楊 雯

（山西省交通科技研發(fā)有限公司，山西 太原 030032）

結(jié)構(gòu)耐久性是指結(jié)構(gòu)在預(yù)期作用和預(yù)定的維護條件下，能在規(guī)定期限內(nèi)長期維持其設(shè)計性能要求的能力[1]。

隨著我國公路交通的跨越式發(fā)展，先后興建了一大批不同類型的公路橋梁，其中中小跨徑橋梁占比最大，而這些橋梁中采用混凝土結(jié)構(gòu)約95%以上。由于早期理論對混凝土結(jié)構(gòu)的認識不足，設(shè)計理念的不完善以及施工因素等，造成了部分橋梁“服役”不久就不同程度地出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)劣化、開裂、保護層剝落、鋼筋銹蝕等病害，嚴重影響了橋梁結(jié)構(gòu)的承載力和耐久性。隨著服役期的延長，早期修建的大量混凝土橋梁陸續(xù)將進入檢測、維修加固階段，混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性問題將變得更加嚴峻，已引起了國內(nèi)外學術(shù)界和工程界的極大重視。

1 影響混凝土結(jié)構(gòu)損傷或破壞的主要因素

1.1 碳化

碳化是指大氣中的水與混凝土中的堿性物質(zhì)作用的過程，用化學式表示為：

CO2+H2O→H2CO3，

Ca(OH)2+H2CO3→CaCO3+2H2O.

鋼筋在混凝土的高堿度環(huán)境中，表面形成一層鈍化膜，能夠使鋼筋免受腐蝕。通常保護鋼筋的臨界pH值=11.5，而混凝土碳化后pH約為8～9，鋼筋會因其表面鈍化膜遭到破壞而腐蝕。現(xiàn)階段碳化模型主要有理論模型和各種經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，各種模型均認為碳化深度和碳化時間有關(guān)，可簡單表示為：式中：D為碳化深度；α為系數(shù)。

1.2 氯離子侵蝕

在沿海地區(qū)修建混凝土結(jié)構(gòu)時必須考慮氯離子侵蝕作用，同時在內(nèi)陸嚴寒地區(qū)，冬季撒鹽也是一種很普遍的化雪除冰方法，這就不可避免地會使氯離子進入混凝土。氯離子侵蝕會使鋼筋表面的鈍化膜遭到破壞，在侵蝕區(qū)域形成腐蝕電池，其去極化作用及導(dǎo)電作用會進一步加劇鋼筋的銹蝕?；具^程可表述為：

Fe2++2Cl—+2H2O→Fe(OH)2+2HCl，

4Fe(OH)2+O2+2H2O→4Fe(OH)3.

Fe(OH)3失水后形成FeOH（紅銹），不完全氧化的變成Fe3O4（黑銹），此即為鋼筋表面的銹層。

1.3 鋼筋銹蝕

鋼筋銹蝕是影響構(gòu)件及結(jié)構(gòu)耐久性的重要因素。眾多學者通過分析保護層開裂前后鋼筋的銹蝕量與裂縫寬度間的關(guān)系，提出了鋼筋銹蝕的預(yù)測模型。預(yù)測模型基本分為兩類：一類是理論模型，如牛荻濤等[2]建立的預(yù)測模型；另一類是根據(jù)實際工程調(diào)研和試驗數(shù)據(jù)歸納，基于構(gòu)件特征參數(shù)建立的經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，如惠云玲[3]基于試驗結(jié)果得到的鋼筋銹蝕重量損失率、裂縫寬度與各因素之的影響關(guān)系等。

1.4 堿-骨料反應(yīng)（AAR）

堿-骨料反應(yīng)是混凝土內(nèi)在原因造成的破壞，其作用機理并不完全清楚。一般認為是由于混凝土中某些骨料表面的膠凝體遇水膨脹，從而導(dǎo)致周邊混凝土開裂。由于堿骨料反應(yīng)開展緩慢，初期不易察覺，然而一旦開裂便很難阻止，進而形成惡性循環(huán)，因此常被人們稱為混凝土的“癌癥”。在預(yù)防堿骨料反應(yīng)時，應(yīng)選用非活性集料，并控制混凝土堿含量及濕度，同時可以使用礦物摻合料及化學外加劑加以抑制。

1.5 凍融循環(huán)

目前公認程度較高的是美國學者T.C.Powerse提出的膨脹與滲透壓力理論。而經(jīng)驗?zāi)Ｐ陀捎谝罁?jù)試驗數(shù)據(jù)，無法反映真實環(huán)境中的混凝土抗凍性，尚有不足之處。

2 耐久性設(shè)計方法

第一類可以稱之為傳統(tǒng)方法。陳肇元[4]指出，傳統(tǒng)方法應(yīng)區(qū)分不同使用年限、不同環(huán)境類別和作用等級對應(yīng)不同的設(shè)計要求。環(huán)境類別的劃分，《公路工程混凝土結(jié)構(gòu)防腐技術(shù)規(guī)范》[1]（以下簡稱公路06防腐規(guī)范）和即將使用的《公路工程混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計規(guī)范》[5]（以下簡稱公路19耐久規(guī)范）中一致，均分為7類；《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計規(guī)范》[6]（以下簡稱08耐久規(guī)范）中分為5類，相比而言公路規(guī)范更加細化、更全面，也說明公路混凝土結(jié)構(gòu)面臨的環(huán)境更加復(fù)雜多變。而環(huán)境作用等級基本一致，均分為六大類（A～F），規(guī)范對比見表 1。

表1 環(huán)境作用等級劃分

第二類可以統(tǒng)稱為驗算法。這類方法先根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限及工作環(huán)境確定腐蝕等級，再通過耐久性極限方程利用極限狀態(tài)法對耐久性極限狀態(tài)進行驗算。

3 耐久性評估與壽命預(yù)測方法

3.1 耐久性評估方法

目前，混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評估方法主要分為三類：a）傳統(tǒng)經(jīng)驗法；b）借助模糊數(shù)學、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等人工智能手段的綜合評估方法；c）基于可靠度理論的混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評估法。

3.2 耐久性壽命預(yù)測理論

耐久性壽命預(yù)測理論可概括為三大類：

a）第一類鋼筋脫鈍壽命理論，該理論以鋼筋表面鈍化膜失效為混凝土極限狀態(tài)，據(jù)此預(yù)測混凝土構(gòu)件壽命。

b）第二類保護層開裂壽命理論，該理論以表層混凝土開裂作為失效原則，從而預(yù)測混凝土構(gòu)件壽命。

c）第三類抗力壽命理論，該理論以抗力作為隨機變量，荷載作為隨機過程，分析抗力衰減的可靠度指標函數(shù)，以此推測混凝土構(gòu)件壽命。

4 改善混凝土橋梁耐久性的措施

混凝土耐久性是一項復(fù)雜多變、多層次且學科交叉的系統(tǒng)性問題，若能從根本上解決，將對混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)用產(chǎn)生重大且深遠的影響。從混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性研究現(xiàn)狀可以看出，改善和提高混凝土橋梁的耐久性可以從以下幾方面入手：

a）提高混凝土性能。混凝土性能是結(jié)構(gòu)耐久性的內(nèi)因，采用高耐久性混凝土，增強其自身抗破損能力對混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性有重要意義。各規(guī)范都對影響混凝土耐久性的幾個主要指標：混凝土最低強度等級、最大水膠比、單位最小膠凝材料等作出了限制規(guī)定。其中公路19耐久規(guī)范相比公路06防腐規(guī)范根據(jù)作用環(huán)境、結(jié)構(gòu)類型、各構(gòu)件位置的不同要求的混凝土等級不同，其更加細化、明確，可操作性更強。

b）改進結(jié)構(gòu)設(shè)計。（a）選用合理結(jié)構(gòu)體系，改善結(jié)構(gòu)受力。如預(yù)制結(jié)構(gòu)應(yīng)根據(jù)受力需要設(shè)置必要的橫隔板；優(yōu)化鋼束設(shè)置，適當增加應(yīng)力儲備；優(yōu)化支撐系統(tǒng)，避免因施工不當造成后期單板受力。（b）加大混凝土保護層厚度，加強構(gòu)造鋼筋、抗裂鋼筋，防控混凝土裂縫寬度等。規(guī)范中對混凝土最小保護層厚度均作出了規(guī)定，本次公路規(guī)范中修訂了保護層厚度以最外側(cè)鋼筋外緣起算。（c）水是誘發(fā)侵蝕的主要通道，應(yīng)完善結(jié)構(gòu)的防排水設(shè)計，如橋面防水層的設(shè)計、泄水管的設(shè)置，護欄外包或懸臂端設(shè)置滴水槽，齒板處涂防水層、伸縮縫、橋臺處的排水設(shè)計等。（d）加強附屬結(jié)構(gòu)設(shè)計，如橋梁與路基護欄的過渡、泄水管孔徑、材質(zhì)的選擇、伸縮縫型號的選擇及施工等。

表2 橋涵結(jié)構(gòu)混凝土最低強度等級（100年）

c）改善混凝土抵抗氯鹽侵蝕性能。近海環(huán)境或內(nèi)地除冰鹽環(huán)境，應(yīng)控制混凝土中氯離子的含量，從而降低氯離子侵蝕而產(chǎn)生的鋼筋銹蝕，提高混凝土橋梁耐久性。公路06防腐規(guī)范中要求控制氯離子擴散系數(shù)DRCM，公路19耐久規(guī)范則對混凝土抗氯離子滲透性能、游離氯離子含量做了規(guī)定，具體見表3、表4。

表3 混凝土抗氯離子滲透性能

表4 游離氯離子含量限制

d）增強混凝土的抗凍性，改善凍融破壞。公路19耐久規(guī)范相比公路06防腐規(guī)范增加了使用年限30年要求，并與50年同等對待，相比08耐久規(guī)范要求有所提高，一定程度上提高了混凝土的抗凍性。