天津?yàn)I海新區(qū)位于天津東部臨海地區(qū)，地質(zhì)屬鹽堿灘涂地帶，很多地區(qū)淺表地下水中的氯鹽、硫酸鹽、鎂鹽含量都高于海水，又屬于北方寒冷地區(qū)。在這種環(huán)境中，混凝土構(gòu)件如果只考慮強(qiáng)度而忽略混凝土耐久性問(wèn)題，很難達(dá)到設(shè)計(jì)壽命。特別是橋梁混凝土構(gòu)件，除受上述環(huán)境因素外，還要承受靜載、活載的作用，一般服役5-8年就會(huì)出現(xiàn)破壞[1]，而我國(guó)在《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》JTGD60-2004）中強(qiáng)制規(guī)定，橋梁設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為100年。因此分析研究影響混凝土橋梁耐久性的因素，并有針對(duì)性地采取措施，已成當(dāng)務(wù)之急。
2.津?yàn)I地區(qū)橋梁混凝土構(gòu)件破壞類型及形成機(jī)理分析
津?yàn)I地區(qū)橋梁混凝土構(gòu)件常見(jiàn)的破壞類型主要有：碳化，氯化物侵蝕破壞，凍融破壞，硫酸鹽侵蝕破壞，堿—骨料反應(yīng)，荷載作用等。
2.1.混凝土碳化破壞
混凝土屬于多孔結(jié)構(gòu)，內(nèi)部存在著大小不同的毛細(xì)管、孔隙、氣泡，甚至缺陷。二氧化碳不斷地透過(guò)混凝土中未完全充水的粗毛細(xì)孔道，氣相擴(kuò)散到混凝土中部分充水的毛細(xì)孔中，與水泥水化過(guò)程中產(chǎn)生的氫氧化鈣、硅酸三鈣、硅酸二鈣等水化產(chǎn)物相互作用，形成碳酸鈣。使孔隙液的pH值降為8.5~9.0，其反應(yīng)可以用以下化學(xué)式表示：
CO2+H2O→H2CO3
Ca（OH）2+H2CO3→CaCO3↓+H2O
3CaO•2SiO2•3H2O+3H2CO3→3CaCO3↓+2SiO2+6H2O
2CaO•SiO2•4H2O+2H2CO3→2CaCO3↓+SiO2+6H2O
鋼筋在PH>12.5的環(huán)境中，表面生成一層氧化膜，阻止陽(yáng)極的鐵溶解。由于碳化混凝土的PH<10，保護(hù)層破壞，如果此時(shí)供給氧和水，就會(huì)發(fā)生鋼筋銹蝕。鋼筋一旦生銹，因鋼筋生成物與混凝土的粘結(jié)力很低，同時(shí)因?yàn)殍F銹的膨脹壓力而使混凝土保護(hù)層產(chǎn)生龜裂，通過(guò)這些裂縫又迅速加快銹蝕的速度，引起鋼筋混凝土構(gòu)件的耐久性降低。
2.2.氯化物侵蝕破壞
混凝土碳化會(huì)降低堿度，但碳化過(guò)程進(jìn)展慢，在沿海地區(qū)碳化引起的鋼筋銹蝕遠(yuǎn)不如氯離子引起的銹蝕普遍，氯離子是混凝土中鋼筋過(guò)早銹蝕的主要原因。當(dāng)混凝土處于氯鹽環(huán)境（如近海地區(qū)、使用氯鹽化冰鹽）時(shí)，氯離子含量較高，由于氯離子的穿透力非常強(qiáng)，當(dāng)鋼筋周圍混凝土孔隙液中氯離子達(dá)到一定濃度時(shí)，氯離子容易滲入氧化膜，激活鋼筋表面的鐵原子，使鋼筋銹蝕。在鋼筋銹蝕過(guò)程中氯離子僅起到催化作用，并不改變銹蝕產(chǎn)物的組成，混凝土中氯離子的含量也不會(huì)因腐蝕反應(yīng)而減少。所以，當(dāng)氯離子的含量超過(guò)臨界值時(shí)，如果不進(jìn)行處理，腐蝕將會(huì)不斷進(jìn)行下去。
津?yàn)I地區(qū)屬近海地區(qū)，而且冬季下雪后噴灑的化冰鹽都含有氯離子，一旦氯離子在滲透作用下到達(dá)鋼筋并聚集到臨界濃度，就會(huì)破壞鋼筋的鈍化膜，造成鋼筋銹蝕。鹽水不僅能侵蝕橋面及主梁，當(dāng)順排水管流下時(shí)，如果橋梁排水損壞，則除冰鹽水直接可以沖刷到蓋梁及墩柱上，造成橋梁這些部位因鋼筋銹蝕而損壞。
2.3.凍融破壞
我國(guó)北方寒冷地區(qū)由于凍融使混凝土破壞是工程結(jié)構(gòu)損壞的主要原因[2]。混凝土在拌制時(shí)，為了得到必要的和易性，加入的拌和水總要多于水泥的水化所需要的水，多余的水便以游離水的形式滯留于混凝土中，形成連通的毛細(xì)孔，并占有一定的體積。這種毛細(xì)孔的自由水就是導(dǎo)致混凝土遭受凍害的主要因素。當(dāng)混凝土處于飽水狀態(tài)時(shí)，毛細(xì)孔中水結(jié)冰，膠凝孔中的水處于過(guò)冷狀態(tài)。因?yàn)榛炷量紫吨兴谋c(diǎn)隨孔徑的減小而降低，膠凝孔中形成冰核的溫度在-78℃以下。膠凝孔中處于過(guò)冷狀態(tài)的水分子因?yàn)槠湔羝麎焊哂谕瑴囟认卤恼羝麎憾蛎?xì)孔中冰的界面處滲透，于是在毛細(xì)孔中又產(chǎn)生一種滲透壓力。此外，由于水向毛細(xì)孔的滲透作用，必然使毛細(xì)孔中的冰體積進(jìn)一步膨脹。所以，毛細(xì)孔壁同時(shí)承受膨脹壓和滲透壓兩種壓力。當(dāng)這兩種壓力超過(guò)混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)，混凝土就的微觀結(jié)構(gòu)就會(huì)受到損傷。當(dāng)經(jīng)過(guò)反復(fù)多次的凍融循環(huán)以后，損傷逐步積累不斷擴(kuò)大，發(fā)展成互相連通的裂縫，使混凝土的強(qiáng)度逐步降低，最后甚至完全喪失。
2.4.硫酸鹽侵蝕破壞
硫酸鹽侵蝕主要是在混凝土硬化后由水泥中的鋁酸三鈣和周圍環(huán)境中的硫酸鹽之間的反應(yīng)引起的，鋁酸三鈣與硫酸鹽反應(yīng)生成硫鋁三鈣（鈣釩石），鈣釩石生長(zhǎng)需要空間，在固體材料內(nèi)的封閉環(huán)境中，鈣釩石晶體生長(zhǎng)可以產(chǎn)生240MPa的壓力，引起混凝土的膨脹、開(kāi)裂、剝落和解體，另一方面由于硬化水泥石Ca（OH）2和C-S-H等組分溶解或分解而導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度、硬度和粘結(jié)性喪失。橋梁的承臺(tái)、墩柱在含鹽量高的地下水、含鹽堿量高的地表水、土壤中，由于毛細(xì)管作用，水分不斷向上吸附并蒸發(fā)，使混凝土孔隙中鹽溶液濃縮，這也加快了對(duì)混凝土構(gòu)件的腐蝕破壞。
2.5.堿—骨料反應(yīng)
堿-骨料反應(yīng)是指混凝土空隙中含有堿金屬（Na、K）的石灰飽和溶液、Na2O、K2O等堿性溶液和骨料中活性成分在混凝土硬化后逐漸發(fā)生的一種化學(xué)反應(yīng)。堿一骨料反應(yīng)產(chǎn)物硅膠體遇水膨脹，體積可增大3~4倍，破壞混凝土結(jié)構(gòu)，是影響混凝土耐久性的主要原因之一。堿—骨料反應(yīng)的主要特征是：外觀上主要是表面裂縫、變形和滲出物；而內(nèi)部特征主要有內(nèi)部凝膠、反應(yīng)環(huán)、活性堿骨料、內(nèi)部裂縫、堿含量等。堿—骨料反應(yīng)不同于其他混凝土病害，它的開(kāi)裂破壞是整體性的，而且目前還沒(méi)有有效的修補(bǔ)方法，因此被學(xué)術(shù)界稱為混凝土的“癌癥”。
2.6.荷載作用
隨著天津?yàn)I海地區(qū)的高速發(fā)展，交通量及重載交通所占的比重顯著增長(zhǎng)，在經(jīng)濟(jì)利益的驅(qū)動(dòng)下，超載程度日益嚴(yán)重，對(duì)公路橋梁造成的直接損害是鋼筋混凝土受力構(gòu)件變形加大，超出設(shè)計(jì)范圍，在超重車輛荷載頻繁作用下，促使混凝土構(gòu)件裂縫的寬度和數(shù)量極度增加，甚至直接造成破壞，是造成橋梁受力構(gòu)件破壞的直接原因。
混凝土構(gòu)件的病害往往是由多因素共同作用的結(jié)果，在多種劣化環(huán)境條件下，混凝土構(gòu)件一旦出現(xiàn)裂縫、破損等病害，在幾種破壞模式的共同作用下，混凝土的病害會(huì)迅速發(fā)展，耐久性急劇降低。為此，在橋梁設(shè)計(jì)和施工的過(guò)程中應(yīng)增加橋梁病害的防護(hù)措施。
3.津?yàn)I地區(qū)橋梁混凝土病害防護(hù)措施
3.1.混凝土結(jié)構(gòu)采用耐久性設(shè)計(jì)
在混凝土達(dá)到強(qiáng)度要求的基礎(chǔ)上進(jìn)行耐久性設(shè)計(jì)，配制高性能混凝土是提高混凝土防腐蝕能力的必要措施。混凝土的耐久性設(shè)計(jì)是一個(gè)系統(tǒng)的工程，涉及到原材料和外加劑、配合比設(shè)計(jì)、施工管理、養(yǎng)護(hù)等各個(gè)方面。
（1）原材料和外加劑
配制高性能混凝土所用的水泥一般選用低堿水泥，堿含量小于<0.6%，以避免堿-骨料反應(yīng)的發(fā)生。同時(shí)氯離子含量應(yīng)低于0.03%，降低混凝土中氯離子總量。膠凝材料除水泥之外，還要摻加礦物摻合料（如礦渣、粉煤灰和硅灰等）和外加劑。礦物摻合料主要是為了降低混凝土的水化熱，改善混凝土的工作性，增加混凝土的密實(shí)度。外加劑主要是聚羧酸類高性能減水劑，具有一定的引氣性，較高的減水率和良好的塌落度保持性能。與其他的減水劑相比具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和較高的性價(jià)比。骨料不得采用可能發(fā)生堿—骨料反應(yīng)的活性骨料。砂應(yīng)使用河砂，細(xì)度模數(shù)應(yīng)大于2.5，細(xì)度模數(shù)約等于3.0時(shí)，混凝土的工作性最好，抗壓強(qiáng)度最高[3]。砂的含泥量應(yīng)小于1.5%。
（2）配合比設(shè)計(jì)
高性能混凝土的配合比參數(shù)主要是水灰比、砂率。水灰比不僅極大的影響混凝土的強(qiáng)度，同時(shí)也會(huì)極大的影響混凝土的耐久性，水灰比增大，滲透性增加，耐久性降低，對(duì)于高性能混凝土，水灰比不宜大于0.35。在水泥漿量一定的情況下，砂率主要影響混凝土的工作性。高性能混凝土由于用水量很低，砂漿量要由增加砂率來(lái)補(bǔ)充，砂率宜較大。
（3）施工管理
高性能混凝土或普通混凝土的耐久性在很大程度上決定于施工質(zhì)量是否優(yōu)良。高性能混凝土的施工質(zhì)量控制比普通混凝土更加嚴(yán)格，配料計(jì)算誤差在允許的范圍內(nèi)，原材料質(zhì)量變化的檢驗(yàn)次數(shù)要增加，混凝土的拌合要徹底均勻，要保證新拌混凝土的良好的施工性能。塌落度通常作為混凝土施工的初步控制，高性能混凝土膠凝材料用量大，水灰比小，混凝土拌和物比較粘稠，塌落度損失較快。要特別做好施工安排，要做好混凝土澆注前的準(zhǔn)備工作。攪拌充分的混凝土拌和物運(yùn)到現(xiàn)場(chǎng)后要立即澆筑，鋪筑后迅速對(duì)混凝土進(jìn)行搗實(shí)。高性能混凝土宜在施工現(xiàn)場(chǎng)加入高性能減水劑，以減少塌落度損失。同時(shí)要注意新拌混凝土的拌合和供應(yīng)要配合現(xiàn)場(chǎng)澆筑速度，以免由于新拌混凝土供應(yīng)過(guò)快，拌合車在等待澆筑時(shí)，損失塌落度和含氣量。
（4）養(yǎng)護(hù)
混凝土養(yǎng)護(hù)是否充分將直接影響其耐久性?；炷脸睗耩B(yǎng)護(hù)的最低期限如表1所示
3.2.特殊防護(hù)措施
針對(duì)橋梁的不同部位所處的環(huán)境不同，如橋墩這樣所處環(huán)境比較惡劣,或?qū)δ途眯杂懈叩牟课?，可根?jù)工程實(shí)際情況,增加特殊防腐蝕措施,如在混凝土表面用涂層保護(hù),采用環(huán)氧涂層鋼筋或使用鋼筋阻銹劑等。
（1）混凝土表面用涂層保護(hù)
表面用涂層保護(hù)是常用的結(jié)構(gòu)防腐蝕措施之一，尤其對(duì)于新建工程，表面用涂層保護(hù)較為方便，且成本相對(duì)較低。但涂料涂層因其老化的原因使得耐久年限較短，在海洋環(huán)境中，一般涂料的涂層的有效防護(hù)年限為8—10年。因此使用表面涂層保護(hù)，需要定期進(jìn)行涂層檢測(cè)，一旦發(fā)現(xiàn)涂層老化，必須重新進(jìn)行涂裝。
（2）環(huán)氧涂層鋼筋
環(huán)氧涂層鋼筋理論上具有良好的防腐蝕效果，即使氯離子已滲入到鋼筋表層，其環(huán)氧涂層也能保護(hù)鋼筋不致生銹。但其實(shí)際操作的可靠性往往受工藝過(guò)程和施工過(guò)程的影響，容易留下銹蝕隱患，從而無(wú)法預(yù)測(cè)涂層鋼筋的實(shí)際使用壽命。所以環(huán)氧涂層應(yīng)在嚴(yán)格控制的工廠流水線上涂覆，厚度為180~280μm，不得有孔洞、空隙或裂縫，并經(jīng)得起彎曲試驗(yàn)的檢驗(yàn)。
（3）使用鋼筋阻銹劑
當(dāng)混凝土構(gòu)件所處環(huán)境十分惡劣，或混凝土原材料氯離子含量超標(biāo)時(shí)，可在混凝土中摻入鋼筋阻銹劑。常用的阻銹劑是亞硝酸鈣類阻銹劑，具有較好的阻止氯離子對(duì)鋼筋鈍化膜破壞的作用。在高性能混凝土中摻入阻銹劑，可以達(dá)到事半功倍的效果。但阻銹劑的摻量要達(dá)到要求的最小摻量，如果摻量不足，可能會(huì)加速鋼筋銹蝕[4]。
除上述防護(hù)措施外，陰極保護(hù)、提高混凝土保護(hù)層厚度等方法也可以起到很好的防腐蝕作用。但綜合上述分析，簡(jiǎn)單而又可靠的首選混凝土本身的耐久性設(shè)計(jì)。
4.結(jié)論
為了滿足津?yàn)I地區(qū)的高速發(fā)展，修建的混凝土橋梁會(huì)越來(lái)越多，對(duì)橋梁混凝土構(gòu)件進(jìn)行耐久性設(shè)計(jì)，并采取適當(dāng)?shù)奶厥夥栏胧?，可以大幅度減少混凝土橋梁病害的發(fā)生，既可以降低橋梁服役期間的維護(hù)成本，又可以節(jié)約能源，具有重大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
