钢筋混凝土桥梁耐久性腐蚀病害及对策
2015-07-29
引言
桥梁在道路中的比重越来越大，调查发现有相当数量的混凝土桥梁，过早出现了铺装层松散剥落、梁体裂缝等病害，即混凝土耐久性破坏使结构强度降低。研究表明，混凝土耐久性破坏钢筋腐蚀主要是：钢筋锈蚀、冻融破坏、混凝土炭化等因素导致，其最主要原因是由于水及有害离子通过混凝土裂缝和孔隙渗入结构混凝土，引起钢筋锈蚀而导致的。
1、影响桥梁耐久性的因素分析
影响桥梁耐久性的因素十分复杂，不考虑洪水、地震、超载及船舶的撞击，主要取决于以下四方面因素:
(1)混凝土材料、钢材的自身特性；(2)桥梁结构的设计与施工质量；(3)桥梁结构所处的环境；(4)桥梁结构的使用条件与防护措施。
其中混凝土材料、钢材的自身特性和钢筋混凝土桥梁的设计与施工质量是决定桥梁耐久性的内因。混凝土是由水泥、水、粗集料和某些外加剂，经过搅拌、浇注、振捣和养护硬化等过程而形成的人工复合材料。混凝土的材料组成，如水灰比、水泥品种和用量、集料的种类与级配等都直接影响桥梁的耐久性。混凝土的缺陷(例如裂缝、气泡、孔穴等)都会造成水分和侵蚀性物质渗入混凝土内部，与混凝土发生物理化学作用，腐蚀结构的钢筋，影响桥梁的耐久性。
2、钢筋混凝土腐蚀原因分析
2.1混凝土不密实或有裂缝
这往往是造成钢筋锈蚀的主要原因。尤其当水泥用量不当和浇捣不良，或者在混凝土浇注中产生露筋、蜂窝、麻面等缺陷，或者造成干缩或温差开裂等等，使钢筋直接暴露在自然环境中，给水（汽）、氧和其他侵蚀介质的渗透创造了有利条件，多种侵蚀介质容易达到钢筋表面，从而加速钢筋的锈蚀。
2.2钢筋腐蚀
混凝土中大量的氢氧化钙和少量的钠、钾等碱金属氧化物，使得混凝土具有很强的碱性，这就使混凝土中钢筋的表面形成一层胶质钝化层，该钝化层对钢筋耐腐蚀性是有利的。当混凝土构件长期暴露于除冰剂、盐液、含盐的雾气或者海水等环境时，氯离子就会通过混凝土中的气孔，随水进入到混凝土的内部，最终会接触钢筋并开始沉积。当氯离子达到一定浓度后，在氧气和潮湿气体的共同作用下，从混凝土和钢筋的界面开始破坏钝化层、腐蚀钢筋。在没有氯离子存在的情况下，也可以发生腐蚀现象。也就是说，碳酸化的程度直接取决于混凝土的水灰比，混凝土的水灰比越大，氢氧化钙的碳酸化程度越深。
2.3混凝土的碳化
空气中的二氧化碳气体，逐渐中和混凝土的水泥水化物，把结硬的水泥浆中的氢氧化碳转化为碳酸钙，使混凝土失去碱性而变成中性化。这种现象称为“碳化”。当碳化深度达到超过钢筋保护层时，使表层混凝土丧失碱性环境，对钢筋不再起钝化作用，从而破坏钢筋的钝化膜，使钢筋失去保护的屏障。进而大气中的有害气体侵入混凝土，就会使钢筋遭到锈蚀而生锈。处于干燥环境下的混凝土碳化速度缓慢，具有良好保护层的钢筋混凝土结构一般不会发生钢筋腐蚀；而处于潮湿的或有侵蚀介质的环境中，混凝土将加速碳化，一般当ph值大于10时，钢筋腐蚀速度较小，当ph值小于4时钢筋腐蚀速度急剧增加。
3、防护措施的原则：
3.1由于桥梁的重要性不同，因此应引入根据桥梁重要性对桥梁进行分级防护的理念。不同等级的桥梁，根据经济状况和其他一些因素，采取不同保证率下的防护级别和相应对策。
3.2对于所有桥梁，由于钢筋锈蚀会导致结构承载力急剧下降，因此应提倡预防性防护的理念，尤其对于特别重要的桥梁，采取事前防护的原则，防患于未然。
3.3所有用于桥梁中防止钢筋锈蚀的防护产品，均不应导致桥梁其他方面功能的降低。
3.4所有用于桥梁中主梁钢筋锈蚀的防护产品，均应符合环保要求，不致因使用防锈材料而污染和破坏，包括在施工过程中和使用过程中对人的危害和对环境的侵蚀。
3.5桥梁的防护还应跟当地的实际情况结合起来，因地制宜。首先根据桥梁的政治经济地位、地理位置、结构特点、气候条件等对桥梁进行分级，根据不同的级别采取不同的防护措施，其次是根据分级筛选经济实用、符合使用要求的防水材料。
既有钢筋混凝土桥梁的钢筋锈蚀防治主要集中在恢复性防治措施上，但更多的或者更大程度上是防止桥梁在以后的运营中继续发生钢筋锈蚀，可以采用的方法主要有两大类型：无破损防护和破损防护。无破损防护主要是电化学防护法，只要钢筋携带足够数量的多余电子，无论电解液的PH如何，钢筋都处于稳定状态，不会腐蚀，因此采用阴极保护法防止钢筋腐蚀。阴极保护可分为外加电流阴极防护法和电镀阴极防护法；阴极保护法主要有牺牲阳极、外加电流等方法，这类方法主要通过补偿铁原子失去的电子而达到防止钢筋锈蚀的目的；惰化钢筋法主要通过采用不锈钢筋、碳纤维棒等活性低的金属或惰性材料部分或全部取代钢筋。这些方法施工技术要求高，工艺比较复杂，后期维护费用高，目前大多应用于大型复杂钢筋混凝土桥梁的重点部位或构件的辅助防腐，普遍推广还需要做许多工作。
4、桥梁腐蚀病害预防对策
4.1提高混凝土保护层质量
(1)加大混凝土保护层厚度。
(2)提高混凝土密实度。模板质量要好，支撑牢固，混凝土不跑浆；混凝土振捣要到位，避免出现蜂窝、孔洞；掺入优质粉煤灰，改变混凝土内部孔隙结构，提高混凝土密实度，同时增加对氯离子扩散的阻力。
(3)采取措施，控制混凝土有害裂缝。一是防止混凝土碱集料反应引起混凝土裂缝，比如选择含碱量低的水泥(≯0.6%)，不使用碱活性的集料，不使用含碱或含碱量低的化学外加剂等；二是防止因温度变化引起混凝土开裂，合理设置、安装桥梁伸缩缝与支座，加强桥梁养护，及时清理伸缩缝中杂物；三是应用设计允许的最小水泥用量和能满足和易性要求的最小用水量，不要用过大的坍落度，均匀浇筑混凝土，并及时对混凝土进行养护，施工现场的材料堆放要合理，避免施工超载。
4.2控制氯离子含量
混凝土中氯离子含量对钢筋腐蚀的影响极大，一般情况下，钢筋混凝土中氯盐掺量应少于水泥重量的1%，掺氯盐的混凝土必须振捣密实，且不宜采用蒸汽养护。
4.3提高桥梁防水功能
钢筋锈蚀主要是因混凝土保护层碳化和氯化物侵蚀，这两种腐蚀现象都是以水为载体进行。应该说桥梁防水是桥梁结构防腐的第一道屏障。大量的桥梁检测资料表明，由于桥面防水层的过早破坏，加上桥面排水不畅，水从桥面渗入到桥面板下的梁、墩台等部位，加速了桥梁结构混凝土的碳化和混凝土内钢筋的腐蚀。通过对大量的旧桥检测和加固施工，发现在空心板封头处，由于混凝土开裂，厚度过薄等原因，水从伸缩缝等部位沿着封头的微小裂缝逐渐进入空心板内部，并很难排除来，长期侵蚀梁体混凝土和钢筋。因此应注重封头混凝土施工质量，确保混凝土密实，也可对混凝土进行防水处理。在铰缝处，由于连接比较薄弱，加上施工质量较差，许多桥梁在使用早期就出现铰缝开裂，桥面铺装层沿铰缝纵向开裂，桥面防水层开裂，铰缝处严重渗水，板的翼缘混凝土碳化最为严重，部分钢筋开始锈蚀。因此，从设计上要采取措施，加强铰缝连接，避免单板受力，从而保证桥面防水层整体性不被破坏。
结束语
避免钢筋混凝土桥梁遭受侵蚀，并降低维修费用，钢筋混凝土桥梁的防护应建立在“预防性防护”的基础上，在桥梁建设中及建成初期对其采取多种防腐措施相结合的方式对其进行改进。
