混凝土桥梁的耐久性设计策略

2023-06-23 理论教育版权反馈

【摘要】：混凝土材料的自身特性和结构的设计与施工质量是决定其耐久性的内因。碱-骨料反应引起的混凝土结构破坏程度，比其他耐久性破坏发展更快，后果更为严重。对付碱-骨料反应重在预防，因为混凝土结构一旦发生碱-骨料反应被破坏，目前还没有更可靠的修补措施。冻融破坏的特征是混凝土剥落，严重威胁混凝土的耐久性。提高混凝土抗冻耐久性的主要措施是采用掺入引气剂的混凝土。在影响混凝土结构耐久性的诸多因素中，钢筋腐蚀危害最大。

国内外大量桥梁的使用经验说明，结构的耐久性对桥梁的安全使用和经济性起着决定的作用。经济合理性应当使建造费用与使用期内的检查维修费用之和达到最少，片面地追求较低的建造费用而忽视耐久性，往往会造成很大的经济损失。因此，在高速铁路的桥梁结构设计中应十分重视结构物的耐久性设计，统一考虑合理的结构布局和结构细节，强调要使结构易于检查维修以保证桥梁的安全使用。

长期以来，人们受混凝土是一种耐久性能良好的建筑材料这一认识的影响，忽视了钢筋混凝土结构性能问题，造成了钢筋混凝土结构耐久性研究的相对滞后，并为此付出了巨大的代价。现如今，在各国的高速铁路桥梁设计建造时，耐久性设计均得到了充分的重视，如明确规定耐久性设计的有关内容、考虑易损部件更换的措施、预留15%的预应力束补张拉位置、预留各种检查维修通道等。桥梁设计应力求构造简单、规格标准化，尽量消除构造上的薄弱环节。

影响混凝土结构耐久性的因素十分复杂，主要取决于以下四个方面：

① 混凝土材料的自身特性。

② 混凝土结构的设计与施工质量。

③ 混凝土结构所处的环境条件。

④ 混凝土结构的使用条件和防护措施。

混凝土材料的自身特性和结构的设计与施工质量是决定其耐久性的内因。混凝土的材料组成，如水灰比、水泥品种和数量、骨料的种类与级配都直接影响混凝土结构的耐久性。混凝土的缺陷（例如裂缝、气泡、空穴等）会造成水分和侵蚀性物质渗入混凝土内部，与混凝土发生物理化学作用，影响混凝土结构的耐久性。

混凝土结构所处的环境条件和防护措施，是影响混凝土结构耐久性的外因。外界环境因素对混凝土结构的破坏是环境因素对混凝土结构物理化学作用的结果。环境因素引起的混凝土结构损伤或破坏主要有：

1. 混凝土的碳化

混凝土的碳化是指混凝土中氢氧化钙与渗透进混凝土中的二氧化碳和其他酸性气体发生化学反应的过程。一般情况下混凝土呈碱性，在钢筋表面形成碱性薄膜，保护钢筋免遭酸性介质的侵蚀，起到了“钝化”保护作用。碳化的实质是混凝土的中性化，使混凝土的碱性降低、钝化膜被破坏，在水分和其他有害介质侵入的情况下，钢筋就会发生锈蚀。

2. 氯离子的侵蚀

氯离子对混凝土的侵蚀是氯离子从外界环境侵入已硬化的混凝土造成的。海水是氯离子的主要来源，北方寒冷地区向道路、桥面撒盐化雪除冰都有可能使氯离子渗入混凝土中。氯离子对混凝土的侵蚀属于化学侵蚀，氯离子是一种极强的去钝化剂，氯离子进入混凝土到达钢筋表面，并吸附于局部钝化膜处时，可使该处的pH 值迅速降低，破坏钢筋表面的钝化膜，引起钢筋腐蚀。氯离子侵蚀引起的钢筋腐蚀是混凝土结构耐久性的最主要和最普遍的病害，会造成巨大的损失，应引起设计、施工及养护管理部门的重视。

3. 碱-骨料反应

碱-骨料反应一般指水泥中的碱和骨料中的活性硅发生反应，生成碱-硅酸盐凝胶，并吸水产生膨胀压力，造成混凝土开裂的过程。

碱-骨料反应引起的混凝土结构破坏程度，比其他耐久性破坏发展更快，后果更为严重。

碱-骨料反应一旦发生，很难加以控制，一般不到两年就会使结构出现明显开裂，所以有时也称碱-骨料反应是混凝土结构的“癌症”。

对付碱-骨料反应重在预防，因为混凝土结构一旦发生碱-骨料反应被破坏，目前还没有更可靠的修补措施。防止混凝土碱-骨料反应的主要措施是：选用含碱量低的水泥；不使用碱活性大的骨料；选用不含碱或含碱低的化学外加剂；通过各种措施，控制混凝土的总含碱量不大于3 kg/m3。

4. 冻融循环破坏

渗入混凝土中的水在低温下结冰膨胀，从内部破坏混凝土的微观结构，经多次冻融循环后，损伤积累将使混凝土剥落酥裂，大大降低混凝土的强度。

冻融破坏的特征是混凝土剥落，严重威胁混凝土的耐久性。混凝土冻融破坏发展速度快，一经发现混凝土冻融剥落，必须密切注意剥蚀的发展情况，及时采取修补和补强措施。提高混凝土抗冻耐久性的主要措施是采用掺入引气剂的混凝土。国内外的大量研究和工程实践表明，掺入引气剂的混凝土抗冻耐久性明显提高，这是因为引气剂形成的互不连通的微细气孔在混凝土受冻初期能使毛细孔中的静水压力减少，在混凝土结构受冻过程中，这些孔隙可以阻止或抑制水泥浆中微小冰体的形成。

5. 钢筋腐蚀

钢筋腐蚀是影响钢筋混凝土结构耐久性和使用寿命的重要因素。处于干燥环境时，混凝土的碳化速度缓慢，具有良好保护层的钢筋混凝土结构一般不会发生钢筋腐蚀。在潮湿的或有侵蚀介质（例如氯离子）的环境中，混凝土将加速碳化，覆盖钢筋表面的钝化膜逐渐被破坏，加之有水分和氧的侵入，将引起钢筋的腐蚀。钢筋腐蚀伴有体积膨胀，使混凝土出现沿钢筋的纵向裂缝，造成钢筋与混凝土之间的黏结力被破坏、钢筋截面积减少、结构构件的承载力降低、变形和裂缝增大等一系列不良后果，随着时间的推移，腐蚀会逐渐恶化，最终可能导致结构的完全破坏。

值得注意的是，几乎所有侵蚀混凝土和钢筋的作用都需要有水作介质。另外，几乎所有的侵蚀作用对混凝土结构的破坏都与侵蚀作用引起的混凝土膨胀，并与最终的混凝土开裂有关，而且当混凝土结构开裂后，腐蚀速度将大大加快，混凝土结构的耐久性将进一步恶化。

在影响混凝土结构耐久性的诸多因素中，钢筋腐蚀危害最大。钢筋腐蚀与混凝土碳化有关，在一般情况下，混凝土保护层碳化是钢筋腐蚀的前提，水分、氧气的存在是引起钢筋腐蚀的必要条件。因此，提高混凝土结构耐久性的根本途径是：增强混凝土密实度，防止或控制混凝土开裂，阻止水分的侵入；加大混凝土保护层的厚度，防止由于混凝土保护层碳化引起钢筋钝化膜的破坏。

混凝土桥梁的耐久性设计策略

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