鄭 錚
(福建省交通規(guī)劃設(shè)計院有限公司,福州 350004)
鋼筋混凝土橋梁由于其堅固密實、造價低和取材方便等優(yōu)點,成為公路、城市和鐵路橋梁工程中是最常見的橋梁。 在鋼筋混凝土橋梁服役過程中,往往會由于材料劣化、環(huán)境侵蝕、荷載效應、疲勞效應及突發(fā)災害效應等因素的耦合作用導致橋梁結(jié)構(gòu)耐久性退化,從而縮減結(jié)構(gòu)的使用年限[1]。 橋梁耐久性退化程度嚴重者完全達不到規(guī)范中規(guī)定的橋梁設(shè)計使用年限就需要進行大修或重建。 美國橋梁養(yǎng)護管理局對各州技術(shù)狀況評定為不及格及以下的需要全面加固的橋梁進行統(tǒng)計,發(fā)現(xiàn)約80%橋梁不足設(shè)計使用年限的50%。 哥倫比亞對超過100 m的2000 多座公路橋梁進行技術(shù)狀況等級評定,發(fā)現(xiàn)有40%的橋梁需要大修,5%的橋梁已處于危險狀態(tài),而這些橋梁最大使用壽命僅僅只有45 年。 英國運輸部于1990 年對國內(nèi)200 多座混凝土公路橋進行健康狀況普查, 調(diào)查結(jié)果顯示約30%橋梁處于不及格狀況需要大修, 這些橋梁的使用年限同樣不足設(shè)計使用年限的50%[2]。 國內(nèi)的情況同樣不容樂觀,約60%的中小型鋼筋混凝土橋梁在投入使用年限不足設(shè)計使用年限50%的情況下面臨大修或重建。
國內(nèi)外鋼筋混凝土橋梁的耐久性下降速度令人堪憂,一方面是由于橋梁養(yǎng)護工作不到位,另一方面則是橋梁所使用材料的局限性如鋼筋混凝土材料的耐久性問題,本文從影響橋梁結(jié)構(gòu)耐久性下降的主要影響因素和退化機理2 方面進行分析,對橋梁結(jié)構(gòu)耐久性退化防護策略進行探究,對橋梁的評估養(yǎng)護工作具有重要意義。 研究成果可以直接用于指導橋梁的結(jié)構(gòu)與材料優(yōu)化設(shè)計。
在橋梁的全壽命周期內(nèi),其結(jié)構(gòu)受內(nèi)部及外在的各種復雜因素的綜合影響,故橋梁結(jié)構(gòu)的技術(shù)狀況退化是一個不可避免的自然過程,橋梁從建成投入使用開始, 其結(jié)構(gòu)性能始終是保持下降的趨勢,影響橋梁結(jié)構(gòu)性能技術(shù)狀況退化的因素總體可分為橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)部因素和外部因素2 個方面。
橋梁結(jié)構(gòu)性能退化的自身因素一方面包括自身所用材料缺陷和橋梁設(shè)計、 施工中存在的缺陷。橋梁設(shè)計上存在的缺陷包括設(shè)計規(guī)范不合理、設(shè)計配筋不足、保護層厚度設(shè)計不足等問題[3];橋梁施工中存在的缺陷主要包括所采用的建筑材料質(zhì)量差、施工運營時結(jié)構(gòu)的疲勞損傷等因素;相對于橋梁設(shè)計和施工因素對橋梁結(jié)構(gòu)性能產(chǎn)生影響,橋梁自身材料存在缺陷對橋梁結(jié)構(gòu)性能退化產(chǎn)生了極大的促進作用。 鋼筋混凝土橋梁主要使用鋼筋和混凝土2 種材料, 這2 種材料的耐久性問題極大地影響著橋梁結(jié)構(gòu)的使用性能。 混凝土的耐久性往往直接影響鋼筋的耐久性,混凝土出現(xiàn)的裂縫、碳化、氯離子侵蝕等病害直接引發(fā)鋼筋發(fā)生銹蝕。 故鋼筋的使用性能和耐久性絕大部分取決于混凝土的耐久性。
另一方面包括橋梁投入使用后對橋梁性能造成影響的諸多因素,包括疲勞損傷、鋼筋銹蝕等不利因素,這些均為結(jié)構(gòu)退化的基礎(chǔ)。 另外,不同橋梁結(jié)構(gòu)形式?jīng)Q定了其受力性能和退化規(guī)律的不同,從而導致了橋梁結(jié)構(gòu)在缺損方式和退化速率方面的差異,長大橋梁與中小跨徑橋梁的結(jié)構(gòu)性能退化規(guī)律也存在很大的不同。
影響橋梁結(jié)構(gòu)技術(shù)狀況退化的外部不利因素主要來自環(huán)境的影響,如車輛超載、混凝土碳化、堿集料反應、凍融破壞、運營疲勞、養(yǎng)護不當?shù)萚4]。 尤其是車輛超載對橋梁結(jié)構(gòu)退化的速率具有直接的關(guān)系。 超載會對現(xiàn)役橋梁結(jié)構(gòu)的損傷(包括裂縫增寬、撓度增大等病害)起到催化作用,使其結(jié)構(gòu)退化速率明顯加快,對結(jié)構(gòu)的正常使用和耐久性造成了不可忽視的影響。 橋梁由于汽車超載而引起的破壞倒塌事故層出不窮,一方面是橋梁設(shè)計時沒有考慮車輛超載這種承載能力極限狀況;另一方面交通管制松懈,尤其是致使嚴重超載的大貨車通過橋梁。 調(diào)查顯示國內(nèi)70%以上的橋梁倒塌事故是由于大貨車嚴重超載致使橋梁偏載過大產(chǎn)生側(cè)翻;另外交通量較橋梁設(shè)計時的大幅度提升也對橋梁承載造成了不利影響[5]。 而且橋梁結(jié)構(gòu)位于不同的環(huán)境區(qū)域,影響其退化的主導因素也會有差異。 一方面這些影響因素相互作用共同影響, 構(gòu)成一個錯綜復雜的體系;另一方面各種影響因素之間權(quán)重不同,須區(qū)別對待、分清主次,去尋找體系的內(nèi)在規(guī)律和發(fā)展趨勢。
鋼筋混凝土類橋梁相對于大跨徑的復雜結(jié)構(gòu)橋梁而言其病害的原因更加集中明了,絕大部分病害是由于鋼筋與混凝土的原因?qū)е碌模摻罨炷翗蛄轰摻钆c混凝土產(chǎn)生劣化的根本原因主要包括鋼筋銹蝕、堿骨料反應、凍融破壞和硫酸鹽侵蝕。 故對此類橋梁的鋼筋與混凝土進行技術(shù)狀況退化機理分析對提出抑制橋梁技術(shù)狀況退化措施具有重要意義。
橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)部鋼筋銹蝕是導致結(jié)構(gòu)技術(shù)狀況嚴重退化的主要原因。 鋼筋銹蝕不僅直接導致鋼筋自身強度降低,也會間接致使混凝土保護層發(fā)生開裂,從而降低鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)強度,結(jié)構(gòu)有效受力截面和有效高度減少。 混凝土早期的中性化反應會使混凝土中鋼筋表面的鈍化膜被逐漸侵蝕破壞,從而為鋼筋銹蝕提供了先決條件。 鋼筋銹蝕主要可分為3 個作用時期,前期是鋼筋表面失去堿性保護層從而產(chǎn)生銹斑現(xiàn)象,銹蝕病害現(xiàn)象較輕微;中期鋼筋表面出現(xiàn)大范圍的銹斑,保護層脹裂,混凝土體積發(fā)生輕微膨脹,一些細小的裂縫開始出現(xiàn);后期鋼筋銹蝕程度明顯,混凝土出現(xiàn)明顯的順應主筋方向的裂縫,由于鋼筋與保護層出現(xiàn)脫離現(xiàn)象致使鋼筋截面積減小,從而導致結(jié)構(gòu)承載力下降明顯,若不及時養(yǎng)護處治,將會最終造成橋梁坍塌等安全事故[6]。 引起鋼筋混凝土橋鋼筋銹蝕的因素多種多樣,其中權(quán)重占比最大的影響因素是混凝土碳化和氯離子入侵。
(1)混凝土碳化
大氣環(huán)境中的二氧化碳和混凝土中的堿性物質(zhì)發(fā)生的中性化反應稱為混凝土的碳化。 由于混凝土在硬化過程中會生成氫氧化鈣(Ca(OH)2)而使得混凝呈現(xiàn)堿性。而反應生成的氫氧化鈣(Ca(OH)2)與大氣中的二氧化碳(CO2)再次發(fā)生二次反應生成碳酸鈣(CaCO3),從而使水泥石的強堿性趨于中性,這種現(xiàn)象便為混凝土的碳化[7]。 混凝土碳化物理模型如圖1 所示:
圖1 混凝土碳化物理模型
混凝土碳化過程是大氣中的二氧化碳向混凝土內(nèi)部逐漸侵入擴散的過程。 混凝土發(fā)生碳化反應會使鋼筋失去堿性保護而銹蝕;另一方面混凝土碳化反應會引起混凝土體積收縮,從而導致混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)微細裂縫,使混凝土抗拉強度大幅降低。
(2)氯離子侵蝕
氯離子侵蝕作用原理類似于混凝土碳化,都是引起混凝土中性化從而導致結(jié)構(gòu)內(nèi)部鋼筋銹蝕。 沿海地區(qū)的混凝土結(jié)構(gòu),由于海水中富含氯離子從而使結(jié)構(gòu)長期受到氯離子的侵蝕,混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部鋼筋出現(xiàn)銹蝕病害較為普遍。 此外北方地區(qū)的道路橋梁等混凝土結(jié)構(gòu)由于撒鹽除雪行為使大量的氯化鈣和氯化鈉滲入其中引發(fā)鋼筋銹蝕[8]。
氯離子侵蝕的形成機理示意圖如圖2 所示。
圖2 氯離子侵蝕機理圖
堿-骨料反應是混凝土中的活性礦物骨料與其中的堿性孔隙溶液發(fā)生反應,從而生成膨脹弱強的鈣質(zhì),使得混凝土的強度大幅下降。 堿-骨料反應形成須具備3 個條件:①混凝土中同時存在活性礦物骨料、 堿性溶液和水。 水泥水化生成的硅酸二鈣(C2S)、硅酸三鈣(C3S)、鋁酸三鈣(Ca3AlO3)和少量的Ca (OH)2與骨料中的活性礦物骨料反應置換出NaOH 和KOH 等堿性物質(zhì),當生成的堿性物質(zhì)濃度較低時,不足以引起混凝土的破壞;②堿性溶液濃度適中。 堿性溶液濃度過低達不到混凝土的破壞條件,若混凝土空隙中的堿性溶液如氫氧化鉀濃度過高,反而會破壞O-Si 之間的結(jié)合鍵,從而抑制反應的持續(xù)深入進行;③混凝土中含水量充足。 活性礦物骨料中的堿性硅膠會吸收微孔中的水分導致混凝土體積膨脹,混凝土中水分充足時體積可增大一倍,因為水泥漿硬化時這種膨脹會受到約束,從而約束產(chǎn)生的張拉力會使結(jié)構(gòu)外側(cè)的混凝土的開裂[8]。且混凝土中堿-骨料反應一旦發(fā)生,不易修復,對混凝土結(jié)構(gòu)的承載力損傷極大。
堿-硅酸鹽的反應機理類似于堿-硅酸的反應機理,反應引起的混凝土破壞可歸結(jié)白云石等酸性石質(zhì)與堿性骨料反應引起的體積膨脹[9]。堿-碳酸鹽的反應生成物可以繼續(xù)與水泥水化反應生成物Ca(OH)2反應從而生成ROH: 而ROH 白云石等酸性石質(zhì)繼續(xù)發(fā)生去白云石氏反應。 在反應循環(huán)往復進行中堿性物質(zhì)不斷生成而又被被持續(xù)消耗,使混凝土鈣化而強度不斷降低。
混凝士在吸水飽和狀態(tài)下經(jīng)歷高低溫交替影響,產(chǎn)生凍融循環(huán)破壞的現(xiàn)象稱為凍融破壞[10]?;炷涟l(fā)生凍融破壞是因為混凝土內(nèi)部存在著大量的腔凝孔非毛細孔, 這些孔隙中往往會被空氣所填充,故毛細孔中水分的凍結(jié)膨脹作用會被這些氣孔所緩沖,從而抵消了大部分的膨脹壓力,避免了混凝士內(nèi)部結(jié)構(gòu)的破壞; 當毛細孔中的冰消融后,重新化為膠凝孔和毛細孔中的游離水,在滲透壓作用下, 游離水會向新生成的毛細孔和腔凝孔滲透,于是在新的毛細孔中又產(chǎn)生一種滲透壓力。 當毛細孔再次吸水飽和, 水凍結(jié)成冰后其體積進一步膨脹,如此循環(huán)作用下,毛細孔壁所受膨脹壓和滲透壓總和超過混凝士的抗拉強度時混凝土就會出現(xiàn)開裂。
凍融破壞的必要條件:一是混凝土須處于吸水飽和狀態(tài),二是混凝土須經(jīng)歷循環(huán)的結(jié)凍消融破壞周期。 鹽凍破壞是一種特殊形式的凍融破壞,發(fā)生破壞的機理與凍融破壞較為相似,但也具有自身破壞特點。 一方面鹽凍破壞的必要條件會對凍融破壞產(chǎn)生一定的抑制作用,受凍混凝土孔隙由于鹽分產(chǎn)生的自由離子濃度增大產(chǎn)生更大的滲透壓,而且含飽和鹽分的混凝土在水分蒸發(fā)會而形成結(jié)晶,會對混凝土毛細孔產(chǎn)生額外的結(jié)晶壓力。 另一方面,因為混凝土鹽凍破壞是在鹽溶液和凍融循環(huán)的共同作用下引起的混凝土破壞,故鹽凍破壞的破壞程度要比凍融破壞要嚴重很多。
硫酸鹽侵蝕現(xiàn)象是指土壤中的硫酸鹽濃度超過一定限值時對混凝土產(chǎn)生侵蝕作用。 硫酸鹽能與混凝土發(fā)生反應使其中的水泥漿體積增大從而產(chǎn)生膨脹破壞。 混凝土被硫酸鹽侵蝕后其強度呈兩個階段變化:①侵蝕早期階段。 侵蝕作用生成的鹽結(jié)晶體充滿混凝土中的孔隙,使混凝士孔隙率明顯增大,強度和密實度也隨之提高;②侵蝕發(fā)展階段。 生成的鹽結(jié)晶體過多使得混凝土孔隙結(jié)構(gòu)膨脹應力持續(xù)提高,當膨脹應力大于孔壁的極限壓力時孔結(jié)構(gòu)被的破壞,進而使混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部微裂縫不斷延伸擴展,混凝土強度和承載力不斷降低[11-12]。 其中硅灰石膏腐蝕、石膏腐蝕、鈣礬石腐蝕是最常見的硫酸鹽侵蝕方式。
硫酸鹽會對混凝發(fā)生腐蝕作用從而生成蓬松沒有強度的鈣礬石,混凝土表面出現(xiàn)開裂,從而形成膨脹通道加速硫酸鹽和氯離子擴散過程,使得鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)鋼筋發(fā)生嚴重銹蝕,大幅降低鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。
其中硅灰石膏腐蝕、石膏腐蝕、鈣礬石腐蝕是最常見的硫酸鹽侵蝕方式。
(1)硅灰石膏腐蝕
硫酸鹽侵蝕過程中生成膨脹性產(chǎn)物——硅灰石膏(Ca3Si(CO3)(SO4)(OH)6·12H2O),硅灰石膏與水泥中的碳酸鈣發(fā)生反應將其中的膠結(jié)材料水化硅酸鈣(CSH)轉(zhuǎn)化為強度很低的泥狀體,使得混凝土強度降低,同時致使混凝土表面產(chǎn)生鼓脹、隆包、開裂等病害[11]。
(2)石膏腐蝕
石膏腐蝕是指水泥水化反應生成的氫氧化鈣等堿性產(chǎn)物與硫酸鹽溶液中的硫酸鈉、硫酸鉀和發(fā)生反應生成石膏等產(chǎn)物[11],反應過程中由于石膏的生成使得混凝土發(fā)生膨脹開裂破壞。
(3)鈣礬石腐蝕
水泥熟料礦物C3A 的水化產(chǎn)物水化單硫鋁酸鈣(3CaO·Al2O3·3CaSO4·30-32H2O)和水化鋁酸鈣(C3AH6) 都能同石膏發(fā)生反應析出三硫鋁酸鈣固體,使混凝土體積增大從而產(chǎn)生破壞作用[11]。
目前針對于鋼筋混凝土橋梁耐久性下降的防護技術(shù)主要有采用環(huán)氧涂層鋼筋、 鋼筋阻銹劑、電化學保護和混凝土外涂層等幾種方式[13-14]。
(1)環(huán)氧涂層鋼筋防護技術(shù)是通過靜電粉末噴涂鋼筋表面形成一層致密的涂膜,達到防止侵蝕性介質(zhì)對鋼筋的侵蝕作用,從而避免鋼筋發(fā)生銹蝕病害。 但如若出現(xiàn)涂層漏洞與破損時,引起的鋼筋局部銹蝕病害往往發(fā)展的比無涂層鋼筋更惡劣。
(2)鋼筋阻銹劑是通過減緩陰極或陽極電子交換過程提高鋼筋電阻率,從而使鋼筋氧化還原反應減慢達到推遲鋼筋生銹時間和減緩鋼筋銹蝕速度的目的。 但是其實施條件是混凝土結(jié)構(gòu)須完整密實無破損空洞。
(3)電化學保護指的是依據(jù)電化學腐蝕原理,利用外部電流對鋼筋內(nèi)部的電位進行強行改變,從而降低鋼筋腐蝕速度的一種防護方式。 但該方式實施成本高,且工藝復雜對技術(shù)要求高,尚未推廣使用。
(4)混凝土外涂層是現(xiàn)階段使用較廣泛的混凝土防護技術(shù)。 該方法通過對混凝土表面噴涂粘聚性較好的聚合物類材料來達到混凝土的防護目的。 但外涂層的使用壽命有限,需要頻繁的對混凝土噴涂防護,全壽命周期性能和經(jīng)濟性不高。
傳統(tǒng)的橋梁技術(shù)狀況退化防護措施主要是從病害的“表面”來處理病害,沒有深入病害的發(fā)生根源與發(fā)展機理,存在實施條件要求高,經(jīng)濟性不佳且“治標不治本”的局限性,要想徹底抑制病害的反復發(fā)生和提高橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性,就要從影響橋梁結(jié)構(gòu)耐久性的影響因素和橋梁結(jié)構(gòu)耐久性退化機理出發(fā),才能做到“抑源清流”。
3.2.1 基于材料配比的耐久性退化防護措施
基于材料配比的鋼筋混凝土橋梁耐久性退化防護措施是通過選用合適的混凝土材料配比,或適當添加一些輔助性的穩(wěn)定性材料來改善混凝土材料內(nèi)部及與鋼筋不利的化學反應,破壞鋼筋與混凝土劣化反應所需必要性的內(nèi)部與外界環(huán)境,來達到控制鋼筋混凝土材料發(fā)生劣化,提高鋼筋混凝土橋梁結(jié)構(gòu)耐久性的目的。 主要通過以下措施來優(yōu)化混凝土材料的配比[15-16]:
(1)減少拌和水及膠凝材料漿體的用量
①選用良好級配和粒形的粗骨料;
②添加減水劑;
③添加低需水量比的礦物摻合料。
(2)增強鋼筋混凝土界面的粘結(jié)性
①根據(jù)橋梁所處外部環(huán)境選擇合理的水泥品種;
②通過混凝土攪拌過程中引入氣態(tài)有機物降低混凝土的毛細孔滲透性,氣態(tài)有機物多選用憎水性聚合物;
③通過向混凝土中摻用DH9 等引氣劑來減少混凝土內(nèi)部的滲水通道, 使混凝土內(nèi)部的開口孔、連通孔變成閉口孔,增強混凝土的抗凍性,減少其吸水性能。
(3)防止混凝土內(nèi)部發(fā)生堿骨料反應
控制混凝土組成材料中的氯離子含量,以及降低氯離子滲透量。
3.2.2 基于材料力學性能的耐久性退化防護措施
基于材料力學性能的耐久性退化防護措施是指通過采用耐久性高的新型混凝土替代橋梁主要受力構(gòu)件的普通混凝土材料來達到提高橋梁結(jié)構(gòu)受力性能和耐久性的目的。
超高性能混凝土(UHPC)是一種含有較高比例微細短鋼纖維的增強材料,材料由不同粒徑的材料顆粒填充而成,相較于普通混凝土,UHPC 的拉壓強度不僅可達到120 MPa 左右,且其抗拉強度可達到10 MPa 左右[17-18],遠大于普通混凝土的抗拉強度。UHPC 梁與鋼梁和普通混凝土梁的等效置換效果圖如圖3 所示。 UHPC 由于具有非常致密的細觀結(jié)構(gòu)而具有超強的耐久性,主要體現(xiàn)在抗鹽離子腐蝕能力、 抗氯離子滲透能力及抗凍融循環(huán)能力等方面,避免結(jié)構(gòu)發(fā)生堿骨料反應破壞和硫酸鹽侵蝕破壞,UHPC 材料憑借其致密的結(jié)構(gòu)孔隙有利于提高大體積混凝土結(jié)構(gòu)的抗裂性能,且其輕質(zhì)高強的特性可解決大跨徑鋼筋混凝土橋梁出現(xiàn)的跨中下?lián)虾涂缰袇^(qū)段橫向裂縫等典型病害[19-20]。
圖3 UHPC 梁與鋼梁和普通混凝土梁的等效置換
當前UHPC 材料在橋梁領(lǐng)域的應用技術(shù)日益成熟,廣泛應用于橋梁結(jié)構(gòu)中對耐久性要求較高的橋面板等部件,且應用范圍也愈加廣泛,鋼-UHPC、砼-UHPC 等組合結(jié)構(gòu)橋梁也已取得突飛猛進的進展,在橋梁主梁、墩柱等主要受力結(jié)構(gòu)中也充分發(fā)揮了UHPC 高強、高耐久性的優(yōu)勢[21-22],對橋梁全壽命周期內(nèi)耐久性的提高起到了積極的推動作用。
(1)橋梁結(jié)構(gòu)的技術(shù)狀況退化是一個不可避免的自然過程, 其結(jié)構(gòu)性能只能維持不變或下降的趨勢, 橋梁結(jié)構(gòu)耐久性的劣化是其技術(shù)狀況下降的體現(xiàn)。
(2)傳統(tǒng)的橋梁耐久性退化防護措施往往存在實施條件要求高,經(jīng)濟性不佳且“治標不治本”的局限性,從影響橋梁結(jié)構(gòu)耐久性的影響因素和橋梁結(jié)構(gòu)耐久性退化機理出發(fā),才能做到“抑源清流”,從根本上抑制病害的反復發(fā)生從而提高橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性。
(3)基于材料配比的耐久性退化防護措施通過選用合適的混凝土材料配比來達到控制鋼筋混凝土材料發(fā)生劣化,提高鋼筋混凝土橋梁結(jié)構(gòu)耐久性的目的, 可通過減少拌和水及膠凝材料漿體的用量、增強鋼筋混凝土界面的粘結(jié)性、控制混凝土組成材料中的氯離子含量以及降低氯離子滲透量等途徑進行有效實施。
(4)既有鋼筋混凝土橋梁的技術(shù)狀況退化很大程度上是由于材料性能劣化導致,除了一方面加強橋梁的養(yǎng)護加固工作外,另一方面要從結(jié)構(gòu)的材料選取入手,開展材料性能劣化對比是十分必要的。
(5)UHPC 材料在橋梁結(jié)構(gòu)橋面板、主梁、墩柱等部件和鋼-UHPC、 砼-UHPC 等組合結(jié)構(gòu)中的廣泛應用能夠充分發(fā)揮UHPC 高強、 高耐久性的優(yōu)勢,對橋梁全壽命周期降低成本和提高耐久性起到了積極的推動作用。