象出現(xiàn)，也未見橋面有裂縫產(chǎn)生，頗得業(yè)主和運(yùn)營養(yǎng)護(hù)管理單位好評(píng)；江西九江湖口大橋業(yè)主、設(shè)計(jì)及施工單位從該橋的重要性、耐久性及工程質(zhì)量的可靠性考慮，決定在主橋面的隔離帶、施工縫及拉索錨頭部位采用XYPEX防水、防腐及預(yù)防微裂縫的產(chǎn)生，完全達(dá)到了預(yù)想的目的，涂刷過的部位，無任何滲漏、無銹水現(xiàn)象產(chǎn)生，也未見有微裂縫產(chǎn)生，因此亞行貸款項(xiàng)目九景公路建設(shè)指揮部橋標(biāo)工程管理部認(rèn)為水泥基滲透結(jié)晶型XYPEX防水材料對(duì)橋面防水和增加砼的耐久性是一種好材料，用其保證橋的質(zhì)量是正確的選擇。…其它橋梁應(yīng)用XYPEX的項(xiàng)目，就不擬一一贅舉了。
參考文獻(xiàn)
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[3]曹備，張琳主編．新世紀(jì)水、橋梁結(jié)構(gòu)腐蝕控制．云南出版社，2003年10月第一版
《中國科技發(fā)展精典文庫》
作者：朱海濤
