王慶元

（中交遠(yuǎn)洲交通科技集團(tuán)有限公司，河北 石家莊 050000）

0 引言

道路交通運(yùn)輸行業(yè)的高速發(fā)展推動(dòng)了高速公路項(xiàng)目工程建設(shè)的發(fā)展，而橋梁工程是高速公路的重點(diǎn)控制工程[1]，在發(fā)展過(guò)程中也暴露出了一些缺陷和不足，如混凝土開裂、橋梁結(jié)構(gòu)鋼筋腐蝕、混凝土碳化等，都對(duì)橋梁的使用壽命有明顯影響[2-3]。因此，研究高速公路橋梁耐久性設(shè)計(jì)具有重要意義。本文以邯港高速南運(yùn)河特大橋作為研究對(duì)象，對(duì)相關(guān)工作的實(shí)施展開詳細(xì)研究。在設(shè)計(jì)前，進(jìn)行橋梁所屬水域水質(zhì)的分析，并在此基礎(chǔ)上，針對(duì)橋址區(qū)域的水文地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)材料的選型，以確保設(shè)計(jì)的橋梁可以滿足該工程耐久性的需要。

1 工程概況

邯港高速公路位于河北中南部衡水和滄州兩市，作為連接河北中南部地區(qū)、魯西北地區(qū)及京津兩市的快速通道，有效縮短了城市之間的距離，提高城市連接性。高速公路建設(shè)項(xiàng)目的實(shí)施將有效加強(qiáng)黃驊港與衡水的經(jīng)濟(jì)聯(lián)系，形成以衡水市及冀中南地區(qū)為中心，與大廣、衡德、京臺(tái)、京滬、津汕等沿海高速相連接的一條快速出海通道，使衡水市成為京津冀區(qū)域交通物流樞紐，可以有效提升衡水市加入環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)圈的進(jìn)程，推動(dòng)京津冀區(qū)域協(xié)同發(fā)展，促進(jìn)河北南部地區(qū)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)。邯港高速南運(yùn)河特大橋全長(zhǎng)1 899m，主橋上部結(jié)構(gòu)采用（90+2×135+90）m 的預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆變截面連續(xù)箱梁，引橋采用2×6×（3×40） m 的先簡(jiǎn)支后連續(xù)T 梁，下部結(jié)構(gòu)主橋采用空心薄壁墩，引橋采用柱式橋墩、肋板式臺(tái)、樁基礎(chǔ)。

2 環(huán)境類別與作用等級(jí)

該橋位于河北省衡水市，屬于大陸季風(fēng)氣候區(qū)，為溫暖半干旱型。一年四季，體感溫差明顯，季節(jié)分明，全年平均溫度13℃。夏季時(shí)，會(huì)受到太平洋暖氣流的影響，該地區(qū)處于偏悶熱狀態(tài)，極端最高氣溫42.7℃；受太平洋副高邊緣的偏南氣流影響，7 月～8月集中降水，年平均降水量為542.6mm；冬季由于受到西北季風(fēng)影響，地區(qū)溫度較低，雨雪較少，極端最低氣溫-23℃，最大凍深53cm。

據(jù)水質(zhì)分析資料，橋址區(qū)地表水pH 值=8.04，地下水pH 值=7.51，均屬弱堿性水。如果橋梁鋼筋長(zhǎng)時(shí)間浸水或處于干濕交替情況，便會(huì)發(fā)生地表水和地下水腐蝕橋梁混凝土的情況，影響橋梁耐久度。勘察橋址區(qū)環(huán)境類別為Ⅱ類，根據(jù)項(xiàng)目氣象環(huán)境和水土調(diào)研結(jié)果，橋址處所處環(huán)境作用等級(jí)可參考表1。

表1 環(huán)境作用等級(jí)劃分

同一環(huán)境類別下，橋梁的不同結(jié)構(gòu)部位所產(chǎn)生的環(huán)境作用等級(jí)也有所不同。因此，在實(shí)際施工過(guò)程中需要根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)部位環(huán)境作用等級(jí)制定對(duì)應(yīng)的施工措施，以提高橋梁耐久度，保證其使用壽命，具體結(jié)構(gòu)部位環(huán)境作用等級(jí)如表2所示。

表2 結(jié)構(gòu)部位環(huán)境作用等級(jí)

3 橋梁高性能混凝土材料選擇

橋梁上下部結(jié)構(gòu)采用低水膠比配置的高性能混凝土進(jìn)行施工，保證橋梁混凝土性能穩(wěn)定。通過(guò)將水泥、粗細(xì)集料、礦物摻合料和外加劑等材料按照一定比例配置后，形成一種性能穩(wěn)定、強(qiáng)度高、耐久性好的混凝土材料。配置后的混凝土抗凍融性能較好，同時(shí)具有較強(qiáng)的抗銹蝕和抗?jié)B性能，其氯離子的滲透率較低。由此表明，高性能混凝土可以有效提升橋梁的抗化學(xué)腐蝕性能。

3.1 水泥

選用強(qiáng)度等級(jí)不低于P.O 42.5 的硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥，不宜使用早強(qiáng)型水泥，比表面積大于300m2/kg，小于350m2/kg，氯離子含量應(yīng)小于0.06%，堿含量小于0.6%，鋁酸三鈣含量低于8%，其余指標(biāo)按照《通用硅酸鹽水泥》（GB175—2007）標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行選擇。以此確保水泥質(zhì)量穩(wěn)定、混凝土的體積穩(wěn)定，防止混凝土開裂，保證橋梁結(jié)構(gòu)使用壽命。

3.2 集料

粗集料不得采用卵石、礫石及砂巖等結(jié)構(gòu)不均勻的碎石，應(yīng)選擇形狀良好、粒徑合格、集配合理、孔隙率小而且質(zhì)地結(jié)實(shí)的潔凈碎石。細(xì)集料采用集配良好、吸水率低、細(xì)度模數(shù)2.6～3.2 的堅(jiān)固中粗河沙或機(jī)制砂。采用優(yōu)質(zhì)的沒(méi)有堿活性反應(yīng)的粗、細(xì)集料，可以有效提升橋梁結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。

3.3 礦物摻合料

選擇性能穩(wěn)定的F 類粉煤灰和磨細(xì)的礦渣作為礦物摻合料。按照《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》（GB/T 1596—2017）二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)和《用于水泥、灰漿和混凝土中的?；郀t礦渣粉》（GB/T 18046—2017）中S95級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行選擇和檢測(cè)。

3.4 外加劑

選擇高性能的聚羧酸減水劑，其具有更好的水泥適應(yīng)性，促進(jìn)水泥顆粒的分散，增強(qiáng)攪拌效果，可以大幅度提高混凝土的強(qiáng)度，有效提升拌和物的流動(dòng)性。

3.5 拌和用水

一般情況下選擇清潔的淡水，不得采用污水和pH 值小于5的酸性水。拌和用水需要按照《混凝土用水標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ 63—2006）中的規(guī)定進(jìn)行配比。

4 橋梁耐久性設(shè)計(jì)措施

4.1 提高混凝土保護(hù)層質(zhì)量

橋梁結(jié)構(gòu)處于濕潤(rùn)的大氣環(huán)境中，空氣中的CO2滲入混凝土與混凝土中的堿性物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)形成碳酸鹽，隨著時(shí)間的增加混凝土碳化的程度會(huì)逐漸加深，破壞鋼筋表面的鈍化膜，減弱混凝土對(duì)鋼筋的保護(hù)作用，引起橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)鋼筋銹蝕，降低橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力，影響橋梁的使用年限。因此，提高混凝土保護(hù)層質(zhì)量對(duì)保證橋梁壽命至關(guān)重要。

根據(jù)橋梁所處環(huán)境類別及橋梁部位，選擇合適的混凝土強(qiáng)度等級(jí)及適當(dāng)?shù)幕炷帘Ｗo(hù)層厚度。優(yōu)化混凝土配合比設(shè)計(jì)，選擇合適的原材料、適當(dāng)?shù)乃冶?，施工?yīng)加強(qiáng)混凝土振搗質(zhì)量，提高混凝土的密實(shí)度，適當(dāng)增加保護(hù)層厚度，防止橋梁鋼筋銹蝕。對(duì)重要結(jié)構(gòu)及易腐蝕部位增加混凝土防腐涂層，保證橋梁結(jié)構(gòu)的使用壽命，確保結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)穩(wěn)定工作。

4.2 氯離子含量控制

橋梁鋼筋的腐蝕程度受氯離子含量的影響較大，鋼筋的銹蝕影響橋梁的使用安全，降低混凝土中氯離子含量是提高橋梁耐久性重要措施。混凝土中氯離子主要來(lái)源于原材料中水泥、砂、礦物摻合料、水、外加劑等，在混凝土制備過(guò)程中，不僅要控制各原材料中氯離子含量符合相關(guān)規(guī)范要求，還應(yīng)控制混凝土中總的氯離子含量，鋼筋混凝土不大于0.1%，預(yù)應(yīng)力混凝土不大于0.06%。優(yōu)化配合比設(shè)計(jì)，控制混凝土電通量值，采用抗?jié)B透性好的混凝土，同時(shí)提高混凝土的施工質(zhì)量，減少氯離子對(duì)橋梁鋼筋的腐蝕。對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)處于氯化物侵入的環(huán)境時(shí)，氯化物通過(guò)毛細(xì)管的吸收擴(kuò)散侵入混凝土中，造成鋼筋的銹蝕，對(duì)混凝土表面進(jìn)行憎水處理，可防止氯化物滲入混凝土腐蝕鋼筋，同時(shí)增加混凝土的抗凍性，提高橋梁的耐久性。

4.3 混凝土裂縫控制

橋梁高性能混凝土材料選取時(shí)，應(yīng)控制水泥的細(xì)度、水化熱、礦物成分，不宜使用過(guò)細(xì)的水泥，對(duì)水化迅速、水化熱大的鋁酸三鈣應(yīng)控制含量不超過(guò)8%?；炷良尤氲V物摻合料可以替代部分水泥，減少水泥的用量，進(jìn)而減少水泥的水化熱?；炷林屑尤氲V物摻合料，可以提高混凝土的黏聚性，降低水膠比，減少游離水的含量，減少混凝土的收縮裂縫，提高混凝土的抗?jié)B性和密實(shí)性。不得選擇堿活性骨料，不使用含堿化學(xué)添加劑的材料，堿與骨料反應(yīng)造成體積膨脹，積聚應(yīng)力造成混凝土開裂，引起鋼筋銹蝕，降低結(jié)構(gòu)的承載能力。

水泥水化過(guò)程中產(chǎn)生大量水化熱，使混凝土內(nèi)部溫度升高，如果水化熱不能及時(shí)散發(fā)，會(huì)造成混凝土內(nèi)外溫差，形成溫度應(yīng)力，隨著溫度應(yīng)力的積聚，當(dāng)溫度應(yīng)力超過(guò)混凝土的約束力時(shí)，會(huì)造成混凝土開裂。施工時(shí)需要控制混凝土的內(nèi)外溫差，尤其是大體積混凝土，應(yīng)優(yōu)化配合比設(shè)計(jì)，采用低水化熱水泥，通過(guò)摻加礦物摻合料和外加劑，盡可能降低水泥的用量，減緩凝結(jié)時(shí)間。澆筑過(guò)程中根據(jù)構(gòu)件大小分層、分段、斜面澆筑，利用澆筑面散熱，防止水化熱大量積聚，產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力。施工時(shí)，在混凝土內(nèi)部設(shè)置冷卻管，通過(guò)冷卻水降低內(nèi)部溫度，同時(shí)延緩混凝土的拆模時(shí)間，拆模后及時(shí)對(duì)混凝土覆蓋保溫材料，通過(guò)內(nèi)部降溫、外部保溫措施，確保混凝土內(nèi)外的溫差在20℃之內(nèi)。加強(qiáng)對(duì)混凝土的養(yǎng)護(hù)，使其保持適當(dāng)?shù)臏貪穸?，降低混凝土產(chǎn)生裂縫的概率。

4.4 提高橋梁防水功能

橋梁鋼筋發(fā)生銹蝕的主要原因之一就是雨水的下滲，因此需要充分提高橋梁的防排水功能。橋梁后期養(yǎng)護(hù)情況表明，橋梁在使用過(guò)程中由于泄水管設(shè)置不足和泄水管堵塞造成橋面的排水不暢，伸縮縫橡膠密封條破損使雨水滲透至梁板、蓋梁、墩臺(tái)等結(jié)構(gòu)部位，造成混凝土腐蝕、開裂、脫落和鋼筋銹蝕。因此，在橋梁耐久度設(shè)計(jì)中，需要合理鋪設(shè)防水層，利用柔性防水與剛性防水相結(jié)合的方式，保證橋面防水性能。同時(shí)提高混凝土的密實(shí)性和抗?jié)B能力，強(qiáng)化梁端錨頭封錨混凝土控制，防止梁頭等構(gòu)件滲水。

橋梁防水層應(yīng)橫橋向閉合鋪設(shè)，加強(qiáng)對(duì)排水口、轉(zhuǎn)角、伸縮縫等部位的質(zhì)量控制。根據(jù)降雨量大小、橋梁寬度、橋梁縱橫坡度合理設(shè)置泄水管。泄水管采用鑄鐵管、鋼管、PE 管等，不得通過(guò)混凝土構(gòu)件表面排水。泄水孔頂面應(yīng)低于混凝土調(diào)平層，四周邊緣設(shè)排水盲溝，泄水管出口應(yīng)與混凝土構(gòu)件表面保持一定距離，防止排水過(guò)程中污染梁體，泄水口不得沖刷墩臺(tái)基礎(chǔ)。加強(qiáng)伸縮縫處排水設(shè)計(jì)，為適應(yīng)伸縮縫變形，伸縮縫處縱向排水管采用柔性伸縮套管，伸縮縫兩側(cè)混凝土采用微膨脹抗?jié)B混凝土，控制伸縮縫處橡膠密封條質(zhì)量，避免雨水下滲影響梁板等結(jié)構(gòu)，嚴(yán)格把控施工質(zhì)量。

4.5 管理與養(yǎng)護(hù)

隨著運(yùn)輸行業(yè)的發(fā)展，運(yùn)營(yíng)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)車輛超載現(xiàn)象，超載車輛對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性有著極為不利地影響，嚴(yán)重影響橋梁的安全和使用壽命，運(yùn)營(yíng)過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)超載車輛的管控，限制超載車輛通行。加強(qiáng)運(yùn)營(yíng)期橋梁的日常巡查和定期檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)影響橋梁使用安全的問(wèn)題及時(shí)采取措施進(jìn)行處理，改變以往重建設(shè)輕養(yǎng)護(hù)的態(tài)度。支座及伸縮縫的失效會(huì)改變橋梁的結(jié)構(gòu)受力特性，縮短橋梁的使用壽命，由于橋梁的支座、伸縮縫等結(jié)構(gòu)部位使用壽命遠(yuǎn)低于主梁等主體結(jié)構(gòu)的壽命，在運(yùn)營(yíng)期應(yīng)加強(qiáng)對(duì)其檢測(cè)，對(duì)損壞部分及時(shí)維修、更換。

在以往橋梁的養(yǎng)護(hù)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，汽車的長(zhǎng)期作用使橋面平整度發(fā)生破壞，橋面的凹凸不平會(huì)使汽車車輪對(duì)橋面的沖擊力增加，加劇對(duì)橋梁的破壞，應(yīng)對(duì)日常巡查中發(fā)現(xiàn)的破損部位進(jìn)行鑿除，修補(bǔ)鋪裝層病害，保證路面平整。橋梁在使用過(guò)程中，由于荷載作用及混凝土的收縮徐變會(huì)產(chǎn)生裂縫，隨著裂縫的增大會(huì)導(dǎo)致鋼筋銹蝕，從而降低橋梁的承載能力，因此要加強(qiáng)對(duì)裂縫的檢測(cè)，根據(jù)裂縫類型進(jìn)行處理，對(duì)表層裂縫采用灌漿處理，對(duì)深層裂縫，先分析原因，在根據(jù)具體情況采取相應(yīng)的加固措施。橋面排水不暢會(huì)造成橋面積水，積水下滲會(huì)腐蝕橋梁結(jié)構(gòu)，影響橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性，養(yǎng)護(hù)期間應(yīng)加強(qiáng)巡查，發(fā)現(xiàn)橋面積水及時(shí)清除，對(duì)泄水管按時(shí)疏通。

5 結(jié)語(yǔ)

橋梁在建設(shè)和使用過(guò)程中，受自然因素和外部荷載作用的影響，橋梁構(gòu)件性能逐漸退化，影響橋梁的正常使用。橋梁結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)行取決于設(shè)計(jì)是否合理，后期養(yǎng)護(hù)維修是否得當(dāng)。本文以邯港高速南運(yùn)河特大橋?yàn)橐劳?，?duì)橋梁結(jié)構(gòu)、混凝土材料選擇和橋梁耐久性設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行研究，提出相應(yīng)的具體施工技術(shù)方案與養(yǎng)護(hù)措施。