李曉波

（中國鐵路設(shè)計集團有限公司，天津 300308）

鐵路鋼筋混凝土橋梁結(jié)構(gòu)在設(shè)計使用年限內(nèi)很少因強度不足而影響結(jié)構(gòu)使用功能，但由于耐久性問題不滿足設(shè)計使用要求的情況卻時有發(fā)生，造成巨額的加固維修費用，大大增加了鋼筋混凝土橋梁全壽命周期成本，因此有必要開展鐵路混凝土橋梁耐久性設(shè)計研究。

TB 10005-2010《鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計規(guī)范》［1］針對鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計歸納了6 種不同的環(huán)境類別，本文對不同環(huán)境類別下混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕機理以及腐蝕影響因素進行了系統(tǒng)的論述。研究成果可為鐵路鋼筋混凝土橋梁結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計提供參考。

1 混凝土腐蝕機理

1.1 碳化環(huán)境

混凝土碳化是指CO2氣體滲透到孔隙水中與水泥的水化產(chǎn)物氫氧化鈣（Ca（OH）2）等發(fā)生持續(xù)的中和反應(yīng)，導(dǎo)致孔隙周圍混凝土pH 降低；當混凝土碳化發(fā)生在鋼筋附近時會破壞鋼筋鈍化膜，引起鋼筋脫鈍，加速鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的退化。

1.2 氯鹽環(huán)境

環(huán)境中氯離子不斷向混凝土內(nèi)部滲透擴散引起鋼筋表面pH 降低，造成鋼筋脫鈍并處于電化學(xué)活化狀態(tài)，與鈍化膜尚未破壞區(qū)域產(chǎn)生電勢差，在水和氧氣的共同參與下，即可發(fā)生鋼筋的電化學(xué)腐蝕反應(yīng)。當陽極的氧化反應(yīng)和陰極的還原反應(yīng)相距較遠時，發(fā)生宏電池反應(yīng)，表現(xiàn)為鋼筋的坑蝕；當兩個反應(yīng)相距較近或處于同一位置時，發(fā)生微電池反應(yīng)，表現(xiàn)為鋼筋的均勻腐蝕。混凝土橋墩氯鹽環(huán)境下侵蝕破壞如圖1所示。

圖1 混凝土橋墩氯鹽環(huán)境下侵蝕破壞圖

1.3 化學(xué)侵蝕環(huán)境

硫酸鹽侵蝕按照有無化學(xué)反應(yīng)可分為化學(xué)侵蝕環(huán)境作用和鹽類結(jié)晶破壞環(huán)境作用，這兩種侵蝕類型往往同時存在。化學(xué)侵蝕是指硫酸鹽與混凝土中水化產(chǎn)物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成鈣礬石（CA3·3CaSO4·H32）、石膏（CaSO4·2H2O）等膨脹性礦物，最終導(dǎo)致混凝土膨脹開裂。

1.4 鹽類結(jié)晶破壞環(huán)境

鹽類結(jié)晶破壞是指硫酸鹽溶液滲透擴散進入到結(jié)構(gòu)內(nèi)部，孔隙溶液蒸發(fā)導(dǎo)致硫酸鹽結(jié)晶析出，當產(chǎn)生的結(jié)晶壓力超過混凝土抗拉強度時，會在混凝土孔隙壁上形成內(nèi)部裂紋。內(nèi)部裂紋形成后會導(dǎo)致硫酸鹽介質(zhì)更易進入混凝土內(nèi)部，內(nèi)部裂紋產(chǎn)生和發(fā)展將更加迅速，最終加速混凝土結(jié)構(gòu)的宏觀劣化。

1.5 凍融破壞環(huán)境

混凝土凍融破壞是北方嚴寒地區(qū)常見病害，主要由于混凝土在施工過程中殘留在孔隙中的游離水，在溫度急劇變化的情況下，孔隙之間產(chǎn)生的膨脹壓力及滲透壓力大于混凝土抗拉強度，引起混凝土產(chǎn)生微觀損傷裂紋，且在頻繁的凍融循環(huán)作用下混凝土內(nèi)部損傷逐漸積累，使得裂紋不斷擴大，從而產(chǎn)生由內(nèi)向外的剝蝕，最終導(dǎo)致混凝土服役性能下降。混凝土橋墩凍融破壞如圖2所示。

圖2 混凝土橋墩凍融破壞圖

1.6 磨蝕環(huán)境

磨蝕環(huán)境包含風(fēng)沙吹蝕和水沙沖磨兩種環(huán)境。風(fēng)蝕主要是指挾沙風(fēng)對橋梁混凝土表面產(chǎn)生撞擊作用，從而引起混凝土表面的物理性損傷破壞；水沙沖磨導(dǎo)致混凝土表面沖磨破壞原因由兩部分組成：第一部分為沖擊作用導(dǎo)致的混凝土表面的變形，第二部分為顆粒的切削作用導(dǎo)致的混凝土材料的剝落?；炷翗蚨账硾_蝕破如圖3所示。

圖3 混凝土橋墩水沙沖蝕破壞圖

2 影響因素

2.1 水灰比

水灰比是混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計的關(guān)鍵指標，對不同腐蝕環(huán)境下混凝土耐久性能均有顯著影響。水灰比越大，滲透性越強，氯離子以及硫酸鹽等腐蝕介質(zhì)侵蝕速度越快，試驗表明降低水灰比進而增加混凝土的密實度可以延緩鋼筋銹蝕的發(fā)生以及銹蝕發(fā)展的速率［2-3］。凍融環(huán)境下，水灰比越大，混凝土中大孔徑孔隙的數(shù)量越多，孔隙中游離水在凍融循環(huán)作用下產(chǎn)生的凍脹壓力也越大。試驗研究表明，碳化速率與水灰比呈正比關(guān)系，而混凝土耐磨性能與水灰比呈反比關(guān)系［4-5］。

2.2 礦物摻合料

礦物摻合料粉煤灰、磨細礦渣等能提高水泥漿體的均勻性和致密性，對混凝土提升耐久性能起著重要作用。但Collepardi 等［6］利用加速碳化試驗證實，加入過量礦物摻合料會造成混凝土堿度降低，降低了混凝土抗碳化能力儲備。國內(nèi)相關(guān)試驗表明，過量粉煤灰的摻入將會降低混凝土的抗凍性能。但在試驗室模擬氯鹽環(huán)境與化學(xué)侵蝕環(huán)境作用，電化學(xué)測試的結(jié)果表明礦物摻合料能夠大幅度地提高混凝土抗氯鹽以及抗化學(xué)侵蝕的能力［7-8］。

2.3 其它材料因素

水泥組份中的C3A 將會與硫酸鹽化學(xué)反應(yīng)，生成鈣礬石、石膏等膨脹性產(chǎn)物［9］，可顯著影響混凝土結(jié)構(gòu)抗硫酸侵蝕性能。

混凝土中含氣量會顯著影響混凝土抗凍性能，譚克峰［10］通過試驗研究發(fā)現(xiàn)，適量的引氣劑可在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生大量的封閉微氣泡，這些氣泡位于混凝土孔隙中間可顯著減小氣泡間距，切斷孔隙之間原有的毛細管，緩解混凝土中孔隙水凍結(jié)時由于體積膨脹而產(chǎn)生的膨脹壓力。在鹽類結(jié)晶破壞環(huán)境下，混凝土中適當引氣同樣可以釋放硫酸鹽結(jié)晶造成的破壞壓力。

2.4 環(huán)境影響因素

橋梁結(jié)構(gòu)所處環(huán)境的溫度、相對濕度以及腐蝕介質(zhì)的濃度均會對混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕速率產(chǎn)生顯著影響。在化學(xué)侵蝕環(huán)境下，硫酸鹽中SO42-的濃度以及陽離子的種類均會對硫酸鹽侵蝕的產(chǎn)物造成影響，宏觀上混凝土結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為不同的耐久性問題。上述環(huán)境影響因素難以規(guī)避，只能通過混凝土配合比設(shè)計以及其它防腐措施來應(yīng)對。而針對磨蝕環(huán)境，沖磨速率和角度均會顯著影響混凝土磨蝕損傷，且相關(guān)研究表明磨蝕角度在90°損傷最為顯著［11］。

3 耐久性設(shè)計及強化措施

3.1 耐久性設(shè)計要求

控制混凝土的水灰比是保證混凝土質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)，在混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計中，依據(jù)不同環(huán)境類別和環(huán)境作用等級嚴格確定水灰比參數(shù)限值。通常北方橋梁混凝土水灰比不大于0.45［12］，對于海洋環(huán)境以及硫酸鹽侵蝕環(huán)境，水灰比宜控制在0.40 以下，對于極端環(huán)境，水灰比不宜超過0.36，以增加混凝土的密實度。

對于礦物摻合料通常采用最大值進行控制，混凝土橋梁通常粉煤灰的摻量不宜超過30%，磨細礦渣不宜超過40%；對于凍融環(huán)境，礦物摻合料宜控制在20%以下。而在氯鹽環(huán)境與化學(xué)侵蝕環(huán)境的混凝土制備時必須添加足夠量的礦物摻合料，因此，在混凝土制備時粉煤灰的摻量應(yīng)大于30%，或磨細礦渣的摻量大于50%。

對于其它材料因素，在硫酸鹽化學(xué)侵蝕環(huán)境下，需嚴控水泥中C3A 含量，通常高抗硫水泥C3A 含量≤3%，中抗硫水泥C3A 含量≤5%。在凍融及鹽類結(jié)晶破壞環(huán)境下，含氣量不低于4%，硬化混凝土氣泡間距系數(shù)應(yīng)小于300 μm，但引氣劑并不是越多越好［13］，含氣量的增加會降低混凝土強度，對抗凍有要求的混凝土含氣量最高不能超過7%。

對于環(huán)境影響因素，在橋梁工程設(shè)計中應(yīng)避免攻角90°情況出現(xiàn)；合理的墩形同樣可有效減少磨蝕作用，研究表明橋墩表面形態(tài)抗磨蝕損傷能力：圓形墩柱＞圓端型墩柱＞方形墩柱［14］，因此在磨蝕損傷嚴重地區(qū)盡量采用圓形橋墩。

3.2 腐蝕強化措施

嚴重腐蝕環(huán)境下，僅依靠混凝土配合比設(shè)計以及其它構(gòu)造措施難以保證混凝土橋梁結(jié)構(gòu)在設(shè)計使用期內(nèi)耐久性要求，須采取防腐強化措施來進一步提升結(jié)構(gòu)的耐久性能。表面硅烷侵漬利用硅烷滲入混凝土毛細孔數(shù)個毫米并與水泥發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成牢固憎水屏障，阻止水和氯化物滲透，憎水效果可達15年以上［15］。滲透結(jié)晶涂料刷涂在混凝土表面，能向混凝土內(nèi)部逐漸滲透達300 mm，遇水結(jié)晶并對裂縫具有自愈合封閉作用。表面硅烷侵漬以及滲透結(jié)晶涂層適用于各種惡劣腐蝕環(huán)境。對于氯鹽侵蝕環(huán)境，還可采用涂層鋼筋以及鋼筋陰極保護措施，此類措施在沿海混凝土橋梁工程中得到廣泛應(yīng)用，有效減少了氯離子侵蝕破壞。我國東部沿海分布大量的鹽漬土，西北地區(qū)有上千個內(nèi)陸鹽湖，混凝土橋梁建設(shè)面臨嚴重的化學(xué)侵蝕與鹽類結(jié)晶侵蝕，必要時可采用降低地下水位和換填土的方法來減少環(huán)境作用。

3.3 腐蝕環(huán)境耦合作用

實際工程中，混凝土橋梁破壞往往是多種環(huán)境共同耦合作用導(dǎo)致。北方海洋環(huán)境中混凝土橋梁在凍融-氯鹽耦合作用下，極易發(fā)生鹽凍破壞。為滿足混凝土在海洋環(huán)境中的抗凍性要求，混凝土水灰比不宜大于0.4，并建議將氣泡間隔200～250 μm 作為混凝土抗鹽凍性能的含氣量設(shè)計值。硫酸鹽侵蝕與凍融破壞之間有相互促進作用，采用低水灰比、低摻量礦物摻合料混凝土抗侵蝕性好，且在此基礎(chǔ)上摻加高效引氣劑、混雜纖維和膨脹劑后能顯著提高混凝土的抗侵蝕性［16］。在硫酸鹽+干濕循環(huán)雙重因素作用下，干濕循環(huán)會加速硫酸鹽的擴散，因此除采用大摻量礦物摻合料外，還可以引入混雜纖維來進一步提升混凝土耐蝕性能［17］。

4 結(jié)束語

本文論述了6 種不同環(huán)境類別下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕機理，結(jié)合國內(nèi)外研究成果，闡述了水灰比、礦物摻合料等不同影響因素對混凝土結(jié)構(gòu)耐久性能的影響，提出了不同環(huán)境類別作用下混凝土橋梁的耐久性設(shè)計要求以及強化措施，并針對實際工程中常見的耦合環(huán)境作用給出了具體的設(shè)計建議，為設(shè)計者開展橋梁混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計提供了借鑒。