鋼筋砼橋梁病害的主要成因及修補加固范例
2014-06-11
1. 前言
交通運輸與國計民生息息相關(guān)，而橋梁則是交通命脈的咽喉。據(jù)20世紀末統(tǒng)計，我國的鐵路橋梁約有3700多座，橋梁總長近2400公里，公路橋梁約有近28萬座，橋梁總長近10300公里。其中大部分的橋梁為鋼筋砼（含預應(yīng)力梁）結(jié)構(gòu)，約占橋梁總數(shù)的90％以上。解放后尤其是改革開放以來我國的橋梁建設(shè)發(fā)展速度蒸蒸日上，方興未艾，有力地促進了國民經(jīng)濟的高速發(fā)展，而且橋梁的設(shè)計、施工技術(shù)水平不斷得到提高和發(fā)展，尤其是在長江中已竣工通車的數(shù)十座特大橋和最近已在長三角地區(qū)修建的東海超長跨海特大橋和杭州灣大橋的技術(shù)水平已達國際的領(lǐng)先地位。在大好形勢下，我們還必須保持清醒的頭腦，據(jù)上世紀末統(tǒng)計顯示，公、鐵路混凝土橋梁的失格率達到了20％左右，有的已成了危橋，還在負荷運營，報載橋垮、車毀、人亡的惡性事故報導，已屢見不鮮。為此，21世紀以來，已引起工程界特別是橋梁界的嚴重關(guān)切，由中國科協(xié)工程聯(lián)合會、中國鐵道學會、中國公路學會、中國土木工程協(xié)會相繼聯(lián)合舉辦了“2003年橋梁病害診治論壇”；同年12月中國腐蝕與防護學會防腐蝕工程專業(yè)委員會在廣西北海市召開了“2003年全國承工、橋梁結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)交流會”，2004年由中國交通部《公路運輸文摘·橋梁》雜志和中國科協(xié)工程聯(lián)合會共同在海南省?？谑信e辦了“橋梁耐久性研討會”…，所有這些重要全國會議的與會專家、學者針對我國目前橋梁存在的病害提出了各自的精辟見解和對策建議，通過調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)了從設(shè)計、施工、管理體制、養(yǎng)護加固等存在的人為因素、缺陷、環(huán)境惡化、交通量劇增、超載嚴重等客觀因素對橋梁帶來的危害等一系列原因，進行了分析和診斷，認為必須刻不容緩的認真對待和處理，已基本取得了共識，那就是對原來一些傳統(tǒng)的設(shè)計理念和模式必須更新，既要重視結(jié)構(gòu)的強度，也要重視整體的安全性能和耐久性措施，對施工質(zhì)量的保證措施必須要有嚴格且便于執(zhí)行的工藝；對橋梁的養(yǎng)護管理必須加強健康監(jiān)測及時組織有經(jīng)驗的技術(shù)人員通過先進可靠的檢測設(shè)施對橋梁進行了正確的診斷分析，做劍對癥下“藥”，在此基礎(chǔ)上分清輕重緩急，采用先進的技術(shù)、工藝和產(chǎn)品進行維修和加固，做到未雨綢繆，確保運輸安全和延長使用壽命。
2. 我國鋼筋砼橋梁病害的主要成因及對策建議
（1）早期設(shè)計的鋼筋砼橋梁，混凝土強度標號偏低，防水和抗凍性能不強，一般抗?jié)B標號只有S8～S12左右，加上施工時選材不嚴，攪拌不均勻，振搗不密實，往往存在蜂窩麻面及微裂縫的缺陷，有的橋體過于強求輕巧薄型以致鋼筋保護層過薄，多在10～20mm左右。
?。?）溫度應(yīng)力促使存在缺陷的砼產(chǎn)生微裂縫，防水涂料達不到防水作用時，空氣中的水氣在毛細管引力的作用下滲入到微裂隙中，若達到鋼筋表面在水與氧的作用下形成腐蝕電池破壞其鈍化膜，導致鋼筋銹蝕。在近海地區(qū)的砼橋梁，氯離子的侵入導致鋼筋銹蝕是主要原因。鋼筋銹蝕后，必然出現(xiàn)體積膨脹，膨脹量為原體積的4～5倍，這樣勢必對砼產(chǎn)生很大的膨脹應(yīng)力，加上保護層較薄，促使鋼筋銹蝕部位的砼開始起裂，形成沿鋼筋裂縫，即順筋裂縫，繼而出現(xiàn)保護層的剝落。
（3）環(huán)境化學腐蝕，有二種情況：一是當砼存在缺陷時，大氣中的二氧化碳CO2與砼中的氫氧化鈣Ca（OH）2起化學反應(yīng)，生成中性的碳酸鈣（碳化作用），即：
CO2+ Ca（OH）2=CaCO3+H2O
而在潮濕和高濃度的CO2環(huán)境中，CO2在水中能夠溶解CaCO3生成溶于水的碳酸氫鈣Ca（HCO3）2，它隨著水沿毛細管或微裂縫到達砼表面又可發(fā)生分解，析出Ca-CO2。即：
CO2+H2O+ CaCO3=Ca（HCO3）2
Ca（HCO3）2= CaCO3+CO2+H2O
砼發(fā)生碳化溶蝕后，其PH值可降低至9以下，鋼筋的防腐得不到保證，促使鋼筋表面鈍化膜遭到破壞，在氧和水作用下氧化銹蝕。即：
4Fe+2H2O+3O2=4Fe（OH）
第二種情況是近年來大氣環(huán)境污染產(chǎn)生的酸雨對砼結(jié)構(gòu)的危害日趨嚴重，我國的酸雨覆蓋面已達到國土的30％以上，SO2和進一步氧化的SO3均可使混凝土中性化和酸化，同樣可直接促使鋼筋的電化學腐蝕，同時產(chǎn)生的硫酸鹽又會對砼進一步膨脹產(chǎn)生侵蝕作用。故在酸雨地區(qū)SO2與酸雨對鋼筋砼結(jié)構(gòu)物的危害比碳化更為嚴重。腐蝕過程化學反應(yīng)如下：
2 SO2+O2+2H2O→2H2SO4
2H2O4+Ca（OH）2→CaSO4·2H2O
3CaO·AL2O3+3（CaSO4·2H2O）+26H2O
→3CaO·ALO3·3CaSO4·32H2O
由于生成物帶有大量的結(jié)晶水，因此其體積要比原來的體積大得多，產(chǎn)生膨脹，促使砼的裂壞。在潮濕的空氣中SO2與Fe發(fā)生化學反應(yīng)：
SO2+O2+Fe→FeSO4
4FeSO4+O2+6H2O→4FeO（OH）+4H2SO4
最終反應(yīng)產(chǎn)物除氧化鐵之外，還有硫酸。硫酸于是能分解更多的鐵，進一步促使鐵銹形成。
（4）凍融循環(huán)對砼產(chǎn)生的物理破壞作用，當砼結(jié)構(gòu)有裂隙時，水份侵入后，遇冰點以下低溫時結(jié)凍產(chǎn)生膨脹，孔隙受壓變形，當環(huán)境溫度升高后，冰凍面受熱融化反過來又使孔隙受到拉應(yīng)力，這樣反復凍結(jié)、融化，當作用于孔隙的拉應(yīng)力大于砼的極限抗拉強度時，即可使砼孔隙擴大成裂縫仍至崩裂。尤其在北方地區(qū)的橋梁橋面，在冬季為了交通安全大量撒鹽來促使化雪降低冰點，于是鹽水滲入砼縫隙內(nèi)，導致橋面砼內(nèi)的鋼筋受到氯離子破壞、銹蝕愈演愈烈，不僅促使橋面上的鋪裝層大面積碎裂，乃至逐漸擴展到梁體，若梁體頂面存有裂隙，也將導致病害的加深。
（5）堿骨料反應(yīng)（AAR）其特點是反應(yīng)緩慢，但持續(xù)時間長，砼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的AAR破壞，一般要在一年以上，有時甚至達20～30年。一旦發(fā)生這種破壞將很難補救。其成因主要是由于砼所配好的各種混合料中的含鋮（NaO或K2O）量偏高，與骨料中的活性成份（氧化硅、碳酸鹽等）發(fā)生反應(yīng)生成硅酸凝膠，堿硅酸凝膠吸水膨脹后產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，導致砼開裂。顯然，AAR反應(yīng)的發(fā)生需要三個條件：即堿量高、骨料中含有活性成分，有水滲入，缺一不可，故一般是可以預防的。
（6）溶液性侵蝕，主要是環(huán)境介質(zhì)水溶液對防水構(gòu)造不合理、防水質(zhì)量不可靠，從而出現(xiàn)經(jīng)常性滲漏的砼結(jié)構(gòu)部位的Ca（OH）2產(chǎn)生溶解，促使其濃度不斷下降，固相中Ca（OH）2不斷被溶出，于是在砼中與Ca（OH）2濃度有關(guān)的水化生成物的穩(wěn)定度遭到破壞，造成這些水化物不斷分解出CaO，CaO又溶于水隨水沖走，水泥石的結(jié)構(gòu)不斷破壞，從而導致砼的PH值降低，孔隙率增大．鋼筋銹蝕病害發(fā)生，砼表層起鼓剝離現(xiàn)象就會出現(xiàn)。
綜上所述六種病害產(chǎn)生的主要成因均與砼結(jié)構(gòu)的密實度與防水效果息息相關(guān)。目前提出的對策措施從下面幾點考慮：
一是提高砼的密實度，宜采用高性能砼．摻硅粉、粉煤灰、礦渣等超細礦物摻合料，并與適當?shù)耐饧觿┫嘟Y(jié)合最大限度提高砼的密實度，提高其抗?jié)B標號；二是采用水化熱較低的水泥品種并調(diào)整好配合比；三是適當增加砼對鋼筋的保護層厚度；四是采用具有永久性的砼表面防護涂層的材料。
在這里提供一個信息，《大眾科技報》著名記者邵斌同志在2003年9月21日在該報的頭版和四版上，較詳細薈萃了專家的意見和建議，推薦了XYPEX（賽柏斯）這種剛性無機滲透結(jié)晶防水材料，其所含化學物質(zhì)對水有很強的親和力，以灰漿的形式涂刷或噴涂到砼表面后，充塞到砼的微孔和毛細管道中，催化未完全水化的水泥顆粒，生成枝蔓狀的晶體填塞細小的滲漏水通道，從而提高了砼的密實度和達到特佳的防水效果。XYPEX已在我圈多座橋梁、橋面防水和耐久性加固中應(yīng)用，取得了較好的效果，國家建設(shè)部在2001年和2004年兩次將其作為科技成果推廣指南項目向全國推薦并出具證明，茲將在國內(nèi)采用XYPEX材料修復加固的橋梁實例簡介如下。
3. 經(jīng)實踐檢驗的幾座橋梁病害修復加固的范例
?。?）上海鐵路局杭州分局杭州工務(wù)段所管轄的長牛線近長興縣的#6、#7、#10、#11橋和南京分局蕪湖工務(wù)段管轄蕪銅線繁昌縣城附近的#10橋等都是上世紀50年代后陸續(xù)修建的鋼筋混凝土橋梁，由于施工質(zhì)量較差，原設(shè)計的砼強度標號偏低，以及在運營過程中，環(huán)境惡化等因素對砼的綜合影響，梁體砼的弱點不斷暴露出來．尤其是裂紋的增多，砼碳化的弊端不斷出現(xiàn)，砼表面的鋼筋保護層碎裂剝落，鋼筋裸露銹蝕越來越嚴重，曾按照傳統(tǒng)的環(huán)氧樹脂砂漿作為修補的材料，同時用環(huán)氧樹脂漿液進行表面封閉。從物理角度來看，這種靠薄膜包裹的做法一時確能起到防水作用，但這種有機材料在紫外線的作用下，受氧化和溫度影響較大，容易產(chǎn)生老化和龜裂剝離．且對砼結(jié)構(gòu)本身內(nèi)部得不到補強作用和耐久性效果．不僅施工有毒性，且操作工藝復雜，因此否定了這種治標不治本的修補方法。最后杭州鐵路分局和北京市城建設(shè)計研究院合作子1997年11月對長牛線#11橋#1、#2粱體用XYPEX材料進行修補試驗，經(jīng)鑒定委員會專家測試報告結(jié)果認為：“原有裂紋通過XYPEX涂料已封閉，未發(fā)生重新開裂、剝落掉皮現(xiàn)象，與未經(jīng)修補的梁形成鮮明對比，梁體表面完整，達到預期效果，實踐證明XYPEX材料用于砼結(jié)構(gòu)的破損修補其性能優(yōu)越，施工工藝設(shè)備簡單，能夠滿足修補質(zhì)量要求，經(jīng)過工程考驗，質(zhì)量可靠，效果明顯。拓寬了應(yīng)用領(lǐng)域，這種材料不僅可用于靜載作用下的防水工程，而且可應(yīng)用于動載作用下鐵路橋梁結(jié)構(gòu)的修復。對傳統(tǒng)的修復方法有所創(chuàng)新，居國內(nèi)領(lǐng)先水平，并達到國際先進水平。選用XYPEX產(chǎn)品屬元機材料，可稱為“綠色材料”，應(yīng)用地域廣闊，具有顯著的經(jīng)濟效益和社會效益…”同時提出進一步對修補的橋梁在正常運行狀態(tài)下進行觀察和資料積累的建議。據(jù)此，按要求進行長達兩年半的觀察，并于2000年4月又請有關(guān)專家進行了認真的復查，經(jīng)修復的梁體情況良好，為此，對長牛線#11橋的剩余第3、4、5孔以及該線的#10、#7、#6橋和位于南京分局蕪湖工務(wù)段管內(nèi)的蕪銅線#10橋，都利用XYPEX材料和工藝進行了修補工作，經(jīng)過觀察分析，其結(jié)果和長牛線#11橋的第1、2孔的效果相同，事隔8年后的2005年5月有關(guān)專家又去復查，所有修補過的橋梁完好狀況令人滿意。由此證明，XYPEX用于補強、防水和對砼密實度的加強和保護效果都是良好的，在反復動載的沖擊作用下，抗疲勞性能也是良好的。“利用XYPEX材料修補鐵路鋼筋砼梁技術(shù)”這個項目早已獲得上海市2001年優(yōu)秀發(fā)明選拔賽的二等獎，目前已用于國內(nèi)橋梁橋面防水獲得較佳效果的有北京八達嶺高速公路上的東老峪1#、2#、3#橋，在完工后近五年內(nèi)，沒有任何滲漏及銹水現(xiàn)象出現(xiàn)，也未見橋面有裂縫產(chǎn)生，頗得業(yè)主和運營養(yǎng)護管理單位好評；江西九江湖口大橋業(yè)主、設(shè)計及施工單位從該橋的重要性、耐久性及工程質(zhì)量的可靠性考慮，決定在主橋面的隔離帶、施工縫及拉索錨頭部位采用XYPEX防水、防腐及預防微裂縫的產(chǎn)生，完全達到了預想的目的，涂刷過的部位，無任何滲漏、無銹水現(xiàn)象產(chǎn)生，也未見有微裂縫產(chǎn)生，因此亞行貸款項目九景公路建設(shè)指揮部橋標工程管理部認為水泥基滲透結(jié)晶型XYPEX防水材料對橋面防水和增加砼的耐久性是一種好材料，用其保證橋的質(zhì)量是正確的選擇。…其它橋梁應(yīng)用XYPEX的項目，就不擬一一贅舉了。
參考文獻
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《中國科技發(fā)展精典文庫》
作者：朱海濤
