摘 要:針對(duì)西北氣候特點(diǎn),討論鐵路橋梁保護(hù)層混凝土的碳化特征,并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析既有橋梁保護(hù)層混凝土的碳化規(guī)律,基于混凝土強(qiáng)度和碳化深度的測(cè)試值提出保護(hù)層混凝土碳化壽命預(yù)測(cè)公式,并給出干旱地區(qū)橋梁混凝土強(qiáng)度和保護(hù)層厚度的建議值。
關(guān)鍵詞:鐵路橋梁; 碳化; 壽命預(yù)測(cè); 耐久性
中圖分類(lèi)號(hào):U448113 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
文章編號(hào): 1004 2954 (2007) 05 0045 03
鐵路鋼筋混凝土橋梁隨著服役時(shí)間的延長(zhǎng),受設(shè)計(jì)、施工和周?chē)髿猸h(huán)境作用的影響,逐漸出現(xiàn)了老化現(xiàn)象,其中,大氣環(huán)境下保護(hù)層混凝土碳化是造成橋梁耐久性降低的主要原因之一。據(jù)2003年的鐵路秋季檢查結(jié)果,全國(guó)鐵路有失格橋梁7 352座(占橋梁總數(shù)的181．5%) ,其中混凝土梁體發(fā)生順筋開(kāi)裂3 345孔,大面積銹蝕3 390孔。嚴(yán)重時(shí),保護(hù)層混凝土因碳化而出現(xiàn)銹脹開(kāi)裂,不得不提前維修甚至大修。我國(guó)地域遼闊,氣候環(huán)境復(fù)雜多變,影響混凝土碳化速度的因素也很多,因此,建立統(tǒng)一的碳化深度理論預(yù)測(cè)公式是不現(xiàn)實(shí)的。結(jié)合各地區(qū)氣候環(huán)境特點(diǎn),在對(duì)既有鐵路橋梁調(diào)查檢測(cè)的基礎(chǔ)上,對(duì)在役混凝土橋梁的碳化壽命進(jìn)行預(yù)測(cè),以便及時(shí)采取維修措施,減緩保護(hù)層混凝土碳化進(jìn)程,對(duì)今后鐵路橋梁的使用和維護(hù)乃至鋼筋混凝土橋梁耐久性設(shè)計(jì)都具有重要的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)意義。
西北地區(qū)降雨較少,蒸發(fā)量大,給橋梁混凝土的施工養(yǎng)護(hù)和后期材料性質(zhì)帶來(lái)不利影響。筆者結(jié)合西北地區(qū)的氣候特點(diǎn),對(duì)保護(hù)層混凝土的碳化特征進(jìn)行了討論,分析了西北地區(qū)在役橋梁混凝土的碳化規(guī)律,基于測(cè)試數(shù)據(jù)提出了保護(hù)層混凝土碳化壽命預(yù)測(cè)公式,對(duì)鋼筋混凝土橋梁保護(hù)層厚度的取值進(jìn)行了討論。
1 西北地區(qū)混凝土碳化特點(diǎn)
保護(hù)層混凝土的性質(zhì)對(duì)結(jié)構(gòu)的耐久性起著關(guān)鍵作用,但由于保護(hù)層混凝土含有較多的細(xì)集料、水泥和水,使得表層混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)特性與內(nèi)部混凝土差異很大。大氣環(huán)境下,混凝土碳化是一個(gè)緩慢的破壞過(guò)程,混凝土的碳化速度與結(jié)構(gòu)混凝土保護(hù)層的質(zhì)量和大氣環(huán)境密切相關(guān)。空氣中的CO2 通過(guò)保護(hù)層混凝土孔隙,由外向內(nèi)進(jìn)行擴(kuò)散,在一定的濕度條件下,與混凝土中的Ca (OH) 2 反應(yīng)生成CaCO3。
由于碳化后的混凝土堿度降低,將造成鋼筋表面鈍化膜破壞,保護(hù)層混凝土失去對(duì)鋼筋的保護(hù)作用。野外暴露環(huán)境中的H2O、O2 會(huì)通過(guò)保護(hù)層擴(kuò)散到鋼筋和混凝土界面,使鋼筋發(fā)生電化學(xué)腐蝕反應(yīng)。由于鋼筋銹蝕后體積較原體積增大2～4倍,銹蝕層會(huì)導(dǎo)致保護(hù)層脹裂。開(kāi)裂后的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)會(huì)以更快的銹蝕速度劣化,最后導(dǎo)致耐久性失效、結(jié)構(gòu)承載能力下降甚至誘發(fā)結(jié)構(gòu)破壞。
在干旱地區(qū)施工的混凝土橋梁,由于表層混凝土干燥快、水化不充分等原因,在高原環(huán)境強(qiáng)烈的溫差變化和風(fēng)效應(yīng)影響下,混凝土的收縮和脆性的增加,造成混凝土表面出現(xiàn)網(wǎng)狀裂紋,使酸性氣體在普通混凝土中擴(kuò)散速度較快,這對(duì)野外暴露環(huán)境下橋梁混凝土的抗碳化性能是不利的。山東建筑科學(xué)研究院通過(guò)試驗(yàn)研究[ 1 ] ,給出相對(duì)濕度為90%、70%和50%的室內(nèi)條件下,混凝土碳化速度的平均比率約為016∶110∶114。
現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查也表明,在風(fēng)口、戈壁地段, 20世紀(jì)70年代建造的鋼筋混凝土梁,碳化深度有的達(dá)到30～40 mm,梁體表面已出現(xiàn)風(fēng)化現(xiàn)象。為保證橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性,避免后期高額維修、加固費(fèi)用,應(yīng)針對(duì)西北地區(qū)的環(huán)境特點(diǎn)和混凝土材料特性,對(duì)保護(hù)層混凝土的厚度和材料強(qiáng)度提出限定要求。
2 鐵路橋梁混凝土碳化深度預(yù)測(cè)
國(guó)內(nèi)外的大量碳化試驗(yàn)與碳化調(diào)查結(jié)果均表明,混凝土碳化速度與CO2 濃度的平方根成正比,混凝土的碳化過(guò)程遵循Fick第一擴(kuò)散定律,碳化深度與碳化時(shí)間的平方根成正比[ 2 ] ,由此導(dǎo)出的碳化深度理論計(jì)算公式為
其中, x為碳化深度, k為碳化系數(shù), t為碳化時(shí)間。
對(duì)于碳化系數(shù)的確定,國(guó)內(nèi)外基于材料試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查提出了不少預(yù)測(cè)公式,但受試驗(yàn)條件和數(shù)據(jù)來(lái)源的限制,這些公式都有一定的局限性,實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中誤差較大。為了解西北地區(qū)橋梁混凝土的碳化規(guī)律,在青藏、蘭新、包蘭鐵路沿線選擇有代表性的鋼筋混凝土梁進(jìn)行了碳化深度檢測(cè)。檢測(cè)時(shí),首先采用超聲回彈綜合法測(cè)定混凝土強(qiáng)度,然后在梁體腹板位置鉆孔,清孔后,向孔內(nèi)噴灑1%的酒精酚酞試劑,根據(jù)顯色情況判斷碳化深度。部分長(zhǎng)齡期橋梁的混凝土強(qiáng)度和碳化深度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。
從檢測(cè)結(jié)果來(lái)看,梁體混凝土強(qiáng)度較低時(shí),保護(hù)層混凝土碳化系數(shù)較大,而且數(shù)據(jù)離散性較大。隨著混凝土強(qiáng)度的提高,保護(hù)層混凝土碳化系數(shù)明顯下降,基本符合拋物線規(guī)律,見(jiàn)圖1。
將表1中試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析,得到干旱地區(qū)混凝土強(qiáng)度fcu, k和碳化系數(shù)k的關(guān)系為
k = 01004 2f2cu, k - 01425 1fcu, k + 101762 (3)
式(3)確定系數(shù)R2 = 01974 3接近110,回歸效果較好。
由此可得到干旱地區(qū)普通鋼筋混凝土橋梁的碳化深度x與使用年限t的關(guān)系為
x = (01004 2f2cu, k - 01425 1fcu, k + 101762) t (4)
式( 4)適用于普通硅酸鹽混凝土的情況,如施工期間混凝土中摻加外加劑,其碳化深度數(shù)值應(yīng)結(jié)合實(shí)測(cè)結(jié)果另行考慮。摻加外加劑或減水劑后,梁體混凝土密實(shí)度較普通混凝土顯著增加,大大增強(qiáng)材料抵抗大氣環(huán)境侵蝕的能力。表2列出了青藏鐵路西格段2座施工時(shí)摻加外加劑的梁體在使用幾十年后的碳化深度數(shù)值,其值遠(yuǎn)小于相同強(qiáng)度等級(jí)的普通混凝土碳化深度。
3 橋梁混凝土的耐久性要求
3．1 橋梁混凝土保護(hù)層厚度
鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),混凝土保護(hù)層是內(nèi)部混凝土和鋼筋免受環(huán)境物理、化學(xué)侵蝕的屏障,對(duì)混凝土保護(hù)層厚度的確定應(yīng)給予足夠的重視。保護(hù)層厚度應(yīng)從受力鋼筋(包括主筋和箍筋)外緣算起,選值上應(yīng)以控制使用期內(nèi)混凝土碳化鋒面不至于達(dá)到鋼筋為目標(biāo)。日本規(guī)定,在一般環(huán)境下,最靠近混凝土表面的鋼筋保護(hù)層不應(yīng)小于30 mm;德國(guó)考慮施工因素影響,甚至規(guī)定設(shè)計(jì)采用40mm的保護(hù)層厚度以保證實(shí)際結(jié)構(gòu)物的30mm厚度。
近年來(lái),我國(guó)鐵路混凝土橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范在混凝土耐久性方面取得了顯著的進(jìn)步?，F(xiàn)行規(guī)范規(guī)定:設(shè)計(jì)使用年限100年,不同環(huán)境作用等級(jí)情況下離混凝土表面最近的普通鋼筋(主筋、箍筋和分布筋)的混凝土保護(hù)層厚度應(yīng)不小于最小厚度Cmin (35～60 mm)與混凝土保護(hù)層厚度施工允許偏差負(fù)值Δ之和[ 3 ] 。
在役的既有鐵路混凝土橋梁,由于當(dāng)時(shí)采用的設(shè)計(jì)規(guī)范混凝土保護(hù)層厚度較小(混凝土保護(hù)層厚度不得小于30 mm,也不宜大于50 mm,但板的高度小于300 mm時(shí),保護(hù)層厚度可減為20 mm,箍筋的保護(hù)層厚度不得小于15mm) ,這些混凝土橋梁受當(dāng)時(shí)施工質(zhì)量的影響,鋼筋的保護(hù)層厚度經(jīng)常不足,梁體某些箍筋的保護(hù)層厚度有的僅數(shù)毫米,從而造成梁體混凝土提前銹脹開(kāi)裂。
對(duì)鐵路某干線區(qū)段混凝土橋梁實(shí)測(cè)結(jié)果表明,保護(hù)層厚度基本服從正態(tài)分布,現(xiàn)場(chǎng)抽樣檢測(cè)246組鋼筋混凝土梁主筋保護(hù)層厚度,平均值27．7 mm,均方差3．57 mm,檢測(cè)數(shù)據(jù)稍小于設(shè)計(jì)值。在今后的設(shè)計(jì)中,如按保護(hù)層厚度概率分布的某一百分位數(shù)確定保護(hù)層厚度的有效值[ 4 ] ,設(shè)保護(hù)層厚度的平均值為a,均方差為σ,則具有85%保證率的保護(hù)層有效厚度可表示為
ae = a – 1．037σ (5)
如橋梁使用壽命按100年考慮,為避免鋼筋銹蝕,利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)回歸公式( 4)和保護(hù)層有效厚度表達(dá)式,建議西北地區(qū)未摻加外加劑的鐵路橋梁普通鋼筋混凝土的保護(hù)層厚度數(shù)值見(jiàn)表3。
3．2 橋梁的防排水要求
由于鐵路橋梁道碴槽的槽形構(gòu)造特點(diǎn),當(dāng)?shù)啦瓴蹆?nèi)的道碴清篩不徹底,如果結(jié)構(gòu)排水處理不當(dāng),大氣降水結(jié)束后,部分水體在槽內(nèi)會(huì)積聚一段時(shí)間,造成泄水孔病害,見(jiàn)圖2。當(dāng)水體流經(jīng)混凝土保護(hù)層時(shí),干燥的混凝土通過(guò)滲透和毛細(xì)管效應(yīng)吸取大量的水分,并影響到附近約50 cm的范圍,使該區(qū)域混凝土的含水量迅速增加,混凝土電阻大幅下降,鋼筋電化學(xué)腐蝕所需的水環(huán)境得到滿(mǎn)足。橋梁混凝土表面由于荷載、溫差效應(yīng)、收縮、環(huán)境侵蝕造成的微裂紋,特別是毛細(xì)管尺度上的微裂紋,具有很強(qiáng)的保持水分的能力,使得橋上排水在保護(hù)層滯留時(shí)間增加,延長(zhǎng)了鋼筋電化學(xué)反應(yīng)的時(shí)間。自然環(huán)境下保護(hù)層浸潤(rùn)和大氣干燥的交替進(jìn)行,混凝土內(nèi)部不會(huì)達(dá)到完全飽水和非常干燥,必然加劇鋼筋銹蝕速度,即便該區(qū)域附近的碳化深度未到鋼筋表面,受降水浸漬影響,也將發(fā)生嚴(yán)重的銹脹開(kāi)裂,見(jiàn)圖3。
對(duì)碳化深度較大的梁底混凝土進(jìn)行破型檢查發(fā)現(xiàn),在沒(méi)有雨水侵蝕的地方,鋼筋一般未出現(xiàn)銹蝕現(xiàn)象或僅有微量的浮銹,橋梁鋼筋銹蝕主要集中在有雨水流經(jīng)的梁間縫、梁底、腹板、梁端等區(qū)域。因此,應(yīng)做好泄水管周?chē)姆罎B,加長(zhǎng)泄水管長(zhǎng)度,改善梁端和梁間縫排水設(shè)計(jì),避免道碴槽積水在梁體表面漫流。
以上分析可見(jiàn),為保證橋梁的耐久性,減少因大氣環(huán)境侵蝕造成的鋼筋銹蝕病害帶來(lái)的巨額修補(bǔ)費(fèi)用,對(duì)目標(biāo)使用壽命為100年以上的橋梁,在今后的橋梁設(shè)計(jì)中,應(yīng)根據(jù)干旱地區(qū)的氣候環(huán)境特點(diǎn),采用C35以上鋼筋混凝土,或在混凝土中摻加外加劑,以增加混凝土的密實(shí)度和抗侵蝕性能,同時(shí)加強(qiáng)橋梁的防、排水設(shè)計(jì),并做好維修養(yǎng)護(hù)工作。
4 結(jié)論
現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和檢測(cè)數(shù)據(jù)表明,保護(hù)層混凝土強(qiáng)度與碳化深度明顯相關(guān)。為避免后期巨額維修、加固費(fèi)用,保證橋梁的使用壽命,針對(duì)目前規(guī)定的保護(hù)層厚度,西北地區(qū)鐵路混凝土橋梁設(shè)計(jì)應(yīng)采用C35 以上的普通硅酸鹽混凝土而且鋼筋保護(hù)層厚度(包括構(gòu)造鋼筋等)不得小于15 mm,并充分重視橋梁的防排水設(shè)計(jì)。
在材料試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,使用外加劑可增加保護(hù)層混凝土的抗侵蝕性能。
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