公路混凝土桥梁耐久性研究与探讨

杨 雯

（山西省交通科技研发有限公司，山西 太原 030032）

结构耐久性是指结构在预期作用和预定的维护条件下，能在规定期限内长期维持其设计性能要求的能力[1]。

随着我国公路交通的跨越式发展，先后兴建了一大批不同类型的公路桥梁，其中中小跨径桥梁占比最大，而这些桥梁中采用混凝土结构约95%以上。由于早期理论对混凝土结构的认识不足，设计理念的不完善以及施工因素等，造成了部分桥梁“服役”不久就不同程度地出现了结构劣化、开裂、保护层剥落、钢筋锈蚀等病害，严重影响了桥梁结构的承载力和耐久性。随着服役期的延长，早期修建的大量混凝土桥梁陆续将进入检测、维修加固阶段，混凝土结构的耐久性问题将变得更加严峻，已引起了国内外学术界和工程界的极大重视。

1 影响混凝土结构损伤或破坏的主要因素

1.1 碳化

碳化是指大气中的水与混凝土中的碱性物质作用的过程，用化学式表示为：

CO2+H2O→H2CO3，

Ca(OH)2+H2CO3→CaCO3+2H2O.

钢筋在混凝土的高碱度环境中，表面形成一层钝化膜，能够使钢筋免受腐蚀。通常保护钢筋的临界pH值=11.5，而混凝土碳化后pH约为8～9，钢筋会因其表面钝化膜遭到破坏而腐蚀。现阶段碳化模型主要有理论模型和各种经验模型，各种模型均认为碳化深度和碳化时间有关，可简单表示为：式中：D为碳化深度；α为系数。

1.2 氯离子侵蚀

在沿海地区修建混凝土结构时必须考虑氯离子侵蚀作用，同时在内陆严寒地区，冬季撒盐也是一种很普遍的化雪除冰方法，这就不可避免地会使氯离子进入混凝土。氯离子侵蚀会使钢筋表面的钝化膜遭到破坏，在侵蚀区域形成腐蚀电池，其去极化作用及导电作用会进一步加剧钢筋的锈蚀。基本过程可表述为：

Fe2++2Cl—+2H2O→Fe(OH)2+2HCl，

4Fe(OH)2+O2+2H2O→4Fe(OH)3.

Fe(OH)3失水后形成FeOH（红锈），不完全氧化的变成Fe3O4（黑锈），此即为钢筋表面的锈层。

1.3 钢筋锈蚀

钢筋锈蚀是影响构件及结构耐久性的重要因素。众多学者通过分析保护层开裂前后钢筋的锈蚀量与裂缝宽度间的关系，提出了钢筋锈蚀的预测模型。预测模型基本分为两类：一类是理论模型，如牛荻涛等[2]建立的预测模型；另一类是根据实际工程调研和试验数据归纳，基于构件特征参数建立的经验模型，如惠云玲[3]基于试验结果得到的钢筋锈蚀重量损失率、裂缝宽度与各因素之的影响关系等。

1.4 碱-骨料反应（AAR）

碱-骨料反应是混凝土内在原因造成的破坏，其作用机理并不完全清楚。一般认为是由于混凝土中某些骨料表面的胶凝体遇水膨胀，从而导致周边混凝土开裂。由于碱骨料反应开展缓慢，初期不易察觉，然而一旦开裂便很难阻止，进而形成恶性循环，因此常被人们称为混凝土的“癌症”。在预防碱骨料反应时，应选用非活性集料，并控制混凝土碱含量及湿度，同时可以使用矿物掺合料及化学外加剂加以抑制。

1.5 冻融循环

目前公认程度较高的是美国学者T.C.Powerse提出的膨胀与渗透压力理论。而经验模型由于依据试验数据，无法反映真实环境中的混凝土抗冻性，尚有不足之处。

2 耐久性设计方法

第一类可以称之为传统方法。陈肇元[4]指出，传统方法应区分不同使用年限、不同环境类别和作用等级对应不同的设计要求。环境类别的划分，《公路工程混凝土结构防腐技术规范》[1]（以下简称公路06防腐规范）和即将使用的《公路工程混凝土结构耐久性设计规范》[5]（以下简称公路19耐久规范）中一致，均分为7类；《混凝土结构耐久性设计规范》[6]（以下简称08耐久规范）中分为5类，相比而言公路规范更加细化、更全面，也说明公路混凝土结构面临的环境更加复杂多变。而环境作用等级基本一致，均分为六大类（A～F），规范对比见表 1。

表1 环境作用等级划分

第二类可以统称为验算法。这类方法先根据结构设计使用年限及工作环境确定腐蚀等级，再通过耐久性极限方程利用极限状态法对耐久性极限状态进行验算。

3 耐久性评估与寿命预测方法

3.1 耐久性评估方法

目前，混凝土结构耐久性评估方法主要分为三类：a）传统经验法；b）借助模糊数学、神经网络等人工智能手段的综合评估方法；c）基于可靠度理论的混凝土结构耐久性评估法。

3.2 耐久性寿命预测理论

耐久性寿命预测理论可概括为三大类：

a）第一类钢筋脱钝寿命理论，该理论以钢筋表面钝化膜失效为混凝土极限状态，据此预测混凝土构件寿命。

b）第二类保护层开裂寿命理论，该理论以表层混凝土开裂作为失效原则，从而预测混凝土构件寿命。

c）第三类抗力寿命理论，该理论以抗力作为随机变量，荷载作为随机过程，分析抗力衰减的可靠度指标函数，以此推测混凝土构件寿命。

4 改善混凝土桥梁耐久性的措施

混凝土耐久性是一项复杂多变、多层次且学科交叉的系统性问题，若能从根本上解决，将对混凝土结构的应用产生重大且深远的影响。从混凝土结构的耐久性研究现状可以看出，改善和提高混凝土桥梁的耐久性可以从以下几方面入手：

a）提高混凝土性能。混凝土性能是结构耐久性的内因，采用高耐久性混凝土，增强其自身抗破损能力对混凝土结构的耐久性有重要意义。各规范都对影响混凝土耐久性的几个主要指标：混凝土最低强度等级、最大水胶比、单位最小胶凝材料等作出了限制规定。其中公路19耐久规范相比公路06防腐规范根据作用环境、结构类型、各构件位置的不同要求的混凝土等级不同，其更加细化、明确，可操作性更强。

b）改进结构设计。（a）选用合理结构体系，改善结构受力。如预制结构应根据受力需要设置必要的横隔板；优化钢束设置，适当增加应力储备；优化支撑系统，避免因施工不当造成后期单板受力。（b）加大混凝土保护层厚度，加强构造钢筋、抗裂钢筋，防控混凝土裂缝宽度等。规范中对混凝土最小保护层厚度均作出了规定，本次公路规范中修订了保护层厚度以最外侧钢筋外缘起算。（c）水是诱发侵蚀的主要通道，应完善结构的防排水设计，如桥面防水层的设计、泄水管的设置，护栏外包或悬臂端设置滴水槽，齿板处涂防水层、伸缩缝、桥台处的排水设计等。（d）加强附属结构设计，如桥梁与路基护栏的过渡、泄水管孔径、材质的选择、伸缩缝型号的选择及施工等。

表2 桥涵结构混凝土最低强度等级（100年）

c）改善混凝土抵抗氯盐侵蚀性能。近海环境或内地除冰盐环境，应控制混凝土中氯离子的含量，从而降低氯离子侵蚀而产生的钢筋锈蚀，提高混凝土桥梁耐久性。公路06防腐规范中要求控制氯离子扩散系数DRCM，公路19耐久规范则对混凝土抗氯离子渗透性能、游离氯离子含量做了规定，具体见表3、表4。

表3 混凝土抗氯离子渗透性能

表4 游离氯离子含量限制

d）增强混凝土的抗冻性，改善冻融破坏。公路19耐久规范相比公路06防腐规范增加了使用年限30年要求，并与50年同等对待，相比08耐久规范要求有所提高，一定程度上提高了混凝土的抗冻性。