论桥梁预应力混凝土耐久性的因素研究

摘要：本文作者自身专业知识以及多年的工作经验，对桥梁混凝土腐蚀的影响、预应力钢筋的应力腐蚀、提高结构混凝土耐久性的措施等几个方面问题进行探讨，谈谈自身的看法，对现状做出了分析，并提出改进措施。

关键词：预应力；混凝土腐蚀；耐久性

中图分类号：TU37 文献标识码：A 文章编号：

前 言：

目前，随着我国经济的快速发展，公路与桥梁的建设也有了突飞猛进的发展，并且在我国的交通建设中站着重要的地位。钢筋混凝土结构以其原材料就地取材、经济、便于施工、耐久等优点被广泛运用于大型桥梁、高层建筑及一些特种工程等非常关键的建设设施中。这种由水泥混凝土、普通钢筋或预应力钢筋通过施工制作成为的整体结构构件，应能满足设计受力安全和使用耐久性需要的要求。然而在使用中却发现一些结构在耐久性方面存在着不同程度的问题，影响这些结构耐久性的因素主要为混凝土碳化收缩及其钢筋锈蚀、碱- 骨料反应、温湿度变化、氯离子钢筋锈蚀、酸气(SO2、NOX)侵蚀、硫酸盐腐蚀破坏、冻融循环和空隙中盐类结晶、应力损失以及施工质量等。

1 混凝土腐蚀的影响

1.1 混凝土的碳化

某市政工程研究院曾对20世纪90年代初期建造的5 座城市高架立交桥梁采用取芯进行碳化深度检测和分析，5座桥梁均受到一定程度的碳化腐蚀，其中有2座碳化深度分别为19.5 mm和18.0 mm，并有加速碳化的趋势。

空气中一般含有0.2%～0.3%的二氧化碳气体，它可以不断透过混凝土毛细孔扩散到混凝土内部，Ca (OH)2是水泥水化的产物之一，对于普通硅酸盐水泥，水化产生的Ca(OH)2可达水化产物的10%～15%。它一方面是混凝土高碱度的主要提供和保证者，使钢筋表面形成一层碱性氧化膜，起到有效保护钢筋的作用；另一方面，它又是混凝土中最不稳定的成分之一，很容易与通过混凝土的各种孔道、裂隙而渗入的大气中的酸性介质发生中和反应。

1.2 氯离子渗入引起的钢筋锈蚀

氯离子的来源主要有3个方面：混凝土制造过程中原材料(水泥、骨料、拌和水、外加剂、掺和料)；道路上使用含氯的除冰盐；环境中的氯盐(如结构物与海水接触)。通过混凝土的宏观、微观缺陷渗入到混凝土中并到达钢筋表面。氯离子即使在高碱度下，对破坏钢筋的钝化膜都有特殊的能力，它的渗透性对于钢筋混凝土桥梁的耐久性是一个重要考察指标。渗透性指标可对比表1所列ASTM1202标准进行评价。

表1ASTM 1202标准

2 预应力钢筋的应力腐蚀

应力腐蚀的特征是形成腐蚀―机械裂缝，这种裂缝不仅会沿着晶界发展，也可穿过晶粒向金属内部发展，使金属结构的机械强度大大降低，严重时能使金属设备突然损坏。出现预应力筋应力腐蚀的主要条件：

(1) 金属本身对应力腐蚀具有敏感性；合金和含有杂质的金属比纯金属容易产生应力腐蚀，预应力钢筋含有多种化学成分，因此属于应力腐蚀敏型金属。

(2) 预应力高强钢丝，钢绞线属于低碳钢。能引起其产生应力腐蚀的介质主要有NaOH 溶液、硝酸盐溶液、含H2S和HCI 溶液、沸腾浓MgCI2 溶液以及海水、海洋大气和工业大气等。

(3) 预应力筋在冷加工、焊接或机械束缚引起的残余应力；张拉后在自身截面上建立起的拉应力，且该拉应力大于其发生应力腐蚀的临界应力。

桥梁建筑结构中的预应力钢筋完全有可能满足上述的几个条件。其应力腐蚀过程的第一阶段为孕育期，在这一阶段内，因腐蚀过程的局部化和拉应力作用的结果使裂纹生核；第二阶段为腐蚀裂纹发展时期，当裂纹生核后，在腐蚀介质和预应力筋拉力的共同作用下裂纹扩展；第三阶段中由于拉应力的局部应力集中，裂纹急剧生长导致预应力钢筋拉断。

3 提高结构混凝土耐久性的措施

混凝土与钢筋通过施工制作成为整体后，在结构受力中既有共同作用的一面，又有功能与作用区别的一面。一般情况下，结构的钢筋被混凝土包裹着，并且有很强的粘结力，要提高耐久性，就必须保证混凝土与钢筋之间的粘结力不能受到侵蚀性的削弱或破坏，用以保证结构承载力的良好和使用稳定，因此在耐久性方面存在着互为联系，互为影响，互为因果的关系。

3.1 结构混凝土耐久性的基本要求

中国现行公路桥梁施工的技术规范对混凝土耐久性提出的基本要求见表2。

表2结构混凝土耐久性的基本要求

3.2 保证和增强结构混凝土耐久性措施

在保证混凝土强度和力学性能的前提下，应尽量限制和降低耐久性不利因素的影响，根据使用环境，选择合理的混凝土技术参数，使混凝土具有良好的综合性能。

3. 2. 1 控制水泥用量，选用优质水泥

水泥用量过小，难以保证强度，用量过大，则水化热加大，易产生收缩裂缝，同时使含碱量增加，将可能导致碱骨料病害。对于混凝土强度要求较高的一般水泥用量偏多，最好选用高强、低水化热和低碱水泥。

3. 2. 2 降低水胶比

较小的水胶比能够减少混凝土的泌水量，提高抗渗性和密实度，从而使耐久性也得到提高，还可采用高效减水剂来降低拌和水量。

3. 2. 3 限制混凝土中的氯离子含量

混凝土骨料拌和水、外加剂等带入混凝土中的氯离子总量一般不得超过水泥重量的0.1%~ 0.3%。

3. 2. 4 限制氯离子的渗透速率

通过在混凝土中掺加适当比例的粉煤灰、硅粉、磨细矿渣等，以降低混凝土裂纹孔隙尺寸和阻断毛细孔，使氯离子在混凝土中的渗透速率降低，混凝土电阻率增加，从而延迟锈蚀的开始和降低锈蚀开始后的速率，控制氯离子渗透对钢筋的危害。

4 预应力钢筋的防护与增强耐久性的措施

4.1 环氧树脂涂层钢筋

目前用于防止预应力筋腐蚀镀层的材料主要有锌、锌铝合金和环氧树脂等。其中环氧涂层钢筋是公认的有效措施，其工艺是采用高压静电喷涂法将环氧树脂粉末喷涂在钢绞线上，经加热熔融，固化冷却后在表面形成一层致密的涂膜，隔离钢筋与腐蚀介质的接触。如将环氧涂层钢筋与阻锈剂(如亚硝酸钠和亚硝酸钙)联合使用，其防腐蚀效果则更佳。由于环氧涂层为绝缘层，因此不能与外加电流阴极保护联合使用。

4.2 严密孔道灌浆

调查表明：在后张预应力混凝土结构中，预应力筋的腐蚀与孔道灌浆不密实引起的关系密切。孔道灌浆不密实的一个重要原因是施工和混合料配制不好。合理的配合比是保证灰浆强度和灌浆密实度达到设计要求的关键。传统的灌浆手段是压力灌浆，压入的浆体中常含有气泡，当混合料硬化后，气泡处会变为孔隙，成为渗透雨水的积聚地，这些水如含有有害成份，易造成构件腐蚀；另外，水泥浆容易离析，干硬后收缩，粘结不好，给工程留下隐患。采用压力灌浆的英国YnYs -Gwaa 大桥就是因为灌浆不密实而引起预应力筋被腐蚀而倒塌的。为提高结构的安全度和耐久性、建议采用真空灌浆工艺。

4.3 严防预应力钢筋的应力腐蚀

为防止预应力筋发生应力腐蚀破坏，主要应从减少腐蚀方面采取措施。首先，要选用质量好的材料，尽量避免含有对应力腐蚀敏感的金属材料。其次，在结构设计时要力求合理，尽量减少应力集中和避免积存腐蚀介质，减少介质的腐蚀性，添加缓蚀剂，采用保护层和阴极保护也可防止或抑制金属的应力腐蚀；在预应力钢筋的加工制作和张拉施工中，注意采取可行的措施控制和减少预应力筋的应力损伤腐蚀。