高速公路桥梁耐久性设计问题研究

王庆元

（中交远洲交通科技集团有限公司，河北 石家庄 050000）

0 引言

道路交通运输行业的高速发展推动了高速公路项目工程建设的发展，而桥梁工程是高速公路的重点控制工程[1]，在发展过程中也暴露出了一些缺陷和不足，如混凝土开裂、桥梁结构钢筋腐蚀、混凝土碳化等，都对桥梁的使用寿命有明显影响[2-3]。因此，研究高速公路桥梁耐久性设计具有重要意义。本文以邯港高速南运河特大桥作为研究对象，对相关工作的实施展开详细研究。在设计前，进行桥梁所属水域水质的分析，并在此基础上，针对桥址区域的水文地质环境进行桥梁结构材料的选型，以确保设计的桥梁可以满足该工程耐久性的需要。

1 工程概况

邯港高速公路位于河北中南部衡水和沧州两市，作为连接河北中南部地区、鲁西北地区及京津两市的快速通道，有效缩短了城市之间的距离，提高城市连接性。高速公路建设项目的实施将有效加强黄骅港与衡水的经济联系，形成以衡水市及冀中南地区为中心，与大广、衡德、京台、京沪、津汕等沿海高速相连接的一条快速出海通道，使衡水市成为京津冀区域交通物流枢纽，可以有效提升衡水市加入环渤海经济圈的进程，推动京津冀区域协同发展，促进河北南部地区经济增长。邯港高速南运河特大桥全长1 899m，主桥上部结构采用（90+2×135+90）m 的预应力混凝土现浇变截面连续箱梁，引桥采用2×6×（3×40） m 的先简支后连续T 梁，下部结构主桥采用空心薄壁墩，引桥采用柱式桥墩、肋板式台、桩基础。

2 环境类别与作用等级

该桥位于河北省衡水市，属于大陆季风气候区，为温暖半干旱型。一年四季，体感温差明显，季节分明，全年平均温度13℃。夏季时，会受到太平洋暖气流的影响，该地区处于偏闷热状态，极端最高气温42.7℃；受太平洋副高边缘的偏南气流影响，7 月～8月集中降水，年平均降水量为542.6mm；冬季由于受到西北季风影响，地区温度较低，雨雪较少，极端最低气温-23℃，最大冻深53cm。

据水质分析资料，桥址区地表水pH 值=8.04，地下水pH 值=7.51，均属弱碱性水。如果桥梁钢筋长时间浸水或处于干湿交替情况，便会发生地表水和地下水腐蚀桥梁混凝土的情况，影响桥梁耐久度。勘察桥址区环境类别为Ⅱ类，根据项目气象环境和水土调研结果，桥址处所处环境作用等级可参考表1。

表1 环境作用等级划分

同一环境类别下，桥梁的不同结构部位所产生的环境作用等级也有所不同。因此，在实际施工过程中需要根据不同的结构部位环境作用等级制定对应的施工措施，以提高桥梁耐久度，保证其使用寿命，具体结构部位环境作用等级如表2所示。

表2 结构部位环境作用等级

3 桥梁高性能混凝土材料选择

桥梁上下部结构采用低水胶比配置的高性能混凝土进行施工，保证桥梁混凝土性能稳定。通过将水泥、粗细集料、矿物掺合料和外加剂等材料按照一定比例配置后，形成一种性能稳定、强度高、耐久性好的混凝土材料。配置后的混凝土抗冻融性能较好，同时具有较强的抗锈蚀和抗渗性能，其氯离子的渗透率较低。由此表明，高性能混凝土可以有效提升桥梁的抗化学腐蚀性能。

3.1 水泥

选用强度等级不低于P.O 42.5 的硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，不宜使用早强型水泥，比表面积大于300m2/kg，小于350m2/kg，氯离子含量应小于0.06%，碱含量小于0.6%，铝酸三钙含量低于8%，其余指标按照《通用硅酸盐水泥》（GB175—2007）标准进行选择。以此确保水泥质量稳定、混凝土的体积稳定，防止混凝土开裂，保证桥梁结构使用寿命。

3.2 集料

粗集料不得采用卵石、砾石及砂岩等结构不均匀的碎石，应选择形状良好、粒径合格、集配合理、孔隙率小而且质地结实的洁净碎石。细集料采用集配良好、吸水率低、细度模数2.6～3.2 的坚固中粗河沙或机制砂。采用优质的没有碱活性反应的粗、细集料，可以有效提升桥梁结构的质量。

3.3 矿物掺合料

选择性能稳定的F 类粉煤灰和磨细的矿渣作为矿物掺合料。按照《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》（GB/T 1596—2017）二级标准和《用于水泥、灰浆和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》（GB/T 18046—2017）中S95级标准进行选择和检测。

3.4 外加剂

选择高性能的聚羧酸减水剂，其具有更好的水泥适应性，促进水泥颗粒的分散，增强搅拌效果，可以大幅度提高混凝土的强度，有效提升拌和物的流动性。

3.5 拌和用水

一般情况下选择清洁的淡水，不得采用污水和pH 值小于5的酸性水。拌和用水需要按照《混凝土用水标准》（JGJ 63—2006）中的规定进行配比。

4 桥梁耐久性设计措施

4.1 提高混凝土保护层质量

桥梁结构处于湿润的大气环境中，空气中的CO2渗入混凝土与混凝土中的碱性物质发生反应形成碳酸盐，随着时间的增加混凝土碳化的程度会逐渐加深，破坏钢筋表面的钝化膜，减弱混凝土对钢筋的保护作用，引起桥梁结构内钢筋锈蚀，降低桥梁结构的承载能力，影响桥梁的使用年限。因此，提高混凝土保护层质量对保证桥梁寿命至关重要。

根据桥梁所处环境类别及桥梁部位，选择合适的混凝土强度等级及适当的混凝土保护层厚度。优化混凝土配合比设计，选择合适的原材料、适当的水灰比，施工应加强混凝土振捣质量，提高混凝土的密实度，适当增加保护层厚度，防止桥梁钢筋锈蚀。对重要结构及易腐蚀部位增加混凝土防腐涂层，保证桥梁结构的使用寿命，确保结构在设计使用年限内稳定工作。

4.2 氯离子含量控制

桥梁钢筋的腐蚀程度受氯离子含量的影响较大，钢筋的锈蚀影响桥梁的使用安全，降低混凝土中氯离子含量是提高桥梁耐久性重要措施。混凝土中氯离子主要来源于原材料中水泥、砂、矿物掺合料、水、外加剂等，在混凝土制备过程中，不仅要控制各原材料中氯离子含量符合相关规范要求，还应控制混凝土中总的氯离子含量，钢筋混凝土不大于0.1%，预应力混凝土不大于0.06%。优化配合比设计，控制混凝土电通量值，采用抗渗透性好的混凝土，同时提高混凝土的施工质量，减少氯离子对桥梁钢筋的腐蚀。对于桥梁结构处于氯化物侵入的环境时，氯化物通过毛细管的吸收扩散侵入混凝土中，造成钢筋的锈蚀，对混凝土表面进行憎水处理，可防止氯化物渗入混凝土腐蚀钢筋，同时增加混凝土的抗冻性，提高桥梁的耐久性。

4.3 混凝土裂缝控制

桥梁高性能混凝土材料选取时，应控制水泥的细度、水化热、矿物成分，不宜使用过细的水泥，对水化迅速、水化热大的铝酸三钙应控制含量不超过8%。混凝土加入矿物掺合料可以替代部分水泥，减少水泥的用量，进而减少水泥的水化热。混凝土中加入矿物掺合料，可以提高混凝土的黏聚性，降低水胶比，减少游离水的含量，减少混凝土的收缩裂缝，提高混凝土的抗渗性和密实性。不得选择碱活性骨料，不使用含碱化学添加剂的材料，碱与骨料反应造成体积膨胀，积聚应力造成混凝土开裂，引起钢筋锈蚀，降低结构的承载能力。

水泥水化过程中产生大量水化热，使混凝土内部温度升高，如果水化热不能及时散发，会造成混凝土内外温差，形成温度应力，随着温度应力的积聚，当温度应力超过混凝土的约束力时，会造成混凝土开裂。施工时需要控制混凝土的内外温差，尤其是大体积混凝土，应优化配合比设计，采用低水化热水泥，通过掺加矿物掺合料和外加剂，尽可能降低水泥的用量，减缓凝结时间。浇筑过程中根据构件大小分层、分段、斜面浇筑，利用浇筑面散热，防止水化热大量积聚，产生较大的温度应力。施工时，在混凝土内部设置冷却管，通过冷却水降低内部温度，同时延缓混凝土的拆模时间，拆模后及时对混凝土覆盖保温材料，通过内部降温、外部保温措施，确保混凝土内外的温差在20℃之内。加强对混凝土的养护，使其保持适当的温湿度，降低混凝土产生裂缝的概率。

4.4 提高桥梁防水功能

桥梁钢筋发生锈蚀的主要原因之一就是雨水的下渗，因此需要充分提高桥梁的防排水功能。桥梁后期养护情况表明，桥梁在使用过程中由于泄水管设置不足和泄水管堵塞造成桥面的排水不畅，伸缩缝橡胶密封条破损使雨水渗透至梁板、盖梁、墩台等结构部位，造成混凝土腐蚀、开裂、脱落和钢筋锈蚀。因此，在桥梁耐久度设计中，需要合理铺设防水层，利用柔性防水与刚性防水相结合的方式，保证桥面防水性能。同时提高混凝土的密实性和抗渗能力，强化梁端锚头封锚混凝土控制，防止梁头等构件渗水。

桥梁防水层应横桥向闭合铺设，加强对排水口、转角、伸缩缝等部位的质量控制。根据降雨量大小、桥梁宽度、桥梁纵横坡度合理设置泄水管。泄水管采用铸铁管、钢管、PE 管等，不得通过混凝土构件表面排水。泄水孔顶面应低于混凝土调平层，四周边缘设排水盲沟，泄水管出口应与混凝土构件表面保持一定距离，防止排水过程中污染梁体，泄水口不得冲刷墩台基础。加强伸缩缝处排水设计，为适应伸缩缝变形，伸缩缝处纵向排水管采用柔性伸缩套管，伸缩缝两侧混凝土采用微膨胀抗渗混凝土，控制伸缩缝处橡胶密封条质量，避免雨水下渗影响梁板等结构，严格把控施工质量。

4.5 管理与养护

随着运输行业的发展，运营过程中会出现车辆超载现象，超载车辆对桥梁结构的耐久性有着极为不利地影响，严重影响桥梁的安全和使用寿命，运营过程中应加强对超载车辆的管控，限制超载车辆通行。加强运营期桥梁的日常巡查和定期检测，发现影响桥梁使用安全的问题及时采取措施进行处理，改变以往重建设轻养护的态度。支座及伸缩缝的失效会改变桥梁的结构受力特性，缩短桥梁的使用寿命，由于桥梁的支座、伸缩缝等结构部位使用寿命远低于主梁等主体结构的寿命，在运营期应加强对其检测，对损坏部分及时维修、更换。

在以往桥梁的养护过程中发现，汽车的长期作用使桥面平整度发生破坏，桥面的凹凸不平会使汽车车轮对桥面的冲击力增加，加剧对桥梁的破坏，应对日常巡查中发现的破损部位进行凿除，修补铺装层病害，保证路面平整。桥梁在使用过程中，由于荷载作用及混凝土的收缩徐变会产生裂缝，随着裂缝的增大会导致钢筋锈蚀，从而降低桥梁的承载能力，因此要加强对裂缝的检测，根据裂缝类型进行处理，对表层裂缝采用灌浆处理，对深层裂缝，先分析原因，在根据具体情况采取相应的加固措施。桥面排水不畅会造成桥面积水，积水下渗会腐蚀桥梁结构，影响桥梁结构的耐久性，养护期间应加强巡查，发现桥面积水及时清除，对泄水管按时疏通。

5 结语

桥梁在建设和使用过程中，受自然因素和外部荷载作用的影响，桥梁构件性能逐渐退化，影响桥梁的正常使用。桥梁结构的安全运行取决于设计是否合理，后期养护维修是否得当。本文以邯港高速南运河特大桥为依托，对桥梁结构、混凝土材料选择和桥梁耐久性设计等方面进行研究，提出相应的具体施工技术方案与养护措施。