钢筋混凝土桥梁项目施工问题与对策

摘要: 本文针对钢筋混凝土桥梁结构耐久性的问题，分析了结构耐久性失效机理、桥梁结构耐久性现状及提高桥梁结构耐久性的对策。

　　关键词：钢筋混凝土；桥梁；耐久性
　　
　　1概述
　　钢筋混凝土包括预应力钢筋混凝土桥梁的耐久性是近半个世纪来人们普遍关心的问题。大量研究结果表明，钢筋混凝土桥梁耐久性的降低除自然灾害或意外事故外，主要源于以下几个方面或其复合作用：钢筋腐蚀；混凝土碳化；冻融循环；碱—骨料反应；机械磨损。其中钢筋腐蚀是最主要的原因。
　　由于混凝土结构钢筋保护层太薄，混凝土的密实性太差，加上长期处于露天环境下使得钢筋锈蚀、混凝土开裂，造成结构的耐久性不足而提前失效。耐久性能差的混凝土结构要花费大量人工进行维修补强，甚至造成停工停产的严重经济损失。美国公路局1969年用于修补公路桥梁的费用为20亿美元，10年后达到63亿美元，1999年则达300亿美元。1997年6月美国白宫科技办公室将混凝土结构耐久性问题列为重点科技攻关问题之一。美国土木工程师学会（ASCE）2003年底公布的调查结果，27.5%以上的美国国家级混凝土桥梁因耐久性不够不能满足功能要求。ASCE估计，美国在未来五年内，联邦政府需要投入16000亿美元改善基础设施的耐久性，以适应21世纪的发展。美国有研究显示，由于耐久性不足，造成过早的维修加固和停运损失费用约为初始造价的5倍。虽然大多数桥梁的设计寿命在50年甚至100年以上，但是相当一部分桥梁混凝土在3～5年内即开始出现局部开裂、剥落等破坏现象。国内的情况也大致如此。因此，桥梁混凝土的耐久性越来越受到重视。
　　2混凝土结构耐久性失效机理
　　2.1钢筋腐蚀
　　一般埋在混凝土中钢筋不会锈蚀，这是由于混凝土呈高度碱性，会在钢筋表面形成一层防止锈蚀发展的保护膜（钝化膜）。但是混凝土结构在混凝土碳化、混凝土碱-集料反应、氯离子侵蚀等作用下，钢筋外面的混凝土中性化或出现开裂等情况，钢筋失去碱性混凝土的保护，钝化膜破坏并开始锈蚀，逐渐失去了对其内部钢筋的保护作用。锈蚀的钢筋不但截面积有所减少，材料的各项性能也会发生衰退，影响混凝土构件的承载能力和使用性能。钢筋锈蚀会引起混凝土保护层胀裂，锈胀裂缝产生后钢筋的锈蚀会加速。
　　混凝土结构的耐久性主要取决于钢筋锈蚀的速率。因为埋在混凝土中的钢筋发生锈蚀以后，其产生的铁锈的体积是相应钢筋体积的2～４倍，其会向四周膨胀，而钢筋四周的混凝土会限制它的膨胀，产生了交界面上的钢筋锈胀力。随钢筋锈蚀率的增加，钢筋锈胀力将导致混凝土保护层受拉而开裂，钢筋混凝土构件一旦受钢筋锈胀力作用而出现混凝土纵向开裂以后，混凝土对钢筋的保护大大减弱，有害介质直接接触到钢筋，钢筋锈蚀速度加快。钢筋生锈一方面使其截面面积减少，另一方面铁锈的体积膨胀导致混凝土开裂或剥落，消弱钢筋与混凝土的有效接触面积，使结构削弱使用功能和承载力。
　　混凝土中的钢筋锈蚀一般为电化学锈蚀。当二氧化碳、氯离子等腐蚀介质侵入时，混凝土的碱性降低，或者混凝土保护层受拉开裂等都将造成全部或局部地破坏钢筋表面的钝化状态，钢筋表面的不同部位会出现较大的电位差，形成阳极和阴极，在一定的环境条件下（如氧和水的存在）钢筋就开始锈蚀。锈蚀的形式一般为斑状锈蚀，即锈蚀分布在较广的表面面积上，钢筋锈蚀破坏的特征可归纳为：
　　（１）裂缝沿主筋方向开展延伸；
　　（２）钢筋与混凝土的握裹力下降与丧失；
　　（３）钢筋端面损失；
　　（４）钢筋应力腐蚀断裂。
　　钢筋锈蚀的电极反应式为
　　阳极：Ｆｅ→Ｆｅ2++2e
　　阴极：02+2H2O+4e→4OH-
　　阳极表面二次化学过程：
　　在通常情况下，钢筋表面的混凝土层对钢筋有物理和机械保护作用，同时，混凝土为钢筋提供的是一个高碱度的环境（ph>12.5），能使钢筋表面形成一层致密的钝化膜，从而长期不锈蚀。当碱性降低时，钝化膜逐渐被破坏，钢筋逐渐开始锈蚀，当ph值低于12时，锈蚀速度明显增大。
　　2.2混凝土碳化
　　碳化是空气中二氧化碳与水泥石中的碱性物质相互作用。使其成分、组织和性能发生变化，使用机能下降的一种很复杂的物理化学过程。碳化会降低混凝土的碱度，破坏钢筋表面的钝化膜，使混凝土失去对钢筋的保护作用，给混凝土中钢筋锈蚀带来不利的影响，同时，混凝土碳化会加剧混凝土的收缩，这些都能导致混凝土产生裂缝和结构的破坏，混凝土碳化与混凝土结构的耐久性密切相关，是衡量钢筋混凝土结构物可靠度的重要指标。
　　混凝土碳化的主要化学反应式如下：
　　CO2+ H2O→H2CO3
　　Ca（OH）2+H2CO3→CaCO3+2H2O
　　2.3混凝土碱-集料反应
　　混凝土碱-集料反应是指混凝土中的碱与集料中的活性组分之间发生的破坏性膨胀反应。该反应发生于混凝土中的活性骨料与混凝土中的碱之间，其反应产物为硅胶体，这种硅胶体遇水膨胀，产生很大的膨胀压力，从而引起混凝土开裂。混凝土发生碱-集料反应破坏表现为：外观上主要是表面裂缝、变形和渗出物，而内部特征主要有内部凝胶、反应环、活性碱-集料、内部裂缝、碱含量等。混凝土结构一旦发生碱-集料反应出现裂缝后，会加速混凝土的其他破坏，如空气、水、二氧化碳等侵入，会使混凝土碳化和钢筋锈蚀速度加快。
　　2.4氯离子侵蚀
　　氯离子侵入混凝土腐蚀钢筋的机理为：
　　 （1） 破坏钝化膜。氯离子是极强的去钝化剂，氯离子进入混凝土到达钢筋表面，吸附于局部钝化膜处，使该处的ph值迅速降低，破坏钢筋表面钝化膜。
　　（2） 形成腐蚀电池。不均质的混凝土中，局部腐蚀对钢筋表面钝化膜的破坏发生在局部，使这些部位露出铁基体，与尚完好的钝化膜区域形成电位差，铁基体作为阳极而受腐蚀，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。氯离子不仅促成了钢筋表面的腐蚀电池，而且加速了电池的作用。氯离子将阳极产物及时地搬运走，使阳极过程顺利进行甚至加速进行，而氯离子并不被消耗。
　　（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，提高腐蚀电池的效率，从而加速了电化学腐蚀过程。
　　3我国钢筋混凝土桥梁耐久性的现状
　　国内外研究表明，腐蚀介质渗入混凝土的速度与保护层厚度的平方成反比，所以增加保护层厚度是提高混凝土结构耐久性的最有效方法。国外一些混凝土结构设计规范从二十世纪60年代起均不断提高钢筋保护层最小厚度的规定，并增添许多新的要求。如加拿大安大略省根据调研情况，在20世纪50～８０年代期间对公路桥梁混凝土桥面保护层厚度要求进行了调整：保护层最小厚度从２５ｍｍ增加到７０ｍｍ。此外，混凝土最低强度从Ｃ２５提高到Ｃ４０，以提高混凝土的密实性，对抵抗腐蚀介质的渗入有利，还增添了防水、使用环氧涂层钢筋等防腐措施。
　　我国的《公路钢筋混凝土桥梁及预应力混凝土桥涵设计规范》（ＪＴＪ０２３－８９）（以下简称８９规范）规定，板的保护层最小厚度为２０ｍｍ，混凝土最低强度为Ｃ１５（用Ⅱ级以上钢筋时Ｃ２０），直到０４规范（ＪＴＧＤ６２－２００４）才把板的保护层最小厚度提高到４０ｍｍ，但仍远低于加拿大的相应要求。
　　与国外相比，我国混凝土结构设计规范的构件最小保护层厚度远低于国际标准（见表１），设计标准低是我国混凝土结构中钢筋过早锈蚀，结构过早老化的最主要原因。
　　表１：中英美三国构件最小保护层厚度比较表ｍｍ
　　环境 中国 美国 英国
　　 梁 板 梁 板 梁 板
　　室内 ２５ １５ ３８ １９ ２５ ２５
　　室外 ３０ ２０ ３８ ３８ ４０ ４０
　　
　　我国当前正在进行全球规模最大的土建工程建设，如果我们现在还不重视提高混凝土结构的耐久性，将在大建还未完成时，就陷入边新建边大规模维修，财政不堪重负的怪圈。影响混凝土结构耐久性最主要和最直接的因素是钢筋锈蚀。由于钢筋的保护层太薄，混凝土的密实性太差，加上长期处于露天环境下，我国在役的混凝土桥梁出现钢筋锈蚀、混凝土开裂的现象相当普遍。如天津滨海的三座混凝土桥使用８～１０年后，礅柱钢筋遭严重锈蚀，柱体保护层普遍剥落；台湾澎湖跨海大桥因预应力套管内水泥浆体的氯离子浓度超标２～５倍，导致钢绞线锈蚀严重，大桥出现裂缝及混凝土表面爆开，以至于原设计寿命５０年实际使用了６年就需要拆除重建。以上案例均远低于城市一般桥梁使用寿命５０年，特大桥１００年的要求。
　　４提高桥梁结构耐久性的对策
　　４.１增加钢筋保护层的厚度
　　水和氧气是钢筋锈蚀的必要条件，所以提高混凝土结构耐久性的最佳途径是增加钢筋混凝土保护层厚度和增加混凝土材料自身的密实性，以延缓水分、氧气及其它有害化学物质侵入混凝土并到达钢筋的时间。有研究表明，腐蚀介质渗入混凝土的速度与保护层厚度的平方成反比，所以增加保护层厚度是提高混凝土耐久性的最有效方法。国外一些混凝土结构设计规范从二十世纪６０年代起均不断提高钢筋保护层最小厚度的规定。适当增加钢筋的混凝土保护层厚度是保证混凝土结构耐久性最有效、最经济的措施。据有关专家计算，如果我们把钢筋的混凝土保护层的最小厚度提高到发达国家的水准，每平米需增加的费用一般也就几十元到百元，这相当于现在每平米几千元的房价来说只是一个很小的数目，但它的结果是结构的寿命可能会成倍增加。目前我国混凝土结构的耐久性现状十分严峻，建议按国外标准进行耐久性设计（尤其是钢筋的保护层厚度），以提出合理经济的地方设计标准。
　　由于施工时的保护层厚度是很难保证的。加拿大尚允许有２０ｍｍ的误差，在我国施工精度相对较低的条件下，８９规范将设计保护层厚度定为２０ｍｍ，而实际保护层厚度有时仅为３～４ｍｍ，甚至更小。一般工程上常用预制的砂浆垫块绑在钢筋笼上来保证钢筋的保护层厚度。但是因为在震捣混凝土时，砂浆垫块容易偏位，不能很好地保证保护层的厚度。而某些发达地区采用塑料垫块、塑料夹来代替传统的砂浆垫块，这种塑料垫块具有自锁定，一致性好，操作简单的优点，可以有效控制钢筋的保护层厚度。
　　科学技术在不断发展，施工水平也在不断提高，在提高我国设计标准的同时，还应多了解和采用先进的技术和产品，提高土建工程的施工质量，保证钢筋的实际保护层厚度，提高混凝土结构的耐久性。
　　４.2采用高性能混凝土
　　为提高结构耐久性，应使用密度高的混凝土，这是钢筋混凝土防蚀的最重要对策之一。一般而言抗压强度高的混凝土密度亦高。因此，在保持适当的性能之下，应尽量降低水灰比，降低水灰比可以提高混凝土的抗压强度及水密性。由于混凝土密度高不但可保持高ｐｈ值使之不易降低，且盐分不易乘隙而渗透进入，因此可以达到防止盐害之目的。在海洋环境下为提高防蚀性能应注意混凝土配料设计上的单位水泥用量。增加混凝土水泥用量，对海水中盐类的化学抵抗力增强，能大幅提高其耐久性。但如果单位水泥用量增加过多，在薄断面的混凝土将引起干燥收缩，在厚断面则因水化热引起膨胀收缩导致龟裂，使有害物质易于侵入。因此单位水泥用量宜控制在５００ｋｇ/ｍ３以下。总之对于混凝土而言，可通过提高混凝土的致密性来提高其耐久性，即采用高性能混凝土。普通混凝土在３～１０年就开始破裂，而高性能混凝土以耐久性为首要设计指标，有可能为基础设施提供100年以上的使用寿命。一般认为，高性能混凝土是具有高强度、高工作性、高抗渗性和优良体积稳定性的混凝土。因此，在桥梁工程中使用高性能混凝土无疑会大大提高桥梁的使用寿命。
　　４.3防止混凝土产生龟裂
　　钢筋混凝土无龟裂时，ｃｌ-离子以Ｈｏｏｋｅ之扩散法则，从混凝土表面渗透至钢筋表面需要１００年。对于钢筋混凝土结构，如果建在湿度较小的地区，混凝土即便存在一些小龟裂，对结构的耐久性影响也不会太大。但在南部沿海地区，如果Ｏ２，ＣＯ２，Ｈ２Ｏ等从龟裂处的裂缝进入，可以导致加速混凝土中性化及腐蚀，即盐分比较容易进入钢筋表面，将钢筋表面的钝态皮膜破坏且加剧腐蚀，严重降低结构的耐久年限，因此必须设法避免混凝土表面龟裂的产生。
　　近年来大直径钢筋应用越来越多，采用大直径钢筋时由于对于混凝土干燥收缩拘束增大，内部易产生微细龟裂，同时由于混凝土介面增大易产生泌水，且易产生孔隙，降低其抗蚀性。因此设计时应考虑配合钢筋直径比以决定钢筋保护层厚度。据实验，保护层厚度与钢筋直径之比，采取２.５～３.０时其防蚀性最为有效。
　　５结语
　　我国混凝土结构耐久性设计标准远低于发达国家，提高耐久性标准仅会使工程初始造价略有提高，但长远经济与社会效益巨大，是实现土建工程可持续发展的最佳途径。为了保证钢筋混凝土桥梁的结构耐久性，应针对钢筋腐蚀的原因采取合理的防治措施，选择合理的混凝土材料。钢筋混凝土防腐蚀的最基本方法是保证钢筋表面有完整的钝态保护膜，并用密度高、足够厚度的高性能保护层混凝土包裹，使钢筋周围的ｐｌ值维持在１２以上，以避免钢筋生锈。同时，还应在设计和施工方面采取措施避免混凝土表面产生龟裂。如果能依照上述方法来设计和施工，就基本可以确保钢筋混凝土桥梁的结构安全和耐久性要求。
　　参考文献
　　（１）吴文雄，陈明哲等"沿海地区钢筋混凝土桥梁盐害与对策〔Ｃ〕台湾：第一届铺面工程师生研究成果联合发表论文集。
　　（２）路新瀛，武建伟"钢筋混凝土桥梁的耐久性与高性能混凝土〔Ｊ〕公路，２００２（４）。
　　（３）金伟良，赵羽习"混凝土结构耐久性研究的回顾与展望〔Ｊ〕浙江大学学报（工学版），２００２（４）。