津滨地区桥梁混凝土构件破坏分析及防护
天津滨海新区位于天津东部临海地区，地质属盐碱滩涂地带，很多地区浅表地下水中的氯盐、硫酸盐、镁盐含量都高于海水，又属于北方寒冷地区。在这种环境中，混凝土构件如果只考虑强度而忽略混凝土耐久性问题，很难达到设计寿命。特别是桥梁混凝土构件，除受上述环境因素外，还要承受静载、活载的作用，一般服役5-8年就会出现破坏[1]，而我国在《公路桥涵设计通用规范》JTGD60-2004）中强制规定，桥梁设计基准期为100年。因此分析研究影响混凝土桥梁耐久性的因素，并有针对性地采取措施，已成当务之急。
2.津滨地区桥梁混凝土构件破坏类型及形成机理分析
津滨地区桥梁混凝土构件常见的破坏类型主要有：碳化，氯化物侵蚀破坏，冻融破坏，硫酸盐侵蚀破坏，碱—骨料反应，荷载作用等。
2.1.混凝土碳化破坏
混凝土属于多孔结构，内部存在着大小不同的毛细管、孔隙、气泡，甚至缺陷。二氧化碳不断地透过混凝土中未完全充水的粗毛细孔道，气相扩散到混凝土中部分充水的毛细孔中，与水泥水化过程中产生的氢氧化钙、硅酸三钙、硅酸二钙等水化产物相互作用，形成碳酸钙。使孔隙液的pH值降为8.5~9.0，其反应可以用以下化学式表示：
CO2+H2O→H2CO3
Ca（OH）2+H2CO3→CaCO3↓+H2O
3CaO•2SiO2•3H2O+3H2CO3→3CaCO3↓+2SiO2+6H2O
2CaO•SiO2•4H2O+2H2CO3→2CaCO3↓+SiO2+6H2O
钢筋在PH>12.5的环境中，表面生成一层氧化膜，阻止阳极的铁溶解。由于碳化混凝土的PH<10，保护层破坏，如果此时供给氧和水，就会发生钢筋锈蚀。钢筋一旦生锈，因钢筋生成物与混凝土的粘结力很低，同时因为铁锈的膨胀压力而使混凝土保护层产生龟裂，通过这些裂缝又迅速加快锈蚀的速度，引起钢筋混凝土构件的耐久性降低。
2.2.氯化物侵蚀破坏
混凝土碳化会降低碱度，但碳化过程进展慢，在沿海地区碳化引起的钢筋锈蚀远不如氯离子引起的锈蚀普遍，氯离子是混凝土中钢筋过早锈蚀的主要原因。当混凝土处于氯盐环境（如近海地区、使用氯盐化冰盐）时，氯离子含量较高，由于氯离子的穿透力非常强，当钢筋周围混凝土孔隙液中氯离子达到一定浓度时，氯离子容易渗入氧化膜，激活钢筋表面的铁原子，使钢筋锈蚀。在钢筋锈蚀过程中氯离子仅起到催化作用，并不改变锈蚀产物的组成，混凝土中氯离子的含量也不会因腐蚀反应而减少。所以，当氯离子的含量超过临界值时，如果不进行处理，腐蚀将会不断进行下去。
津滨地区属近海地区，而且冬季下雪后喷洒的化冰盐都含有氯离子，一旦氯离子在渗透作用下到达钢筋并聚集到临界浓度，就会破坏钢筋的钝化膜，造成钢筋锈蚀。盐水不仅能侵蚀桥面及主梁，当顺排水管流下时，如果桥梁排水损坏，则除冰盐水直接可以冲刷到盖梁及墩柱上，造成桥梁这些部位因钢筋锈蚀而损坏。
2.3.冻融破坏
我国北方寒冷地区由于冻融使混凝土破坏是工程结构损坏的主要原因[2]。混凝土在拌制时，为了得到必要的和易性，加入的拌和水总要多于水泥的水化所需要的水，多余的水便以游离水的形式滞留于混凝土中，形成连通的毛细孔，并占有一定的体积。这种毛细孔的自由水就是导致混凝土遭受冻害的主要因素。当混凝土处于饱水状态时，毛细孔中水结冰，胶凝孔中的水处于过冷状态。因为混凝土孔隙中水的冰点随孔径的减小而降低，胶凝孔中形成冰核的温度在-78℃以下。胶凝孔中处于过冷状态的水分子因为其蒸汽压高于同温度下冰的蒸汽压而向毛细孔中冰的界面处渗透，于是在毛细孔中又产生一种渗透压力。此外，由于水向毛细孔的渗透作用，必然使毛细孔中的冰体积进一步膨胀。所以，毛细孔壁同时承受膨胀压和渗透压两种压力。当这两种压力超过混凝土的抗拉强度时，混凝土就的微观结构就会受到损伤。当经过反复多次的冻融循环以后，损伤逐步积累不断扩大，发展成互相连通的裂缝，使混凝土的强度逐步降低，最后甚至完全丧失。
2.4.硫酸盐侵蚀破坏
硫酸盐侵蚀主要是在混凝土硬化后由水泥中的铝酸三钙和周围环境中的硫酸盐之间的反应引起的，铝酸三钙与硫酸盐反应生成硫铝三钙（钙钒石），钙钒石生长需要空间，在固体材料内的封闭环境中，钙钒石晶体生长可以产生240MPa的压力，引起混凝土的膨胀、开裂、剥落和解体，另一方面由于硬化水泥石Ca（OH）2和C-S-H等组分溶解或分解而导致混凝土强度、硬度和粘结性丧失。桥梁的承台、墩柱在含盐量高的地下水、含盐碱量高的地表水、土壤中，由于毛细管作用，水分不断向上吸附并蒸发，使混凝土孔隙中盐溶液浓缩，这也加快了对混凝土构件的腐蚀破坏。
2.5.碱—骨料反应
碱-骨料反应是指混凝土空隙中含有碱金属（Na、K）的石灰饱和溶液、Na2O、K2O等碱性溶液和骨料中活性成分在混凝土硬化后逐渐发生的一种化学反应。碱一骨料反应产物硅胶体遇水膨胀，体积可增大3~4倍，破坏混凝土结构，是影响混凝土耐久性的主要原因之一。碱—骨料反应的主要特征是：外观上主要是表面裂缝、变形和渗出物；而内部特征主要有内部凝胶、反应环、活性碱骨料、内部裂缝、碱含量等。碱—骨料反应不同于其他混凝土病害，它的开裂破坏是整体性的，而且目前还没有有效的修补方法，因此被学术界称为混凝土的“癌症”。
2.6.荷载作用
随着天津滨海地区的高速发展，交通量及重载交通所占的比重显著增长，在经济利益的驱动下，超载程度日益严重，对公路桥梁造成的直接损害是钢筋混凝土受力构件变形加大，超出设计范围，在超重车辆荷载频繁作用下，促使混凝土构件裂缝的宽度和数量极度增加，甚至直接造成破坏，是造成桥梁受力构件破坏的直接原因。
混凝土构件的病害往往是由多因素共同作用的结果，在多种劣化环境条件下，混凝土构件一旦出现裂缝、破损等病害，在几种破坏模式的共同作用下，混凝土的病害会迅速发展，耐久性急剧降低。为此，在桥梁设计和施工的过程中应增加桥梁病害的防护措施。
3.津滨地区桥梁混凝土病害防护措施
3.1.混凝土结构采用耐久性设计
在混凝土达到强度要求的基础上进行耐久性设计，配制高性能混凝土是提高混凝土防腐蚀能力的必要措施。混凝土的耐久性设计是一个系统的工程，涉及到原材料和外加剂、配合比设计、施工管理、养护等各个方面。
（1）原材料和外加剂
配制高性能混凝土所用的水泥一般选用低碱水泥，碱含量小于<0.6%，以避免碱-骨料反应的发生。同时氯离子含量应低于0.03%，降低混凝土中氯离子总量。胶凝材料除水泥之外，还要掺加矿物掺合料（如矿渣、粉煤灰和硅灰等）和外加剂。矿物掺合料主要是为了降低混凝土的水化热，改善混凝土的工作性，增加混凝土的密实度。外加剂主要是聚羧酸类高性能减水剂，具有一定的引气性，较高的减水率和良好的塌落度保持性能。与其他的减水剂相比具有明显的技术优势和较高的性价比。骨料不得采用可能发生碱—骨料反应的活性骨料。砂应使用河砂，细度模数应大于2.5，细度模数约等于3.0时，混凝土的工作性最好，抗压强度最高[3]。砂的含泥量应小于1.5%。
（2）配合比设计
高性能混凝土的配合比参数主要是水灰比、砂率。水灰比不仅极大的影响混凝土的强度，同时也会极大的影响混凝土的耐久性，水灰比增大，渗透性增加，耐久性降低，对于高性能混凝土，水灰比不宜大于0.35。在水泥浆量一定的情况下，砂率主要影响混凝土的工作性。高性能混凝土由于用水量很低，砂浆量要由增加砂率来补充，砂率宜较大。
（3）施工管理
高性能混凝土或普通混凝土的耐久性在很大程度上决定于施工质量是否优良。高性能混凝土的施工质量控制比普通混凝土更加严格，配料计算误差在允许的范围内，原材料质量变化的检验次数要增加，混凝土的拌合要彻底均匀，要保证新拌混凝土的良好的施工性能。塌落度通常作为混凝土施工的初步控制，高性能混凝土胶凝材料用量大，水灰比小，混凝土拌和物比较粘稠，塌落度损失较快。要特别做好施工安排，要做好混凝土浇注前的准备工作。搅拌充分的混凝土拌和物运到现场后要立即浇筑，铺筑后迅速对混凝土进行捣实。高性能混凝土宜在施工现场加入高性能减水剂，以减少塌落度损失。同时要注意新拌混凝土的拌合和供应要配合现场浇筑速度，以免由于新拌混凝土供应过快，拌合车在等待浇筑时，损失塌落度和含气量。
（4）养护
混凝土养护是否充分将直接影响其耐久性。混凝土潮湿养护的最低期限如表1所示
3.2.特殊防护措施
针对桥梁的不同部位所处的环境不同，如桥墩这样所处环境比较恶劣,或对耐久性有更高的部位，可根据工程实际情况,增加特殊防腐蚀措施,如在混凝土表面用涂层保护,采用环氧涂层钢筋或使用钢筋阻锈剂等。
（1）混凝土表面用涂层保护
表面用涂层保护是常用的结构防腐蚀措施之一，尤其对于新建工程，表面用涂层保护较为方便，且成本相对较低。但涂料涂层因其老化的原因使得耐久年限较短，在海洋环境中，一般涂料的涂层的有效防护年限为8—10年。因此使用表面涂层保护，需要定期进行涂层检测，一旦发现涂层老化，必须重新进行涂装。
（2）环氧涂层钢筋
环氧涂层钢筋理论上具有良好的防腐蚀效果，即使氯离子已渗入到钢筋表层，其环氧涂层也能保护钢筋不致生锈。但其实际操作的可靠性往往受工艺过程和施工过程的影响，容易留下锈蚀隐患，从而无法预测涂层钢筋的实际使用寿命。所以环氧涂层应在严格控制的工厂流水线上涂覆，厚度为180~280μm，不得有孔洞、空隙或裂缝，并经得起弯曲试验的检验。
（3）使用钢筋阻锈剂
当混凝土构件所处环境十分恶劣，或混凝土原材料氯离子含量超标时，可在混凝土中掺入钢筋阻锈剂。常用的阻锈剂是亚硝酸钙类阻锈剂，具有较好的阻止氯离子对钢筋钝化膜破坏的作用。在高性能混凝土中掺入阻锈剂，可以达到事半功倍的效果。但阻锈剂的掺量要达到要求的最小掺量，如果掺量不足，可能会加速钢筋锈蚀[4]。
除上述防护措施外，阴极保护、提高混凝土保护层厚度等方法也可以起到很好的防腐蚀作用。但综合上述分析，简单而又可靠的首选混凝土本身的耐久性设计。
4.结论
为了满足津滨地区的高速发展，修建的混凝土桥梁会越来越多，对桥梁混凝土构件进行耐久性设计，并采取适当的特殊防腐措施，可以大幅度减少混凝土桥梁病害的发生，既可以降低桥梁服役期间的维护成本，又可以节约能源，具有重大的经济效益和社会效益。
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