雷亮

（新疆兵團勘測設(shè)計院（集團）有限責任公司，新疆烏魯木齊 830000）

0 引言

高寒地區(qū)工程建設(shè)一直是我國工程建設(shè)中的難點和重點。隨著我國學者對凍土的基礎(chǔ)理論研究取得突破（如程氏假說等），高寒地區(qū)凍土生成和變化機制等也被越來越多人所熟悉，這些基礎(chǔ)理論的發(fā)展推動著我國高寒地區(qū)的工程建設(shè)迅速發(fā)展。

對于高寒地區(qū)而言，橋梁可以顯著地縮減通行時間，對交通運輸起著重要作用。我國高寒地區(qū)大部分橋梁采用混凝土梁橋的結(jié)構(gòu)形式，其作為一種強度高、耐久性好的材料被大量工程使用[1]，但在高寒地區(qū)惡劣環(huán)境下，混凝土橋梁耐久性問題依然需要重視。

混凝土橋梁的耐久性問題發(fā)生的誘因是多方面的：①隨著全球氣候變暖情況的加劇，高寒地區(qū)凍土退化現(xiàn)象越發(fā)明顯，極易誘發(fā)地表下沉，嚴重影響高寒地區(qū)的橋梁工程穩(wěn)定性；②高寒地區(qū)的橋梁建設(shè)有其特殊性，惡劣的環(huán)境極易引起混凝土結(jié)構(gòu)劣化，出現(xiàn)病害；③混凝土橋梁在設(shè)計時設(shè)計人員大多只關(guān)注橋梁的結(jié)構(gòu)安全性設(shè)計[2]，忽視混凝土梁橋的耐久性設(shè)計。

在我國西北高寒地區(qū)，對當?shù)噩F(xiàn)存橋梁進行病害狀況調(diào)研發(fā)現(xiàn)，許多混凝土梁橋存在病害，亟待解決。為使今后高寒地區(qū)混凝土橋梁的耐久性問題得到解決，本文擬通過對高寒地區(qū)混凝土梁橋的常見病害的產(chǎn)生機制進行分析，提出有針對性的設(shè)計方案，以解決混凝土梁橋的耐久性問題，為今后高寒地區(qū)的混凝土橋梁設(shè)計提供建議和指導。

1 高寒地區(qū)區(qū)位特點及其對混凝土橋梁的影響

1.1 氣候特點

我國高寒地區(qū)大多位于我國西北方，主要分布在黃河上游，如甘肅、青海、新疆等地，海拔高，常年氣溫較低，且由于這部分地區(qū)位于內(nèi)陸，受秦嶺山脈的阻隔往往降雨較少，降雨季節(jié)集中在夏季，屬于溫帶大陸性氣候。

1.2 環(huán)境特點

高寒地區(qū)由于常年氣溫較低且海拔高，受太陽輻射較強，因此，大部分地區(qū)分布有季節(jié)性凍土，冬季凍脹夏季融沉，對工程有不利影響。在冬季高寒地區(qū)，橋梁經(jīng)常面臨積雪情況。

1.3 高寒地區(qū)區(qū)位特點對混凝土梁橋的影響

高寒地區(qū)特有的氣候特征和環(huán)境特點極易誘發(fā)該地區(qū)的混凝土梁橋出現(xiàn)病害。在外界凍融作用下，混凝土橋梁墩臺易出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，使得橋梁承載力被削弱，進而引發(fā)其他如混凝土碳化、鋼筋銹蝕等病害，對混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性造成影響。

高寒地區(qū)混凝土梁橋主要考慮其受彎性能，設(shè)計使用年限較長，大多數(shù)橋梁的跨徑較小，設(shè)計受力為單板受力。這種設(shè)計方式會導致板梁之間的橫向連接發(fā)生破壞，使得預(yù)制板受力達到極限，引發(fā)混凝土出現(xiàn)裂縫，從而引發(fā)鋼筋銹蝕[3]、混凝土碳化等病害[4]，影響其正常使用，對混凝土梁橋結(jié)構(gòu)安全造成影響。常見的高寒地區(qū)混凝土梁橋病害圖見圖1、圖2。

圖1 梁底裂縫

圖2 橋臺腐蝕

2 高寒地區(qū)混凝土梁橋常見病害機理分析

2.1 橋梁結(jié)構(gòu)凍融破壞

影響高寒地區(qū)混凝土耐久性的首要因素就是高寒地區(qū)的凍融破壞問題，混凝土在凍融的過程中強度逐步降低，直至發(fā)生破壞。關(guān)于混凝土凍融破壞的產(chǎn)生機理，國內(nèi)外的學者提出了很多不同的看法，其中較為統(tǒng)一的觀點就是內(nèi)部孔隙水作用影響混凝土的凍融破壞?？紫端淖饔梅绞胶屯緩降南嚓P(guān)研究中，較為著名的是Powers等人的靜水壓理論和滲透壓理論，其中靜水壓理論[5]主要是分析混凝土之所以發(fā)生凍融破壞，是由于水凍結(jié)成冰體積會膨脹9%，混凝土內(nèi)部的孔隙水被凍結(jié)之后，內(nèi)部孔隙逐步被冰體填滿，混凝土內(nèi)部在靜水壓力作用下將導致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫發(fā)生破壞。靜水壓理論計算模型見圖3。靜水壓理論認為靜水壓力是引起破壞的全部因素，理論上只要孔隙夠大，混凝土就不會被拉裂。但是還有很多實際現(xiàn)象是靜水壓理論難以解釋的，在此基礎(chǔ)上發(fā)展出了滲透壓理論，滲透壓理論在考慮集料孔隙的基礎(chǔ)上對水泥漿體的滲透過程進行分析，認為混凝土內(nèi)部溶液呈堿性，當氣溫降低內(nèi)部水體結(jié)冰之后，溶液濃度隨之上升，將會與未凍水發(fā)生離子交換和水交換，在這個遷移的過程中，水分子遷移快，而離子遷移速度較慢，將會產(chǎn)生滲透壓力，這個過程中滲透壓力作用將導致混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)破壞。

2.2 除冰鹽引起的結(jié)構(gòu)侵蝕

高寒地區(qū)道路時常積雪對車輛通行產(chǎn)生影響，通常的解決方法是使用除冰鹽進行道路除冰。目前，已有不少研究證明除冰鹽會使得橋梁內(nèi)部的鋼筋出現(xiàn)銹蝕，對混凝土橋梁的結(jié)構(gòu)耐久性造成影響。高寒地區(qū)頻繁使用除冰鹽進行除冰，鹽中攜帶的氯離子滲入到混凝土內(nèi)部會對混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生侵蝕，許多學者進行了氯離子對混凝土結(jié)構(gòu)的破壞機制的相關(guān)研究，認為氯離子通過破壞鋼筋表面鈍化膜，進而誘發(fā)鋼筋出現(xiàn)銹蝕破壞。鋼筋在混凝土內(nèi)部時本身是帶有鈍化膜的，這是堿性的漿液環(huán)境造就的。除冰鹽中的氯離子滲透入混凝土內(nèi)部并不直接改變其內(nèi)部環(huán)境，而是和鈍化膜中的鐵離子進行反應(yīng)生成綠銹，綠銹氧化又重新釋放氯離子，加深對鈍化膜的影響。缺少鈍化膜保護的鋼筋易發(fā)生銹蝕，在銹蝕過程中鋼筋體積膨脹擠壓混凝土，使混凝土內(nèi)部出現(xiàn)裂縫，結(jié)構(gòu)受力性能和承載能力降低，威脅結(jié)構(gòu)安全。

2.3 混凝土碳化

混凝土碳化其實就是混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)與水和二氧化碳發(fā)生反應(yīng)的結(jié)果，這個過程會使混凝土內(nèi)部環(huán)境由堿性轉(zhuǎn)化為酸性，鈍化膜被腐蝕破壞，其直接后果是混凝土內(nèi)部鋼筋出現(xiàn)銹蝕?；炷涟l(fā)生碳化反應(yīng)的過程見圖4。

圖3 靜水壓理論模型[5]

圖4 混凝土碳化過程

2.4 鋼筋銹蝕

鋼筋銹蝕對混凝土耐久性影響較大，其產(chǎn)生原因與環(huán)境關(guān)系密切。《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計規(guī)范》（GB/T50476—2019）將鋼筋銹蝕的環(huán)境和原因進行分類，見表1。

表1 鋼筋銹蝕分類

高寒地區(qū)的地理區(qū)位遠離海洋，且已對除冰鹽氯鹽破壞機理和混凝土碳化等過程進行分析，本文只對凍融環(huán)境下鋼筋銹蝕機理進行分析。在高寒地區(qū)，混凝土在凍融作用下極易發(fā)生表面砂漿脫落，骨料裸露在空氣中，鋼筋與水和氧氣在同一環(huán)境下產(chǎn)生銹蝕，主要是當鋼筋表面存在電位差時，相當于陰陽極，在鋼筋表面的陽極生成的Fe2+和陰極生成的(OH)-反應(yīng)生成Fe(OH)2，促使鋼筋銹蝕。

3 高寒地區(qū)混凝土梁橋耐久性設(shè)計

3.1 混凝土橋梁耐久性設(shè)計原則

高寒地區(qū)混凝土橋梁的耐久性設(shè)計應(yīng)因地制宜，根據(jù)實際情況制定相應(yīng)的設(shè)計原則，確保項目建設(shè)科學合理，兼具經(jīng)濟性。設(shè)計原則可分為以下幾個方面：

（1）環(huán)境分區(qū)預(yù)設(shè)計。高寒地區(qū)區(qū)域廣泛，不同地區(qū)進行混凝土橋梁設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)工程當?shù)丨h(huán)境、氣溫等條件進行分區(qū)，評價環(huán)境、氣溫等因素對混凝土橋梁耐久性的影響程度，針對環(huán)境因素對耐久性進行預(yù)設(shè)計。

（2）橋孔合理布置。橋孔布置需要和當?shù)氐淖匀坏乩項l件相匹配，適應(yīng)性強，滿足需求。

（3）工程材料選擇滿足適用性和經(jīng)濟性。高寒地區(qū)工程材料的選擇要充分考慮結(jié)構(gòu)實際的受力需求和環(huán)境等因素，保證經(jīng)濟性和安全耐久性。

3.2 混凝土配合比設(shè)計

混凝土原材料的配合比對混凝土材料的耐久性有直接影響，合理配制混凝土可以極大地提高混凝土的抗?jié)B、抗凍、抗腐蝕、抗碳化能力。

高寒地區(qū)混凝土的材料選用之前應(yīng)進行配合比設(shè)計，對水泥、集料、粉煤灰和外加劑等進行正交試驗設(shè)計，優(yōu)選出適合的混凝土配合比。此外，根據(jù)實際工程中不同部位出現(xiàn)病害的情況分析，對橋梁不同部位的混凝土配比進行分別設(shè)計，在滿足實際需求的情況下盡可能提高經(jīng)濟性。

氯鹽的大量滲入極大地破壞了混凝土的耐久性，引發(fā)混凝土橋梁發(fā)生病害，在耐久性設(shè)計中務(wù)必要提高橋梁的抗氯侵蝕能力。有關(guān)研究表明，在混凝土配合時選用較低的水膠比和水量、加入適量的粉煤灰和引氣劑等都能提高混凝土的抗?jié)B性能。除此之外，增長養(yǎng)護時間也是提高其抗?jié)B性能的重要方法。工程實踐中應(yīng)根據(jù)采用材料進行相關(guān)配比設(shè)計。

混凝土梁橋結(jié)構(gòu)中的混凝土在高寒地區(qū)要承受多次凍融作用，在反復(fù)凍融過程中結(jié)構(gòu)易產(chǎn)生裂縫，影響其受力性能和承載能力。影響抗凍能力最主要的因素是用水量和含氣量，選擇合理的用水量和引氣劑可以有效地減少混凝土內(nèi)部水凍結(jié)膨脹對結(jié)構(gòu)的損傷。

合理控制水膠比可以有效抑制混凝土碳化，控制水膠比可以對混凝土的密實度產(chǎn)生影響，水膠比越大，孔隙越大，密實度越差，混凝土也就越容易被碳化。因此配合比設(shè)計中也要合理選擇水膠比。

3.3 合理增加保護層厚度

為抵抗高寒環(huán)境對混凝土橋梁結(jié)構(gòu)耐久性的影響，可以通過適當增加混凝土保護層厚度的方式，提高其耐久性能。在選擇保護層的加厚厚度時，應(yīng)對工程當?shù)刈匀画h(huán)境條件對混凝土的影響程度進行分析，合理選擇加厚的保護層厚度。對不同部位的保護層進行加厚時，要充分根據(jù)實際情況進行選擇。

3.4 特殊部位著重加固

對于橋梁的特殊部位，如受剪受彎位置等對橋梁結(jié)構(gòu)安全影響較大的部位，應(yīng)對其耐久性進行更加保守的設(shè)計，在以上設(shè)計基礎(chǔ)上對其進行著重加固。在結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位進行著重加固處理，選取符合國家和行業(yè)標準的防腐涂料進行涂抹，在涂抹之前，應(yīng)先對涂抹部位進行預(yù)平整，涂抹之后做好維修養(yǎng)護工作。

3.5 橋梁線形設(shè)計

橋梁的耐久性受橋梁形式影響很大，橋梁線形應(yīng)盡可能簡單，避免應(yīng)力集中，使結(jié)構(gòu)受力更加合理，提高結(jié)構(gòu)的整體性。

3.6 控制構(gòu)造裂縫

混凝土橋梁出現(xiàn)病害多是由于構(gòu)造裂縫導致水和空氣侵入結(jié)構(gòu)內(nèi)部，使得混凝土結(jié)構(gòu)劣化，強度降低，因此在進行設(shè)計時應(yīng)盡量避免出現(xiàn)構(gòu)造裂縫，如采用預(yù)應(yīng)力式、合理控制配筋間距等措施，盡可能減少構(gòu)造裂縫。

4 結(jié)語

全球氣候變暖還在持續(xù)加快，高寒地區(qū)凍融循環(huán)作用會更加劇烈，高寒地區(qū)橋梁耐久性問題是一個普遍性工程問題，對高寒地區(qū)交通意義重大。今后，在高寒地區(qū)進行混凝土橋梁設(shè)計時應(yīng)在關(guān)注安全性基礎(chǔ)上更多考慮耐久性，對已建成的橋梁需要進行定期維護修復(fù)，及時對病害進行處理加固，確保高寒地區(qū)交通通暢運行。