蒲元海

（甘肅省遠(yuǎn)大路業(yè)集團(tuán)有限公司，甘肅蘭州 730001）

0 概述

近年來，我國西北干寒地區(qū)建設(shè)了大量重要混凝土橋涵工程，在該地區(qū)惡劣的氣候環(huán)境下，部分混凝土橋梁的在遠(yuǎn)未達(dá)到設(shè)計(jì)使用壽命時(shí)，就已經(jīng)出現(xiàn)耐久性嚴(yán)重退化的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象嚴(yán)重影響了橋梁的正常使用[1]。因此，探究西北干寒地區(qū)混凝土橋梁的凍融病害機(jī)理及防治技術(shù)已顯得尤為重要，為了延長其耐久性和使用壽命，就必須針對存在的不同問題進(jìn)行必要的日常維修與預(yù)防性養(yǎng)護(hù)。

1 干寒地區(qū)混凝土橋梁凍融病害的主要類型

目前橋梁養(yǎng)護(hù)仍不同程度存在的養(yǎng)路不養(yǎng)橋、對橋梁養(yǎng)護(hù)的重要性認(rèn)識不足等現(xiàn)象，特別是橋面日常小修保養(yǎng)、伸縮縫與排水系統(tǒng)的清理、結(jié)構(gòu)裂縫以及缺陷未及時(shí)處治，工作常落實(shí)不到位，使橋梁病害進(jìn)一步擴(kuò)大蔓延時(shí)有發(fā)生。主要存在以下問題：

（1）梁體混凝土松動(dòng)剝落、鋼筋裸露。橋梁梁體在凍融循環(huán)環(huán)境下，混凝土梁體常出現(xiàn)裂縫，裂縫的產(chǎn)生會導(dǎo)致外界環(huán)境水和侵蝕性氣體的大量侵入，這些有害氣體的侵入會使混凝土內(nèi)部發(fā)生物理和化學(xué)反應(yīng)，混凝土內(nèi)部會出現(xiàn)鋼筋銹蝕、暴露、表面混凝土掉塊、剝落的現(xiàn)象。

（2）梁體進(jìn)水、開裂、甚至斷裂。梁體在干濕循環(huán)、凍融交替環(huán)境和鹽類侵蝕環(huán)境下，導(dǎo)致梁體開裂，有的縱向裂縫寬達(dá)60 mm，錯(cuò)臺30 mm。具體見圖1和圖2。

圖1 梁體開裂錯(cuò)臺

圖2 梁體進(jìn)水開裂

（3）鉸縫進(jìn)水、掉塊。干寒地區(qū)鉸接板橋的鉸接縫會出現(xiàn)進(jìn)水現(xiàn)象，在凍脹力的作用下，發(fā)生掉塊的現(xiàn)象，見圖3。

圖3 鉸縫剝落

（4）橋梁修建中有些質(zhì)量較低，造成了橋梁本身存在不足。橋梁投入運(yùn)營后，由于施工和交付使用出現(xiàn)的變位、沉陷、空洞、裂縫等病害，在日常養(yǎng)護(hù)中沒有及時(shí)修補(bǔ)，造成混凝土剝落、鋼筋外露銹蝕、活動(dòng)支座失去活動(dòng)能力等，這類問題不及時(shí)處理可能釀成大病害。也有部分梁板在建造時(shí)由于混凝土保護(hù)層的強(qiáng)度、厚度不夠，在養(yǎng)護(hù)中又沒能得到很好的處理，因此梁板出現(xiàn)了不少的結(jié)構(gòu)性裂縫，且露筋現(xiàn)象嚴(yán)重，經(jīng)過若干年運(yùn)行，這些裂縫變成受力裂縫。

（5）橋梁的檢查、檢測與技術(shù)狀況評定工作不到位，不能及時(shí)對橋梁使用狀況進(jìn)行綜合的評價(jià)、及時(shí)掌握橋梁的技術(shù)狀況并了解橋梁安全性和結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

（6）建成多年的橋梁原橋設(shè)計(jì)、竣工資料丟失或無從收集，歷年的運(yùn)行狀況不清楚，不能及時(shí)歸檔造成資料不全。

2 混凝土材料的一般破壞機(jī)理

混凝土材料的破壞一般是指混凝土內(nèi)部微裂縫隨著混凝土內(nèi)部應(yīng)力的增加裂縫擴(kuò)大化而成為相互連通的宏觀裂縫，直至混凝土整體性下降而喪失承載力的過程。在荷載作用下，微裂縫首先產(chǎn)生于骨料與砂漿的界面和砂漿內(nèi)部，隨著荷載的增加，混凝土內(nèi)部應(yīng)力增大，微裂縫不斷的延伸和擴(kuò)展成為相互連通的宏觀裂縫，砂漿內(nèi)部裂縫的產(chǎn)生導(dǎo)致混凝土內(nèi)部骨料之間失去了聯(lián)結(jié)，混凝土整體性破壞并喪失承載力，最后產(chǎn)生混凝土材料的破壞[2]。當(dāng)水泥砂漿的強(qiáng)度遠(yuǎn)低于骨料的強(qiáng)度時(shí)，裂縫一般都發(fā)生在砂漿內(nèi)部。

3 混凝土損傷本構(gòu)模擬

對混凝土損傷本構(gòu)模型的研究，Loland和Marzars的工作開展的較早，他們在模擬混凝土本構(gòu)關(guān)系時(shí)應(yīng)用了損傷理論，并建立了混凝土損傷本構(gòu)模型[3]：Loland模型和Mazars模型，這兩種模型是較早用損傷來研究混凝土單軸拉伸力學(xué)行為得出的結(jié)論；勒梅特在這方面也提出了自己的觀點(diǎn)。

（1）Loland模型

該模型認(rèn)為在應(yīng)力達(dá)到應(yīng)力最大值以前，即ε≤εp（εp是對應(yīng)于應(yīng)力最大值點(diǎn)的應(yīng)變值）的時(shí)候，認(rèn)為裂紋僅在體元中萌生和擴(kuò)展，且保持在一個(gè)很小的限度內(nèi)。此時(shí)的混凝土存在如下的本構(gòu)關(guān)系：

式中，E為混凝土的彈性模量；ε為混凝土的應(yīng)變；D0為初始損傷為混凝土損傷后的應(yīng)力；D為損傷變量，其中D=0對應(yīng)無損傷狀態(tài)；D=1對應(yīng)完全損傷(斷裂或破壞)狀態(tài)；0＜D＜1對應(yīng)不同程度的損傷。β和C1為常數(shù)，其表達(dá)式見式3。

D0為初始損傷。

當(dāng)應(yīng)力達(dá)到甚至超過了應(yīng)力最大值以后，即εp＜ε≤εU（εU為極限應(yīng)變值）的時(shí)候，認(rèn)為裂紋在破壞區(qū)內(nèi)部穩(wěn)定擴(kuò)展。此時(shí)的混凝土存在如下的本構(gòu)關(guān)系：

式中：C2為常數(shù)。由邊界條件，通過式（3）可以定出常數(shù) β、C1和 C2。

（2）Mazars模型

該模型認(rèn)為應(yīng)力達(dá)到應(yīng)力最大值以前，即（是對應(yīng)于應(yīng)力最大值點(diǎn)的應(yīng)變值）的時(shí)候，即使有混凝土內(nèi)部存在損傷，也認(rèn)為曲線變化是線性的。于是此時(shí)的混凝土本構(gòu)關(guān)系為：

當(dāng)應(yīng)力達(dá)到甚至超過了應(yīng)力最大值以后，即εp＜ε≤εU（εU（為極限應(yīng)變值）的時(shí)候，認(rèn)為宏觀裂縫形成及快速失穩(wěn)擴(kuò)展，剛度急劇下降。于是此時(shí)混凝土的本構(gòu)關(guān)系為：

式中：σP為損傷應(yīng)力臨界值，At,Bt為材料的特性參數(shù)，其值可由材料的單向拉伸全曲線確定。

（3）勒梅特的觀點(diǎn)

混凝土是一種準(zhǔn)脆性材料，承載后，在宏觀上呈現(xiàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線的非線性是因微裂紋萌生和擴(kuò)展，而不是由于其塑性變形引起的。因此，可用彈性損傷力學(xué)的本構(gòu)關(guān)系來描述混凝土的細(xì)觀單元各相的力學(xué)性質(zhì)。按照勒梅特(Lemaitre)應(yīng)變等價(jià)原理[5]，受損材料的本構(gòu)關(guān)系可通過無損材料中的名義應(yīng)力σ與ε應(yīng)變關(guān)系表示，即：

式中：E0為初始彈性模量；E為損傷后的彈性模量；D為損傷變量。

4 混凝土凍融過程的細(xì)觀數(shù)值模擬

基于混凝土細(xì)觀損傷數(shù)值模型，建立由骨料、砂漿和界面過渡區(qū)組成凍融混凝土的受壓試件的數(shù)值模型?；贛azars損傷模型，將三維級配曲線轉(zhuǎn)化為試件內(nèi)截面任一點(diǎn)D＜D0具有骨料直徑的內(nèi)截圓出現(xiàn)的概率[6]：

式中：Dmax為最大骨料顆粒直徑；Pk為骨料(包括粗骨料和細(xì)骨料)占混凝土總體積的百分比，一般取Pk=0.75。

該混凝土試件為兩級配[7]，最大骨料粒徑小于40 mm，粗骨料中小石粒徑為5～20 mm，中石粒徑為20～40 mm。二級配骨料中小石∶中石為55%∶45%，由式（7）可計(jì)算得到：

最終確定骨料顆粒數(shù)目為：中骨料粒徑(D=40～20 mm)30 mm顆粒數(shù)取6粒；小骨料粒徑(D=20～5 mm)12 mm，顆粒數(shù)取56粒。

骨料、砂漿和界面過渡區(qū)材料參數(shù)見表1。

表1 混凝土各相組分材料參數(shù)

考慮《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50082-2009）的有關(guān)規(guī)定，采用快凍法進(jìn)行凍融數(shù)值模擬，凍融循環(huán)次數(shù)選擇25次，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定每次凍融循環(huán)應(yīng)在2～4 h內(nèi)完成，且用于融化的時(shí)間不得小于整個(gè)凍融循環(huán)時(shí)間的1/4。凍融循環(huán)25次后節(jié)點(diǎn)凍脹變形圖及應(yīng)力圖分別見圖4和圖5。

同時(shí)通過對凍融后的砂漿進(jìn)行抗壓試驗(yàn)，繪制其壓力-應(yīng)變關(guān)系曲線，見圖6。

圖4 凍脹變形圖

圖5 應(yīng)力圖

圖6 凍融后砂漿壓力-應(yīng)變圖

基于彈性損傷的混凝土細(xì)觀結(jié)構(gòu)模型，利用有限元分析軟件ANSYS分析凍融對混凝土彈性模量的影響，由圖6可知，混凝土試件所呈現(xiàn)的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系與基于損傷理論由計(jì)標(biāo)所得結(jié)果相符。

5 混凝土橋梁自防治技術(shù)

采用自防治措施提高混凝土抗凍性的方法之一是采用礦渣粉超量替代水泥的技術(shù)[4]在混凝土中摻加磨細(xì)礦渣和高效減水劑。

另一種提高混凝土抗凍性的自防治措施是在混凝土中摻入引起劑，引氣劑可以在混凝土攪拌過程中引入均勻分布的空氣泡，而根據(jù)凍融病害機(jī)理可知，空氣泡的引入可以明顯降低孔溶液凍結(jié)產(chǎn)生的水壓力。而且這些氣泡混雜在混凝土的毛細(xì)孔中，阻止了外界水分的進(jìn)入，從而提高了混凝土的抗?jié)B性，從整體上提高混凝土的抗凍性。

在混凝土中摻加活性礦物摻合料也是提高混凝土抗凍性的一種自防治技術(shù)，比如在混凝土中摻入纖維可以明顯提高混凝土的抗拉強(qiáng)度，提高抗裂能力，提高凍融環(huán)境下混凝土的耐久性。另外摻入粉煤灰也可以提高混凝土的抗凍性。

為了提高混凝土的抗凍性，也可以在混凝土配合比設(shè)計(jì)的時(shí)候，在首先考慮強(qiáng)度設(shè)計(jì)、工作性能等因素后，盡量減小水灰比和水泥含量。

6 結(jié)語

西北干寒地區(qū)公路橋梁維修及預(yù)防性養(yǎng)護(hù)作為橋梁經(jīng)常性、周期性的保養(yǎng)措施，應(yīng)引起足夠的重視。各級橋梁主管部門都應(yīng)提高對預(yù)防性養(yǎng)護(hù)的認(rèn)識，不斷開展橋梁維修及預(yù)防性養(yǎng)護(hù)技術(shù)研究，針對可能出現(xiàn)的橋梁病害、缺陷的類型和損害程度，選擇正確、合理的養(yǎng)護(hù)維修措施，加大預(yù)防性養(yǎng)護(hù)經(jīng)費(fèi)的投資，使橋梁養(yǎng)護(hù)更加科學(xué)化、規(guī)范化，從而切實(shí)維護(hù)橋梁安全工作狀態(tài)，達(dá)到延長橋梁使用壽命的目的，為國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活水平的提高提供便利安全的公路交通條件。

[1]李金平,盛煜,丑亞玲.混凝土凍融破壞研究現(xiàn)狀[J].路基工程,2007（3）：1-3.

[2]尚巖,杜成斌.基于細(xì)觀損傷的混凝土力學(xué)性能數(shù)值模擬研究進(jìn)展[J].水利與建筑工程學(xué)報(bào),2004（1）：23-28.

[3]馬懷發(fā),陳厚群,黎保琨.混凝土試件細(xì)觀結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬[J].水利學(xué)報(bào),2004（10）：27-35.

[4]孫家瑛,吳初航,周承功,楊華祖.鋼筋混凝土橋梁耐久性調(diào)查及防治措施研究[J].混凝土,2003（3）：15-18.

[5]Lemaitre J and Chaboche J L.Mechanics of Solid Materials[M].Cambridge University.Press,1990：67-125.

[6]余天慶，錢濟(jì)成.損傷理論及其應(yīng)用[M].北京：國際工業(yè)出版社，1993.

[7]汪在芹,李家正,周世華,石妍.凍融循環(huán)過程中混凝土內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的演變[J].混凝土,2012（1）：13-14.