鋼筋混凝土橋梁的病害處理
2011-09-08 來源：中國百科網(wǎng)
在橋梁工程中，混凝土作為主要的建筑材料而被廣泛使用，它一直被認(rèn)為是非常耐久的材料。近幾年來，才逐漸發(fā)現(xiàn)它也會像天然石材在一定的條件下被風(fēng)化變質(zhì)一樣，喪失原有強(qiáng)度而過早損壞，影響其正常使用?；炷翗蛄旱脑O(shè)計壽命一般都為一百年，但遭受病害的橋梁其使用壽命將大大縮短，嚴(yán)重的在建成幾年就會出現(xiàn)混凝土保護(hù)層剝落、鋼筋銹蝕的現(xiàn)象，需要進(jìn)行病害整治和加固維修。
1.病害發(fā)生的原因
橋梁的混凝土結(jié)構(gòu)是以水泥的水化產(chǎn)物作為膠結(jié)料并結(jié)合一定級配的骨料或其它惰性材料和鋼筋制成的一種復(fù)合材料。在這一復(fù)合結(jié)構(gòu)中，鋼筋提供了結(jié)構(gòu)的抗拉強(qiáng)度，而混凝土則提供了結(jié)構(gòu)抗壓強(qiáng)度和對鋼筋的保護(hù)作用。所以混凝土橋梁的病害包括混凝土的性能劣化和混凝土中鋼筋的銹蝕兩個方面，混凝土的劣化指在使用過程中，混凝土受周圍環(huán)境的物理、化學(xué)、生物作用，混凝土內(nèi)的某些成分發(fā)生反應(yīng)變性、溶解析出、結(jié)晶膨脹及基體開裂等，從而造成混凝土性能的下降，主要包括侵蝕性介質(zhì)腐蝕、凍融破壞、混凝土裂縫，混凝土的碳化（中性化）、溶出性腐蝕等，混凝土的劣化不僅直接降低混凝土的性能，更主要的是它對混凝土中的鋼筋失去保護(hù)作用，導(dǎo)致鋼筋的銹蝕失效。
1.1侵蝕性介質(zhì)腐蝕
侵蝕性介質(zhì)腐蝕主要指混凝土中含有的某些化學(xué)成分Ca（OH）2、（3CaO·2Al2O3·3H2O）容易與侵蝕性介質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，比較典型的是氯鹽的腐蝕和硫酸鹽的腐蝕。氯鹽的腐蝕主要是環(huán)境中游離的Cl-和混凝土中的（3CaO·2Al2O3·3H2O）等發(fā)生反應(yīng)，生成易溶的CaCl2和大量的結(jié)晶水，使體積膨脹好幾倍，造成混凝土的破壞，當(dāng)Cl-與鋼筋接觸，含量達(dá)到一定程度時，使該處的PH值迅速下降，鋼筋的鈍化膜發(fā)生破壞，使與完好的鈍化膜區(qū)域之間構(gòu)成了電位差，同時，Cl-具有導(dǎo)電作用，可以和Fe2+發(fā)生反應(yīng)生成FeCl2，加速了鋼筋的腐蝕。硫酸鹽的腐蝕可以出現(xiàn)鈣釩石破壞和石膏膨脹破壞。[2]
1.2凍融破壞
主要表現(xiàn)在混凝土中存在大量的孔隙和裂縫，水份通過毛細(xì)作用進(jìn)入，當(dāng)溫度降至冰點以下時，孔隙中的水凍結(jié)膨脹，體積可增大10%，使孔壁受壓變形，當(dāng)溫度升高冰融化后，使孔壁產(chǎn)生拉力，經(jīng)過持續(xù)的反復(fù)凍融，使混凝土發(fā)生開裂，裂縫隨著凍融次數(shù)的增多而增加，并逐漸擴(kuò)展連接，以致逐漸降低混凝土的強(qiáng)度。
1.3混凝土的碳化
在大氣環(huán)境下，橋梁結(jié)構(gòu)的破壞主要是鋼筋的混凝土保護(hù)層碳化，堿性降低，混凝土出現(xiàn)裂縫，大氣中的氧氣和水深入混凝土中到達(dá)鋼筋表面，并發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，引起體積膨脹，使混凝土的裂縫加大，最終引起保護(hù)層的開裂、剝落。
1.4鋼筋的銹蝕
鋼筋的銹蝕是電化學(xué)過程，除受其自身性能影響外，與混凝土的性能和外界環(huán)境有著密切的關(guān)系，在大氣區(qū)當(dāng)裂縫達(dá)到0.3mm時，鋼筋已經(jīng)開始腐蝕。鋼筋生銹后，使其本身有效截面縮小，生成的氧化鐵體積比原來膨脹好幾倍，使保護(hù)層的混凝土開裂，使有害物質(zhì)更容易進(jìn)入混凝土內(nèi)部，加速對鋼筋混凝土的腐蝕。
2.主要的病害處理措施
一般的混凝土橋梁病害是由幾種破壞的組合，更加加速了侵蝕的程度，例如：化學(xué)腐蝕可以導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的破壞，而同時又有冰凍發(fā)生，對混凝土的破壞程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于兩者的代數(shù)相加，鹽凍對混凝土路面造成的傷害使得東北地區(qū)一條高等級公路只經(jīng)過一個冬天就大面積剝蝕。所以探求處理病害的處理措施應(yīng)該全面的從共性的問題上去解決。由以上幾種主要的病害，可以看出混凝土的侵蝕與混凝土的強(qiáng)度無關(guān)，而與混凝土的密實度、孔隙特征和外界環(huán)境相關(guān)，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫和毛細(xì)孔，是各種有害介質(zhì)進(jìn)行侵蝕的通道，如何致力于提高鋼筋混凝土的密實度，切斷與有害介質(zhì)侵入的通道（即便是水和氣體也會對鋼筋混凝土具有一定的侵蝕性），對抑制混凝土橋梁各種病害的發(fā)生，提高結(jié)構(gòu)的抗侵蝕能力和橋梁的使用壽命有著重要的意義。主要處理措施如下：
2.1混凝土
2.1.1選用適當(dāng)?shù)难a強(qiáng)混凝土或砂漿
被侵蝕松動的混凝土，膠結(jié)結(jié)構(gòu)已經(jīng)遭到破壞，喪失了原有的強(qiáng)度和承載能力。在進(jìn)行處理時，應(yīng)剔除松動的混凝土，采用適當(dāng)?shù)幕炷粱蛏皾{補強(qiáng)，侵蝕嚴(yán)重的應(yīng)考慮增大原來結(jié)構(gòu)的尺寸，降低混凝土表面的拉應(yīng)力，抑制裂縫的發(fā)生，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的承載能力。補強(qiáng)的混凝土或砂漿應(yīng)具有以下性能：
（1）和易性好，具有較好的彈性和低收縮率，使補強(qiáng)的混凝土不開裂。
（2）與既有混凝土構(gòu)件要有較高的粘接力，以及相一致的線膨脹系數(shù)，滿足結(jié)構(gòu)要求的抗彎強(qiáng)度或抗拉強(qiáng)度。
（3）要有較高的密實度以及抗化學(xué)侵蝕的性能，滿足抗?jié)B、抗凍要求。
（4）位于侵蝕環(huán)境水中的橋墩，應(yīng)采用防水混凝土和適當(dāng)?shù)幕旌蠐搅匣蛱砑觿?br />
2.1.2提高混凝土的密實度
一般病害的發(fā)生是以水為載體，通過裂縫或孔道到達(dá)混凝土內(nèi)部和鋼筋位置，而且裂縫越大，侵蝕的速度就越快，實驗表明，橋梁結(jié)構(gòu)要達(dá)到百年的使用壽命，裂縫寬度必須控制在0.15mm以內(nèi)。病害處理應(yīng)包括改善結(jié)構(gòu)材料的防水性能和提高密實度兩個方面。對于既有結(jié)構(gòu)混凝土的裂縫，可以通過埋設(shè)注漿嘴進(jìn)行高壓注漿的方法進(jìn)行填塞封堵；對于貫通的毛細(xì)孔，可以采用新型的滲透結(jié)晶型材料通過毛細(xì)孔進(jìn)入混凝土內(nèi)部，與混凝土本身的某些物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，生成凝膠，堵塞毛細(xì)孔，提高混凝土的密實度，增加抗?jié)B性，從而提高混凝土的抗侵蝕能力和使用壽命。
2.1.3適當(dāng)增加混凝土保護(hù)層的厚度
在混凝土耐久性規(guī)范中，規(guī)定了最小保護(hù)層厚度，較原來的鋼筋混凝土規(guī)范有了很大的提高，這是一條防止混凝土被侵蝕的重要手段，可以將延長有害物質(zhì)到達(dá)鋼筋的時間，延緩了鋼筋的腐蝕，使鋼筋混凝土的有效壽命得到提高。但在混凝土耐久性規(guī)范發(fā)布之前，混凝土鋼筋的凈保護(hù)層厚度僅為15mm，從結(jié)構(gòu)受力的角度，使截面的有效高度和承載能力較大，而從抗侵蝕能力來講，則正好相反，在惡劣的環(huán)境下，侵蝕很容易到達(dá)鋼筋位置，引起鋼筋的銹蝕和混凝土裂縫的進(jìn)一步發(fā)展。所以對于侵蝕嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)應(yīng)考慮適當(dāng)增加混凝土保護(hù)層的厚度，補強(qiáng)的混凝土凈保護(hù)層厚度滿足《鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計暫行規(guī)定》的要求[1].
2.2鋼筋
盡管混凝土具有較好的抗?jié)B性，但由于施工條件、施工質(zhì)量的不同以及在運營過程中養(yǎng)護(hù)的問題，難以避免存在微小的孔隙和裂縫，使有害物質(zhì)容易侵入，造成鋼筋的腐蝕。對于侵蝕輕微的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，在混凝土基面涂刷阻銹劑，通過滲透進(jìn)入混凝土中，同時不妨礙混凝土的透氣性及水分散發(fā)，保護(hù)混凝土中的鋼筋，防止其進(jìn)一步銹蝕。阻銹劑的摻入量與有害物質(zhì)的滲入總量有關(guān)，使結(jié)構(gòu)在設(shè)計使用壽命內(nèi)不會因鋼筋銹蝕而發(fā)生破壞。對于侵蝕嚴(yán)重的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，應(yīng)該在剔除松動的混凝土后，檢查鋼筋的銹蝕情況，如鋼筋只是表面銹蝕，應(yīng)作除銹處理后，在鋼筋表面涂刷阻銹劑，如果鋼筋的有效面積明顯減小，應(yīng)該采用同型號的鋼筋進(jìn)行綁焊。在混凝土補強(qiáng)后，在結(jié)構(gòu)表面再噴涂阻銹劑。
2.3混凝土表面的防護(hù)層
處于惡劣環(huán)境下的混凝土橋梁，應(yīng)在混凝土表面增設(shè)防護(hù)層。在海洋及近海環(huán)境下，經(jīng)過對多種混凝土表面防護(hù)層進(jìn)行試驗，表明采用防護(hù)層保護(hù)的混凝土試件在探測深度范圍內(nèi)氯離子的滲入量比無涂層的低7倍以上，氯離子的含量值基本接近混凝土原有的初始濃度。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計按允許有裂縫設(shè)計考慮的，在正常使用狀態(tài)是存在微小裂縫的，所以表面防護(hù)層宜采用滲透結(jié)晶型混凝土防水材料，其具有遇濕固化能力，不僅可以在混凝土表面形成一道防水屏障，而且其對混凝土的滲透性強(qiáng)，滲入混凝土中后，其活性物質(zhì)可與混凝土中的物質(zhì)進(jìn)一步反應(yīng)生成凝膠，堵塞已存在于混凝土中的空隙、裂縫及毛細(xì)孔，以增加基層混凝土的密實度，阻止了水和各種侵蝕性介質(zhì)的滲入。當(dāng)混凝土出現(xiàn)新的裂縫有水滲入時，在混凝土內(nèi)部未反應(yīng)的涂層顆粒還可與混凝土中的物質(zhì)繼續(xù)反應(yīng)生成新的凝膠，對較小的裂縫可實現(xiàn)自身修復(fù)。防護(hù)層除具有防水功能外，還應(yīng)具有以下主要技術(shù)性能[3]：
（1）與混凝土基面要有足夠的粘結(jié)力，最小應(yīng)不小于0.8MPa.
（2）耐堿性，混凝土表面是強(qiáng)堿性，涂層材料涂刷在混凝土表面上不允許有任何有害反應(yīng)或變化。
（3）具有足夠的抗老化性，尤其是在大氣區(qū)受陽光照射的干濕交替區(qū)域，在使用壽命內(nèi)，不允許有起泡、開裂的現(xiàn)象發(fā)生。
（4）具有較高密實性，阻止有害離子的滲透。
（5）有良好的透氣性和抗沖擊性。
3.結(jié)論
混凝土橋梁病害的發(fā)生，除環(huán)境因素外，大多數(shù)情況下是有害物質(zhì)以結(jié)構(gòu)中的裂縫或毛細(xì)孔為通道，以水或氣體為載體，在結(jié)構(gòu)中逐步擴(kuò)散進(jìn)行的?；炷翗蛄旱牟『μ幚泶胧?yīng)是針對結(jié)構(gòu)裂縫或毛細(xì)孔道的處理，提高原結(jié)構(gòu)的密實度和防水抗?jié)B性能。位于環(huán)境惡劣地區(qū)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，除考慮結(jié)構(gòu)剛度外，其設(shè)計混凝土橋梁不宜按允許裂縫出現(xiàn)的情況考慮。采用滲透結(jié)晶性防水材料作為結(jié)構(gòu)表面的防護(hù)層較單純防水材料更適合于耐久性要求。為提高結(jié)構(gòu)耐久性和使用壽命，保證結(jié)構(gòu)的使用安全性，應(yīng)建立定期檢測、維護(hù)和維修機(jī)制。
