连续刚构桥耐久性初步探索

连续刚构桥耐久性初步探索

黄荣坪

长春宏建工程设计有限公司天津天津300142

1.1国内外研究现状

1.1.1国外研究现状

桥梁结构评估理论的发展大致可分为三个阶段：20世纪40-50年代，主要研究桥梁病害原因及修补方法；20世纪60-70年代，提出运用不同的方法对在役桥梁的性能进行评估，如总体评估、分项评估法等；第三阶段始于20世纪80年代，主要研究在役桥梁评估标准及标准的制定[6]。

从20世纪60年代开始，混凝土结构的使用进入高峰期，同时对混凝土结构的耐久性问题的研究也已成为国际学术机构或国际学术会议讨论的重要课题之一。国际材料与结构试验学会(RILEM)于1960年专门成立了“混凝土钢筋锈蚀”技术委员会(12-CRC)；1990年欧洲CEB的ModelCede增设耐久性这一章；1992年欧洲混凝土委员会颁布了《耐久性混凝土结构设计指南》，反映了欧洲混凝土结构耐久性研究的水平。

1951年，前苏联学者A.A贝科夫和B.M.莫斯克文撰写了《混凝土的腐蚀》和《混凝土和钢筋混凝土的腐蚀及其防护方法》为后续防腐标准规范和钢筋混凝土结构耐久性的研究奠定了基础。日本土木学会混凝土委员会于1989年制定了《混凝土结构物耐久性设计准则》。美国ACI437委员会于1991年提出了“已有混凝土房屋抗力评估”的最新报告，提出了检测实验的详细方法和步骤。

2003年，KeiKawamura和AyahoMiyamoto将神经网络运用到桥梁等级的评估中，[7]。2006年，SaptarshiSasmal、K.Ramanjaneyulu、S.Gopalakrishnan和N.Lakshmanan通过深入研究桥梁状态评估中使用的模糊数学理论，开发了一套基于模糊数学理论的在役桥梁评估系统程序和公式流程[8]。2008年，SaptarshiSasmal和K.Ramanjaneyulu在层次分析法和模糊理论的基础上，建立了一套评估在役桥梁耐久性的评估系统和公式，以便满足桥梁评估系统中的比较系统评估法[9]。

1.1.2国内研究现状

我国从20世纪60年代开始对混凝土结构的耐久性进行研究。主要对混凝土的碳化和钢筋的锈蚀进行研究。中国土木工程学会于1982、1983年连续两次召开了全国耐久性学术会议。1991年12月在天津“全国混凝土耐久性小组”成立，使我国混凝土结构耐久性的研究朝着系统化、规范化的方向迈进了一步。

1996年屈文俊、车惠民提出了既有桥梁修、废的判别标准以及桥梁经济使用寿命的优化方法[11]；2001年，刘扬等研究了既有钢筋混凝土桥梁结构构件的抗力概率模型，在多座既有桥梁检测资料的基础上，进行了既有桥梁时变可靠度评估的系统研究[10]；2002年，王有志等根据钢筋混凝土梁式桥的结构特点，建立了基于层次分析法的桥梁体系实用评估方法[7]；

2005年，郭彤等采用蒙特卡罗数值模拟方法，对润扬长江公路大桥在温度、风、车辆荷载、车辆冲击等随机变量作用下的结构可靠度进行了计算[12]；2006年，杨则英，黄承选等将模糊推理、神经网络、遗传算法三种技术有机融合在一起，建立了基于自适应神经—模糊推理系统(ANFIS)和遗传算法(GAS)的桥梁耐久性评估专家系统[13]；2008年，吕颖钊等提出了基于评估荷载发生概率的服役混凝土桥梁可靠度分析方法[14]。2011年，庞丹丹将变权原理运用于在役混凝土桥梁耐久性的评估[15]。

西南交通大学开发了桥梁承载力评估对策专家系统(RBCAI)，包括建立桥梁数据库、数据库管理系统和建立桥梁损伤等级评估及对策专家系统。交通部公路科学研究所与北京公路局共同开发了北京市公路桥梁数据库，并在此基础上继续合作完成了《公路桥梁使用功能评定方法》。我国的现行规范《混凝土结构耐久性设计规范》（GB/T50476-2008）中规定重要工程或大型工程，应针对具体的环境类别和作用等级，分别提出抗冻耐久性指数、氯离子在混凝土中的扩散系数等具体量化耐久性指标。

1.2影响结构耐久性的因素

通过大量的研究发现桥梁耐久性破坏主要与钢筋混凝土的破坏有关。而钢筋混凝土结构的破坏主要存在以下几个原因：

1、钢筋的电化学锈蚀

混凝土中的钢筋锈蚀后，产生的铁锈体积是相应钢筋体积的2-4倍，如果有足够的水分，铁锈体积可以达到钢筋体积的7倍，这样大体积的膨胀使钢筋外围的混凝上产生环向拉应力，混凝土本身抗拉能力较差无法限制它的膨胀，就会出现径向裂缝，保护层开裂使得钢筋外漏加剧了锈蚀的速度[12]。

钢筋的锈蚀主要有以下四个基本过程：

1）阳极反应过程：位于电池的阳极铁原子失去两个电子变为2价铁离子发生氧化反应

Fe-2e-→Fe2+（1.1）

2）阴极反应过程：由阳极传输的电子被阴极区溶解于孔隙水的O2吸收，发生还原反应；

O2+2H2O+4e-→4OH-（1.2）

3)锈蚀物的生成过程：阳极区生成的Fe2+与阴极区生成的OH-在孔隙水中不断扩散并相互作用生成Fe(OH)2由于Fe(OH)2不稳定，在O2充足的条件下被氧化生成Fe(OH）3，Fe(OH)3脱水后形成红褐色的铁锈（Fe2O3）在缺氧的状态下被不完全氧化形成黑锈（Fe3O4）.

Fe2++2OH-→Fe(OH)2（1.3）

4Fe(OH)2+O2+2H2O→4Fe(OH)3（1.4）

2Fe(OH)2→Fe2O3+3H2O（1.5）

6Fe(OH)2+O2→2Fe3O4+6H2O（1.6）

2、混凝土的碳化

由于混凝土是气、液、固三相并存的多孔不均匀的材料，故在水泥浆体中存在大量的空隙。结构周围的空气中所含的酸性气体，如CO2、SO2等通过空隙侵入混凝土内部，与水泥石的碱性物质发生的化学反应导致混凝土的碳化。碳化使混凝土碱性降低，减弱对钢筋的保护使钢筋周围失去碱性环境变为酸性环境，从而导致锈蚀。[10]

碳化过程的化学反应式：

CO2+H2O→H2CO3(1.7)

Ca(OH)2+H2CO3→CaCO3(1.8)

3CaO.2SiO2.3H2CO3→3CaCO3+SiO2+6H2O(1.9)

2CaO.2SiO2.4H2CO3→CaCO3+SiO2+6H2O(1.10)

3、氯离子的破坏

氯离子的破坏主要来自混凝土本身含带的氯离子或氯盐由外界渗入到混凝土中。有关研究表明，渗入混凝土中的氯盐达到混凝土重量的0.1%—0.2%时，钢筋即开始锈蚀，当混凝土中氯离子的含量超过2.5kg/m3以后，钢筋的锈蚀面积将急速增加。

在我国多数地区冬季为了防止桥面结冰采用了撒盐的做法来去除冰冻，盐在消冰的同时就会使Cl-渗入混凝土结构中，造成钢筋的锈蚀加速[16]。根据国外的相关研究报道，使用除冰盐的桥梁结构一般在5—10年就开始出现腐蚀破损，造成钢筋锈蚀、混凝土胀裂。氯离子的破坏主要是以下几个方面：

（1）破坏钝化膜

随着混凝土内PH值的降低，钢筋表面钝化膜的稳定性逐渐减小，当PH<9.8时，钝化膜基本失去对钢筋的保护作用。氯离子侵入混凝土并在钢筋表面聚集到一定程度形成较大电位差，产生电化学反应，导致钢筋腐蚀。

（2）形成腐蚀电池

在不均质混凝土中，常见的腐蚀是对钢筋表面钝化膜的破坏发生在局部，使这些部位暴露出铁基体，与尚完好的钝化膜区域形成电位差，铁基体作为电化学反应的阳极而受到腐蚀，大面积钝化膜区域作为阴极。腐蚀电池作用的结果使得钢筋表面产生蚀坑，同时，由于大阴极对应于小阳极，蚀坑的发展会十分迅速。

（3）去极化作用

氯离子不仅能促成钢筋表面的腐蚀电池，而且也增加了腐蚀电池的腐蚀速度。氯离子将阳极产物及时地搬运走，使阳极反应顺利进行甚至加速进行。氯离子起到了搬运的作用，但搬运工程中不被消耗，也就是说，凡是进入混凝土中的氯离子，会周而复始的起到破坏作用。

（4）导电作用

腐蚀电池的要素之一是要有离子通路，混凝土中氯离子的存在，强化了离子通路，降低了阴阳极之间的欧姆电阻，提高了腐蚀电池的效率，从而加速了电化学腐蚀过程。

4、裂缝对钢筋混凝土桥梁耐久性的影响

裂缝的宽度和深度对结构耐久性的影响很大，裂缝较宽较深时，会影响结构的抗渗性能，导致水分和有害物质不断的侵入，诱发钢筋锈蚀或加速混凝土的自然老化，从而损害工程结构的承载能力、使用性能和耐久性。

5、混凝土冻融破坏

混凝土在搅拌中总会有一些水存留在混凝土的毛细孔中，而这些水在温度正负交替作用下，就会出现“冻结—消融—冻结”的循环过程。混凝土在这个循环过程中，在水冻胀压力和渗透压力的双重作用下产生疲劳压力，最终使得混凝土由外到内发生剥蚀破坏，其破坏形式主要有冻胀开裂和表面剥落两种。

混凝土抗冻性的影响因素主要有：

1）水泥品种、用量及集料配制；

2）孔隙特征参数包括孔径、孔隙率、孔隙形状、孔径分布和间距等；

3）混凝土的含气量，当混凝土中加入了引气剂后形成的均匀分布的微小气泡，能够显著提高混凝土抗冻性能，这也是最普遍、最有效的抗冻措施；

4）轻骨料预湿处理，既能满足混凝土强度要求，同时又使混凝土具有轻质高强及热工效能，在现代建筑中被广泛使用。

5）影响混凝土抗冻性能的环境因素包括降温速率、最低冻结温度以及冻结龄期等。

6）混凝土的饱水状态，含水量越高，在低温状态时由冰冻膨胀形成的挤压力就越大，所以冻害通常是由表及里不断发展的。

7）外加剂的影响，减水剂、引气剂、引气型减水剂及纤维等外加剂的合理使用均能改善混凝土的抗冻性能。

1.3目前桥梁结构关于耐久性研究的主要成果

1、耐久性评估的研究成果

桥梁的耐久性状态评估既包含定量计算内容，也包含定性判断问题。由于工程实际问题的复杂性及对混凝土桥梁耐久性认识的不完整性，桥梁的耐久性状态评估在相当程度上仍依赖外观调查和无损检测。耐久性状况评定的数据、过程和结果都存在不确定性，目前尚无完全理想的评估模式，即使参照相同的标准对同一座桥梁进行评定，不同的技术人员也可能得出差异显著的评定结果。

目前混凝土桥梁耐久性状况评估方法主要为三类：传统经验法，由有经验的技术人员，进行现场检测和必要的结构验算，然后凭个人经验做出评价和处理；综合评估方法，借助模糊数学、神经网络、灰色理论等人工智能进行评估；基于可靠度理论的评估法，根据相关变量的统计特征，建立极限状态方程，计算结构或构件的可靠度指标，以此来判定结构的安全性或适用性。

迄今为止，国内外学者就混凝土桥梁的耐久性评估进行了大量研究，研究主要包括两个方面：耐久性指标权重的确定，常用的方法有专家经验法和层次分析法；综合评估方法，其中最简单的评估方法就是对各指标打分，然后加权平均。但简单加权平均不能解释评估过程中遇到的大量随机、模糊以及不完整的信息。

2、混凝土冻融破坏的研究成果

（1）混凝土冻融破坏机理

目前，国内外学者经过长期的研究总结出一系列的理论。大致总结出混凝土冻融破坏机理主要有：静水压理论、渗透压理论、冰棱镜理论、饱水度理论等。大家比较认可的具有代表性的是静水压理论与渗透压理论。

（2）冻融环境下混凝土结构寿命预测

关于混凝土在冻融环境下的耐久性的研究已经取得很多成果，但是，对于建立混凝土在冻融环境下的寿命预测模型的研究仍处于刚开始阶段，理论框架及研究体系还需完善，这将成为后期科研研究人员越来越重视的问题。

以相对抗压强度、峰值应变及相对弹性模量为损伤指标，通过试验回归分析，得到了这些损伤指标与冻融循环次数的演化关系，建立了简单的冻融环境下混凝土寿命预测模型。

（3）混凝土气冻气融试验总结

国内外在冻融损伤机理及实际工程中的冻害分析方面已取得了一些成果，但这些成果大多都是基于室内快速冻融试验进行的，这与混凝土结构物在实际的大气环境中所遭受到的冻融循环作用有一定的差别，会造成试验结果的适用性有所降低。

通过分析发现：水冻时，试块是直接浸泡在水中进行，通过水温的变化进行冻融。表面由于与水直接接触，胶凝材料发生溶解的速度相对较快，损伤发展也相对较快，故而会发生表面剥蚀现象，质量随之逐渐减小。而气冻时，试块表面并未直接浸泡在水里，冻融作用是通过空气温度的改变来实现的，孔溶液相态的改变及迁移造成的破坏应力，导致了裂纹的产生。随着冻融次数的增加，裂纹逐渐增多，试块内部所含水分也就越来越多，故而质量逐渐增大。

混凝土材料组成不同时，其抗冻能力大小顺序应当为：净浆＞砂浆＞混凝土。如果破坏以结冰压力为主，试件分别在气冻气融、气冻水融和水冻水融三种试验条件下的破坏程度为：气冻气融＜气冻水融＜水冻水融

（4）冻融破坏的改进方法

目前经过大量的试验研究总结对于减轻冻融破坏主要提出了加粉煤灰、引气剂、试验试件的冻融方式和钢纤维混凝土的性能。通过试验研究发现：

混凝土中含气量的增加，可大大提高混凝土的抗冻性，改善混凝土的和易性，但抗压强度有所下降；掺入钢纤维后混凝土的抗冻性能显著提高，当混凝土加入引气剂后，混凝土抗冻性得到进一步提高。

随着冻融循环次数的增加，混凝土相对动弹性模量、质量随时率、立方体抗压强度及劈裂抗拉强度明显降低；试件内部微气孔相互连通逐渐发展成为微裂缝，凝胶体在冻胀应力作用下部分流失，进一步加剧混凝土试件性能劣化速度；钢纤维的加入可有效改善喷射混凝土内部微观孔结构，提高其抗冻性能。

1.4厦蓉高速关于桥梁结构耐久性的相关检测

1、钢筋电位锈蚀检测及结论

为了掌握结构混凝土的钢筋锈蚀电位检测的结果，项目组成员于成桥时进行了测试，于2016年7月8日对厦蓉高速的都柳江大桥的钢筋锈蚀电位情况进行检测。检测依据：

（1）《建筑结构检测技术标准》（GB/T50344.1-2004）；

（2）《水运工程混凝土试验规程》(JTJ270-1998)；

（3）《公路桥梁承载能力检测评定规程》（报批稿）；

此次电位检测采用半电池电位法，半电池电位法是通过测量钢筋的自然腐蚀电位判断钢筋的锈蚀程度。腐蚀电位是钢筋上某区域的混合电位，反映了金属的抗腐蚀能力。混凝土中的钢筋的活化区（阳极区）和钝化区（阴极区）显示出不同的腐蚀电位，钢筋在钝化时，腐蚀电位升高，电位偏正；由钝态转入活化态（锈蚀）时，腐蚀电位降低，电位偏负。

将混凝土中的钢筋看作是半个电池组，与合适的参比电极（铜/硫酸铜参考电极或其它参考电极）连通构成一个全电池系统，混凝土是电解质，参比电极的电位值相对恒定，而混凝土中的钢筋因锈蚀程度不同产生不同的腐蚀电位，从而引起全电池电位的变化，根据混凝土中钢筋表面各点的电位评定钢筋的锈蚀状态。

通过现场调查发现各部位所处的环境基本一致，从外观来看，未见锈迹外渗或混凝土胀裂等情况。测试结果如下图：

图1-3钢筋锈蚀监测图（3）

2、碳化深度检测及结论

选择具有代表性的部位，布置1到3个测孔，作为该段混凝土结构的碳化深度值。测孔直径为12mm，清洗后向孔内喷洒1%浓度的酚酞试液，根据颜色变化来测定混凝土的碳化深度（在孔内喷涂酚酞试剂，用游标卡尺量测表层不变色混凝土的厚度即为混凝土碳化深度）。另外，钻孔取芯的混凝土芯样有较好的暴露表面供滴定酚酞用，在做强度检测前先用酚酞试液来滴定混凝土碳化深度。

现场布孔检测酚酞滴定，均表明成桥至今无明显混凝土碳化现象。

3氯离子检测及结论

根据设计要求，混凝土耐久性检测中氯离子检测应包括氯离子的渗透性、氯离子的扩散性和氯离子含量三项内容。

检测结果水溶性氯离子含量应符合国家现行标准《混凝土质量控制标准》GB50164、《预拌混凝土》GB/T14902和《海沙混凝土应用技术规范》JGJ206的有关规定。

对测试部位进行电钻取粉，在实验室利用RCT氯化物快速测定仪测试混凝土中游离氯离子含量，其值以其占混凝土质量的百分数表示。即电通量法。

该方法通过测量在外加电压(60V)作用下6h内通过混凝土的电量，试验装置如图1-4所示，根据电通量可以定性地反映混凝土抗氯离子渗透性能ASTM1202-07)，如表1-1所示。

由实验结果并结合表1-1可知，无论是表面氯离子含量还是氯离子扩散系数均较小，而该结构中钢筋保护层厚度均在规定范围内，故暂未产生因氯离子侵入而导致钢筋发生锈蚀。

4、冻融检测

造成混凝土冻融破坏所必须具备的3个条件：即混凝土本身的孔结构、饱水状态和正负温度变化。混凝土冻融检测技术分为慢冻法和快冻法：慢冻法适用于测定混凝土试件在气冻水融反复作用下所能经受的冻融循环次数为指标的混凝土抗冻性能；快冻法适用于在水中经快速冻融来测定混凝土的抗冻性能。

麻昭高速地理位置的原因，很多桥梁处于温度较低的地区，冬期常有结冰的情况，为保障交通安全采用化冰的可能性较大，冻融影响将会较为明显，现已展开实验，由于时间太短，该部分工作将会在后续展开。

1.5总结

本章总结了目前在桥梁结构耐久性方面的研究成果，桥梁所处状态寿命与结构耐久性存在指标性关系，根据本项目的实际情况，由于时间限制大多数桥梁成桥通车在半年以内，耐久性研究将在今后做进一步研究，对钢筋电位锈蚀、碳化深度、氯离子扩散、冻融四个指标做了规划研究，以作评估。

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