混凝土桥梁病害诊治与修复加固
1. 前言
混凝土桥梁是我国交通基础设施中的重要组成部分。但长期以来,工程界对混凝土桥梁的病害问题未能给予足够的重视。人们普遍认为,广泛分布于铁路、公路的大量混凝土桥梁可以长期服役,无需维护。然而随着使用时间的推移,尤其是随着各种重型车辆、工程用重型运输车的不断出现,公路桥梁负荷日趋加重,加之旧桥部分老化、破损或受原设计标准的限制,不少混凝土桥梁由于耐久性不足最终导致结构失效,有相当数量的混凝土桥梁损坏严重,或处于超期运营状态。若不重视桥梁病害的诊治,不采取有效的修复加固措施,任其发展,必将对桥梁安全性构成威胁。
2. 混凝土桥梁病害诊治技术
混凝土桥梁病害诊治技术即检测评估技术,借助各种现场检测设备,对混凝土结构进行由表及里的检查,再结合必要的实验室分析,给出混凝土结构的“体检”结果。主要内容有:裂缝调查及原因分析,混凝土强度测试、钢筋锈蚀状况检测、混凝土中性化状况测试、劣化混凝土岩相及化学分析、混凝土表层渗透性等。现分述如下:
（1）裂缝调查及原因分析。混凝土裂缝最容易成为水分渗入导致钢筋锈蚀的通道。对裂缝的调查是现场检查的重点内容之一,主要包括裂缝位置、长度、走向、形状、宽度、深度等,还应设法了解结构开裂时间、发展过程。
除直接观察外,可以使用仪器确定裂缝的宽度及深度。如带光源的刻度放大镜能准确量出裂缝宽度,熟练的操作者可用超声仪检测裂缝的深度。
根据上述情况,首先把裂缝分为受力裂缝、非受力裂缝两大类。对前者,可根据相应的规范进行处理;对后者,大多与结构耐久性有关,即使现在对承载能力没有影响,但必须考虑对结构长期使用过程中与外界接触时的交互影响。引起非受力裂缝的原因较多,可从材料、施工、使用与环境等方面加以考虑。一些常见的此类裂缝有:塑性混凝土阶段开裂,温度裂缝,收缩裂缝,钢筋锈蚀导致开裂等。
（2）混凝土强度测试。有关混凝土强度现场测试的方法较多。无损检测法有超声法、回弹法及超声-回弹综合法等。这些方法往往与取芯法破型试验直接得到的强度值综合起来,作为所测结构混凝土强度的判断。
（3）钢筋锈蚀状况检测。由于混凝土内埋置钢筋的锈蚀,混凝土开裂导致的构件承载力不足引起的结构耐久年限降低这个问题,是影响混凝土桥梁耐久性最主要因素之一。引发桥梁混凝土内钢筋锈蚀的主要原因有二:一是混凝土碳化,二是CL-侵蚀。尤其是建造于跨海、海岸或临海的钢筋混凝土及预应力混凝土桥梁,由于环境介质中的氯离子侵蚀,容易导致钢筋锈蚀、保护层脱落,进而影响桥梁整体耐久性和安全性,在世界范围内此类现象屡见不鲜。
（4）混凝土中性化状况测试。正常状态下,混凝土的高碱性是钢筋最好的保护措施,但当遇到酸侵蚀时,混凝土将失去碱性,保护层下的钢筋也将脱钝。最常见的情况是因空气中的二氧化碳引起的碳化。目前检测碳化深度常用酚酞的酒精溶液的显色试验。
此外,可用钢筋定位仪测试钢筋的保护层厚度,若碳化深度已达钢筋表面,常导致钢筋锈蚀。
（5）劣化混凝土岩相及化学分析。通过岩相分析可观察混凝土内部裂隙情况、骨料岩相结构等。特别是对判断是否存在碱-骨料反应具有重要意义。
化学分析可给出混凝土自表面向内部的CL-离子分布曲线、K?2O及Na?2O含量分布曲线、SO42-含量分布等。这些结果对判断混凝土病害的深层原因十分有用。例如当混凝土中CL?-含量超标,或使用环境中有CL?-侵蚀,则极易引起钢筋脱钝,发生严重锈蚀。
（6）混凝土表层渗透性测试。混凝土的耐久性在相当程度上取决于其自身渗透性的好坏,因为外界有害物质,如盐、碱、SO42-皆会渗入混凝土内部导致一系列病害,所以混凝土表层的渗透性构成了其耐久性的第一道防线。
在实验室有许多种方法检测混凝土的渗透性,如用水做渗透时有稳态流动法和渗透深度法。还有CL扩散系数来评价混凝土渗透性的,但上述方法均不便于直接用于现场检测。为此,国家工业建筑诊断与改造工程技术研究中心进行了现场专用的GGT渗透性测试仪和GWT渗水性测试仪。
GGT（Germann’s Gaspermeability Test）测试仪可对已完工的混凝土结构进行CO 渗透,检测表面层的孔隙率。混凝土表层的渗透性与其空隙相关,其值可通过传感器测的压力及参数曲线确定。
GWT（Germann’s Waterpermeability Test）测试仪在使用中,通过在混凝土表面施加水压力,用水的渗透性来评价被检测表面的深水特性。并可检测接头处的防水性,或用混凝土表面设置防水保护层前后进行表面检测。
3. 混凝土桥梁耐久性修复及防护技术
当混凝土桥出现病害后,先对病害的程度进行评估,若危及承载能力,则需进行加固处理;
若目前尚未对承载能力构成威胁,为防止病害进一步发展,必须进行耐久性修复和维护。
3.1 裂缝修补。考虑结构防水性、耐水性要求进行裂缝修补的准则,主要根据裂缝宽度极限并综合考虑裂缝深度、型式以及结构使用环境进行确定。
裂缝修补的方法主要有:表面处理法、注入法、充填法及其它法。修补材料主要有树脂类材料和水泥基材料两类。国内已有多个厂家生产注浆材料和灌缝机具。国家工业建筑诊断与改造工程技术研究中心引进的发泡环氧树脂灌缝材料,利用树脂膨胀产生的压力自动灌缝,凝结后树脂可随裂缝变化而改变形状,特别适用于灌注“活缝”。
3.2 钢筋锈蚀损坏修复。传统上对钢筋锈蚀引起的开裂、起鼓等采取的是“打补丁”的方法,即局部凿除
的混凝土,露出锈蚀钢筋,除锈后抹上水泥砂浆。我们在实际工程中多次发现这种修复方法失效,给补丁四周的混凝土带来严重的锈蚀问题,特别是有氯离子浸蚀的环境,此种情况屡见不鲜。究竟原因,是修补区域邻近会形成新的阳极区,其中的钢筋腐蚀后可能会将原修好的区域胀裂。
近来,国外开发了一种新的修复技术,在结构表面涂上一层迁移型有机阻锈剂,它可以通过混凝土迁移到钢筋表面,取代氯离子,使钢筋再钝化。也可结合传统的局部修补技术,在凿开局部混凝土后,直接涂覆于混凝土基面,依靠其分子的迁移作用,使修补处钢筋背面和附近区域的钢筋再钝化,从而显著提高保护效果。此种有机阻锈剂在美国有Cortec公司的MCI系列产品,在国内已经使用;在欧洲有意大利TECNOCHEM公司开发的Mucis系列阻锈剂及含此类阻锈剂的修复砂浆,在欧洲多座桥梁的耐久性修复中表现良好。
3.3 碱-骨料反应病害的修复。 碱-骨料反应是混凝土内部的碱（K?2O及Na?2O）与活性骨料在水分供应充足的条件下发生的反应,反应产物为碱-硅凝胶,遇水膨胀,引起混凝土严重开裂。在素混凝土中,多为网状裂缝;有钢筋约束时,常表现为顺筋开裂。一般采取隔绝外界水源的办法予以解决。用硅烷涂层处理混凝土表面,使混凝土表面憎水,同时混凝土内部水蒸气又可向外散发,可在短期内降低混凝土内部湿度,从而显著延缓碱-硅反应的发生。但对大体积混凝土,因混凝土内部的湿度可保持很长时间,这种方法不太合适。
3.4 混凝土表面防护技术。混凝土表面防护技术是提高混凝土耐久性的措施之一。混凝土许多许多耐久性病害,其破坏机制各不相同且作用机理复杂,但破坏程度都与混凝土的物质传输能力有关,受混凝土渗透性影响很大。表面防护处理,能改变混凝土结构面层的性质,显著提高耐久性。
4. 混凝土桥梁常用加固技术
4.1 桥面补强层加固法。 当采用这种方法时,须将原桥面铺装全部凿除或凿毛,然后加铺一定厚度的补强层,以增大主梁有效高度及改善桥梁荷载横向分布能力,从而提高单梁承载能力或桥梁结构整体承载能力。
4.2 增大截面与配筋加固法。增大截面与配筋加固法,是通过构件截面面积或配筋率以提高钢筋混凝土梁的强度、刚度、稳定性的加固方法。该方法一般采用在梁底面或侧面加大尺寸,增配主筋,以提高主梁截面的有效高度,从而达到提高桥梁承载能力的目的。在施工质量可靠的情况下,该技术的加固效果是比较理想的,并且几乎不需要后期养护。然而,由于增大截面法在施工过程中全部的作业需要在梁底进行,施工难度较大,且施工质量难以控制。
4.3 体外预应力加固法。体外张拉预应力束加固法,是加固效果最明显而施工工艺最为复杂的加固方法。该方法的有点是,可在不增加桥梁自重的前提下,有效增加加固厚主梁的抗弯刚度并大幅度提高主梁的承载能力,从而降低了墩台基础的加固量。同时,在合理安排施工流程的情况下,该方法可最大限度地减少对桥上交通的影响,甚至可以在有限开放交通的情况下,组织施工。但是该方法最大的缺点是加固后体外预应力束容易腐蚀。
4.4 粘贴钢板加固法。粘贴钢板加固法,是用粘接剂和锚栓将钢板粘贴锚固于混凝土结构受拉面或其它薄弱部位,使钢板与加固混凝土结构形成整体,以达到提高结构承载能力的目的。该方法具有基本不改变原结构的尺寸,施工简单,技术可靠,短期加固效果好,且工艺成熟等优点。然而,由于粘贴钢板加固后均须进行必要的表面防护,如环氧砂浆或水泥砂浆保护层,钢板的锈蚀程度较难估计,降低了加固构件的可靠性,增加了加固桥梁的后期养护费用。
4.5 改变结构受力体系加固法。改变受力体系,是通过改变桥梁结构受力体系达到提高结构整体承载能力的目的,是一种变被动为主动的加固方法。该方法须对原结构的受力状况进行仔细的现场调查与分析,并对转换后的桥梁结构进行可靠的受力分析,最终确定桥梁结构承载能力的提高幅度是否满足规定交通荷载等级的需要。该加固方法的技术关键是如何有效降低桥梁各控制截面的计算内力。该技术的难点在于相邻梁端负弯矩区的处理问题。
4.6 增设主梁加固法。这种方法投资较大,且存在一个新旧桥梁的衔接问题,在车辆荷载作用下,桥面铺装层往往出现沿衔接面方向的通缝,一般很难根治,须对桥面铺装进行反复的修补,不但增加了后期养护的费用,也影响了行车的平稳性。
4.7 锚喷混凝土加固法。锚喷混凝土加固法,是从隧道施工中转化而来的加工方法,主要用于因支点截面尺寸小而导致的抗剪强度不足的混凝土梁的加固维修。在确保新旧混凝土粘结质量可靠的前提下,锚喷混凝土加固可明显增大主梁刚度,有效提高结构的耐久性,而后期几乎不需要养护费用。
4.8 增加横向联系加固法。该方法是通过增设桥梁横向联系,以改善上部结构的荷载横向分布规律,从而达到提高结构整体承载能力的加固方法。一般用于无内横梁或少于内横梁的T形截面及工字形截面梁式桥,工程上常在相邻主梁间增设现浇混凝土横梁或钢梁来提高横向抗弯刚度。该技术的缺点是会对原结构造成一定程度的损伤,对于配筋为复杂的区域或构件,不宜采用该方法加固设计,以免增加加固后的安全隐患。
4.9 粘贴碳纤维布加固法。粘贴碳纤维片是几年兴起的新型结构加固技术。碳纤维增强复合材料上一种性能优良的混凝土结构加固材料,它具有强度高、密度小、耐腐蚀、抗疲劳等优点。该技术是将碳纤维这种高性能纤维应用于土木工程,利用树脂类材料把碳纤维布或板材粘贴于混凝土结构或构件表面,形成复合材料,通过碳纤维布与结构的协同工作,达到对结构补强加固及改善受力性能的目的。该方法施工方便,对原结构无损伤且施工质量易于保证,几乎无需后期维修养护。同时,从美观角度,碳纤维复合材料加固层厚度很薄,基本不改变原结构的设计尺寸,适用于对景观要求较高地区的桥梁。
5. 结束语
桥梁检测与加固技术的应用,不但能起到确保桥梁安全运营、延长桥梁使用寿命的作用,同时通过早期桥梁病害的发现,及时对病害进行处治和结构加固,以保证桥梁具有可靠的承载能力和正常使用能力。
参考文献
[1] 交通部（JTGD60-2004）公路桥涵设计通用规范。北京 人民交通出版社,2004
[2] 交通部 公路旧桥承载能力鉴定方法（试行）。北京人民交通出版社,1997
[3] 交通部（JTGH11-2004）公路桥涵养护规范。北京人民交通出版社,2004
[文章编号]1006-7619（2010）06-08-525
[作者简介] 李大中（1969.11-）,男,1992年7月毕业于北京建筑工程学院土木工程系道桥专业,本科,工学士学位。工作单位是河南省新乡市高等级公路管理处,工程师,长期从事公路工程施工、养护工作。
建筑资质代办咨询热线：13198516101
咨询热线：13198516101 
