沿海地區(qū)鋼筋混凝土橋梁的腐蝕與防護(hù)設(shè)計(jì)
聞寶聯(lián)１ 王新剛２ 楊亮３ 王文欣3
（1.天津市市政工程研究院，天津，300074；2. 蘭州交通大學(xué)土木學(xué)院，蘭州，730070；3. 天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院，天津，300070）
摘要：針對(duì)我國(guó)沿海環(huán)境鋼筋混凝土橋梁的耐久性狀況，提出對(duì)新建的鋼筋混凝土橋梁要從結(jié)構(gòu)角度和材料角度進(jìn)行專項(xiàng)防腐蝕設(shè)計(jì)，同時(shí)應(yīng)進(jìn)行橋梁健康狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以橋梁的；對(duì)既有橋梁，應(yīng)針對(duì)病害形式、部位進(jìn)行對(duì)應(yīng)的二次防水、防腐設(shè)計(jì)，最后提出，對(duì)維修后的橋梁應(yīng)進(jìn)行整體的防水與防腐處理。
關(guān)鍵詞：混凝土，橋梁，腐蝕，耐久性，設(shè)計(jì)
引言
鋼筋混凝土橋梁一經(jīng)投入使用，即處于各種復(fù)雜的自然和人為環(huán)境的包圍之中，特別是北方沿海地區(qū)，在鹽腐蝕、凍害、進(jìn)出港的重載交通的綜合作用下，橋梁會(huì)過(guò)早劣化，發(fā)生各種病害。
從設(shè)計(jì)之處，對(duì)橋梁進(jìn)行科學(xué)的防腐蝕設(shè)計(jì)；對(duì)存在耐久性缺陷的既有橋梁，在健康狀態(tài)診斷基礎(chǔ)上進(jìn)行合理的二次防腐蝕設(shè)計(jì)，是保障橋梁耐久性的必要措施。
1、新建橋梁的防水、防腐設(shè)計(jì)
在很多專業(yè)文獻(xiàn)中，都詳細(xì)講述了沿海環(huán)境鋼筋與混凝土的劣化模式，諸如凍融、鹽結(jié)晶、碳化、鹽腐蝕、堿集料反應(yīng)和因此而誘發(fā)的鋼筋銹蝕等，此處不再贅述，但了解各種破壞的反應(yīng)機(jī)理后，可以看出：水是引起一切破壞的元兇，沒(méi)有水的存在，一切破壞便都不會(huì)發(fā)生，做好防水工作，也就做好了防腐蝕。
1.1結(jié)構(gòu)的防水設(shè)計(jì)
１）構(gòu)件外形有利水的排除
結(jié)構(gòu)的外形構(gòu)造要盡量避免雨水、水氣和有害物質(zhì)在混凝土表面上的積聚。過(guò)去的橋梁設(shè)計(jì)對(duì)此考慮的不周，雨水通過(guò)欄桿外側(cè)流向邊梁，所以邊梁外側(cè)病害最嚴(yán)重。從防水角度，要求欄桿等外側(cè)構(gòu)造圓滑，并有滴水檐。墩臺(tái)頂面設(shè)計(jì)成5%外向斜面，或斜面向內(nèi)以便水匯集集中排除。
２）墩柱防水設(shè)計(jì)
橋梁墩柱處于地表吸附區(qū)部分環(huán)境最為惡劣，承受著鹽腐蝕、結(jié)晶腐蝕、凍融循環(huán)、碳化，因此，防護(hù)的重點(diǎn)是防止毛細(xì)管吸水。建議考慮硅烷浸漬保護(hù)，硅烷（或硅氧烷）特殊的小分子結(jié)構(gòu)，使其沿毛細(xì)孔穿透混凝土的表面，與空氣及基底中的水分產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，在毛細(xì)孔的內(nèi)壁生成羥基團(tuán)，從而在毛細(xì)孔壁上形成牢固的憎水屏障，使水分和水分所攜帶的鹽份都難以沿毛細(xì)孔上升，大大提高了混凝土的防水性和綜合性能。
３）上部結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量選用現(xiàn)澆形式
過(guò)去的橋梁預(yù)制安裝的比較多，尤其焊接連接的預(yù)制梁之間，在使用過(guò)程中容易在連接處發(fā)生應(yīng)力集中，過(guò)早出現(xiàn)病害。而現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)、先簡(jiǎn)支后連續(xù)結(jié)構(gòu)、簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)梁與梁之間現(xiàn)澆連接的病害相對(duì)較輕，應(yīng)優(yōu)先選用，如采用現(xiàn)澆的防撞墻，找平層與濕接頭混凝土一起澆筑，使預(yù)制梁接縫和橋面找平層成為一體，共同參加工作，可以大大提高接縫處的抗拉強(qiáng)度。
４）嚴(yán)重腐蝕環(huán)境應(yīng)選用大跨徑預(yù)應(yīng)力粱
鹽漬土或?yàn)I海地區(qū)，混凝土的腐蝕主要體現(xiàn)在橋梁的下部結(jié)構(gòu)，大氣中的鹽分對(duì)上部結(jié)構(gòu)的作用相對(duì)要弱得多。采用預(yù)應(yīng)力技術(shù)加大粱體跨徑，盡量減少下部樁基、墩臺(tái)的數(shù)量，可在投資規(guī)模不變甚至更小的前提下，重點(diǎn)加大下部結(jié)構(gòu)的防護(hù)力度。
５）增加混凝土保護(hù)層厚度
混凝土保護(hù)層的主要作用是使梁板內(nèi)鋼筋免遭銹蝕。設(shè)計(jì)中宜使保護(hù)層適當(dāng)加厚，以延緩因碳化引起的鋼筋銹蝕，從而延緩鋼筋銹蝕的發(fā)生時(shí)間，縱向受力鋼筋的混凝土保護(hù)層最小厚度，應(yīng)根據(jù)環(huán)境類別及混凝土強(qiáng)度來(lái)確定。
６）橋梁結(jié)構(gòu)細(xì)部防水設(shè)計(jì)
橋面設(shè)計(jì)良好暢通的排水系統(tǒng)，可保持橋梁結(jié)構(gòu)不受或較少受水蝕。橋面的縱坡、橫坡必須符合設(shè)計(jì)要求，瀉水管的布置要合理，使橋面排水通暢，另外在橋面鋪裝層設(shè)計(jì)和瀉水管的構(gòu)造上應(yīng)考慮瀝青混凝土層間水的排放。
將防水層的設(shè)計(jì)在全橋范圍內(nèi)進(jìn)行整體考慮．特別是在伸縮縫處、泄水管處、防撞墻與分隔帶邊緣，等特殊部位做到防水層的連續(xù)性，使其防水層的設(shè)置更趨于合理。
７）重要部位預(yù)留陰極保護(hù)措施
陰極保護(hù)是被廣泛采用的有效措施，在海工結(jié)構(gòu)中應(yīng)用比較廣泛。橋梁設(shè)計(jì)中，在一些重要的部位，應(yīng)預(yù)留保護(hù)節(jié)點(diǎn)，一旦發(fā)現(xiàn)銹蝕可以迅速啟動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)。
８）預(yù)設(shè)鋼筋工作狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
結(jié)合周邊環(huán)境，在最易出現(xiàn)安全性、耐久性隱患的部位，埋入鋼筋混凝土監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行橋梁的健康檢測(cè)與監(jiān)測(cè)，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)橋梁的某些缺陷，實(shí)時(shí)跟蹤缺陷的發(fā)展，適當(dāng)時(shí)候采取必要的技術(shù)措施，可在最合適的時(shí)間采取經(jīng)濟(jì)的方案，以保障橋梁的安全性，同時(shí)為后續(xù)的橋梁設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。
1.2材料的防腐蝕設(shè)計(jì)
１）普通混凝土的高性能化
以前的設(shè)計(jì)規(guī)范中，主要考慮混凝土的強(qiáng)度。隨著耐久性意識(shí)的提高，普通混凝土逐步向高性能方向發(fā)展。通過(guò)加入比水泥顆粒更細(xì)小的摻加料如微硅粉、優(yōu)質(zhì)粉煤灰、礦渣，并采用高效減水劑使混凝土可以采用較低的水灰比、較小的用水量的手段，混凝土的整體性能得到大幅度提高，在有抗凍要求的環(huán)境下還應(yīng)摻用引氣劑，密實(shí)度增加，混凝土自身抗?jié)B性提高，大大提高混凝土的耐久性。
２）應(yīng)用鋼筋阻銹劑
對(duì)于鋼筋防護(hù)而言，在任何情況下混凝土質(zhì)量都是最重要的。如果混凝土材料或施工質(zhì)量不好，或設(shè)計(jì)有缺陷等都會(huì)加速病害的發(fā)生和發(fā)展速度。在高質(zhì)量混凝土的基礎(chǔ)上摻加鋼筋阻銹劑，被認(rèn)為是長(zhǎng)期保護(hù)鋼筋延緩腐蝕破壞、實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)壽命的最簡(jiǎn)單、最經(jīng)濟(jì)和有效的技術(shù)措施[ [1]]。加入鋼筋阻銹劑能起到兩方面的作用：一方面推遲了鋼筋開始生銹的時(shí)間，另一方面，減緩了鋼筋腐蝕發(fā)展的速度。 ３）橋面防水層
橋梁因?yàn)槌惺苷駝?dòng)荷載，橋面防水層宜采用柔性的涂料與卷材，防水涂料與防水卷材，應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)形式、施工環(huán)境等綜合因素來(lái)考慮。設(shè)計(jì)人員應(yīng)高度關(guān)注國(guó)內(nèi)外新型防水材料和施工工藝的發(fā)展，在充分了解防水材料性能的基礎(chǔ)上，根據(jù)結(jié)構(gòu)受力特性和橋面鋪裝材料性能及施工特點(diǎn)來(lái)確定防水設(shè)置方案，在設(shè)計(jì)圖紙上體現(xiàn)細(xì)化的防水設(shè)計(jì)、選材說(shuō)明，不能由施工人員或業(yè)主方確定材料的選用與施工工藝 ［[2]］。 2 既有橋梁的二次防水、防腐設(shè)計(jì)
隨著時(shí)間的推移，橋梁遲早會(huì)發(fā)生腐蝕、性能退化，適時(shí)二次防水防腐設(shè)計(jì)，可保證橋梁繼續(xù)健康服役，二次設(shè)計(jì)包括材料、工藝、維修效果評(píng)估，對(duì)于維修材料，要與基層粘合強(qiáng)度高，彈性模量與基層基本相同，干縮率小，溫變系數(shù)與基層基本一致，施工和養(yǎng)護(hù)過(guò)程發(fā)熱量低。維修后的效果要達(dá)到從安全性、耐久性、適用性以及美學(xué)角度等滿足要求，維修后的部分要與周圍色調(diào)一致，
結(jié)合我們的工作，總結(jié)一些橋梁病害發(fā)生后的補(bǔ)救措施。
1）T型梁接縫處防水處理
由于橋面兩片梁縱向接縫處滲水，或雨水沿T型梁外側(cè)流淌，滲入混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)引起鋼筋銹蝕，導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)開裂、破碎，鋼筋外露。開裂后雨水和化冰鹽更容易進(jìn)入結(jié)構(gòu)內(nèi)，反過(guò)來(lái)加快了鋼筋的銹蝕過(guò)程，使得病害更加嚴(yán)重，造成翼板下緣大面積破損。
T型梁間接縫處的裂縫應(yīng)采取防治結(jié)合的原則進(jìn)行治理，根據(jù)橋面鋪裝層破損情況選擇修復(fù)方法：
a.全面修復(fù)
全面清理T型梁接縫處的鋪裝層，清洗干凈按如下做法修補(bǔ)。
i. T型梁間的縫隙用快硬水泥封堵；
ii. 在縫隙上涂刷兩道寬度為20cm柔性優(yōu)止水(一種聚合物改型的水泥基滲透結(jié)晶防水材料)，并加設(shè)增強(qiáng)纖維網(wǎng)，涂層總厚度應(yīng)不小于1.6mm；
iii.在其它結(jié)構(gòu)層表面按1.5Kg/m2的用量分兩遍剛性涂刷優(yōu)止水并養(yǎng)護(hù)24小時(shí)；
iv. 在剛性優(yōu)止水涂層表面按4 m2/L的用量涂刷水盾防水膠底漆（一種改型瀝青防水材料）；
按1m2/L的量分兩道涂刷水盾防水膠面漆，然后用細(xì)沙作保護(hù)層，進(jìn)行橋面鋪裝。
橋面下縫隙修補(bǔ)見下述局部修復(fù)。
b.局部修復(fù)
將T梁伸縮縫隙處破損的混凝土徹底鑿除，露出混凝土新鮮表面。鋼筋銹蝕處用鋼刷除銹后涂刷兩道FP阻銹劑。在新鮮的混凝土表面用UP2000（一種聚合物改型修補(bǔ)水泥）進(jìn)行修補(bǔ)。
邊梁外側(cè)及梁體破損的修補(bǔ)方法：解決排水以疏通為主，使橋面排水通暢，采取相應(yīng)的構(gòu)造修補(bǔ)措施。
圖1局部維修示意
2） 伸縮縫的防水處理
由于填縫材料老化或建橋時(shí)使用填縫材料不當(dāng)，使雨水滲漏導(dǎo)致鋼筋銹蝕后體積膨脹，對(duì)鋼筋周圍混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生張力導(dǎo)致開裂破損，開裂后雨水和化冰鹽更容易進(jìn)入混凝土裂縫，從而加快了鋼筋的銹蝕過(guò)程和受凍融破壞的程度，使得病害更加嚴(yán)重。另外，由于梁與梁之間有一定的空隙，堅(jiān)硬的石子可能落入縫內(nèi)，夏天混凝土受熱膨脹空隙變小，石子易將梁端擠碎，也會(huì)造成局部破損。
拆除原有伸縮縫的填充材料，按圖2的新構(gòu)造詳圖進(jìn)行施工。具體施工方法如下：
A．基層處理
將伸縮縫兩邊各寬約40㎝范圍內(nèi)的鋪裝層混凝土鑿除并用高壓水槍清洗干凈，按1.5Kg/m的用量涂刷兩遍優(yōu)止水。
B．伸縮縫的防水處理作法：
a 用小扁鑿鑿除舊的填縫料，用鋼絲刷清理兩側(cè)縫壁，清凈縫內(nèi)灰塵。
b 用水盾防水膠底漆涂刷縫壁。
c 在縫的兩側(cè)橋面上各撒一層石粉（或用石灰水涂刷），防止灌填接縫材料時(shí)污染路面。在伸縮縫兩側(cè)鉆孔植筋。錨筋孔的直徑應(yīng)比錨筋大5mm，錨筋必須埋設(shè)牢固，在孔內(nèi)灌注調(diào)和好的立止水，使其不易拔出。
d 縫的下部可填 25mm－30mm高的泡沫塑料嵌條。
e 用水盾防水膠面漆灌縫，縫頂部須留有5mm膨脹空間。
圖 2 伸縮縫構(gòu)造圖
３）橋墩病害（裂縫及松散表面）治理
橋墩在水面漲落區(qū)間最易發(fā)生病害，必須進(jìn)行治理。方案如下：
A鑿除全部破損和松動(dòng)的混凝土，將暴露銹蝕的受力鋼筋用鋼刷徹底清理干凈，涂刷兩道FP阻銹劑作除銹處理。
B用UP2000進(jìn)行結(jié)構(gòu)修補(bǔ)
C表面用柔性優(yōu)止水進(jìn)行封閉處理，根據(jù)情況考慮是否要增加纖維網(wǎng)。
圖3 橋墩病害治理示意
4）梁體病害治理
受力鋼筋因雨水滲透、化冰鹽侵入和空氣中的二氧化碳和其它有害化學(xué)物質(zhì)的侵蝕等多種因素引起銹蝕，導(dǎo)致梁下部混凝土的鋼筋保護(hù)層開裂破碎，鋼筋暴露�；炷潦軗p后，雨水、化冰鹽等更容易進(jìn)入混凝土內(nèi)部，進(jìn)一步加重病害的發(fā)生。
維修方案
A.鑿除全部破損和松動(dòng)的混凝土，將暴露銹蝕的受力鋼筋用鋼刷徹底清理干凈，涂刷兩道FP阻銹劑作除銹處理。
B.用UP2000結(jié)構(gòu)修補(bǔ)劑修補(bǔ)破損處
圖4 T型梁縱向開裂修復(fù)示意
5） 地袱混凝土破損開裂，鋼筋銹蝕
由于化冰鹽侵入和空氣中的二氧化碳和其它有害化學(xué)物質(zhì)的侵蝕以及溫脹擠壓等多種因素引起銹蝕，開裂破碎，鋼筋暴露�；炷潦軗p后，雨水、化冰鹽等更容易進(jìn)入混凝土內(nèi)部，進(jìn)一步加重病害的發(fā)生。
維修方案
A.鑿除全部破損和松動(dòng)的混凝土，將暴露銹蝕的受力鋼筋用鋼刷徹底清理干凈，涂刷兩道FP阻銹劑作除銹處理。
B.用UP2000結(jié)構(gòu)修補(bǔ)劑修補(bǔ)破損處。
6）主梁箍筋銹蝕，表皮混凝土破損脫落
由于混凝土保護(hù)層厚度不足，造成鋼筋附近混凝土很快炭化，失去對(duì)鋼筋的保護(hù)，鋼筋銹蝕。
維修方案
A.鑿除全部破損和松動(dòng)的混凝土，將暴露銹蝕的受力鋼筋用鋼刷徹底清理干凈，涂刷兩道FP阻銹劑作除銹處理。
B.用UP2000結(jié)構(gòu)修補(bǔ)材料修補(bǔ)破損處。
6）鋼筋混凝土表面封閉處理
對(duì)維修后的橋梁進(jìn)行整體性的封閉處理是保障橋梁整體性能的有效手段，從系統(tǒng)論的觀點(diǎn)出發(fā)，整體封閉后的結(jié)構(gòu)處在同一個(gè)電化學(xué)環(huán)境下，最大程度避免了維修區(qū)域與原來(lái)區(qū)域能態(tài)的不均衡，隔絕了有害介質(zhì)，從而起到保護(hù)鋼筋，降低其銹蝕速度作用，提高結(jié)構(gòu)的耐久性 ［[3]］。 ７）維修后結(jié)構(gòu)評(píng)估
對(duì)結(jié)構(gòu)維修后的效果進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)評(píng)價(jià)非常重要，最近英國(guó)研制出了可對(duì)現(xiàn)場(chǎng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)或半損檢測(cè)系列儀器，操作簡(jiǎn)單，方便可靠，國(guó)內(nèi)多家科研院所都已引進(jìn)。如 PERMIT離子遷移儀，可對(duì)離子擴(kuò)散的能力進(jìn)行快速檢測(cè)評(píng)定的，從而可用于預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)物的使用壽命； Autoclam混凝土滲透性測(cè)試系統(tǒng)，可用于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)混凝土表層的水、氣的滲透性； Limpet拔出測(cè)試儀可現(xiàn)場(chǎng)評(píng)價(jià)混凝土施工質(zhì)量，用于新建和維修工程的強(qiáng)度檢測(cè)、界面結(jié)合力檢測(cè)。 ３結(jié)論
提高沿海環(huán)境橋梁抗腐蝕性能是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，新建橋梁和既有橋梁各有其特點(diǎn)。實(shí)際工程中要從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料設(shè)計(jì)與工藝設(shè)計(jì)等各個(gè)環(huán)節(jié)著手，對(duì)既有橋梁，還應(yīng)考慮維修后的整體性封閉，以保證結(jié)構(gòu)整體的耐久性能。
作者簡(jiǎn)介:聞寶聯(lián)(1968-)，男，工學(xué)博士，高級(jí)工程師，副總工程師，從事混凝土耐久性研究工作，發(fā)表論文50余篇，獲省部級(jí)科技進(jìn)步獎(jiǎng)3項(xiàng)。
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