淺談鋼筋混凝土橋梁耐久性、腐蝕病害及對(duì)策

摘　要　通過(guò)對(duì)橋梁耐久性影響因素分析,認(rèn)為鋼筋腐蝕對(duì)橋梁耐久性影響最大。通過(guò)對(duì)鋼筋腐蝕影響因數(shù)和腐蝕機(jī)理分析,提出預(yù)防鋼筋腐蝕對(duì)策。

關(guān)鍵詞　橋梁耐久性鋼筋腐蝕病害腐蝕病害預(yù)防對(duì)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(shí)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(yù)期作用和預(yù)定的維護(hù)條件,能在規(guī)定期限內(nèi)維持其設(shè)計(jì)性能要求的能力”;實(shí)際耐久性是指結(jié)構(gòu)對(duì)氣候作用、化學(xué)侵蝕、物理作用或任何破壞過(guò)程的抵抗能力。一般來(lái)講,在正常設(shè)計(jì)(滿足強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性和使用功能等要求) 、正常施工(嚴(yán)格依照規(guī)范和設(shè)計(jì)進(jìn)行) 、正常使用(規(guī)定荷載等)和正常養(yǎng)護(hù)(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(shè)計(jì)、施工的不當(dāng),其生存時(shí)間很難同我們想象的設(shè)計(jì)壽命掛鉤,其實(shí)際耐久性遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于理論耐久性。

　　影響橋梁耐久性的因素十分復(fù)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敛牧稀摬牡淖陨硖匦?

　?、跇蛄航Y(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)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(hù)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(shè)計(jì)與施工質(zhì)量是決定橋梁耐久性的內(nèi)因?；炷潦怯伤?、水、粗集料和某些外加劑,經(jīng)過(guò)攪拌、澆注、振搗和養(yǎng)護(hù)硬化等過(guò)程而形成的人工復(fù)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(jí)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(huì)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(xué)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(hù)措施是影響橋梁耐久性的外因。外界環(huán)境對(duì)鋼筋混凝土橋梁的破壞是環(huán)境因素對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)物理化學(xué)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?

　?、诼入x子侵蝕;

　?、蹓A- 集料反映;

　?、軆鋈谘h(huán)破壞;

　　⑤鋼筋腐蝕。

　　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(dāng)鋼筋腐蝕后其有效截面積會(huì)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(fù),嚴(yán)重時(shí)還會(huì)出現(xiàn)鋼筋斷裂。當(dāng)結(jié)構(gòu)的剩余承載能力低于作用荷載時(shí),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(wèn)題已成為一個(gè)非常突出的災(zāi)害性問(wèn)題。

2　鋼筋腐蝕病害成因

　　混凝土對(duì)鋼筋的保護(hù)體現(xiàn)在兩個(gè)方面:即物理保護(hù)和化學(xué)保護(hù)。物理保護(hù)是指阻斷保護(hù),即混凝土保護(hù)層隔斷了鋼筋與空氣、水和腐蝕環(huán)境的直接接觸;化學(xué)保護(hù)是指鈍化保護(hù),水泥在水化過(guò)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(wú)氯、未碳化混凝土中的鋼筋可以永遠(yuǎn)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(hù)層的性能影響等。具體原因如下:

　　①混凝土不密實(shí)或有裂縫

　　這往往是造成鋼筋銹蝕的主要原因。尤其當(dāng)水泥用量不當(dāng)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(guò)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(hù),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(dá)到鋼筋表面,從而加速鋼筋的銹蝕。

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　　混凝土中的鋼筋銹蝕的主要原因之一是“碳化”?？諝庵械亩趸?xì)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(dāng)碳化深度達(dá)到超過(guò)鋼筋保護(hù)層時(shí),使表層混凝土喪失堿性環(huán)境,其ph值低于10,

　　對(duì)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(hù)的屏障。進(jìn)而大氣中的有害氣體侵入混凝土,就會(huì)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(hù)層的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)一般不會(huì)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(dāng)ph值大于10時(shí),鋼筋腐蝕速度較小,當(dāng)ph值小于4時(shí)鋼筋腐蝕速度急劇增加。

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　　氯離子對(duì)鋼筋鈍化膜的破壞作用最強(qiáng),氯鹽通過(guò)混凝土中的毛細(xì)孔或微裂縫滲入到鋼筋的表面,直接攻擊鈍化膜,當(dāng)鋼筋表面的氯離子量超過(guò)臨界值,鋼筋保護(hù)膜遭到破壞,如果能供給氧氣和水,就會(huì)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(guò)鋼筋的深度。因此氯鹽是威脅橋梁耐久性最危險(xiǎn)的化學(xué)物質(zhì),且對(duì)鈍化膜產(chǎn)生局部性的破壞,使鋼筋表面產(chǎn)生點(diǎn)狀坑蝕。

3　鋼筋腐蝕機(jī)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(shí)質(zhì)是混凝土的中性化,當(dāng)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(dǎo)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(huì)出現(xiàn)較大的電位差,形成陽(yáng)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(xué)反應(yīng)。

　　在陽(yáng)極的反映為:Fe→Fe2 + + 2e在陰極的反映為:2H2O +O2 + 2e- →4 (OH) -陽(yáng)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(xué)反應(yīng),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(yīng)生成的氫氧化二鐵( Fe (OH) 2 )進(jìn)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(qiáng)的去鈍化劑,氯離子進(jìn)入混凝土,到達(dá)鋼筋表面,并吸附于局部鈍化膜處時(shí),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(zhēng)奪腐蝕產(chǎn)生的Fe2 + ,形成綠銹FeCl·4H2O,綠銹從鋼筋的陽(yáng)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(yáng)極周圍,同時(shí)放出氫離子H+和氯離子Cl- ,它們又回到陽(yáng)極區(qū),使陽(yáng)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(yīng)中也不消耗,但腐蝕的中間產(chǎn)物對(duì)腐蝕反映起催化作用,反應(yīng)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(dāng)于一個(gè)缺口,在鋼筋受拉時(shí)引起應(yīng)力分布不均勻,造成應(yīng)力集中,可導(dǎo)致鋼筋的斷裂。

4 橋梁腐蝕病害預(yù)防對(duì)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(gè)是毛細(xì)孔道,另一個(gè)是混凝土裂縫,其中裂縫對(duì)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(yīng)從兩方面入手,一是提高鋼筋的混凝土保護(hù)層質(zhì)量,阻止氯離子和水分對(duì)混凝土的侵蝕,延長(zhǎng)混凝土的碳化時(shí)間,進(jìn)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(hù)層質(zhì)量

　　(1) 加大混凝土保護(hù)層厚度。

　　(2) 提高混凝土密實(shí)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(shí)度,同時(shí)增加對(duì)氯離子擴(kuò)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(yīng)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(xué)外加劑等;二是防止集料膨脹反應(yīng)引起的混凝土開裂,對(duì)集料生產(chǎn)、運(yùn)輸、堆放及攪拌等工序進(jìn)行科學(xué)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(shè)置、安裝橋梁伸縮縫與支座,加強(qiáng)橋梁養(yǎng)護(hù),及時(shí)清理伸縮縫中雜物;四是盡量采用預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu);五是應(yīng)用設(shè)計(jì)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(guò)大的坍落度,均勻澆筑混凝土,并及時(shí)對(duì)混凝土進(jìn)行養(yǎng)護(hù),施工現(xiàn)場(chǎng)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(duì)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(yīng)少于水泥重量的1% ,摻氯鹽的混凝土必須振搗密實(shí),且不宜采用蒸汽養(yǎng)護(hù)。

4. 3　提高橋梁防水功能

　　鋼筋銹蝕主要是因混凝土保護(hù)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(jìn)行。應(yīng)該說(shuō)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(cè)資料表明,由于橋面防水層的過(guò)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(tái)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(yīng)選擇好的防水層,精心鋪設(shè)。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(yīng)大于0. 3MPa;要具有良好的耐久性,并能適應(yīng)橋梁動(dòng)荷載抗壓、抗拉的特性。

　　(2) 橋面防水設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)為防水混凝土或在其表面涂抹抗?jié)B劑以達(dá)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(shí),除嚴(yán)格控制壓實(shí)度外,應(yīng)嚴(yán)格控制平整度和橫坡度。確保瀉水口位置、標(biāo)高準(zhǔn)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(qiáng)簡(jiǎn)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(guò)對(duì)大量的舊橋檢測(cè)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(guò)薄等原因,水從伸縮縫等部位沿著封頭的微小裂縫逐漸進(jìn)入空心板內(nèi)部,并很難排除來(lái),長(zhǎng)期侵蝕梁體混凝土和鋼筋。因此應(yīng)注重封頭混凝土施工質(zhì)量,確?；炷撩軐?shí),也可對(duì)混凝土進(jìn)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(yán)重滲水,板的翼緣混凝土碳化最為嚴(yán)重,部分鋼筋開始銹蝕。因此,從設(shè)計(jì)上要采取措施,加強(qiáng)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(xiàn)

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