劉 賀

（舟山市大陸連島工程指揮部，浙江舟山316000）

0 前言

混凝土（包括鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土）結(jié)構(gòu)作為永久性建筑，是以水泥的水化物（主要是水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣）為粘結(jié)劑并結(jié)合一定集配的骨料如砂、碎石或其他惰性材料和鋼筋制成的一種復(fù)合物。其中水泥水解過程中生成高堿性的氫氧化鈣，pH值可達(dá)12.5～13.5，能使鋼鐵表面形成具有鈍化作用的鈍化膜。混凝土的這種高堿性在相當(dāng)長的時間內(nèi)能很好地保護(hù)這種鈍化膜，防止鋼鐵發(fā)生腐蝕，因而混凝土是橋梁結(jié)構(gòu)物非常重要的結(jié)構(gòu)材料。但隨著使用年限的不斷增加，混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕問題和耐久性問題也隨之逐漸暴露了出來。

1 跨海橋梁面臨的混凝土耐久性問題

1966～1980年（前南斯拉夫時期）在克羅地亞的亞得里亞海沿岸修建了4座大型混凝土拱橋，即：1966年完成的跨度246 m的西本尼克（Sibennik）橋，1968年完成的跨度193 m的派格（Pag）橋，1978年完成的跨度244 m的克爾克2號橋（Krk 2 Arch）和1979年完成的跨度390 m的克爾克1號橋（Krk 1 Arch）（見圖1）。其中克爾克1號橋因?yàn)閯?chuàng)當(dāng)時世界的跨度記錄而備受世界各國關(guān)注。這4座橋都采用了三室箱形截面拱肋，較纖細(xì)的拱上支墩和預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土梁的拱上結(jié)構(gòu)，其設(shè)計與施工均按照20世紀(jì)60年代的規(guī)范進(jìn)行，所有結(jié)構(gòu)構(gòu)件都采用了力學(xué)上所容許的最小尺寸，并且在設(shè)計中忽略了環(huán)境的腐蝕作用。但以上各橋都處于多發(fā)強(qiáng)風(fēng)的濱海地區(qū)，海浪微沫被大風(fēng)帶到橋梁構(gòu)件的表面，海水中的鹽分沉積下來，滲入橋體，導(dǎo)致混凝土內(nèi)氯化物含量過高，鋼筋發(fā)生腐蝕。在1988年對混凝土拱進(jìn)行的詳細(xì)檢查中發(fā)現(xiàn)，由于鋼筋腐蝕導(dǎo)致近拱腳處的嚴(yán)重裂縫和約10%暴露表面的混凝土保護(hù)層的剝離，在荷載試驗(yàn)時拱的撓度比通車前同樣荷載下的撓度增大了25%，而拱上結(jié)構(gòu)的劣化情況更甚于拱肋，已經(jīng)出現(xiàn)嚴(yán)重的功能困難。為此，對拱橋進(jìn)行了全面修復(fù)，上部結(jié)構(gòu)甚至采用了鋼結(jié)構(gòu)來替換原有的混凝土結(jié)構(gòu)。修復(fù)工作在1999年才全面完成。

日本在20世紀(jì)70年代在山形縣溫海地區(qū)沿海25 km范圍內(nèi)修建了15座混凝土橋梁（其中PC橋12座，RC橋3座），這些橋大部分建在海岸巖礁地帶，大風(fēng)將海水飛沫吹到橋上，海水中的鹽分侵入梁體，引起腐蝕。根據(jù)對這些橋梁的調(diào)查，橋梁病害逐年發(fā)展的情況可歸納如下：

（1）橋梁建成后5～10 a，鹽分侵入梁的表面，鋼筋開始銹蝕，在保護(hù)層薄的地方，有銹水滲出。由于鐵銹體積膨脹，沿鋼筋裂縫表面化，又由于裂縫的發(fā)生，使鹽分更易侵入；

（2）橋梁建成10～15 a，鹽害繼續(xù)發(fā)展，裂縫繼續(xù)擴(kuò)大，混凝土開始部分剝離，以至剝落，鹽害進(jìn)一步深入和擴(kuò)大，開始危及預(yù)應(yīng)力管道和預(yù)應(yīng)力筋；

（3）橋梁建成后15 a以上，由于裂縫逐漸擴(kuò)大，混凝土逐漸剝落，鹽分深入梁體內(nèi)部，嚴(yán)重時甚至損傷到預(yù)應(yīng)力筋。

根據(jù)調(diào)查結(jié)果，按照“鹽害對策指南”，對這些橋梁的病害進(jìn)行了修理，其中損傷輕微的采取涂層封閉，嚴(yán)重的則進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。但修理過后，各橋的鹽害仍在逐年發(fā)展，導(dǎo)致每年仍需觀測調(diào)查，據(jù)此制定進(jìn)一步修補(bǔ)的計劃。這說明出現(xiàn)耐久性問題以后，及時局部修補(bǔ)質(zhì)量良好，但也難以阻止其鄰近部分腐蝕的繼續(xù)發(fā)展。

我國混凝土的腐蝕情況也不容樂觀。據(jù)調(diào)查資料表明，我國大多數(shù)混凝土橋都達(dá)不到設(shè)計壽命。據(jù)鐵道部2000年橋隧抽檢匯總資料統(tǒng)計，全部混凝土梁有較嚴(yán)重裂損等病害的共計6 529孔，占混凝土梁總數(shù)的5.67%。我國臺灣的澎湖大橋?yàn)橐蛔绾４髽颍谑褂? a后即發(fā)現(xiàn)鋼筋銹蝕和裂縫，使用17 a后，由于腐蝕破壞嚴(yán)重，承載力大幅下降，被迫拆除重建。橋梁混凝土的耐久性問題，已經(jīng)成為制約我國橋梁正常使用的瓶頸問題。

2 混凝土耐久性問題的成因與機(jī)理

2.1 混凝土對鋼筋的保護(hù)機(jī)理

混凝土由于水泥水化，產(chǎn)生了大量的堿性產(chǎn)物，加上水泥中少量的K2O，Na2O，所以pH值可高達(dá)12.5～13.5。鋼筋處于該環(huán)境中，表面能形成200～1 000 μm厚的水氧化物，組成致密、穩(wěn)定的鈍化膜層，有效保護(hù)了混凝土中的鋼筋不被銹蝕。當(dāng)混凝土中的堿性水化物被溶析，或因碳化降低了混凝土的堿度，鋼筋就容易受到侵蝕，當(dāng)混凝土的pH值小于11.8時，鋼筋表面的鈍化層已不穩(wěn)定，逐漸開始破壞。

2.2 混凝土中鋼筋的腐蝕條件

鋼筋的銹蝕一般為電化學(xué)腐蝕，發(fā)生電化學(xué)銹蝕必須同時具備以下三個條件：

（1）在鋼筋表面形成電位差；

（2）在陰極部位鋼筋表面存在足夠的氧氣和水；

（3）在陽極區(qū)，使陽極部位的鋼筋表面處于活化狀態(tài)，即鋼筋表面的鈍化膜遭到破壞。

鋼筋銹蝕的電極反應(yīng)式為：

陽極 Fe→Fe2++2e

陰極 O2+2H2O+4e→4OH-

陽極表面的二次化學(xué)過程為：

氫氧化亞鐵可進(jìn)一步氧化生成氫氧化鐵：

在氧氣和水汽的共同作用下，鋼筋表面不斷失去電子而溶于水，從而逐漸被銹蝕，在鋼筋表面生成紅銹。

2.3 造成混凝土結(jié)構(gòu)破壞的主要因素

（1）混凝土的中性化(主要是碳化)

混凝土的中性化，是指混凝土中的堿性物質(zhì)與酸性物質(zhì)進(jìn)行反應(yīng)，造成混凝土的pH值降低。混凝土的碳化，是最主要的中性化作用形式，是指大氣中的CO2與混凝土中的Ca(OH)2起化學(xué)反應(yīng)，生成中性的CaCO3。其結(jié)果就是使混凝土堿度降低，從而使鋼筋失去鈍化層的保護(hù)。

（2）氯離子的腐蝕

氯離子的半徑小，穿透能力強(qiáng)，能夠加速鋼筋腐蝕，對混凝土破壞主要表現(xiàn)在：a.氯離子進(jìn)入混凝土并到達(dá)鋼筋表面，能破壞鋼筋表面的鈍化膜，使鋼筋發(fā)生局部腐蝕；b.氯離子吸附并破壞鋼筋的局部鈍化膜，露出鋼筋基體，暴露區(qū)與周圍鈍化膜形成電化學(xué)腐蝕。

（3）硫酸鹽的侵蝕

工業(yè)生產(chǎn)中排放出大量的SO2氣體，SO2和進(jìn)一步氧化的SO3中和混凝土中的Ca(OH)2，使混凝土中性化和酸化，混凝土內(nèi)的鋼筋喪失堿性保護(hù)而發(fā)生腐蝕。

（4）氧和水的作用

氧參與鋼筋腐蝕電化學(xué)過程的陰極反應(yīng)，因而鋼筋的腐蝕速度受到水中溶解氧擴(kuò)散過程的控制。水不僅可以加速混凝土的碳化，也為鋼筋的腐蝕提供了條件。

（5）其他的作用

影響混凝土耐久性的其他因素還包括凍融交替、干濕交替、微生物、堿-集料反應(yīng)等。

2.4 鋼筋銹蝕后對結(jié)構(gòu)的影響

混凝土中的鋼筋銹蝕后，體積膨脹，如果有足夠的水分，鐵銹的體積可達(dá)到鋼材體積的7倍，在缺水的環(huán)境下，也至少可以增大1.5～3倍。這樣大的體積增加，使混凝土保護(hù)層沿縱筋出現(xiàn)順筋開裂，而開裂又進(jìn)一步加劇了鋼筋的銹蝕，如此形成惡性循環(huán)，嚴(yán)重時甚至造成混凝土保護(hù)層完全脫落，使鋼筋和混凝土之間失去粘結(jié)力，混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的受力性能亦隨之迅速下降。

3 改善耐久性的方法和措施

要從根本上改善混凝土的耐久性問題，應(yīng)該從前期工作階段開始，就把耐久性當(dāng)作一項重要的內(nèi)容進(jìn)行考慮，根據(jù)出現(xiàn)耐久性問題的原因與機(jī)理，提出切實(shí)可行的耐久性保證措施，并將這一部分的費(fèi)用考慮在內(nèi)，進(jìn)行整體方案的選擇和最終的施工圖設(shè)計。對于跨海橋梁，目前尚未形成可參照的設(shè)計規(guī)范，可依賴的經(jīng)驗(yàn)也很少，因此各個地方根據(jù)當(dāng)?shù)厍闆r（主要是經(jīng)濟(jì)方面）采取的措施也相應(yīng)比較盲目，要么就不采取外部防腐措施，要么就整座跨海大橋都進(jìn)行防腐涂裝，結(jié)果要么就是隱患重重，要么就浪費(fèi)嚴(yán)重。目前改善混凝土的耐久性可以通過采取基本措施和附加保護(hù)措施來實(shí)現(xiàn)。

3.1 基本措施

基本措施主要是通過設(shè)計與施工，最大限度地提高并保持混凝土本身的低滲透性，以限制環(huán)境侵蝕介質(zhì)滲入混凝土，從而防止鋼筋銹蝕。目前，可采取以下幾方面的基本措施來保證防腐要求。

3.1.1 有效的防水措施

水是影響橋梁耐久性最重要的因素，處理時應(yīng)注意以排為主，兼顧防水。

當(dāng)在進(jìn)行結(jié)構(gòu)的選型和其后的細(xì)部設(shè)計時，應(yīng)盡量限制混凝土表面、接縫和密封處積水，加強(qiáng)排水。橋面應(yīng)作防水，設(shè)置合理的縱、橫向坡，要防止雨水順著梁外側(cè)的翼板、腹板或板梁梁邊、梁底漫流使梁受損，減少結(jié)構(gòu)受潮和濺濕的表面積。在構(gòu)造上應(yīng)注意伸縮縫的積水問題，避免伸縮縫橡膠在長期浸水后的加速老化。

3.1.2 混凝土材料的選擇

以往的混凝土橋設(shè)計只注重其力學(xué)性能，以混凝土的強(qiáng)度為主要衡量指標(biāo)，忽視耐久性參數(shù)的重要性，使工程結(jié)構(gòu)耐久性有所欠缺。為此，在跨海橋梁設(shè)計中，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況對混凝土各個參數(shù)提出具體要求，使混凝土具有良好的綜合性能，應(yīng)注意以下幾方面：

（1）控制水泥用量，選用優(yōu)質(zhì)水泥。水泥用量過低，強(qiáng)度不易保證；用量過大則水化熱增大，易產(chǎn)生收縮裂縫，且會使含堿量增加，可能導(dǎo)致堿骨料病害。由于跨海橋梁一般跨度較大，對混凝土強(qiáng)度要求較高，因此水泥用量一般偏大，最好選用高強(qiáng)、低水化熱和低堿水泥。

（2）降低水灰比。較小的水灰比能夠減少混凝土的泌水量，提高其抗?jié)B性和密實(shí)度，從而使耐久性也得到提高。可采用高效減水劑，以降低拌和水量。

（3）提高混凝土強(qiáng)度。理論上，混凝土強(qiáng)度越高，耐久性能也越好。但在工程中經(jīng)常只通過加大水泥用量來提高強(qiáng)度，這對耐久性影響很大?？山Y(jié)合采用摻入各種外加劑、礦物摻合料相結(jié)合的措施，既提高強(qiáng)度，又不會影響耐久性。

（4）減少氯離子含量。可在混凝土中摻入粉煤灰、硅粉等抗腐蝕劑，其抗氯鹽侵蝕的耐久性會大大增加。此外，有些外加劑中可能含有氯離子，使用時應(yīng)特別注意。

（5）降低堿含量?；炷林械膲A離子主要由水泥引入，控制組分堿的引入和摻入混合料(如粉煤灰和硅粉)能有效降低堿含量。表1為我國《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》(JTG D62-2004)對混凝土耐久性提出的基本要求。

（6）選用優(yōu)質(zhì)骨料。骨料堅硬、致密無疑有益于混凝土耐久性能的提高，公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范對粗骨料飽和面干吸水率尚無要求，飽和面干吸水率過大將使混凝土的滲透性提高、收縮增大、抗凍性能降低，對普通混凝土可按水工規(guī)范不大于2.5%，對高性能混凝土宜不大于1%，以提高混凝土的密實(shí)性和抗侵蝕性。

高性能混凝土是按耐久性設(shè)計的具有高強(qiáng)度、高抗?jié)B性和優(yōu)良體積穩(wěn)定性的混凝土。由于高性能混凝土具有很低的水膠比，致密的結(jié)構(gòu)，很低的滲透性，因而能抵抗外部侵蝕物質(zhì)侵入，實(shí)現(xiàn)高耐久的目的。因此，在跨海橋梁中使用高性能混凝土無疑會大大提高橋梁的使用壽命。

表1 結(jié)構(gòu)混凝土耐久性的基本要求

3.1.3 增大保護(hù)層厚度

我國現(xiàn)行的公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范中，板與梁的保護(hù)層最小厚度分別僅為2 cm和3 cm，并且若考慮鋼筋位置的施工誤差，實(shí)際的保護(hù)層厚度甚至可低至1.5 cm，這對長期處于海洋性環(huán)境中的跨海橋梁來說，很難達(dá)到防止鋼筋銹蝕的目的。前面所述的亞得里亞海沿岸的4座大型混凝土拱橋就是典型的例子。

表2為我國《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》(JTG D62-2004)對普通鋼筋和預(yù)應(yīng)力直線形鋼筋的最小混凝土保護(hù)層厚度 (鋼筋外緣或管道外緣至混凝土表面的距離)的規(guī)定。

表2 普通鋼筋和預(yù)應(yīng)力直線形鋼筋最小混凝土保護(hù)層厚度(單位：mm)

表3為世界各國對海水環(huán)境中混凝土結(jié)構(gòu)保護(hù)層厚度對水灰比的建議。

表3 各國對海水環(huán)境中混凝土結(jié)構(gòu)保護(hù)層厚度的建議

可見，我國《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》中采用的保護(hù)層最小厚度下限值明顯低于發(fā)達(dá)國家的規(guī)范要求。因此對處于侵蝕性環(huán)境下的跨海橋梁，為保證其耐久性，在設(shè)計時必須適當(dāng)增大保護(hù)層的厚度。對于新建的跨海橋梁，混凝土保護(hù)層厚度（表2中的1，2兩項）應(yīng)在65 mm以上。

3.2 附加保護(hù)措施

混凝土的耐久性問題歸根結(jié)底在于鋼筋的銹蝕，因此附加保護(hù)措施主要是對于鋼筋腐蝕進(jìn)行防護(hù)。主要從兩方面著手：一是阻止或延緩侵蝕源的破壞作用；二是通過提高鋼筋的防腐性能，或通過電化學(xué)方法提高鋼筋的抗腐蝕能力。

3.2.1 改良混凝土保護(hù)層

在工程設(shè)計中，減輕結(jié)構(gòu)自重是設(shè)計人員追求的目標(biāo)之一，他們不愿意增大保護(hù)層厚度，因?yàn)樵黾恿私Y(jié)構(gòu)自重，對結(jié)構(gòu)的受力又沒有絲毫的幫助。此時，采用某些方法來改良混凝土保護(hù)層是不錯的選擇。通常采用抗?jié)B防水混凝土、聚合物混凝土或者摻入鋼筋阻銹劑以對鋼筋進(jìn)行防護(hù)。在混凝土拌和物中直接摻入鋼筋阻銹劑，在鋼筋表面形成保護(hù)膜來抑制電化學(xué)反應(yīng)。

3.2.2 混凝土表面防腐涂層

混凝土表面防腐涂層(大多采用環(huán)氧類涂料)近年來在各國的橋梁工程上獲得普遍使用，它能使混凝土的使用壽命延長15～30 a，大大減少了混凝土的維護(hù)費(fèi)用。其原理在于在混凝土基底的表面上涂覆涂料，待涂料中的溶劑或水分揮發(fā)后，各組分之間通過化學(xué)反應(yīng)，在基底表面形成一層具有一定彈性的防水、防潮、防滲的連續(xù)薄膜。因該涂料可形成重量輕、無接縫的完整防水膜，故特別適用于混凝土結(jié)構(gòu)中形狀不規(guī)則的復(fù)雜表面。

混凝土表面涂層按作用機(jī)理分為封閉型和隔離型。工程應(yīng)用時往往將封閉和隔離作用聯(lián)合起來使用，其防護(hù)效果會更好。

3.2.3 鋼筋防腐涂層

對混凝土中的鋼筋采用防腐涂層，這是直接針對鋼筋的防腐措施。但是混凝土中的鋼筋防腐涂層要考慮與鋼筋的粘結(jié)力的因素，目前國外使用較多的是環(huán)氧樹脂涂層和聚乙烯縮丁醛涂層。鋼筋涂覆層防腐的價格較高，且在施工時很難保證鋼筋不受機(jī)械損傷，在鋼筋涂覆膜遺漏處或涂覆不好的地方，將留下巨大的隱患。而且鋼筋涂層對日后鋼筋腐蝕情況的無損檢測和腐蝕控制也帶來了一定的困難。

3.2.4 電化學(xué)防腐技術(shù)

由于混凝土中的鋼筋腐蝕都是電化學(xué)腐蝕，因此可通過電化學(xué)的方式來延緩或制止鋼筋的腐蝕。目前電化學(xué)保護(hù)技術(shù)中應(yīng)用較多的是陰極保護(hù)技術(shù)，即鋼筋整體成為陰極而被保護(hù)。由于電化學(xué)反應(yīng)需要水作為介質(zhì)，因此陰極保護(hù)對水下區(qū)和潮差區(qū)的結(jié)構(gòu)物保護(hù)效果較好，但對大氣區(qū)的保護(hù)效果較差。

3.3 判定方法

隨著我國跨海橋梁建設(shè)的進(jìn)一步發(fā)展，一種根據(jù)現(xiàn)場情況對不同區(qū)域區(qū)別對待的方法將起到重要的作用。這一方法的基本原則為：針對不同的結(jié)構(gòu)構(gòu)件、不同的設(shè)計要求、不同的腐蝕環(huán)境，制訂不同的基本措施；對基本措施不能完全保證結(jié)構(gòu)施工壽命的部位，采取必要的附加保護(hù)措施。這一方法將在保證橋梁能達(dá)到正常使用壽命的前提下，最大限度地減少為此而付出的代價。由于混凝土的耐久性問題主要體現(xiàn)為鋼筋銹蝕，為簡化分析，假設(shè)混凝土完全碳化后，鋼筋發(fā)生銹蝕，因此這一方法的主要基礎(chǔ)在于混凝土的碳化模型。

希臘學(xué)者Papadakis的理論碳化模型，通過對混凝土中氣態(tài)CO2、固態(tài)和溶解態(tài)Ca(OH)2、水化硅酸鈣(CSH)和未水化硅酸鹽化合物建立質(zhì)量平衡方程，描述了碳化過程中發(fā)生的物理擴(kuò)散和化學(xué)反應(yīng)。在水泥中的活性成分已完全水化，環(huán)境濕度相對穩(wěn)定的條件下，該模型可進(jìn)一步簡化為：

式（1）～（3）中：De——CO2在混凝土中的擴(kuò)散系數(shù),m2/s；

KCH、KCSH——Ca(OH)2和CSH的碳化反應(yīng)常數(shù)；

x、t——混凝土內(nèi)某點(diǎn)距表面的距離(m)和碳化時間(s)。

De可表示為：

式（4）中:w/c——混凝土水灰比；

RH——環(huán)境相對濕度，%。

在前期研究中，對跨海橋梁不同區(qū)段的現(xiàn)場情況分別進(jìn)行測量，根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)構(gòu)件、不同的設(shè)計要求、不同的腐蝕環(huán)境，制訂不同的基本措施，代入上面的式(1)～(4)中，可以計算出在使用多少年后，鋼筋的凈保護(hù)層完全碳化，此時鋼筋開始銹蝕。倘若該年限大于設(shè)計年限，則不需要采用附加保護(hù)措施；假如該年限小于設(shè)計年限，則需要根據(jù)實(shí)際情況，采取必要的附加保護(hù)措施。

4 結(jié)語

改革開放以后，我國的橋梁建設(shè)事業(yè)取得了巨大的發(fā)展，每年投入運(yùn)營的橋梁數(shù)以千計，但耐久性問題卻一直都沒有得到重視。可以預(yù)見，未來的幾十年，我們將迎來橋梁檢測、加固的高峰。這一問題，現(xiàn)在已經(jīng)得到了眾多學(xué)者和技術(shù)人員的重視。隨著港口、海洋資源的開發(fā)利用，橋梁建設(shè)技術(shù)的成熟，跨海橋梁將在我國展開橋梁建設(shè)的新篇章?？紤]跨海橋梁的混凝土耐久性問題，不僅僅可以提高橋梁建設(shè)水平，也可以減少不必要的開支，具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

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