青藏高原地区混凝土桥梁的耐久性分析.pdf

曹锋等 ： 青藏高原地 区混凝土桥梁 的耐久性分析 4 9 1 ) OI ： 1 0 1 3 9 0 5 j e n k i a w j , 2 0 1 5 0 6 0 1 8 青藏高原地 区混凝土桥梁的耐久性分析 曹锋 ， 周晖 ( 1 青海民族 大学 。 西 宁8 1 0 0 0 7； 2 北京5 1 2 业大学 ， 北京1 0 0 1 2 4) 【 摘要】 青藏高原地区环境恶劣， 昼夜温差和季节温差大、 冰冻期较长， 造成冻融循环严重。冰雪天气多， 在桥面及路面采取撤除冰盐措施的同时， 带来 了氯盐侵蚀的负面影响。该地区的混凝土桥梁结构耐久性能受到 严重的威胁。文中从影响耐久性的因素、 耐久性的极限状态设计以及耐久性的设计要求等方面进行分析， 并提出 该地区的混凝土桥梁结构耐久性设计及维护可供借鉴的几个方面。 【 关键词】 青藏高原地区； 混凝土桥梁； 耐久性 【 中图分类号】 T U 3 7 5 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 5 ) 0 6 0 0 4 9 0 2 桥梁结构中混凝土及钢筋材料的特性、 结构和构造设计、 桥梁周边环境、 施工及养护质量等可能对桥梁结构的耐久性 能产生影响， 造成耐久性能的劣化。况且青藏高原地区环境 苛刻、 昼夜温差和季节温差较大、 冻融循环剧烈、 风沙天气较 多， 部分地区存在硫酸根离子等腐蚀性物质， 使得建设于该地 区的混凝土桥梁结构的耐久性能逐步趋于退化。此外， 青藏 高原冬季时间较长， 并且冰雪天气较多， 为了不妨碍路段的通 行 ， 通常会在路面及桥面撤除冰盐， 然而大量的氯离子侵害， 对混凝土桥梁结构的耐久性又造成了严重的损害。因此， 对 于青藏高原地区混凝土桥梁结构耐久性能问题的分析及探 究， 具有非常必要和紧迫的现实意义。 1 影响耐久性的因素及退化过程 1 1 影响耐久性的因素 影响混凝 土桥梁结构耐久性能的因素多而且比较复 杂， 并且有的结构受到多种因素影响。对于青藏高原地区 的混凝土桥梁结构 ， 影响其耐久性能的因素主要有六个方 面： 碱一集料反应、 碳化作用、 氯盐侵蚀作用、 冻融作用、 硫 酸盐腐蚀作用和磨蚀作用。 ( 1 ) 碱一集料反应。碱一集料反应也被称为混凝土 的“ 癌症” ， 是指混凝土材料 中的碱性物质与活性成分发生 化学反应 ， 生成膨胀性物质而引起混凝土 内部产生 自膨胀 应力， 进而引起混凝土裂缝的现象。反应的结果使混凝土 内部形成微裂缝 ， 进而引起混凝土的开裂， 从而造成混凝土 的耐久性能降低。 ( 2 ) 碳化作用。混凝土构件碳化作用是指大气环境 中的二氧化碳或含碳酸的水与混凝土中的氢氧化钙发生化 学反应， 生成碳酸钙的过程。碳化作用会导致混凝土的碱 度下降， 并有利于氯离子的释放， 从而加速钢筋的锈蚀。 ( 3 ) 氯盐侵蚀。氯盐侵蚀是指钢筋混凝土与盐水或 海水接触时， 氯离子通过各种途径侵入到混凝土， 到达钢筋 表面后引起钝化膜破坏， 从而导致钢筋锈蚀的过程。青藏 高原地区冬季多冰雪路段， 为不阻碍通行， 采取撤除冰盐措 施 ， 然而又增加了氯盐侵蚀对桥梁结构耐久性的破坏。 ( 4 ) 冻融循环作用。冻融循环作用是指混凝土表面 和内部空隙中的所含水分在温度变化的影响下， 出现冻结 和融化交替变化的现象。青藏高原地区冬季持续时间长， 并且昼夜温差和季节温差明显， 冻融循环较为严重。反复 冻融作用的结果， 导致混凝土开裂而破坏。 ( 5 ) 硫酸盐腐蚀作用。硫酸盐腐蚀作用是指硫酸根 离子与混凝土中水泥的水化产物发生反应， 生成具有膨胀 性的侵蚀产物， 从而导致混凝土出现开裂、 剥落等现象。当 硫酸盐浓度超过其溶解度时， 会形成结晶析出， 导致混凝土 内部出现结晶压力， 加剧混凝土的膨胀开裂。 图1 各影响 因素作用的耐久性退化过程 ( 6 ) 磨蚀作用。混凝土的磨蚀作用主要包括两个方 面 ： 风沙磨蚀和流沙磨蚀。其中风沙磨蚀是指风通过携带 的沙粒对混凝土造成的冲击和摩擦， 从而导致混凝土的空 蚀、 破碎甚至崩解； 流沙磨蚀是指混凝土在含砂水流磨损和 空化水流空蚀共同作用下， 出现材料流失、 破解的现象。青 藏高原地区风沙天气较多， 磨蚀作用主要以风沙磨蚀为主。 1 2耐久性退化过程 混凝土桥梁结构在受到某种耐久性作用或多种作用共 同作用下， 其耐久性能会发生退化， 其退化形式主要表现在 三个方面： 钢筋 、 混凝土材料力学性能改变； 钢筋有效面积、 混凝土保护层厚度减少； 结构性能降低。各种因素作者用 下的耐久性退化过程见 1 。 2 耐久性的极限状态设计 ( 1 ) 碳化作用的极限状态设计。通常将混凝土保护 层完全碳化作为大气环境中混凝土结构耐久性能极限状态 的标志。施工时应有的保护层厚度与设计碳化深度应满足 基金项目 北工大 一 青海民大基础合作研究基金项 目( 3 1 2 O 0 o 5 4 3 2 1 4 5 0 6 ) 低温建筑技术 2 0 1 5 年第6 期( 总第 2 0 4期) 下式的要求。 d y d o ( 1 ) 式中， d为混凝土构件的保护层厚度； d o 为设计碳化深 度； y为抗碳化侵蚀作用系数。 若构件的保护层厚度不能满足设计碳化深度的要求， 可 通过以下方法改进结构设计： 合理设计构件保护层厚度； 优选 水泥品种， 正确选择混凝土材料和配合比， 重视骨料的质量要 求， 控制水灰比和水泥用量； a n 强施工及养护质量控制。 ( 2 ) 氯盐侵蚀的极限状态设计。氯盐环境中的桥梁结 构宜将氯离子侵入混凝土并在钢筋表面累计达到临界浓度作 为耐久性能极限状态的标志。临界氯离子浓度与钢筋表面氯 离子浓度应满足式( 2 ) 的要求。 G 。 ( 。 l 一 ) y C o ( c 卜 ) ( 2 ) 式中， C 。 。 一 为钢筋锈蚀所达到的临界氯离子浓度； ( 。 一)为氯离子浓度基准值； Y为抗氯盐侵蚀作用系数。 若氯盐侵蚀作用下， 氯离子浓度不满足上式要求， 应增 大保护层厚度、 重视构造设计、 优选原材料、 调整混凝土配 合 比， 还应该采取适当的防腐措施。 ( 3 ) 冻融循环作用的极限状态设计。冻融循环作用 下 ， 采取快冻法的破坏标准， 即混凝土弹性模量降至 6 0 或 质量损失达到5 作为混凝土结构冻融作用耐久性极限状 态的标志。混凝土的抗冻等级应符合式( 3 ) 的要求。 Ry Ns ( 3 ) 式中， 为混凝土设计寿命要求达到的抗冻等级； Ns 为混凝土设计寿命时刻实际的抗冻等级 ； Y为抗冻融循环作 用系数 。 ( 4 ) 硫酸盐腐蚀的极限状态设计。硫酸盐腐蚀环境 中的混凝土结构， 将混凝土的抗压强度耐蚀系数低于 7 5 作为硫酸盐腐蚀耐久性极限状态的标志。混凝土抗压强度 耐硫酸盐腐蚀作用系数应满足式( 4 ) 的要求。 |s R T S s ( 4 ) 式中， s 为混凝土的设计抗压强度耐硫酸盐腐蚀作用 系数； S 为混凝土设计使用寿命时刻实际的抗压强度耐蚀 系数； y为耐硫酸盐腐蚀作用系数。 ( 5 ) 磨蚀作用的极限状态设计。混凝土结构处于磨 蚀环境中， 将构件表面出现明显损伤作为耐久性能极限状 态的标志。为保证结构耐久性， 磨蚀率应满足式( 5 ) 要求。 R Ms ( 5 ) 式中， 为结构正常使用条件下设计磨蚀率； Ms 为混 凝土在设计使用寿命时刻实际磨蚀率； 为耐磨蚀作用系数。 3 耐久性的设计要求 ( 1 ) 材料选用要求。混凝土原材料宜选用低水化热 和低含碱量的水泥， 减少早强水泥的使用。骨料应选用耐 久性好、 级配 良好的材料， 尽可能多使用优质粉煤灰、 矿渣 等矿物掺和料或复合矿物掺和料。耐久性混凝土的配制应 根据使用环境， 合理选用具有减水、 引气、 阻锈作用的外加 剂。外加高效减水剂或有高效减水功能的复合外加剂， 降 低拌合水用量。 ( 2 ) 施工过程要求。混凝土桥梁结构的施工过程应 严格控制混凝土材料的质量要求， 对其配合比进行优化设 计 ， 进一步规范钢筋的施工工艺， 普通钢筋及预应力钢筋的 保护措施确保能够发挥作用。对于耐久性问题突出的部位 以及在特殊条件下的施工， 施工过程 中应采取相应的耐久 性保护措施， 确保施工质量。 ( 3 ) 构造设计要求。混凝土桥梁结构的构造设计应 考虑多重环境因素的影响， 构件的边角区应采用较大角度 过度。桥梁的防水系统需综合考虑防水及排水 ， 并且其构 造易于维护及更换， 伸缩缝 的构造同样如此 ， 在部分桥面通 车的情况下能够更换。桥梁支座的设计也应可更换可维 修， 在墩顶及盖梁位置应预留工作空间， 以便支座的检查及 维护。桥梁构件应根据其使用环境及耐久性要求， 选取最 为恰当的保护层厚度。 ( 4 ) 管养设计要求。对于不同的桥梁类型制定不同 的管养策略， 对于不 同的构件类 型采取不同的管养方针。 管养设计中， 应考虑桥梁运营中存在的不确定性 ， 根据结构 构件的重要程度、 性能要求、 寿命周期等因素制定相应的对 策， 保证结构的耐久性。在桥梁运营期间， 也可采用新出现 的管养新技术， 但应在确保结构安全 的前提下。桥梁结构 在运 营期 间， 构件所出现的裂缝 不能视 而不见 ， 应进行 不定 期的检查 ， 对于裂缝形成的原因要进一步探究， 并有针对性 的采取措施进行修复与控制。 4结语 ( 1 ) 青藏高原地区环境条件较为严峻， 混凝土桥梁结 构的耐久性尤为重要 ， 桥梁设计、 施工时， 不仅要满足强度 和刚度要求 ， 还必须考虑桥梁结构耐久性能的要求。 ( 2 ) 混凝土桥梁结构构件设计及施工时应遵循可检 查、 可维修、 可替换原则。对于部分桥梁构件达到使用寿命 期而损坏， 工作人员应及时进行替换或维修 ， 否则会引起主 要受力构件的损坏， 影响桥梁结构整体的安全性及耐久性。 ( 3 ) 青藏高原地区的混凝土桥梁结构， 由于影响其耐 久性的因素较多， 况且部分因素的影响尤为明显， 如氯盐侵 蚀、 冻融循环等。因此， 混凝土桥梁结构的耐久性应从材料 选用、 施工过程、 构造设计、 管养维护等方面综合考虑。 参考 文献 1 G B 5 047 6 2 0 0 8 ， 混凝土结构耐久性设计规范 S 2 陈艾荣 公路桥梁混凝土结构耐久性设计指南 M 北京： 人 民交通出版社 ， 2 0 1 2 3 潘东宏 高寒地区提高混凝土桥梁耐久性关键技术研究 D 重庆 ： 重庆交通大学 ， 2 0 1 0 4 金璐 高海拔、 高寒地区高性能混凝土配合比设计理论的研 究 D 西宁 ： 青海大学 ， 2 0 1 1 5 张璐， 施养杭 现役混凝土结构的耐久性可靠度分析方法 J 低温建筑技术， 2 0 1 0 ， ( 9 ) 收稿日 期 2 0 1 5- 0 2 - 0 2 作者简介】 曹锋( 1 9 8 9 一) ， 男， 陕西商洛人， 助教， 硕士研 究 生。 从事桥梁工程方向的教学与研究 工作。