分析钢筋混凝土桥梁结构耐久性问题

摘要: 本文针对钢筋混凝土桥梁结构耐久性的问题，分析了结构耐久性失效机理、桥梁结构耐久性现状及提高桥梁结构耐久性的对策。

关键词：钢筋混凝土；桥梁耐久性；结构安全

1、概述

钢筋混凝土包括预应力钢筋混凝土桥梁的耐久性是近半个世纪来人们普遍关心的问题。大量研究结果表明，钢筋混凝土桥梁耐久性的降低除自然灾害或意外事故外，主要源于以下几个方面或其复合作用：钢筋腐蚀；混凝土碳化；盐结晶胀裂，冻融循环；盐冻破坏，碱―骨料反应；综合破坏等。

2、混凝土结构耐久性失效机理

2.1钢筋腐蚀

一般埋在混凝土中钢筋不会锈蚀，这是由于混凝土呈高度碱性，会在钢筋表面形成一层防止锈蚀发展的保护膜（钝化膜）。但是混凝土结构在混凝土碳化、混凝土碱-集料反应、氯离子侵蚀等作用下，钢筋外面的混凝土中性化或出现开裂等情况，钢筋失去碱性混凝土的保护，钝化膜破坏并开始锈蚀，逐渐失去了对其内部钢筋的保护作用。锈蚀的钢筋不但截面积有所减少，材料的各项性能也会发生衰退，影响混凝土构件的承载能力和使用性能。钢筋锈蚀会引起混凝土保护层胀裂，锈胀裂缝产生后钢筋的锈蚀会加速。

混凝土结构的耐久性主要取决于钢筋锈蚀的速率。因为埋在混凝土中的钢筋发生锈蚀以后，其产生的铁锈的体积向四周膨胀，而钢筋四周的混凝土会限制它的膨胀，产生了交界面上的钢筋锈胀力。随着钢筋锈蚀率的增加，钢筋锈胀力将导致混凝土保护层受拉而开裂，混凝土对钢筋的保护大大减弱，有害介质直接接触到钢筋，钢筋锈蚀速度加快。钢筋生锈一方面使其截面面积减少，另一方面铁锈的体积膨胀导致混凝土开裂或剥落，消弱钢筋与混凝土的有效接触面积，使结构削弱使用功能和承载力。

2.2盐结晶胀裂

在海滨或跨越河流（特别是排污河）以及盐渍土地区的桥梁墩台经常发生此类破坏。由于毛细作用，混凝土孔隙中充满了液体，当水位及环境温度变化时，液相中的盐份析出，在一定温度和湿度下转化为体积膨胀的结晶水化物，使混凝土结构胀裂，进而导致钢筋锈蚀，体积膨胀，加重了混凝土的开裂，造成恶性循环。

2.3混凝土碳化

碳化是空气中二氧化碳与水泥石中的碱性物质相互作用，使其成分、组织和性能发生变化，使用机能下降的一种很复杂的物理化学过程。碳化会降低混凝土的碱度，破坏钢筋表面的钝化膜，使混凝土失去对钢筋的保护作用，给混凝土中钢筋锈蚀带来不利的影响，同时，混凝土碳化会加剧混凝土的收缩，这些都能导致混凝土产生裂缝和结构的破坏，混凝土碳化与混凝土结构的耐久性密切相关，是衡量钢筋混凝土结构物可靠度的重要指标

2.4水冻融破坏

这种破坏模式主要发生在我国的三北地区。水在负温下发生相变，转化成冰，体积膨胀9%左右。当混凝土处于饱水状态，因温度的降低，毛细孔中的水结成冰，对周围造成挤压，反复的结冰、融化，长此以往使混凝土结构疏松，失去强度。

2.5盐冻破坏

为保证冬季雪后道路交通畅通，在立交桥梁上为融化冰雪大量采用除冰盐是通常的做法。调查发现，使用10～20年左右的桥梁，除冰盐对钢筋混凝土桥梁结构的钢筋产生严重的腐蚀；使用不到10年的桥梁，在氯离子影响范围，钢筋也处于锈蚀状态。由于我国北方冬季气候非常干燥，使用除冰盐后，盐水很容易进入结构混凝土，在干湿条件下，高浓度化冰盐能产生足够高的盐结晶压和渗透压，造成混凝土膨胀破坏．由此引起的盐冻剥蚀危害比水冻剥蚀更为严重。

2.6混凝土碱-集料反应

混凝土碱-集料反应是指混凝土中的碱与集料中的活性组分之间发生的破坏性膨胀反应。该反应发生于混凝土中的活性骨料与混凝土中的碱之间，其反应产物为硅胶体，这种硅胶体遇水膨胀，产生很大的膨胀压力，从而引起混凝土开裂。混凝土发生碱-集料反应破坏表现为：外观上主要是表面裂缝、变形和渗出物，而内部特征主要有内部凝胶、反应环、活性碱-集料、内部裂缝、碱含量等。混凝土结构一旦发生碱-集料反应出现裂缝后，会加速混凝土的其他破坏，如空气、水、二氧化碳等侵入，会使混凝土碳化和钢筋锈蚀速度加快。

2.7 综合破坏

当存在多个因素造成混凝土破坏，而且主次不明显，或者这些因素间存在明显的协同效应，造成的混凝土耐久性急剧下降，称为综合破坏模式。

首先，水冻融和盐冻是引起某些钢筋混凝土桥梁破坏的主要因素。北方的混凝土桥梁工程在冬季处于十分恶劣的水冻融环境，年冻融循环次数多，并接触化冰盐水，兼有盐冻破坏作用，而目前在混凝土桥梁工程的设计施工中，均没有对混凝土的抗冻性提出明确要求。

其次，钢筋锈蚀引起的混凝土破坏也很严重。钢筋保护层较薄、各种因素造成混凝土开裂、流水侵蚀和Cl离子腐蚀是钢筋锈蚀的主要原因。

第三，混凝土选材、配合比和施工自身存在的质量问题，是一些早期修建的立交桥耐久性不良的一个主要原因。

而最基本的，桥梁防水的失效或根本就没有防水措施，是所有病害发生的直接诱因。

3、我国钢筋混凝土桥梁耐久性的现状

我国很多道路和桥梁不做防水或防水材料选材不当、施工存在缺陷，造成桥面渗水、钢筋锈蚀、铺装层剥落、碱骨料反应等，引起混凝土胀裂等损坏问题，严重影响了桥梁的耐久性和正常使用寿命。

国内外研究表明，腐蚀介质渗入混凝土的速度与保护层厚度的平方成反比，所以增加保护层厚度是提高混凝土结构耐久性的最有效方法。此外，提高混凝土的密实性，对抵抗腐蚀介质的渗入有利，还增添了防水、使用环氧涂层钢筋等防腐措施。

4、提高桥梁结构耐久性的对策

4. 1 桥梁整体性防水理念

在桥梁结构设计过程中，充分考虑桥梁每一部位受力特点、施工工艺特点以及可能渗漏水的原因，进行事前的、主动的预防，并将其贯穿在整个桥梁设计当中，使施工单位、业主单位、监理单位等有关部门按照设计图纸进行施工和监督管理。

4.2增加钢筋保护层的厚度

水和氧气是钢筋锈蚀的必要条件，所以提高混凝土结构耐久性的最佳途径是增加钢筋混凝土保护层厚度和增加混凝土材料自身的密实性，以延缓水分、氧气及其它有害化学物质侵入混凝土并到达钢筋的时间。有研究表明，腐蚀介质渗入混凝土的速度与保护层厚度的平方成反比，所以增加保护层厚度是提高混凝土耐久性的最有效方法。

4.3采用高性能混凝土

为提高结构耐久性，应使用密度高的混凝土，这是钢筋混凝土防蚀的最重要对策之一。由于混凝土密度高使盐分不易乘隙而渗透进入，因此可以达到防止盐害之目的。但如果单位水泥用量增加过多，在薄断面的混凝土将引起干燥收缩，在厚断面则因水化热引起膨胀收缩导致龟裂，使有害物质易于侵入。因此单位水泥用量宜控制在500kg/m3以下。混凝土可通过提高混凝土的致密性来提高其耐久性，即采用高性能混凝土。

4.4钢筋阻锈剂的应用

对于钢筋防护而言，在任何情况下混凝土质量都是最重要的。在高质量混凝土的基础上掺加钢筋阻锈剂，被认为是长期保护钢筋延缓腐蚀破坏、实现设计寿命的最简单、最经济和有效的技术措施。

加入钢筋阻锈剂能起到两方面的作用：一方面推迟了钢筋开始生锈的时间，另一方面，减缓了钢筋腐蚀发展的速度。

4.5防止混凝土产生龟裂

近年来大直径钢筋应用越来越多，采用大直径钢筋时由于对于混凝土干燥收缩拘束增大，内部易产生微细龟裂，同时由于混凝土介面增大易产生泌水，且易产生孔隙，降低其抗蚀性。因此设计时应考虑配合钢筋直径比以决定钢筋保护层厚度。据实验，保护层厚度与钢筋直径之比，采取2.5～3.0时其防蚀性最为有效。

4.6混凝土表面封闭处理

密封剂和涂装材料的功能主要是减少钢筋混凝土结构中的电解液，从而减缓电化学锈蚀反应的进程。另外，密封剂和涂装材料还可以防止化冰盐、二氧化碳和氧气等对结构的侵入从而减缓钢筋的锈蚀，这类保护还可以降低冻融循环对结构的破坏，提高结构抗冻融循环的能力。

5、结语

提高钢筋混凝土结构耐久性是一项系统工程，要从设计、选材与施工、维护各个环节着手，尽快改变目前我们无细化的防水设计、无防水选材说明，造成防水设计上选材不当，降低设计标准，影响桥梁使用寿命和耐久性的现状。

对于新建桥梁，建议进行钢筋混凝土结构的预防性保护；对于已经发生病害的桥梁，在进行病害治理的同时，还要做表面的防护，以延长结构的使用寿命。