新桥梁规范下桥梁结构耐久性设计研究

摘要:文章分析了影响桥梁耐久性的环境作用，提出了材料得耐久性设计和加强构造措施，为桥梁耐久性设计提供借鉴。

关键词:耐久性设计；碳化；氯离子的侵蚀；碱—骨料反应；构造措施

Abstract：this paper analyzes the environmental impact of the bridge role durability of the material presented was designed and strengthen the durability of structural measures, designed to provide a reference for bridge durability.

Keyword：durability design; carbonation; chloride ion erosion; alkali - aggregate reaction; structural measures

中图分类号：U455.47+1文献标识码：A

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，在混凝土常规设计中，认为结构承载能力不随时间和环境影响而变化，忽视了钢筋混凝土结构性问题，造成了钢筋混凝土结构耐久性研究的相对滞后，并在近年来出现桥梁的早期破坏现象，影响了桥梁的使用寿命。

2004年交通部颁布《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62-2004）；以及2006年交通部颁布《公路工程混凝土结构防腐蚀技术规范》（JTG/T B07-01-2006）提出了公路桥涵应根据其所处环境条件进行耐久性设计。对桥梁的耐久性设计起到了重要的指导作用。

1. 影响钢筋混凝土耐久性的环境作用

1.1 混凝土的碳化

混凝土是以水泥砂浆为基体, 以骨料为加劲材料的复合材料, 水泥砂浆体的主要成分CHS 凝胶是一种结晶不完整的蜂窝形成错综复杂的网状结构, 骨料与水泥砂浆间有微孔隙、微裂纹、因而混凝土材料具有一定的渗透性。空气中的二氧化碳扩散到混凝土中与水作用生成碳酸、碳酸与水泥水化过程是产生氢氧化钙、硅酸二钙、硅酸三钙反应生成碳酸钙, 在自由水的作用下碳酸钙沉淀在混凝土内部的孔穴中,就是混凝土碳化。

混凝土碳化的结果使混凝土的PH 值降低, 如果碱损失发生在钢筋附近, 当混凝土PH值小于11.5 时, 就能引起钢筋表面惰性氧化薄膜的破坏, 在空气中和氧的作用下, 还可以引起平行于钢筋的裂纹和混凝土的崩裂。混凝土的碳化程度与水灰比有关, 随水灰比的增加而碳化速度加快, 随空气湿度和二氧化碳的增加,碳化速度加快, 混凝土的碳化速度随养护时间的增加而减小。因此，增加单位混凝土中的水泥用量, 会提高混凝土密度和抗渗透性, 可以减小混凝土的碳化速度。增加保护层的厚度, 使混凝土碳化到达钢筋表面的时间增加, 也有利于混凝土结构抗碳化的能力。

1.2 氯离子的侵蚀

混凝土本身含有的氯离子可通过扩散作用和毛细作用进入混凝土内, 对钢筋的锈蚀影响极大。氯离子半径小, 穿透能力强, 很容易吸附在钢筋阳极区的钝化膜上, 取代钝化膜上的氧离子, 使氢氧化铁变为无保护作用的氯化铁, 氯化铁的溶解度比氢氧化铁大得多, 由于氯离子到达钢筋表面的不均匀性, 特别是氯离子作用在钢筋局部区域内时为阳极区,形成腐蚀。当溶入混凝土中的氯盐达到混凝土重量的0.1%～0.2%时, 钢筋开始锈蚀。当氯盐含量超过1%后, 钢筋的锈蚀面积将急速增加。同时, 氯化物侵蚀所形成的锈蚀产物会导致混凝土的开裂和崩裂。研究表明, 氯化物侵蚀导致的钢筋锈蚀一般大于混凝土碳化引起的钢筋锈蚀。

1.3 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。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，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等；通过各种措施，控制混凝土的总含碱量不大于3kg/m3。

1.4 冻融循环破坏

混凝土是多孔隙的复合材料, 外部的水份会通过毛细作用进入孔隙。当温度降至点以下时, 孔隙中的水冻结膨胀, 其体积增加9%左右,当至少有91.7%的孔隙充满水时, 水里结冰才产生内应力。孔隙体积膨胀, 孔壁受压变形, 冰融化后, 就可能使孔壁产生拉应力, 反复冻融, 当作用于孔壁的拉应力大于混凝土的极限抗拉强度时, 即可以产生微裂缝, 持续冻融的结果使混凝土开裂, 甚至崩裂。混凝土的密实性不好, 则其抗渗性能差,可导致更多的水分进入混凝土内部, 加快混凝土结构的冻融破坏。因而降低混凝土的水灰比, 提高单位混凝土中水泥的用量, 对混凝土结构抗冻融破坏都是有利的。此外, 应避免采用吸水率较高的集料, 加强排水, 以免混凝土结构被水饱和。

2. 材料耐久性设计

2.1 采用高耐久性混凝土，增强混凝土的密实度，提高混凝土自身抗破损能力

提高混凝土自身的耐久性是解决混凝土结构耐久性的前提和基础。按确定的环境类别（或环境作用等级及设计使用年限），选择混凝土耐久性的基本要求指标，提出混凝土原材料选用（水泥品种与等级），掺和料种类，骨料品种与质量要求等，根据需要提出混凝土的氯离子扩散系数、抗冻耐久性指数或抗冻等级等具体指标；在施工图设计和相应说明中，必须标明水灰比（或水胶比）等与混凝土耐久性相关的重要参数和要求；表一为《公路钢筋混凝土和预应力混凝土桥涵设计规范》中的结构混凝土耐久性基本要求。

表1 结构混凝土耐久性的基本要求

环境类别 环境条件 最大

水灰比 最小水泥用量(kg/m3) 最低混凝土强度等级 最大氯离子含量（%） 最大碱含量（kg/m3）

Ⅰ 温暖或寒冷地区的大气环境、与无侵蚀性的水或土接触的环境 0.55 275 C25 0.30 3.0

Ⅱ 严寒地区的大气环境；使用除冰盐环境；滨海环境 0.50 300 C30 0.15 3.0

Ⅲ 海水环境 0.45 300 C35 0.10 3.0

Ⅳ 受侵蚀性物质影响的环境 0.40 325 C35 0.10 3.0

2.2 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。如果混凝土材料或施工质量不好，或设计有缺陷等都会加速病害的发生和发展速度。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。

2.3 桥面防水层

目前我国桥梁工程中采用多种防水层，从作用原理上讲多属于物理防水，是靠由防水涂料、胶体或卷材形成的防水层的物理作用隔断水分。防水层的局部破损和老化，都会影响防水效果。近几年来，国内外推广采用水泥基渗透结晶型防水材料，为桥梁防水层设计提供了新思路。水泥基渗透结晶型防水材料从作用原理上讲属于化学防水，是靠防水材料的结晶渗透作用，堵塞混凝土毛细管，形成自密性混凝土层。

3. 构造保护措施

3.1 加大钢筋的混凝土保护层厚度

混凝土保护层碳化是钢筋锈蚀的前提。就一般情况而言，只有保护层混凝土碳化，钢筋表层钝化膜破坏，钢筋才有可能锈蚀。因此，适当加大钢筋的混凝土保护层厚度，是保护钢筋免于锈蚀，提高混凝土结构耐久性的最重要的措施之一。

3.2 改进桥面铺装设计

3.2.1 采用高密实度具有良好防水性能桥面铺装混凝土。

桥面铺装混凝土应采用C30以上等级的高密度混凝土，为了提高混凝土的密实度，水灰比一般应控制在0.4以下。重要桥梁可采用纤维混凝土（钢纤维混凝土或复合纤维混凝土）桥面铺装层。为了防止和控制混凝土的收缩裂缝，桥面铺装时应设置由带肋钢筋组成的平面钢筋网，网格间距通常为100mm×100mm。

3.2.2 预防桥面铺装层混凝土纵向开裂的措施

在以往的桥梁设计中是将桥面铺装混凝土作为构成桥面横坡的找平层和桥面板的保护层。在计算中一般是不考虑桥面铺装层参与主梁（或桥面板）共同工作的。但是，由桥面铺装层混凝土与桥面板的粘结作用，桥面铺装层作为主梁（或桥面板）截面的组成部分共同承受内力客观存在的事实。

考虑桥面铺装层参与工作的铰结空心板梁桥的空间分析表明，空心板梁在主要承受纵向变矩的同时，还要承受一定的横向弯矩。由铰缝本身的横向连接薄弱，这一横向弯矩主要由铰缝顶面的混凝土铺装层来承担。混凝土铺装层厚度有限，配筋很少（有些钢筋也位于铺装层的中部，对抗弯不起作用），在横向弯矩作用下，桥面铺装层出现纵向裂缝是必不可免的。

4.结语

目前，我我国基础建设正处在高潮中，提高钢筋混凝土桥梁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，建立整体性防水和预防性保护的理念，改进我国桥梁防水、防腐结构设计。如果忽视了桥梁的耐久性，在以后桥梁运营中，用于维修可能耗费的费用数倍于桥梁当初的建设费用。作为一个桥梁工作者，我们应该尽快的吸取经验教训，提高桥梁的耐久性和使用寿命。

参考文献：

1.中华人民共和国标准《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62-2004）.北京：人们交通出版社，2004

2.中华人民共和国标准《公路工程混凝土结构防腐蚀技术规范》（JTG/T B07-01-2006）.北京：人们交通出版社，2006