關(guān)于橋梁耐久性的研究及展望
2011-10-17 來源：中國鳴網(wǎng)
現(xiàn)役橋梁中，以鋼筋混凝土橋梁與索結(jié)構(gòu)橋梁居多。20世紀(jì)70年代，混凝土耐久性問題開始在發(fā)達(dá)國家大量出現(xiàn)，80年代美國有報(bào)告顯示：在美國約有25.3萬座混凝土橋面結(jié)構(gòu)處于不同程度的壞化狀態(tài)，而且每年還會增加3.5萬座新的有害結(jié)構(gòu)。日本也對部分沿海范圍內(nèi)修建的15座混凝土橋梁進(jìn)行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)它們在建成后不久出現(xiàn)了由于鹽分侵蝕引起的鋼筋銹蝕、混凝土剝落、預(yù)應(yīng)力筋損傷等各種病害。對于索結(jié)構(gòu)橋梁，拉索的壽命是不可預(yù)測的，據(jù)統(tǒng)計(jì)斷索壽命為2～16年，約為橋梁設(shè)計(jì)壽命的1/10至1/5，在此期間，任何時(shí)候拉索都有破斷的可能。根據(jù)歐美日發(fā)達(dá)國家的經(jīng)驗(yàn)，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)耐久性原因而產(chǎn)生的維修費(fèi)、加固費(fèi)是昂貴的，例如索結(jié)構(gòu)橋梁拉索破斷毀橋的修復(fù)費(fèi)用，達(dá)全橋建造當(dāng)年總價(jià)的2～4倍。故提高橋梁的耐久性成為迫切需要解決的問題。
耐久性指結(jié)構(gòu)在預(yù)期作用和預(yù)定的維護(hù)條件下，能在造物的使用年限內(nèi)長期維持其設(shè)計(jì)性能要求的能力。本文總結(jié)了影響耐久性的因素，并提出了幾個提高橋梁耐久性的思路以供參考。
1、影響橋梁耐久性的因素
橋梁的耐久性問題實(shí)際上是各種影響介質(zhì)對結(jié)構(gòu)的作用，這些介質(zhì)不僅包括荷載作用，還包括環(huán)境侵蝕作用等，歸納起來，有內(nèi)因和外因兩個方面。
1.1內(nèi)因
1.1.1材料自身特性
混凝土收縮與徐變，收縮應(yīng)變導(dǎo)致內(nèi)部拉應(yīng)力，當(dāng)其超過混凝土的抗拉強(qiáng)度，材料發(fā)生開裂，破壞混凝土整體性，降低其耐久性。
1.1.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不完善
我國現(xiàn)行的公路鋼筋混凝土橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)范主要考慮的是荷載作用下結(jié)構(gòu)安全性與適用性的需要，并未能充分考慮耐久性要求。這就導(dǎo)致在橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中普遍存在重視結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)而輕視耐久性設(shè)計(jì)的問題。許多橋梁設(shè)計(jì)時(shí)也并沒有從結(jié)構(gòu)體系、構(gòu)造、材料、維護(hù)及施工全過程中可能存在的問題等方面去加強(qiáng)和保證結(jié)構(gòu)的耐久性。
1.1.3施工質(zhì)量等問題
許多短期內(nèi)發(fā)生突然破壞與倒塌的橋梁，多是由于施工質(zhì)量沒有達(dá)到規(guī)范和設(shè)計(jì)要求，比較典型的問題包括混凝土質(zhì)量不合格，振搗不密實(shí)；橋梁建設(shè)中偷工減料、以次充好；不適當(dāng)?shù)丶涌焓┕みM(jìn)度，沒有保證混凝土橋梁所需要的足夠的施工養(yǎng)護(hù)期；鋼筋保護(hù)層厚度不足，影響了鋼筋混凝土橋梁的耐久性和安全性。次外，在大多數(shù)鋼筋混凝土橋梁的正常使用過程中，也缺乏合理的維護(hù)和管理。還有沒有對橋梁進(jìn)行定期監(jiān)測和維護(hù)，在出現(xiàn)問題后又沒有及時(shí)維修，使橋梁的使用年限減少，耐久性和安全性降低。
1.2外因
1.2.1環(huán)境
（1）混凝土的凍融破壞
當(dāng)溫度降至冰點(diǎn)以下時(shí)，部分混凝土內(nèi)孔隙中的水將結(jié)冰，產(chǎn)生體積膨脹，使孔壁受壓變形，冰融化后，就可能使孔壁產(chǎn)生拉應(yīng)力，當(dāng)作用于孔壁的拉應(yīng)力大于混凝土的極限抗拉強(qiáng)度時(shí)，就會產(chǎn)生微裂縫。隨著凍融循環(huán)，裂寬和裂深逐漸加大，達(dá)到鋼筋表面時(shí)，就會加劇鋼筋的腐蝕，降低混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。
（2）鋼筋的銹蝕
鋼筋在混凝土中處于一種強(qiáng)堿性環(huán)境。在這種環(huán)境中，鋼筋表面形成一層惰性的氧化鐵薄膜，它使鋼筋表面不存在活性狀態(tài)的鐵，鋼筋就不會產(chǎn)生銹蝕。而一旦鈍化膜被破壞，在有水和氧氣的條件下，鋼筋就會產(chǎn)生銹蝕。鋼筋銹蝕是造成鋼筋混凝土橋梁耐久性損傷的最主要和最直接因素，也是混凝土橋梁耐久性破壞的主要形式之一。
通常，鋼筋表面氧化鐵薄膜遭到破壞的原因主要有兩個：一是混凝土碳化，混凝土材料具有一定的滲透性，空氣中的二氧化碳擴(kuò)散到混凝土中與水作用生成碳酸，碳酸與水泥水化過程中產(chǎn)生的氫氧化鈣、硅酸二鈣、硅酸三鈣反應(yīng)生成碳酸鈣，在自由水的作用下碳酸鈣沉淀在混凝土內(nèi)部的孔穴中，這個過程就是混凝土碳化?；炷撂蓟瘯够炷恋膒H值降低，當(dāng)混凝土的pH值小于l1.5且碳化發(fā)生在鋼筋附近時(shí)，就能引起鋼筋表面惰性氧化鐵薄膜的破壞，在空氣中的水和氧的作用下，還會引起平行于鋼筋的裂紋和混凝土的崩裂；二是氯離子的作用而破壞氧化鐵薄膜。氯離子本身并不直接危害混凝土，但它的存在會破壞鋼筋的鈍化，使鋼筋暴露在腐蝕的危險(xiǎn)下。
（3）硫酸鹽的侵蝕
混凝土碳化的速度一般比較緩慢，但當(dāng)環(huán)境為酸性條件時(shí)，碳化速度急劇加快，因?yàn)槌跏继蓟纬傻姆雷o(hù)層被酸溶解而流失，從而使新的表面不斷地暴露在侵蝕環(huán)境下，加深腐蝕，使混凝土密實(shí)性加速喪失。
1.2.2荷載作用
結(jié)構(gòu)面臨的最普遍的一種自然環(huán)境就是荷載作用，包括靜力作用和動力作用。在荷載作用下，結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，在約束條件下，荷載應(yīng)變一應(yīng)力有可能超過材料的強(qiáng)度而使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫，耐久性降低。橋梁拉索就是隨機(jī)荷載環(huán)境與隨機(jī)介質(zhì)環(huán)境下的腐蝕、疲勞及鋼索的腐蝕疲勞等共同作用的結(jié)果，導(dǎo)致其壽命的不可預(yù)測性。
1.2.3混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫
混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫最容易成為因水分滲入導(dǎo)致鋼筋銹蝕的通道?；炷两Y(jié)構(gòu)的裂縫可分為受力裂縫、非受力裂縫兩大類。非受力裂縫大多與結(jié)構(gòu)耐久性有關(guān)，即使現(xiàn)在對承載能力沒有影響，但必須考慮對結(jié)構(gòu)長期使用過程中與外界環(huán)境的接觸時(shí)有害物質(zhì)的滲入，所以合理控制裂縫寬度、數(shù)量以及裂縫開展速度，無疑會改善結(jié)構(gòu)的耐久性。
還有一種造成混凝土開裂的原因即為堿一集料反應(yīng)，堿一集料反應(yīng)指集料中活性硅與水泥漿中氫氧離子作用生成水化硅酸鈣的反應(yīng)，其體積膨脹足以使混凝土破裂。水泥中含堿量過高（0.6），骨料中水分過大，及骨料中的活性骨料含量過高，是引起堿一集料反應(yīng)的3個條件。堿一集料反應(yīng)一旦發(fā)生，體積迅速增大，對混凝土結(jié)構(gòu)破壞的發(fā)展速度非?？?，破壞程度也更嚴(yán)重，發(fā)生堿一骨料反應(yīng)的主要原因是混凝土結(jié)構(gòu)中使用含活性硅的骨料。
2、提高橋梁耐久性的幾個思路
2.1從材料入手
（1）采用高性能混凝土
所謂高性能混凝土即為高強(qiáng)度、高施工性能、高耐久性混凝土。高性能混凝土具有低水灰比，高強(qiáng)度骨料的特點(diǎn)，從而減小了骨料與膠凝材料間的孔隙率，改善了混凝土的滲透性，阻止了堿一骨料反應(yīng)，大大提高了混凝土的耐久性的同時(shí)也提高了混凝土強(qiáng)度。
（2）摻入引氣劑和鋼筋阻銹劑
將引氣劑加入到混凝土中能夠在混凝土內(nèi)形成分布均勻的封閉型微氣孔，有利于混凝土的抗凍性、抗?jié)B透性和抗腐蝕性，但要注意適量。將少量鋼筋阻銹劑摻人混凝土中能起到阻止或減緩鋼筋銹蝕的作用。
2.2從防腐蝕入手
（1）環(huán)氧涂層鋼筋與鋼絞線
環(huán)氧涂層鋼筋或環(huán)氧涂層鋼絞線是一種在普通鋼筋或裸鋼絞線表面涂覆了一層環(huán)氧樹脂薄膜保護(hù)層，涂層厚度一般在0.15～0.30mm，能有效防止處于惡劣環(huán)境條件下的鋼筋被腐蝕，從而提高工程結(jié)構(gòu)的耐久性。防腐涂層的致密性要好，否則水分、氧和腐蝕性介質(zhì)可以穿透涂層而產(chǎn)生電子傳遞現(xiàn)象，同時(shí)涂層與鋼筋間的粘結(jié)力要好，并且涂層要有良好的物理力學(xué)性能，如抗變形、抗磨擦等。
（2）耐候鋼
耐候鋼是在鋼中加入少量的合金元素，使其在金屬基體表面形成保護(hù)層，以提高鋼材的耐腐蝕性能。
（3）其他
對于斜拉橋斜拉束，可采用環(huán)氧樹脂涂層鋼絲等耐腐蝕性材料等。
2.3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面
設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，要選擇合適的結(jié)構(gòu)尺寸，提高實(shí)際構(gòu)件混凝土質(zhì)量的保證率，同時(shí)還要針對不同的使用條件，環(huán)境和地區(qū)，對結(jié)構(gòu)作特別的耐久性設(shè)計(jì)，以達(dá)到預(yù)定的使用壽命。具體做法有幾下幾個方面：
增加鋼筋的混凝土保護(hù)層厚度，以此來對付凍融損害以及混凝土碳化來保護(hù)鋼筋免銹蝕等。
加強(qiáng)構(gòu)造配筋．防止和控制混凝士裂縫。裂縫的存在增加了混凝土的滲透性，提供了使侵蝕破壞作用逐步升級、混凝土耐久性不斷下降的渠道?？刂苹炷恋牧芽p，除按規(guī)范要求控制正常使用極限狀態(tài)的工作裂縫以外，更重要的是要采取構(gòu)造措施，增加構(gòu)造鋼筋來控制混凝土施工及使用過程大量出現(xiàn)的非工作裂縫。
橋面鋪裝和防水層對橋面的防滲漏有重要作用，必需精心設(shè)計(jì)與施工。橋面鋪裝層項(xiàng)面應(yīng)設(shè)置防水層，特別是連續(xù)梁（或懸臂梁）的負(fù)彎矩段容易出現(xiàn)裂縫，所以更應(yīng)重視防水層設(shè)計(jì)。對于暴露在空氣中的混凝土結(jié)構(gòu)以及沿海地區(qū)的橋梁工程，由于受到空氣中的鹽分等元素的侵蝕，影響混凝土的耐久性，縮短了混凝土橋梁的使用年限，可采取外表涂裝的方法進(jìn)行防腐處理。
總之，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要充分考慮各方面因素，盡量減少因設(shè)計(jì)上存在缺陷而影響結(jié)構(gòu)耐久性的問題。
2.4施工及維護(hù)方面
提高施工及管理水平，保證工程質(zhì)量。在施工過程中，要嚴(yán)格控制材料用量，確保混凝土施工質(zhì)量和鋼筋保護(hù)層厚度以及足夠的施工養(yǎng)護(hù)期。施工中常常出現(xiàn)的問題是：為了趕工期，人為減少混凝土的養(yǎng)護(hù)時(shí)間，養(yǎng)護(hù)方法不正確，混凝土保護(hù)層施工誤差較大等等。應(yīng)該克服急功近利的思想，從影響結(jié)構(gòu)壽命的角度出發(fā)，保證養(yǎng)護(hù)時(shí)間。還要防止因振搗不實(shí)產(chǎn)生蜂窩、麻面、漏漿，以及因養(yǎng)護(hù)不當(dāng)產(chǎn)生干縮裂縫等缺陷部位。
定期對橋梁進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)問題后要及時(shí)處理，以免問題嚴(yán)重后造成事故的發(fā)生。重視電子監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)研究，通過實(shí)時(shí)跟蹤檢測混凝土構(gòu)造物的應(yīng)力、應(yīng)變、變形及腐蝕損傷狀況。
3、結(jié)語
提高橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性，首先應(yīng)該因地制宜，認(rèn)真調(diào)查橋梁所處的環(huán)境情況，給出一套周全的設(shè)計(jì)理念，耐久性設(shè)計(jì)不是另一種設(shè)計(jì)理論，而是考慮更周到的力學(xué)設(shè)計(jì)以及相應(yīng)的功能設(shè)計(jì)，包括采用合理的結(jié)構(gòu)形式，確定相應(yīng)的耐久性材料等。此外加強(qiáng)試驗(yàn)、監(jiān)測手段以及防腐蝕施工新技術(shù)的研究與使用，有些技術(shù)存在著造價(jià)高等缺點(diǎn)，但是隨著技術(shù)的進(jìn)步，造價(jià)的降低，將逐漸成為提高橋梁耐久性的重要手段。
