氯盐环境桥梁耐久性设计

2022-09-11

氯盐引起的钢筋腐蚀, 在世界范围内对钢筋混凝土基础设施等造成极大破坏, 修复花费巨大。按照P.K.M e h t a的观点, 钢筋腐蚀在影响混凝土耐久性的诸因素中是排在第一位的。氯盐引起的钢筋锈蚀已经是一个经济问题和影响可持续发展的大问题。

我国存在着广泛的氯盐环境, 氯盐引起的钢筋腐蚀对混凝土耐久性影响的问题必须给与足够的重视。

1 氯盐对结构破坏

1.1 氯盐对结构破坏的表征

氯盐主要是对钢筋腐蚀从而导致保护层开裂与剥落, 造成结构的损伤与失效。对混凝土也有一定程度的破坏作用 (盐结晶腐蚀、加速冻融破坏、激发碱集料反应等) 。当钢筋表面C l浓度达到或超过“临界值”时, 钝化膜受到破坏, 钢筋腐蚀发生、发展, 锈蚀产物膨胀 (2~6倍) , 使混凝土顺筋开裂;一旦混凝土保护层发生开裂之后, 氧和水分的供应变的容易, 从而钢筋腐蚀加速, 裂纹扩展, 混凝土与钢筋之间的粘结力下降, 结构的力学性能下降;钢筋断面损失, 结构局部或整体破坏、垮塌;对于预应力结构, 可能在钢筋腐蚀表观不严重的情况下突然垮塌。

1.2 Cl对钢筋锈蚀的主要作用

C l对钢筋锈蚀的作用主要有以下几方面。

(1) 破坏钝化膜:混凝土通常呈碱性 (p H=12.5~13) , 使其在钢筋表面产生一层致密钝化膜, 保护钢筋免遭腐蚀, C l进入混凝土中并到达钢筋表面 (超过“临界值”) 后, 局部钝化膜开始破坏, 钢筋就开始腐蚀。

(2) 形成“腐蚀电池”:C l-破坏钝化膜使钢筋表面这些部位 (点) 露出了铁基体, 与尚完好的钝化膜区域之间构成电位差, 形成阳极和阴极区, 和水接触之后, 铁离子会从缺陷部分溶出, 形成腐蚀电池。凡是进入混凝土中的游离状态C l-, 会周而复始地起破坏作用的, 这也是氯盐危害的特点之一。

(3) C l-与水泥的作用及对钢筋锈蚀的影响:水泥中的铝酸三钙 (C3A) , 在一定条件下可与氯盐作用生成不溶性F r i e d e l盐 (C3A·CaCl2·xH2O) , 降低混凝土中游离Cl-的量, 从这个角度讲, 含 (C3A) 高的水泥品种有利于抵御Cl-的危害。但是, Friedel盐只有在强碱性环境下才能生成和保持稳定, 而当混凝土的碱度降低时, 会发生分解, 重新释放出Cl-来, 就此而言, F r i ed el盐还有潜在危险的一面。

2 氯盐环境下钢筋的防腐设计

氯盐对钢筋的腐蚀属于电化学过程, 受综合性、多因素影响。因此, 单一防护措施往往不能奏效, 应该采取综合性措施。从就整体而言, 除设计本身外, 要综合考虑到施工、使用、管理、维护等;从防腐蚀设计而言应遵照“以防为主”的战略方针, 重点在“预先设防”;就具体的技术思路而言, 应考虑基本措施 (强化混凝土自身对钢筋的保护能力) 加上附加措施 (一项或几项) 的综合方略。综合经济效益的考虑:在保证寿命期的前提下, 花钱最少。努力实施“全寿命经济分析” (花钱总额包括初建费+维护修复费) 。适当增加初期投入, 能大大减少修复费用, 总体花费少, 而不是初期投资越低越好。

氯盐环境下, 钢筋防腐设计主要有以下基本措施。

(1) 最大限度提高混凝土的密实性。

(2) 增加混凝土保护层厚度。

(3) 最大限度地防止混凝土裂缝的产生。

除此之外, 尚有附加措施可以采用。详见表1。

表1中除设计、施工、维护规定的项目外, 对于新建工程, 最常采用的附加措施是环氧涂层钢筋和钢筋阻锈剂;对于已有工程的修复, 电化学方法是很有效的;涂覆层、钢筋阻锈剂, 对于新、老工程都可选用。应该指出的是, 任何“附加措施”都应该在“基本措施”的基础上采用。任何情况下最大限度地保证混凝土的高质量, 都是头等重要的。

3 工程实例应用

3.1 工程简介

鹏城桥为深圳市东部沿海公路C段, 上跨鹏城附近一小河沟。桥梁分为独立的两座桥, 由于建设年代不同, 分别称为新桥和旧桥。

新桥上部结构为3跨板梁, 桥梁总长2 4.6 6 4 m, 单孔跨径7.95m, 计算跨径7.70m。梁体为整体现浇混凝土板梁, 支座采用油毛毡, 重力式浆砌片石桥墩和桥台。桥面横向布置为0.5 m (防撞墙) +2×7.5m车行道+0.5m (防撞墙) 。

设计荷载为汽车-超20级, 挂车-120级;上部结构采用C 2 5号混凝土, 现浇桥面板为25号。桥梁处于R=290 m的弯道内, 且处于i=0.04%的纵坡段内, 横坡8%。桥梁外观见图1 (图中前进方向的左侧为左幅, 即新桥, 右侧为右幅, 即旧桥) 。

旧桥的主要病害如下。

(1) 每跨板梁底面均有纵向裂缝, 钢筋多处外露锈蚀, 用锤头敲打板梁表层混凝土, 混凝土即大面积脱落。

(2) 撬掉第1跨混凝土保护层, 发现底板钢筋全部发生中度及以上程度的锈蚀, 部分横向钢筋完全锈蚀直至断裂, 主筋全部存在不同程度的锈蚀, 有效直径减小, 有少量主筋锈蚀十分严重。

(3) 凿开混凝土后发现粗骨料之间有空洞, 不密实。骨料中有姜黄色、褐色物质及白色结晶物质, 怀疑混凝土发生类似碱骨料的反应, 膨胀开裂进水而导致钢筋锈蚀。

(4) 桥台帽梁开裂, 并出现渗水现象。桥墩局部浆砌灰缝脱落、开裂。

(5) 混凝土桥面铺装层在1#墩及2#墩位置横向开裂。

进行了混凝土强度测试、碳化深度测试、钢筋保护层厚度检测、钢筋锈蚀检测及钢筋有效直径的测量, 主要结果如下。

(1) 混凝土碳化深度大于6 m m, 表明碳化程度较大。

(2) 第2跨没有凿开混凝土保护层, 用钢筋锈蚀探测仪进行了测试, 结果表明内部钢筋已锈蚀。

(3) 测量钢筋的有效直径介于22.15mm~2 3.9 1 m m之间, 原钢筋为Φ2 5的, 钢筋直径减小。实际上由于检测条件的限制, 测试的是钢筋水平方向两外边缘的距离, 如果竖向测试, 有效直径实测值会更小。

查究钢筋腐蚀的原因有如下几种。

(1) 氯离子腐蚀:混凝土中含有氯离子, 对钢筋造成了腐蚀。深圳地处海滨地区, 海水中含有大量氯离子, 如果施工搅拌骨料时掺入了海水, 或者由于其他原因骨料中混入了氯离子, 就会对钢筋造成严重腐蚀。

(2) 碱骨料反应:骨料中的C a O、M g O等碱性物质遇水反应而结晶膨胀, 使混凝土开裂, 空气中水分及腐蚀性气体由裂缝进入板内, 腐蚀钢筋。

(3) 混凝土碳化:混凝土碳化后, 碱性降低, 钢筋表面的钝化膜遭到破坏而使钢筋产生锈蚀。

一般来讲, 氯离子腐蚀和碱骨料反应被称为混凝土的“癌症”, 无法根治。所以旧桥最终决定拆除重建。

3.2 工程问题解决

鉴于新建桥亦处于相同桥位, 同样位于氯盐重腐蚀区环境下, 从以下主要方面采取措施解决所出现问题。

(1) 新建桥梁全桥采用高性能混凝土。选用低水化热和含碱量低的水泥, 一般应为品质稳定的硅酸盐水泥, 其强度为4 2.5。

(2) 混凝土中使用粉煤灰加硅灰两种矿物掺和料, 粉煤灰掺量为胶凝材料重量的30%, 硅灰掺量为胶凝材料总量的5%, 即20kg/m3, 最终掺量根据配比试验确定。粉煤灰掺和料应来自燃煤工艺先进的工厂, 粉煤灰的烧失量≤3%, 三氧化硫含量≤3%, 需水量≤105%。硅灰中的二氧化硅含量≥85%, 比表面积≥15000m2/kg。配制混凝土的骨料要求质地均匀坚固、粒形和级配良好、吸水率≤40%, 粗骨料的压碎指标≥7%, 不得采用花岗岩、砂岩作为粗细骨料, 粗骨料最大公称粒径≤25mm。

(3) 严禁使用海水、海砂配制混凝土。

(4) 混凝土最大的水胶比为0.45, 最小水泥用量普通钢筋混凝土构件为300kg/m3, 预应力混凝土构件为3 5 0 k g/m 3, 最大氯离子含量普通钢筋混凝土构件为0.1%, 预应力混凝土构件为0.06%, 最大碱含量3kg/m3, 混凝土拌和水用量不高于15 0kg/m3。

(5) 为保证钢筋保护层厚度及钢筋定位的准确性, 采用工程塑料制作的保护层定位夹, 保护层厚度施工允许误差为5 m m。

(6) 暴露于大气中的新浇混凝土表面应及时浇水或覆盖湿麻袋等进行养护, 尽可能采用洒水养护, 在混凝土发热阶段应避免混凝土表面温度产生骤然变化。混凝土的入模温度不得大于2 5℃, 入模前的模板与钢筋温度以及附近的局部气温不得超过4 0℃, 在气温较低的傍晚浇筑混凝土。现浇混凝土应有的潮湿养护时间至少为14天, 严禁用海水养护。

(7) 墩柱、桥台应采取防水措施, 保证混凝土在浇筑后7天之内不受水的直接冲刷, 应保证该混凝土在养护期内, 在强度达到设计值以前不受海水和浪花的侵袭, 混凝土与海水接触的龄期不宜小于6周。

(8) 混凝土应采用高频震捣器震捣至混凝土顶面基本上不冒气泡, 当混凝土浇筑至顶部时, 宜采用二次振捣及二次抹面, 应刮去浮浆, 确保混凝土的密实性, 混凝土抹面后, 应立即覆盖, 防止风干和日晒失水。终凝后, 混凝土顶面应立即开始持续潮湿养护。拆模前12小时, 应拧松侧模板的紧固螺帽, 让水顺模板与混凝土脱开面渗下, 养护混凝土侧面。整个养护期间, 尤其是从终凝到拆模的养护初期, 应确保混凝土处于有利于硬化及强度增长的湿度和湿度环境中。

(9) 桥台台身和墩柱的混凝土掺入钢筋阻锈剂, 钢筋阻锈剂应符合以下要求: (1) 对混凝土的主要物理力学性能无不利影响; (2) 能有效抑制钢筋脱钝, 防止钢筋锈蚀; (3) 在混凝土中保护长期稳定。钢筋阻锈剂的掺入量为10kg/m3, 且性能满足《钢筋阻锈剂使用技术规程》YB/T 9231-98的要求。

(1 0) 工程的抗氯离子侵入性指标。电量指标 (56天龄期) <800库仑, 氯离子扩散系数DRCM (28天龄期) <4×10-12m2/s。