劉國明

（河北省交通規(guī)劃設(shè)計院，河北 石家莊050000）

0 引言

根據(jù)河北省2009～2011 年的高速公路橋梁技術(shù)狀況檢測相關(guān)資料[1-3]，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，有相當(dāng)大比例的橋梁存在與鹽堿蝕有關(guān)的病害，嚴(yán)重影響橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性與行車安全[4]。近年來河北省橋梁鹽堿蝕病害統(tǒng)計見表1，病害發(fā)展趨勢見圖1，從中可見橋梁鹽堿蝕病害有逐年加重的趨勢。

表1 近年來河北省橋梁鹽堿蝕病害統(tǒng)計表

圖1 近年來河北省橋梁鹽堿蝕病害發(fā)展趨勢圖

此外，橋梁年檢記錄資料顯示，混凝土的鹽堿蝕病害如未得到及時修復(fù)，將從起初的滲水泛白逐漸發(fā)展為混凝土剝落、鋼筋銹蝕，從而嚴(yán)重影響橋梁的耐久性與承載力，若此時再進行加固維修，耗資將十分巨大。可見，對于橋梁腐蝕問題的病理研究與防治養(yǎng)護已刻不容緩。

1 橋梁鹽堿蝕破壞機理分析

橋梁混凝土的鹽堿蝕，是指橋梁結(jié)構(gòu)與其所處環(huán)境之間的物理、化學(xué)作用引起的結(jié)構(gòu)本身強度降低的現(xiàn)象。通過對在役橋梁檢測資料的分析研究，本文對鹽堿蝕破壞機理進行了如下總結(jié)。

1.1 水泥混凝土碳化

水泥的水化反應(yīng)使混凝土的pH 值一般在12.5～13.6之間。在這種高堿性環(huán)境中，鋼筋表面被鈍化，從而較好地保護了鋼筋。

由于外界環(huán)境（主要是二氧化碳和水）的影響，混凝土的堿性降低或失去堿性，降低了對鋼筋的保護作用，這個反應(yīng)過程稱為混凝土碳化，其化學(xué)反應(yīng)式為：

混凝土碳化主要取決于兩個因素：混凝土的孔隙率和濕度。研究表明：當(dāng)相對濕度在50%～75%之間時，碳化速度最快；當(dāng)濕度較低時，沒有溶解態(tài)的氫氧化鈣與二氧化碳發(fā)生反應(yīng)；當(dāng)濕度較高時，混凝土孔洞內(nèi)的水又阻止了二氧化碳的進入。因此，干濕交替的環(huán)境，將會加速碳化進程。

1.2 水泥混凝土的凍融

當(dāng)水發(fā)生相變，轉(zhuǎn)化為冰時，其體積膨脹率在9%左右。如果水泥混凝土處于飽和吸水狀態(tài)，混凝土孔洞內(nèi)的水結(jié)冰，就會對孔洞壁產(chǎn)生擠壓力。這種結(jié)冰與融化的反復(fù)循環(huán)，就會造成混凝土結(jié)構(gòu)疏松，失去強度，嚴(yán)重時甚至脫落。

1.3 氯離子

氯離子來源于海水、海洋大氣、除冰鹽等，還有一些內(nèi)摻材料。

氯離子會引起鋼筋銹蝕。由氯離子引起的鋼筋銹蝕，是一個鋼筋局部腐蝕現(xiàn)象。它首先破壞鋼筋鈍化環(huán)境，進而使鋼筋產(chǎn)生局部銹蝕。這種局部破壞，會減小鋼筋的截面積。

氯離子還會引起混凝土劣化。氯離子，會與混凝土中的氫氧化鈣及水合鋁酸鈣發(fā)生反應(yīng)，生成易溶的氯化鈣和帶有大量結(jié)晶水的固相化合物，造成混凝土的膨脹。

海水中約含3%的海鹽，其中氯鹽的含量最多，氯離子含量約為19 300ppm。在海水腐蝕過程中，氯鹽對混凝土中鋼筋腐蝕危害最大，也是防腐防護的重點。

1.4 硫酸根離子

硫酸根離子來源于酸雨、工業(yè)大氣環(huán)境以及pH值小于5.6的天然降水。

硫酸根離子會引起混凝土劣化。工業(yè)大氣中的二氧化硫，同二氧化碳的作用方式一樣，會使混凝土產(chǎn)生硫化反應(yīng)，也會使得混凝土中性化和酸化。另外，形成的酸雨，還會以硫酸根離子的形式，侵蝕混凝土，產(chǎn)生鹽結(jié)晶，發(fā)生膨脹，使混凝土脹裂。

海水中硫酸鹽的含量約為2000～2500ppm。

在濱海鹽漬地區(qū)，硫酸鹽的含量比較高，它與氯鹽共同作用，對混凝土本身的腐蝕破壞以及鋼筋銹蝕破壞的作用更大。

1.5 鋼筋混凝土腐蝕模型

鋼筋混凝土腐蝕模型見圖2。

圖2 鋼筋混凝土腐蝕模型

1.6 橋梁腐蝕破壞的主要模式[5]

（1）凍融循環(huán)破壞模式：混凝土在飽和吸水狀態(tài)下被循環(huán)凍脹。如果飽和水中含鹽，便會加劇這種凍融破壞。

（3）鋼筋銹蝕模式：如果混凝土保護層偏薄、有裂縫、抗?jié)B性能差且有氯鹽侵入，在滲入的水與無機鹽、氧氣的共同作用下，會導(dǎo)致鋼筋銹蝕，并脹裂混凝土保護層，形成加劇破壞的惡性循環(huán)。

（4）堿骨料反應(yīng)破壞模式：骨料的活性成分與混凝土的堿發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致混凝土脹裂。這種破壞需要三個條件：一是活性骨料的存在；二是混凝土中含堿量過高；三是混凝土中有反應(yīng)所需要的水分。

綜合上述幾種破壞模式的分析研究，可以得出如下結(jié)論：凍融循環(huán)、鹽凍和鋼筋銹蝕是鋼筋混凝土破壞的主要模式；這些破壞模式都離不開水，也就是說，水是引起一切破壞的元兇，如果混凝土內(nèi)部沒有足夠的水分，一切破壞都不會發(fā)生。因此，防水是橋梁防腐防護的前提[6]。

2 鹽堿蝕病害預(yù)防措施

通過對橋梁結(jié)構(gòu)鹽堿蝕破壞機理的分析研究，以防水為前提，結(jié)合設(shè)計、施工、養(yǎng)護階段的工程經(jīng)驗，本文提出以下預(yù)防措施。

2.1 設(shè)計階段

對于橋梁結(jié)構(gòu)混凝土鹽堿腐蝕病害預(yù)防性養(yǎng)護工作，在初始設(shè)計階段應(yīng)著重注意以下幾點。

（1）在設(shè)計文件中可規(guī)定使用非活性集料?；钚约鲜菈A集料反應(yīng)的基本組分，如果集料不具有堿活性，堿集料反應(yīng)自然不會發(fā)生。使用非活性集料可以根治堿集料反應(yīng)，其實施需要有良好的資源和可靠的檢驗方法。

（2）在設(shè)計文件中規(guī)定使用低堿水泥，從而將混凝土的總堿量控制在足夠低的水平，有效防止堿集料反應(yīng)的發(fā)生。通常所說的低堿水泥是指其堿含量低于水泥重量的0.6%（以氧化鈉當(dāng)量計）的水泥。

（3）在設(shè)計文件中對混凝土的總堿量作出限制?；炷两Y(jié)構(gòu)中存在一定量的堿是其發(fā)生堿集料反應(yīng)的必要條件之一，因此，限制混凝土中堿的總含量可以預(yù)防堿集料反應(yīng)。該措施與使用低堿水泥的目標(biāo)一致，但它將混凝土中各組分所帶入的總堿量作出規(guī)定，控制條件更嚴(yán)格，技術(shù)上也更合理。

重慶市的地質(zhì)災(zāi)害有滑坡、崩塌、泥石流、地面塌陷等，其中以滑坡、崩塌為主，泥石流分布較少。重慶市近年來通過地質(zhì)災(zāi)害排查，市境內(nèi)現(xiàn)有地質(zhì)災(zāi)害點16076個，其中泥石流329個，占災(zāi)害點總數(shù)的2.04%[1]。主要分布三峽庫區(qū)及非庫區(qū)的渝東南、渝中地區(qū)。近年來，重慶市發(fā)生泥石流災(zāi)害以1986年、1987年、1998年、2006年、2014年、2016年發(fā)生的泥石流災(zāi)害損失嚴(yán)重[2]。重慶地區(qū)以稀性、小型泥石流為主，但其形成的危害也不容忽視。

（4）在設(shè)計文件中規(guī)定可采取提高混凝土密實度或采用復(fù)合纖維混凝土，以增強混凝土抗?jié)B性，阻止水分的侵入。

（5）在進行高速公路橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計時，可適當(dāng)增加上部結(jié)構(gòu)局部構(gòu)造的厚度，如梁板頂板及橋面防水混凝土厚度，以達到更加有效的阻水目的。

（6）對于橋梁結(jié)構(gòu)易發(fā)生雨雪水沖刷侵蝕的部位（如伸縮縫處墩臺蓋梁、護欄），可采取表面防護、適當(dāng)增加保護層厚度及噴涂鋼筋阻銹劑等預(yù)防性措施，以保證結(jié)構(gòu)的耐久性。

2.2 施工階段

在實際的施工過程中應(yīng)明確要求施工單位做到嚴(yán)格按圖施工、服從監(jiān)理及業(yè)主管理，從施工技術(shù)、材料、設(shè)備、工藝等幾方面著手，并注意做好施工準(zhǔn)備階段及施工過程中的檢驗工作，以保證橋梁結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量[7]。

2.3 養(yǎng)護階段

對于橋梁鹽堿腐蝕病害預(yù)防性養(yǎng)護工作，在養(yǎng)護階段應(yīng)著重做好以下幾點[8]：

（1）要做到日常檢查與維修并舉，及時清理伸縮縫及泄水孔，以防連鎖性破壞；

（2）經(jīng)常清理排水溝，疏導(dǎo)涵洞，尤其是土邊溝的，要經(jīng)常清理水溝雜物，確保排水暢通；

（3）清理和維護支座；清潔和油飾鋼結(jié)構(gòu)及金屬構(gòu)件；維護系桿拱橋錨頭；

（4）對構(gòu)件表面缺損、滲水部位進行維修；封閉細微裂縫；對保護層偏薄、混凝土孔隙率大、環(huán)境濕度大的部位進行防水處理；

（5）冬季初雪選用除雪劑時，要盡量選用對混凝土結(jié)構(gòu)損壞較小的產(chǎn)品；

（6）對局部抗拉強度不足的部位采用碳纖維進行加固，或提高幾個構(gòu)件間的協(xié)同受力效果，或粘貼鋼板進行加固。

3 “LH透明防腐防護體系”介紹

對于傳統(tǒng)的防腐措施在實施效果方面尚存在的問題與防護體系的缺失，本文從鹽堿腐蝕病害防治機理入手，結(jié)合所提出的鹽堿蝕病害預(yù)防措施，深入研究了新材料、新技術(shù)和新工藝，并提出一套完備的防治方案，即“LH 透明防腐防護體系”。

“LH 透明防腐防護體系”屬于預(yù)防性防腐措施。它采用“滲透防水”與“透明防護涂層”相結(jié)合的方式，可以有效阻擋水和有害離子的侵入，在保護橋梁免遭腐蝕的同時，又保持了橋梁混凝土的原貌和可見性。

3.1 技術(shù)內(nèi)容

該體系包含兩項技術(shù)內(nèi)容。

（1）剛性防水技術(shù)

采用滲透型防水材料（LH101）預(yù)滲透進混凝土表層，使混凝土本身具備防水性能。

（2）透明涂層防護技術(shù)

采用優(yōu)異耐水耐候性的彈性透明涂膜（LH309），在剛性防水的基礎(chǔ)上實施薄層柔性防護，徹底阻擋有害離子與混凝土表面的接觸。

由于承載結(jié)構(gòu)的混凝土細微裂縫具有活動性，這種剛?cè)岵姆雷o方式可以很好地起到防腐防護作用。

3.2 防護材料

“LH309 透明混凝土防護涂料”為單組份水性材料。它以強耐水性高分子成膜物質(zhì)為基材，經(jīng)硅改性、氟改性和納米改性而具備很高的附著力、抗紫外線能力和抗污染能力。涂料固化后，形成無色透明有光澤的防護涂層，該涂層還具有優(yōu)異的透氣性、耐久性、憎水性、耐候性和耐酸堿鹽性，徹底封閉混凝土表面，能有效保護橋梁結(jié)構(gòu)混凝土免遭水、化冰鹽、酸雨以及海洋和工業(yè)環(huán)境的腐蝕破壞。

LH309 屬于透明型混凝土表面防護材料，集封閉、防水防腐、防塵透氣和長效耐久功能于一身。與“LH101 滲透型高效防水劑”配合使用，可預(yù)先將LH101 防水劑滲透進混凝土表層，在混凝土表層防水的基礎(chǔ)上，再實施LH309 防護涂層處理，形成“LH 混凝土防護體系”，這樣可以大大提高防護體系的耐久性，從而起到更好的防護作用。

3.3 LH透明防腐防護體系的特點

（1）不改變混凝土原貌和基面顏色；對于橋梁結(jié)構(gòu)的裂縫病害，可以及時準(zhǔn)確地觀測到其病害程度與發(fā)展情況；

（2）具備“剛性防水”與“柔性防水”相結(jié)合的功能；

（3）對基面的干燥程度要求不苛刻，只要無明水，即可施工；對基面處理要求不苛刻，允許有小氣洞和輕微麻面；施工費用低，可維護性好；

（4）由于透明防腐涂層的隔離功能，能徹底阻擋有害物質(zhì)的侵害，即使透明涂層意外受損，由于結(jié)構(gòu)表層的剛性防水特性，也能起到一定的防護作用。

（5）采用水性環(huán)保材料，無毒，不燃燒，無污染。

4 石安高速上跨和平路橋工程應(yīng)用

石安高速公路和平路橋為現(xiàn)澆箱梁結(jié)構(gòu)，存在許多貫通細微裂縫，由于雨水鹽水淋浸，已經(jīng)出現(xiàn)局部腐蝕病害。于2011 年5 月采用透明防腐體系對該橋進行了防腐施工處理，起到了很好的預(yù)防性防腐防護作用。經(jīng)過兩年的觀察，涂層體系完好，橋梁混凝土本身未發(fā)現(xiàn)新病害。石安高速公路和平路橋透明防腐涂層施工2年后的效果見圖3。

圖3 石安高速和平路橋透明防腐涂層施工2年后的效果照片

自2008年以來的6年時間內(nèi)，“LH混凝土病害修復(fù)防護體系”的材料、技術(shù)與工藝，已經(jīng)在河北省高速公路數(shù)千座橋涵的混凝土腐蝕病害修復(fù)防護工程中得到應(yīng)用。經(jīng)過實際工程考核與驗證，從質(zhì)量上達到了防水防護耐久、黏結(jié)牢固不脫層、強度適中無裂縫的水平，從外觀上達到了與水泥混凝土結(jié)構(gòu)顏色基本一致且平整光滑美觀的效果。

綜上，該體系很好地解決了混凝土腐蝕缺陷病害的耐久性修復(fù)防護技術(shù)難題，取得了非常滿意的效果，成為工程中非常實用成熟的技術(shù)與工藝。

多年來的實際工程考核充分說明：“LH混凝土病害修復(fù)防護體系”無論在材料、技術(shù)還是施工工藝上，已經(jīng)達到了耐久性修復(fù)的要求和耐久性防護的目的。

5 結(jié)語

本文對河北省高速公路橋梁鹽堿蝕病害的現(xiàn)狀、特征、發(fā)展概況和發(fā)展趨勢進行了廣泛深入的調(diào)查分析，探究了橋梁混凝土鹽堿蝕病害的成因與機理，從鹽堿蝕病害的防治機理入手，研發(fā)了新材料、新技術(shù)和新工藝，使之成為一整套完備的防治方案的關(guān)鍵技術(shù)材料環(huán)節(jié)，最后結(jié)合工程實例，檢驗了防治修復(fù)效果，從而為科研檢測人員對同類病害的防治提供了重要的技術(shù)參考。

[1] JTG D62—2004，公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范[S].

[2] 范立礎(chǔ)，徐光輝. 橋梁工程[M]. 北京：人民交通出版社，2001.

[3] 葉見曙. 結(jié)構(gòu)設(shè)計原理[M]. 2 版. 北京：人民交通出版社，2005.

[4] 劉國明.河北交通規(guī)劃設(shè)計院.高速公路橋梁鹽蝕、堿蝕破壞病害分析及養(yǎng)護對策研究[R].河北：河北交通規(guī)劃設(shè)計院，2013.

[5] 吳建華，趙永韜.鋼筋混凝土的腐蝕監(jiān)測/檢測[J].腐蝕與防護，2003（10）：421-427.

[6] 洪乃豐. 混凝土中鋼筋腐蝕與結(jié)構(gòu)物的耐久性[J]. 公路，2001（2）：66-69.

[7] 黃明，沈德建.海洋環(huán)境下混凝土中鋼筋的防腐蝕設(shè)計[J].混凝土，2006（11）：13-15.

[8] 張晏清. 鋼筋表面防腐蝕涂層的性能[J]. 建筑材料學(xué)報，2005（5）：577-579.