淺談鋼筋混凝土橋梁耐久性、腐蝕病害及對策

摘　要　通過對橋梁耐久性影響因素分析,認為鋼筋腐蝕對橋梁耐久性影響最大。通過對鋼筋腐蝕影響因數(shù)和腐蝕機理分析,提出預防鋼筋腐蝕對策。

關鍵詞　橋梁耐久性鋼筋腐蝕病害腐蝕病害預防對策

1 橋梁耐久性與影響因素

　　所謂耐久性,本人有兩種理解,一是理論耐久性,二是實際耐久性。理論耐久性按《公路工程混凝土結(jié)構(gòu)防腐技術(shù)規(guī)范》解釋是指“結(jié)構(gòu)在預期作用和預定的維護條件,能在規(guī)定期限內(nèi)維持其設計性能要求的能力”;實際耐久性是指結(jié)構(gòu)對氣候作用、化學侵蝕、物理作用或任何破壞過程的抵抗能力。一般來講,在正常設計(滿足強度、剛度、穩(wěn)定性和使用功能等要求) 、正常施工(嚴格依照規(guī)范和設計進行) 、正常使用(規(guī)定荷載等)和正常養(yǎng)護(不使用化冰鹽)的條件下,橋梁理論耐久性是有保障的。然而暴露在野外環(huán)境的橋梁,受到各種水侵腐蝕、凍融破壞、正常和非正常荷載的作用,加之設計、施工的不當,其生存時間很難同我們想象的設計壽命掛鉤,其實際耐久性遠遠小于理論耐久性。

　　影響橋梁耐久性的因素十分復雜,不考慮洪水、地震、超載及船舶的撞擊,主要取決于以下四方面因素:

　?、倩炷敛牧?、鋼材的自身特性;

　　②橋梁結(jié)構(gòu)的設計與施工質(zhì)量;

　?、蹣蛄航Y(jié)構(gòu)所處的環(huán)境;

　?、軜蛄航Y(jié)構(gòu)的使用條件與防護措施。

　　其中混凝土材料、鋼材的自身特性和鋼筋混凝土橋梁的設計與施工質(zhì)量是決定橋梁耐久性的內(nèi)因?；炷潦怯伤唷⑺?、粗集料和某些外加劑,經(jīng)過攪拌、澆注、振搗和養(yǎng)護硬化等過程而形成的人工復合材料?；炷恋牟牧辖M成,如水灰比、水泥品種和用量、集料的種類與級配等都直接影響橋梁的耐久性?；炷恋娜毕?例如裂縫、氣泡、孔穴等)都會造成水分和侵蝕性物質(zhì)滲入混凝土內(nèi)部,與混凝土發(fā)生物理化學作用,腐蝕結(jié)構(gòu)的鋼筋,影響橋梁的耐久性。

　　橋梁所處環(huán)境條件和防護措施是影響橋梁耐久性的外因。外界環(huán)境對鋼筋混凝土橋梁的破壞是環(huán)境因素對混凝土結(jié)構(gòu)物理化學作用的結(jié)果。環(huán)境因素引起的鋼筋混凝土橋梁損傷或破壞主要有:

　?、倩炷撂炕?

　　②氯離子侵蝕;

　?、蹓A- 集料反映;

　　④凍融循環(huán)破壞;

　?、蒌摻罡g。

　　在影響鋼筋混凝土橋梁耐久性的諸多因素中,鋼筋的腐蝕危害最大,當鋼筋腐蝕后其有效截面積會不斷減小,就使得結(jié)構(gòu)的承載能力迅速下降,并不可恢復,嚴重時還會出現(xiàn)鋼筋斷裂。當結(jié)構(gòu)的剩余承載能力低于作用荷載時,橋梁結(jié)構(gòu)就有可能發(fā)生破壞。所以由鋼筋腐蝕而引起的橋梁耐久性問題已成為一個非常突出的災害性問題。

2　鋼筋腐蝕病害成因

　　混凝土對鋼筋的保護體現(xiàn)在兩個方面:即物理保護和化學保護。物理保護是指阻斷保護,即混凝土保護層隔斷了鋼筋與空氣、水和腐蝕環(huán)境的直接接觸;化學保護是指鈍化保護,水泥在水化過程中生成大量的氫氧化鈣,使混凝土內(nèi)部的空隙中充滿了飽和的氫氧化鈣溶液,其ph值為12～13,在這樣高的堿性環(huán)境中埋置的鋼筋容易發(fā)生鈍化作用,使鋼筋表面生成一層難溶的三氧化二鐵( Fe2O3 )和四氧化三鐵( Fe3O4 ) ,通常稱為鈍化膜,能夠阻止混凝土中的鋼筋的腐蝕。埋置于無氯、未碳化混凝土中的鋼筋可以永遠不生銹。

　　造成鋼筋銹蝕的原因是多方面的,如周圍介質(zhì)的侵蝕,鋼材的材質(zhì)差,混凝土保護層的性能影響等。具體原因如下:

　?、倩炷敛幻軐嵒蛴辛芽p

　　這往往是造成鋼筋銹蝕的主要原因。尤其當水泥用量不當和澆搗不良,或者在混凝土澆注中產(chǎn)生漏筋、蜂窩、麻面等缺陷,或者造成干縮或溫差開裂、受到過載開裂、意外沖撞破損等等,使鋼筋直接暴露在環(huán)境中,失去了混凝土的保護,都給水(汽) 、氧和其他侵蝕介質(zhì)的滲透創(chuàng)造了有利條件,多種侵蝕介質(zhì)容易達到鋼筋表面,從而加速鋼筋的銹蝕。

　　②混凝土的碳化

　　混凝土中的鋼筋銹蝕的主要原因之一是“碳化”?？諝庵械亩趸細怏w,逐漸中和混凝土的水泥水化物,把結(jié)硬的水泥漿中的氫氧化碳轉(zhuǎn)化為碳酸鈣,使混凝土失去堿性而變成中性化。這種現(xiàn)象稱為“碳化”。當碳化深度達到超過鋼筋保護層時,使表層混凝土喪失堿性環(huán)境,其ph值低于10,

　　對鋼筋不再起鈍化作用,從而破壞鋼筋的鈍化膜,使鋼筋失去保護的屏障。進而大氣中的有害氣體侵入混凝土,就會使鋼筋遭到銹蝕而生銹。處于干燥環(huán)境下的混凝土碳化速度緩慢,具有良好保護層的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)一般不會發(fā)生鋼筋腐蝕;而處于潮濕的或有侵蝕介質(zhì)的環(huán)境中,混凝土將加速碳化,一般當ph值大于10時,鋼筋腐蝕速度較小,當ph值小于4時鋼筋腐蝕速度急劇增加。

　?、蹞饺牖蚯秩肼塞}

　　氯離子對鋼筋鈍化膜的破壞作用最強,氯鹽通過混凝土中的毛細孔或微裂縫滲入到鋼筋的表面,直接攻擊鈍化膜,當鋼筋表面的氯離子量超過臨界值,鋼筋保護膜遭到破壞,如果能供給氧氣和水,就會造成鋼筋局部發(fā)生腐蝕,較典型的是含鹽環(huán)境,如化冰鹽、海洋環(huán)境、含鹽地下水等,并且其滲透深度很可能超過鋼筋的深度。因此氯鹽是威脅橋梁耐久性最危險的化學物質(zhì),且對鈍化膜產(chǎn)生局部性的破壞,使鋼筋表面產(chǎn)生點狀坑蝕。

3　鋼筋腐蝕機理分析

3. 1　混凝土碳化引起的鋼筋腐蝕

　　前已指出,混凝土碳化的實質(zhì)是混凝土的中性化,當有二氧化碳和水氣侵入混凝土內(nèi)部,與混凝土中的堿性物質(zhì)中和,導致混凝土的ph值降低,造成全部或部分鋼筋表面鈍化膜的破壞。由于鋼材材質(zhì)和表面的非均質(zhì)性,在鋼筋表面的不同部位總會出現(xiàn)較大的電位差,形成陽極和陰極。因此,在潮濕環(huán)境下,由于氧氣和水的參與,鋼筋就可以發(fā)生電化學反應。

　　在陽極的反映為:Fe→Fe2 + + 2e在陰極的反映為:2H2O +O2 + 2e- →4 (OH) -陽極、陰極生成的鐵離子和氫氧根離子結(jié)合生成氫氧化鐵:Fe2 + + 2 (OH) - →Fe (OH) 24Fe (OH) 2 +O2 +H2O→4Fe (OH) 3

　　在氧氣和水的共同作用下,發(fā)生上述電化學反應,使鋼筋表面的鐵不斷失去電子而溶于水,鋼筋逐漸被腐蝕,反應生成的氫氧化二鐵( Fe (OH) 2 )進一步氧化形成鐵銹Fe (OH) 3 ·3H2O,鐵銹體積膨脹,將引起混凝土開裂。

3. 2　氯離子侵入引起的鋼筋腐蝕

　　氯離子是極強的去鈍化劑,氯離子進入混凝土,到達鋼筋表面,并吸附于局部鈍化膜處時,可使該處的ph值迅速降低,破壞鋼筋表面的鈍化膜,引起鋼筋腐蝕。

　　氯離子Cl- 和氫氧根離子OH- 爭奪腐蝕產(chǎn)生的Fe2 + ,形成綠銹FeCl·4H2O,綠銹從鋼筋的陽極向含氧較高的混凝土空隙遷移,分解為Fe (OH) 2(褐銹) 。褐銹沉積于陽極周圍,同時放出氫離子H+和氯離子Cl- ,它們又回到陽極區(qū),使陽極區(qū)附近的孔隙液局部酸化,氯離子Cl- 再帶出更多的Fe2 + 。氯離子雖然不構(gòu)成腐蝕產(chǎn)物,在腐蝕反應中也不消耗,但腐蝕的中間產(chǎn)物對腐蝕反映起催化作用,反應式為:

Fe2 + + 2Cl- + 4H2O→FeCl2 ·4H2O

FeCl2 ·4H2O→Fe (OH) 2 ↓ +2Cl- +H+ +2H2O

　　如果在大面積的鋼筋表面上具有高濃度的氯離子,則氯離子所引起的腐蝕可能是均勻腐蝕。但是由于混凝土局部缺陷常造成鋼筋局部表面氯離子濃度增加,引起鋼筋局部腐蝕,形成腐蝕坑。腐蝕坑相當于一個缺口,在鋼筋受拉時引起應力分布不均勻,造成應力集中,可導致鋼筋的斷裂。

4 橋梁腐蝕病害預防對策

　　鋼筋腐蝕與混凝土的碳化、氯離子侵蝕以及水分和氧的存在條件是分不開的,而提供這種條件的通道,一個是毛細孔道,另一個是混凝土裂縫,其中裂縫對鋼筋的腐蝕影響更大,混凝土開裂后,鋼筋的腐蝕速度將大大加快。因此,橋梁的防腐應從兩方面入手,一是提高鋼筋的混凝土保護層質(zhì)量,阻止氯離子和水分對混凝土的侵蝕,延長混凝土的碳化時間,進而防止鋼筋銹蝕;二是注重橋梁防水和防氯離子侵蝕。

4. 1　提高混凝土保護層質(zhì)量

　　(1) 加大混凝土保護層厚度。

　　(2) 提高混凝土密實度。模板質(zhì)量要好,支撐牢固,混凝土不跑漿;混凝土振搗要到位,避免出現(xiàn)蜂窩、孔洞;摻入優(yōu)質(zhì)粉煤灰,改變混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu),提高混凝土密實度,同時增加對氯離子擴散的阻力。

　　(3) 采取措施,控制混凝土有害裂縫。一是防止混凝土堿集料反應引起混凝土裂縫,比如選擇含堿量低的水泥( ≯0. 6% ) ,不使用堿活性的集料,不使用含堿或含堿量低的化學外加劑等;二是防止集料膨脹反應引起的混凝土開裂,對集料生產(chǎn)、運輸、堆放及攪拌等工序進行科學管理,防止將含氧化鎂或硫酸鹽的膨脹集料或生石灰碎塊混入集料中;三是防止因溫度變化引起混凝土開裂,合理設置、安裝橋梁伸縮縫與支座,加強橋梁養(yǎng)護,及時清理伸縮縫中雜物;四是盡量采用預應力結(jié)構(gòu);五是應用設計允許的最小水泥用量和能滿足和易性要求的最小用水量,不要用過大的坍落度,均勻澆筑混凝土,并及時對混凝土進行養(yǎng)護,施工現(xiàn)場的材料堆放要合理,避免施工超載。

4. 2　控制氯離子含量

　　混凝土中氯離子含量對鋼筋腐蝕的影響極大,一般情況下,鋼筋混凝土中氯鹽摻量應少于水泥重量的1% ,摻氯鹽的混凝土必須振搗密實,且不宜采用蒸汽養(yǎng)護。

4. 3　提高橋梁防水功能

　　鋼筋銹蝕主要是因混凝土保護層碳化和氯化物侵蝕,這兩種腐蝕現(xiàn)象都是以水為載體進行。應該說橋梁防水是橋梁結(jié)構(gòu)防腐的第一道屏障。大量的橋梁檢測資料表明,由于橋面防水層的過早破壞,加上橋面排水不暢,水從橋面滲入到橋面板下的梁、墩臺等部位,加速了橋梁結(jié)構(gòu)混凝土的碳化和混凝土內(nèi)鋼筋的腐蝕。為此:

　　(1) 應選擇好的防水層,精心鋪設。防水涂層與其上的瀝青混凝土鋪裝層要具有相融性,二者之間的粘結(jié)力要不低于瀝青混凝土鋪裝層與水泥混凝土橋面板之間的粘結(jié)力;要具有良好的抗?jié)B性能,在經(jīng)受瀝青混凝土的熱碾壓后,其抗?jié)B性應大于0. 3MPa;要具有良好的耐久性,并能適應橋梁動荷載抗壓、抗拉的特性。

　　(2) 橋面防水設計中,建議除選擇具有良好的抗?jié)B、抗剪、抗拉的防水層外,把水泥混凝土鋪裝設計為防水混凝土或在其表面涂抹抗?jié)B劑以達到自防水效果,即柔性防水和剛性防水相結(jié)合。橋面鋪裝施工時,除嚴格控制壓實度外,應嚴格控制平整度和橫坡度。確保瀉水口位置、標高準確,瀉水口不被瀝青混凝土鋪裝堵塞,以保證橋面水能迅速排除。

　　(3) 加強簡支梁端封頭混凝土及鉸縫施工質(zhì)量控制,避免梁頭和鉸縫滲水。

　　通過對大量的舊橋檢測和加固施工,發(fā)現(xiàn)在空心板封頭處,由于混凝土開裂,厚度過薄等原因,水從伸縮縫等部位沿著封頭的微小裂縫逐漸進入空心板內(nèi)部,并很難排除來,長期侵蝕梁體混凝土和鋼筋。因此應注重封頭混凝土施工質(zhì)量,確?；炷撩軐?也可對混凝土進行防水處理。在鉸縫處,由于連接比較薄弱,加上施工質(zhì)量較差,許多橋梁在使用早期就出現(xiàn)鉸縫開裂,橋面鋪裝層沿鉸縫縱向開裂,橋面防水層開裂,鉸縫處嚴重滲水,板的翼緣混凝土碳化最為嚴重,部分鋼筋開始銹蝕。因此,從設計上要采取措施,加強鉸縫連接,避免單板受力,從而保證橋面防水層整體性不被破壞。

參考文獻

　　1　橋梁病害診斷與改造加固設計. 張樹仁、王宗林. 人民交通出版社. 2006

　　2　混凝土技術(shù). 劉秉京. 人民交通出版社. 2004