基于材料耐久度的桥梁结构耐久度研究

基于材料耐久度的桥梁结构耐久度研究

张家维

中铁第五勘察设计院集团有限公司北京102600

摘要：桥梁的耐久度的下降是现今全世界所面临的难题，我国大批的桥梁逐渐进入维修期，对桥梁耐久度的研究变得非常紧迫。由于组成桥梁的材料的耐久度的降低，而引起桥梁结构整体的耐久度降低，进而减少桥梁的剩余使用寿命。该文根据材料的劣化形式对桥梁耐久度进行研究，对桥梁耐久度的研究现状以及对将来发展的方向进行分析总结。

关键词：桥梁；耐久度；剩余使用寿命

1?研究背景

随着我国经济和社会的发展，我国的城市轨道交通进入了飞速的发展阶段。为了减少对城市的割裂及降低建设成本，城市轨道交通中桥梁在全线的占比大幅提高，关于桥梁的研究变得热门起来。我国正处于桥梁等基础设施建设的高峰时期，早期修建的桥梁已进入老化阶段，不少桥梁由于耐久度不足最终导致结构失效，更多的桥梁因耐久度病害突出而需要反复维修加固。因而桥梁耐久度有关问题的研究有十分紧迫和现实的意义。

国外学者曾经用“五倍定律”对结构耐久度在经济上的重要性进行描述，即设计阶段对桥梁结构的保护方面节省1美元，那么就等于：发现桥梁结构某些构件损坏时将多花5美元的维修费，桥梁结构构件严重破坏时将多花费25美元的维修费，当影响到桥梁结构整体安全时将多花费125美元的维修费。

由于桥梁在全世界的城市轨道交通中占有很重要的地位，在运营中如果因桥梁耐久度不足而产生破坏，将造成巨大的人员伤亡及经济损失。因此对桥梁服役阶段的耐久度的研究有重大的意义。

2材料耐久度研究

桥梁结构中的材料主要有钢筋混凝土和钢材。钢筋混凝土退化现象主要有以下几种类型：混凝土的碳化、混凝土的碱集料反应、混凝土的冻融破坏、混凝土的化学侵蚀、混凝土表面磨损、氯盐对混凝土中钢筋的侵蚀及预应力筋的松弛等。钢材的耐久度降低表现为：钢材的腐蚀和疲劳。

2.1混凝土的碳化

混凝土在空气中的中性化反应中最常见的一种形式就是混凝土的碳化。混凝土的碳化过程包括水泥石中的碱性物质与空气中的二氧化碳发生化学反应最终降低钢筋混凝土结构的耐久度。但是混凝土的碳化反应能在前期暂时提高混凝土的强度与密实度，因为混凝土中的CaCO3和其他固态产物堵塞在孔隙中使混凝土密实，但是同时也将提高混凝土的脆性，随着二氧化碳的侵入，将引起钢筋的锈蚀，所以混凝土碳化将最终影响混凝土结构的耐久度。在一般大气环境下，混凝土中钢筋脱钝锈蚀的前提条件是混凝土的碳化，由于二氧化碳呈酸性，将破坏钢筋表面的碱性的钝化膜，最终使混凝土结构中的钢筋失效，降低混凝土构件的耐久度。钢筋混凝土结构的可靠度与耐久度研究的重要指标之一就是混凝土的碳化程度。

对于在役的桥梁结构来说由于其内部因素已经确定，因此混凝土碳化速度的主要决定因素是外部因素，例如二氧化碳的浓度、环境温度和湿度等。

2.2混凝土的碱-集料反应

混凝土孔隙中的碱性溶液与集料中的活性物质发生膨胀性反应，使混凝土开裂的过程称为混凝土的碱集料反应。由于该反应不同于其他混凝土病害，其开裂破坏是整体性的，这是影响混凝土耐久度的最主要原因之一。碱-集料反应根据参与化学反应的岩石种类可分为碱-硅酸反应、碱-硅酸盐反应和碱-碳酸盐反应。其中碱-碳酸盐反应被学界称为混凝土的“癌症”，尚无有效措施对它进行预防。

碱-集料反应的主要影响因素为：水泥的含碱量、混凝土的水灰比、反应性集料的特性、混凝土孔隙率和环境温湿度的影响等。

2.3混凝土的冻融破坏

混凝土的内封闭孔隙中的饱水冻融循环使体积发生变化，使混凝土发生胀裂的破坏，进而降低混凝土的耐久度。因此混凝土发生冻融破坏的条件是内封闭孔隙，混凝土处于饱水状态和正负温度交替出现。混凝土的冻融破坏主要有表面剥蚀和冻胀开裂两种形式。

混凝土的主要成分为水泥砂浆和粗骨料。在拌制混凝土时，为了水泥砂浆有更好的和易性一般加入的拌和水总会多于水泥的水化所需的水。因为水遇冷冻结冰会发生体积膨胀，这部分以游离水的形式滞留于混凝土中的水便会使混凝土遭受冻害破坏，引起混凝土内部结构的破坏。应该指出的是在正常情况下，在孔隙中的水冻结并不至于使混凝土内部结构遭到严重破坏。

影响混凝土抗冻性的因素有水灰比、含气量、混凝土的饱水状态、混凝土的受冻龄期轻集料混凝土的抗冻性、外加剂及掺合料、骨料质量、水泥品种等。

2.4混凝土的化学侵蚀

混凝土的化学侵蚀有三类：第一类是水流溶解混凝土造成材料的流失；第二类是混凝土中发生的化学反应生成易溶性的胶凝产物；第三类是混凝土中发生化学反应造成膨胀，最终使混凝土破坏。

由于水流冲击混凝土，使得密实性差的混凝土中的水化产物氢氧化钙不断被溶出，使得混凝土的强度降低。然而在钙离子浓度较高的硬水河流或者是水压不大的地区是不易发生的。

2.5混凝土表面磨损

钢筋混凝土结构的保护层是专门保护钢筋的，如果混凝土表面受损，将使钢筋失去保护，钢筋是钢筋混凝土结构中的受力材料，一旦钢筋失效，构件的寿命即将结束，所以混凝土表面磨损对耐久度有非常重要的影响，可以主要分为以下两种情况：水流冲击作用和空蚀作用。

水流冲击作用：在湍急的河流中，水流携带大量的砂石长年累月地冲刷水中的桥墩使桥墩的表面混凝土磨损，进而降低桥梁的耐久度。

空蚀作用：高速的水流在速度或方向突然发生改变时，会产生一个很大的压力差。当高速的水流在桥墩附近突然离开，这时产生了空穴，河流中的水受到压力进入空穴，这个过程将会使混凝土表面承受非常大的压力和拉力，将会使表面混凝土剥落，降低结构耐久度。在混凝土表面不平整时空蚀越剧烈。

根据混凝土表面磨损的机理研究得到影响混凝土耐磨性的主要因素有：混凝土的强度、粗骨料的品种和性能、细骨料与砂率、养护方法与质量和水泥与掺合料等。

2.6氯盐对混凝土中钢筋的侵蚀

氯离子对锈蚀钢筋的机理是，由于氯离子化合物呈酸性，能破坏钢筋表面致密的氧化膜，使钢筋暴露在水和许多化学物质中，由于氯离子的存在，将与钢筋形成腐蚀电池，加速钢筋的锈蚀。作为受力材料的钢筋破坏后将严重影响结构的耐久度，尤其是氯离子浓度较大的沿海地区的桥梁需重点对耐久度设计。

2.7预应力筋的耐久度退化

对于跨度较大的桥梁结构中的梁体一般采用预应力混凝土。在预应力结构中预应力筋的耐久度也是非常重要的。预应力筋一旦发生锈蚀，将使桥梁发生脆性破坏，脆性破坏在工程中是绝对不允许的，它的破坏前无明显征兆，是非常危险的。预应力钢筋的锈蚀主要发生在后张法预应力混凝土结构中，由于孔道中灌注的混凝土不密实导致钢筋被侵蚀。所以预应力筋耐久度的退化主要与存在能引起该金属发生应力腐蚀的介质、存在一定的拉应力、金属本身对应力腐蚀具有敏感性等因素有关。

2.8钢材的腐蚀

钢材的腐蚀主要包括应力腐蚀、疲劳腐蚀和摩擦腐蚀等。应力腐蚀是在拉应力和腐蚀物质同时存在时可能发生的腐蚀破坏。应力腐蚀是以脆性破坏的形式发生的，事先无明显征兆对于桥梁易造成灾难性的后果，应该避免。对于钢材的变化可以将应力腐蚀分为大致三个阶段：潜伏时期、腐蚀形成时期和表面出现裂缝时期。

3桥梁结构耐久度的研究

我国的桥梁建设时间大体上可分为三个阶段：第一阶段为大规模新建的阶段，第二阶段为新建规模趋于平缓与维修改造工程开始增加的阶段，第三阶段为重点转向旧建筑物的评估并决定是维修改造还是重建的阶段。我国的城市轨道桥梁正处于第一阶段向第二阶段过渡。

3.1桥型对桥梁结构耐久度的影响

由不同类型材料组成的桥梁的耐久度会有所不同。根据对不同类型桥梁损坏程度的调查，可以发现钢结构桥梁的耐久度相对较低，而预应力混凝土桥梁的耐久度最高，可见不同的类型的桥梁对桥梁耐久度是有影响的。

3.2环境因素对桥梁结构耐久的影响

根据施工中关于混凝土结构的使用环境类别对环境分类，主要有以下几种化境：大气自然环境、旱区、盐雾碳化区、潮汐区、浪溅区、海洋环境、滨海环境、温热环境、多重环境等。按照不同的环境类别确定混凝土保护层厚度，材料使用的配比等等，以满足桥梁结构的耐久度。

3.3构件对桥梁结构耐久度的影响

桥梁中较易损坏的构件主要包括伸缩缝和支座。伸缩缝一般布置在每一联的交接处，是桥梁中比较薄弱的地方，受到损坏后对于桥梁结构的影响比较大。伸缩缝如果不能经常清理和养护，将会造成伸缩缝破损，可能造成渗漏，对桥梁下部结构造成损害，最终降低桥梁整体的耐久度。

4结束语

基于对材料耐久度退化的机理的研究，相应的检测方法，如酚酞法、电阻率法、回弹法等应运而生。对桥梁的主要构件进行检测评分，然后根据桥梁的环境条件和各个部件的权重，得出桥梁的整体耐久度指标。

综合桥梁的耐久度指标和可靠度对桥梁结构的剩余使用寿命进行预测。具体的预测准则有四种，分别为：混凝土碳化寿命准则、锈胀开裂寿命准则、裂缝宽度与钢筋锈蚀量限值寿命准则、承载力寿命准则。

通过分析桥梁结构在使用过程中因材料耐久度降低而导致的结构耐久度问题，对桥梁结构的耐久度进行评估及剩余使用寿命预测，并研究耐久度修复方案。基于桥梁的全寿命经济分析对桥梁维修做出最优的决策。

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