城市混凝土桥梁盐冻病害调查与研究.pdf

第 1 5卷第 5期 2 0 1 2年 1 O月 建筑材料学报 J OURNAL 0F BUI LDI NG MATERI ALS Vo1 1 5。 NO5 0c t ， 2 O1 2 文章 编号 ： 1 0 0 7 - 9 6 2 9 ( 2 0 1 2 ) 0 5 0 6 6 5 0 6 城 市混凝土桥梁盐冻病 害调查 与研 究 张云清 ， 余红发 ， 孙 伟。 ， 王 甲春 ， 曹文涛 ， 周 鹏 ( 1 南京农业大学 工学院 ， 江苏 南京 2 1 0 0 3 1 ； 2 南京航空航天大学 土木工程系， 江苏 南京 2 1 0 0 1 6 ； 3 东南 大学 材料科 学 与工 程学 院 ， 江苏 南 京 2 1 1 1 8 9 ； 4 厦 门理工 学 院 建 筑工 程 系 ， 福 建 厦 门 3 6 1 0 2 4 ； 5 江苏 省交 通科 学研 究 院股份 有 限公 司 ， 江苏 南京 2 1 1 1 1 2 ；6 南 京 市长 安建 筑规 划设 计有 限公 司 ， 江苏 南 京 2 1 0 0 0 2 ) 摘 要 ：为 了探 究盐 冻作 用 下城 市混凝 土桥 梁的破 坏 特征 及评 价 盐 冻环境 混凝 土桥 梁主体 结 构 的服 役现状 ， 通过现场调研 、 检测、 取样和室内试验 ， 研 究了混凝 土的主要 物理力学性能、 氯离子质量分 布 和表 层 混凝 土及钢 筋锈 蚀 物的微 观 结构 结 果表 明 ： 盐冻作 用 下 混凝 土桥 梁使 用 1 3 a以后 ， 其 主 体 结构 发 生 了严 重 的除 冰 盐冻融 破 坏 和 钢 筋锈 蚀 破 坏 ， 混 凝 土 的 氯 离子 结 合 能 力很 低 ， 自由氯 离 子浓度很高， 钢筋锈蚀物 中物理吸附 了大量 的氯 离子 ， 且氯 离子 迁移 多堆积 于靠近钢筋表 面的混 凝 土层 ， 其 总氯 离子 质量 高于钢 筋表 面及 受 力钢 筋 间混 凝 土近 2倍 ； 实际混凝 土结 构 工程在 盐 冻作 用下 ， 混凝 土保 护层 的氯 离子 浓度 分布 规律 并 不符 合 F i c k第二 扩散 定律 ； 在 盐 冻 环境 作 用 下进行 混凝 土桥 梁结构 的 耐久性 设 计 时 ， 必 须提 高其 抗 盐冻 能 力 、 抗 氯 离子 扩散 渗 透 能 力 ， 氯 离子 扩散 模 型必 须考 虑表层 效 应 关 键词 ：混凝 土 ；除 冰 盐 ；冻融循 环 ； 剥 落 ； 氯 离子 中 图分 类 号 ： TU5 2 8 0 文献标 志 码 ： A d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 7 9 6 2 9 2 O 1 2 O 5 O 1 6 I n v e s t i g a t i o n a nd S t u d y o f Du r a b i l i t y o f Br i d g e u n d e r S a l t S c a l i ng ZHANG Yu n q i n g ， Ho n g f a ， S UN We i 。 ， WANG Ji a c h u n ， CAO W e n t a o ZH OU Pe ng ( 1 Co l l e g e o f E n g i n e e r i n g，Na n j i n g Ag r i c u l t u r a l Un i v e r s i t y，Na n j i n g 2 1 0 0 3 1 ，Ch i n a ； 2 De p a r t me n t o f Ci v i l En g i n e e r i n g，Na n j i n g Un i v e r s i t y o f Ae r o n a u t i c s a n d As t r o n a u t i c s ，Na n j i n g 2 1 0 0 1 6，Ch i n a； 3 S c h o o l o f Ma t e r i a l s S c i e n c e a n d En g i n e e r i n g，S o u t h e a s t Un i v e r s i t y ，Na n j i n g 2 1 1 1 8 9，Ch i n a； 4 De pa r t me nt o f Co ns t r uc t i o n Engi ne e r i ng，Xi a me n Un i ve r s i t y o f Te c hn ol o gy，Xi a me n 3 61 0 24，Ch i na； 5 J i a n g s u Tr a n s p o r t a t i 0 n Re s e a r c h I n s t i t u t e Co ，Lt d，Na n j i n g 2 1 1 1 1 2，Ch i n a ； 6 Na n j i n g Ch a n g - a n To wn P l a n n i n g a n d Ar c h i t e c t u r a l De s i g n Co ，Lt d ，Na n j i n g 2 1 0 0 0 2 ，C h i n a ) Ab s t r a c t：For t he p ur po s e o f e x pl o r i ng t he f a i l u r e c h a r a c t e r i s t i c s of ur b a n c on c r e t e br i d ge un de r d e i c i ng s a l t s c a l i n g a nd e v a l u a t i n g t he e x i s t i ng s t r uc t u r e c o nd i t i o n，m a i n phy s i c a l a n d me c ha ni c a l pr o pe r t i e s of t he ma t e r i a l ，c hl o r i de i o n c o nc e nt r a t i o n di s t r i bu t i o n，a nd t h e m i c r os t r uc t ur e o f c o nc r e t e c o v e r a nd c or r o de d s t e e l b a r we r e s t u d i e d t h r o u g h s i t e i n v e s t i g a t i o n，s a mp l i n g a n d l a b o r a t o r y e x p e r i me n t s Th e r e s u l t s s h o w t h a t s e r i o us s a l t f r e e z i ng da ma g e a nd s t e e l ba r c or r os i o n o c c ur i n t he m a i n s t r uc t u r e of t he br i d ge，whe n t he br i d ge ha s b e e n us e d und e r de i c i ng s a l t s c a l i n g f or 1 3 y e a r s Ch l or i d e i o n bi ndi ng c a p a c i t y o f c on c r e t e i s 收稿 日期 ： 2 0 1 1 - 0 4 1 8 ；修订 日期 ： 2 0 1 l _ O 7 一 O 4 基金项 目： 国家重点基础研究 发展计划 ( 9 7 3计划 ) 项 目( 2 0 0 9 C B 6 2 3 2 0 3 ) ； 国家 自然科学基金资助项 目( 5 1 1 7 8 2 2 1 ) ； 2 0 0 8年江苏省“ 六大人 才高峰” 高层次人才项 目； 南京航空航天大学博士生创新基金资助项 目( B C X J 0 7 0 4 ) 第一作者 ： 张云清 ( 1 9 7 7 一) ， 女 ， 吉林九 台人 ， 南京农业大学博士 E ma i l ： z h a n g y u n q i n g n u a a e d u c n 通信作者 ： 余红发 ( 1 9 6 4 一) ， 男 ， 湖北武穴人 ， 南京航空航天大学教授 ， 博士生导师 ， 博士 E ma i l ： y u h o n g f a n u a a e d u c n 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 建筑材料学报 第 1 5卷 q ui t e we a k；m e a nwh i l e，f r e e c hl or i d e i o n c onc e n t r a t i on i s v e r y hi g hThe pr o d uc t s f r o m b a r c or r o s i on a d s or b a l a r g e a mo unt of c h l or i d e i o n s p hy s i c a l l y M i c r os t r uc t u r e a n a l ys i s i nd i c a t e s t ha t c hl or i d e i ons mi gr a t e t o t he i n t e r f a c e o f r e ba r a nd c on c r e t e，a n d t s t o t a l c hl o r i ne c o nc e n t r a t i o n i S a l m o s t t wi c e t ha t i n o t he r 1 oe a t i o n。s uc h a s s u r f a c e o r i nt e r f a c e of s t e e l b a r s The d i s t r i bu t i o n be h a v i o r of c h l o r i d e i o n c on c e nt r a t i on o f c o nc r e t e c ov e r do e s n ot f i t t he Fi c k S s e c on d d i f f us i o n l a w The r e f o r e，du r a bi l i t y d e s i g n o f br i d ge s t r uc t ur e s u nd e r de i c i ng s a l t s c a l i ng ne e ds t o i mpr o v e s a l t f r e e z i ng r e s i s t an c e a nd c h l o r i de i o n pe r me a b i l i t y，m o r e ov e r ，s u r f a c e e f f e c t s m us t be t a ke n i nt o a c c o un t i n t he c hl o r i d e d i f f us i o n mo de l whe n 1 i r e de s i g n i s c a r r i e d O n Ke y wo r d s：c on c r e t e；d e i c i n g s a l t；f r e e z e t ha w c yc l e；s p a l l i ng；c hl o r i de i o n 除冰 盐l_ 】 不 仅对混 凝 土桥梁 和道 面造 成严 重破 坏 ， 还会 导 致钢筋 的锈 蚀破 坏 为 了研 究混凝 土道路 和桥梁 的这 种严 重耐 久性 问题 ， 欧洲 学 者_ 2 对 瑞 典 在 1 9 6 5 1 9 8 7年建成和丹麦在 1 9 5 6 1 9 7 2年建成 的混凝 土道 路 和桥梁 进行 了 系统 的 大规模 耐 久性 调 查研究 ， 主要观 测混凝 土 的剥蚀 破坏 、 氯离 子 浓度 分 布以及钢筋锈蚀等 ， 为混凝 土结构设计 和维修加 固 提供 了重 要依 据 中 国 尚未 系统 开 展 对寒 冷 地 区混 凝土道路与桥 梁耐 久性 的调查 研究 工作 笔 者从 2 0 0 7年开始 系统 地调 研 了沈 阳、 长 春 和哈 尔 滨等 城 市混凝 土 桥梁 的耐 久性破 坏情 况 ， 调 查 内容包 括 ： 混 凝 土强度 、 保 护层 厚 度 、 碳 化 深 度 、 钢 筋 锈蚀 、 裂 缝 、 氯离 子浓 度分 布等 本文 重点 报道 破坏 比较典 型 和严重 的黄 河 大街 立交 桥 的耐久性 规 律 通 过实 地调研 ， 重 点检 查 了桥 梁主体结构混凝土的开裂 、 剥落 、 析 白、 钢筋裸露及 桥 梁附属 设施 损 坏 等 ， 用 无损 检 测 设 备 测试 混 凝 土 强度 、 保护层厚度 碳 化深度、 钢筋锈蚀等物理力学 性能 指标 ， 并从 现场 取样 ， 逐层 分析 了保 护层 混凝 土 及 钢筋锈 蚀 物 的氯 离 子浓 度 分 布 规 律 ， 并用 扫描 电 子显 微镜 和 X 射 线 能 谱 分 析 方 法 对 混 凝 土 进 行 了 物 相分 析 1 现场调查 与试验方法 1 1 规 场调 查与 无损 测试 方法 现场 调查 采用 表 面观测 、 凿 开观测 、 工程 测 量 和 数 码相 机记 录等 办 法 ， 重 点 检查 了桥 梁 主 体 结 构混 凝 土 的开 裂 、 剥 落 、 析 白、 钢 筋裸 露 及 桥梁 附 属设 施 损 坏等情 况 对 于重 点 考 察 的测 试 部 位 ， 采 用 回 弹 仪 、 非金属超声波测定仪 、 钢筋锈蚀检测仪、 钢筋扫 描仪和 1 ( 质量分数) 酚酞酒精溶液分别测定混凝 土强度 、 保 护层厚 度 和碳化 深度 等 1 2 试 验 室分 析方 法 将 现 场采 集 的 混 凝 土 块 状 样 品 和 钢 筋 锈 蚀 样 品 ， 用 钻孔 或切割 的方 法制 成不 同取样 深 度 的 试样 ， 以用 于化学 分析 和微 观结 构分析 参 照 J T J 2 7 0 一 9 8 水运 工程混 凝 土 试 验规 程 ， 采 用 酸溶 和水 溶 萃 取 法分 别测定 混凝 土 的总氯 离子质 量分 数 c ( ) 和 自 由氯 离子 质量 分数 C ( ) ， 其结 合 氯 离 子 质 量 分 数 C b c 一 采 用 日本 理 学 公 司生 产 的 D MAX - 3 B 型 X射线衍射仪进行物相组成分析 ； 采用 日本电子 光学 公 司 ( J E OL) 生 产 的 J S M一 5 6 1 0 I V 低 真 空 扫 描 电子 显微 镜观 察样 品微 观形貌 2现 场 调 查 结 果 与分 析 2 1 桥 梁 的破 坏 状况 黄河大街立交桥从建成至 2 0 0 7年使用 时间为 1 3 a ， 二层 环 岛桥 台部位 钢 筋 锈 蚀 ， 梁板 混 凝 土保 护 层 胀裂 、 剥落 、 层离 ， 破损 严重 图 1为黄 河大 街 立交 桥 的破 坏现 状 由 图 1 ( a ) 可 以 明 显看 出 ， 破 坏 首 先 是砂 浆层 剥落 ， 集料 暴 露 ， 部 分 集料 因冻 坏 而 松 散 ， 呈冻融和盐冻破坏特征； 桥台混凝土除受到冻融和 盐冻破坏以外 ， 车辆行驶 、 刹车等荷载作用也加速了 其层 裂 与剥离 由 图 1 ( b ) 可见 ， 钢 筋锈 蚀 程度 触 目 惊 心 ， 保 护层完 全剥 离 ， 已不符 合结 构正 常使 用 的要 求 由图 1 ( c ) 可见 ， 边 梁板 底 锈 迹斑 斑 ， 裂 缝 呈 受力 钢 筋锈 胀 裂 纹 梁板 底 混凝 土结 晶物溶 解 、 外 流 ， 形 成 了“ 冰溜子 ” ( 见 图 1 ( d ) ) 图 2为 梁 板底 面析 出物 的 X R D谱图 由图 2可见 ， 梁板底 面析 出物主要为 C a S 0 2 H。 O 和 C a C O。 ， 前 者 是 由施 工 时 掺 加 的 防 冻 剂所 生成 ， 后者 是混凝 土 中 的氢 氧化 钙溶 解 之后 ， 从 梁板 底 面流 出时与 空气 中 的二 氧化 碳反 应 生成 所 致 如 果梁板 接缝 处桥 面 防水处理 不 当 ， 盐 水渗 透 流 淌至梁 板底 面 ， 梁 板 端头 混 凝 土 亦 发 生盐 冻 腐 蚀 破 坏 根据黄河大街立交桥主体结构混凝土 的破坏形 态判 断 ， 其 破坏 主 要 是 氯盐 和 冻 融 循 环 导致 的混 凝 土剥落和腐蚀破 坏， 以及 除冰盐氯离子扩散渗透导 致钢 筋锈 蚀 ， 进 而 引发混 凝土 保护 层胀 裂和 剥落 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5期 张亚梅 ， 等 ： 3 与 2 O C O 体积分数下混凝 土加 速碳 化试验研究 6 8 9 ( 4 ) 对 于抗 碳化 性 能 有 明确 要 求 的掺 矿 物 掺 合 料 的结构 混凝 土 ， 只有 采用 低 浓 度 C O 的加 速碳 化 试验 才能 更为 科学 地反 映 自然条 件 下 的碳化 过 程 与 。 规律 ， 为 科学 的决 策提 供可 靠 的依据 参 考文 献 ： 1 2 3 4 5 6 7 8 BECKE I r D I n f l u e n c e o f c a r b 0 na t i o n a n d c h l o r i d e s o n c o n c r e t e d u r a b i l i t y J C o n c r e t e ， 1 9 8 3 ， 1 7 ( 2 ) ： 1 6 1 8 PAPADAKI S V G ， VAYENAS C G ， FARDI S M NEx p e r i me nt a l i nv e s t i g a t i o n a n d ma t h e m a t i c a l mo d e l i n g o f t h e c o n c r e t e c a r b o n a t i o n p r o b l e m J C h e mi c a l E n g i n e e r i n g S c i e n c e ， 1 9 9 1， 4 6 ( 5 )： 1 3 3 3 1 3 3 8 AL KADH I M I T K H ， BANF I I I P F ( 二， M I I I ARD S G ， e t a 1 Ac c e l e r a t e d c a r b o n a t i o n p r o c e d u r e f o r s t u d i e s o n c o n c r e t e J Ad v a n c e s i n C e me n t Re s e a r c h ， 1 9 9 6 ， 8 ( 3 0 ) ： 4 7 5 9 S TEFFENS A ， DI NKI ER D， AHRENS H M o d e l i n g c a r b o n a t io n f o r c o r r o s i o n r i s k p r e d i c t i o n o f c o n c r e t e s t r u c t u r e s J Ce m e nt a n d Co nc r e t e Re s e a r c h， 2 0 02， 3 2 ( 6 )： 9 3 5 9 41 DU RACRETECo mp l i a n c e t e s t i ng f o r pr o ba b i l i s t i c d e s i g n p u r p o s e s ( Du r a C r e t e P r o j e c t D o c u me n t B E 9 5 1 3 4 7 R 8 ) R Ne t h e r l a n ds ： The Eu r o p e a n Un i o n Br i t e Eu Ra m Il l， 1 9 9 9 CAS TEI I ( ) T M ， ANDRADE C， TURRI I I AS X ， e t a 1 Ac c e l e r a t e d c a r b o n a t io n o f c e me n t p a s t e s i n s i t u mo n i t o r e d by n e u t r o n d i f f r a C t i o n J Ce me n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 2 0 0 8， 3 8 (1 2) ： l 3 6 5 1 3 7 3 SANJ UAN M A ，ANDRADE C，CHEYREZY M Co n c r e t e c a r b o n a t i o n t e s t s i n n a t u r a l a n d a c c e l e r a t e d c o n d i t i o n s J Ad v a n c e s i n Ce m e n t Re s e a r c h， 2 0 0 3， 1 5 ( 4 )： l 7 1 一 l 8 O G( ) NEN T 。 YAZ 1 C1 0GLU S Th e i n f l ue n c e o f mi ne r a 1 a d mi x一 1 0 3 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 3 1 6 3 t u r e s o n t h e s h o r t a n d l o n g t e r m p e r f o r ma n c e o f c o n c r e t e J Bu i l d i n g a nd En v i r o n me nt ， 2 0 07， 42 ( 8)： 3 0 8 0 3 0 8 5 H0U S T Y F， W I TTM ANN F H De p t h p r o f i l e s o f c a r b o n a t e s f o r me d d u r i n g n a t u r a l c a r b o n a t i o n J C e m。e n t a n d Co nc r e t e Re s e a r c h， 2 0 0 2， 3 2 ( 1 2 )： 1 9 2 3 1 9 3 0 Y0ON I S， C0PUR0GLU 0 ， P ARK K B Ef f e c t o f g l o b a l e l i ma t i c c h a n g e o n c a r b o n a t i o n p r o g r e s s o f c o n c r e t e J At mo s p h e r i c En v i r o nme n t ， 2 0 0 7， 4 1( 3 4 )： 7 2 7 4 7 2 8 5 PAPADAKI S V G ， VAYENAS C G， FARDI S M NFu n d a me n t a l mo d e l i n g a n d e x p e r i me n t a l i n ve s t i g a t i o n o f c o n c r e t e c a r h 0 n a t i o n J AC I Ma t e r i a l s J o u r n a l ， 1 9 9 1 ， 8 8 ( 4 ) ： 3 6 3 3 7 3 R0Y S K 。 P 0 H K B N0RTH W 00D D O Du r a b i l i t y o f c o n c r e t e a c c e l e r a t e d c a r b o n a t i o n a n d we a t h e r i n g s t u d i e s J B u l l d i n g a nd En v i r o n me n t ， 1 9 9 9， 34 ( 5)： 59 7 6 0 6 PARK D C Ca r b o n a t i o n o f c o n c r e t e i n r e l a t i o n t o CO2 p e r me a b i l i t y a n d d e g r a d a t i o n o f c o a t i n g s J C o n s t r u c t i o n a n d B u i l d i n g M a t e r i a l s， 2 0 0 8， 2 2( 1 1 ) ： 2 2 6 0 2 2 6 8 ROZI ERE E ，LOUKI LI A ，CU S S I GH F A p e r f o r m a n c e b a s e d a p p r o a c h f or d u r a b i l i t y o f c o nc r e t e e x p o s e d t o c a r b o n a t i o n J C o n s t r u c t i o n a n d B u i l d i n g Ma t e r i a l s ， 2 0 0 9 ， 2 3 ( 1 ) ： 1 9 O 一 1 9 9 GARCI A GoNZ ALEZ C A ，HI DALGO A ， ANDRADE C， e t a l _ M o d i f i c a t i o n o f c o mp o s i t i o n a n d m i c r o s t r u c t u r e o f Po r t l a n d c e me n t p a s t e s a s a r e s u l t o f n a t u r a l a n d s u p e r c r i t i c a l c a r b o n a t i o n p r o c e d u r e s J I n d u s t r i a l& E n g i n e e r i n g C h e mi s t r y Re s e a r e h， 2 00 6 ， 4 5 ( 1 4)： 4 98 5 4 9 9 2 GARCI A GoNZ ALEZ C A ， GR0U H N ， HI DALG0 A ， e t a 1 Ne w i ns i g h t s o n t h e u s e o f s u p e r c r i t i c a l c a r b o n d i o x i d e f or t h e a c c e l e r a t e d c a r b o n a t i o n o f c e me n t p a s t e s J J o u r n a l o f S u p e r c r i t i c a l Fl u i d s ， 2 0 0 8， 4 3( 3 )： 5 0 0 5 0 9 ( 上接 第 6 6 9页) i n t o c o n c r e t e s t r u c t u r e s C 7 Du r a b i l i t y o f C o n c r e t e D e t r o i t A me r i c a n C o n c r e t e I n s t i t u t e ， 1 9 9 4 ： 4 6 9 4 8 6 8 7 J TG D6 2 - 2 0 0 4 公 路钢筋混 凝土及 预应力 混凝 土桥涵 设计 规范 s J TG D6 2 2 00 4 Co d e f o r de s i gn o f h i g h wa y r e i n f o r c e d c o n c r e t e a n d p r e s t r e s s e d c o n c r e t e b r i d g e a n d c u l v e r t s S ( i n Ch i n e s e ) 洪定海 混凝土中钢筋的腐蚀与保 护 M 北京 ： 中 国铁道 出版 社 ， 1 9 9 8： 2 6 2 9 H 0NG Di n g h a i Co r r o s i o n a n d p r o t e c t i o n o f r e i nf o r c e me n t b a r i n c o n c r e t e M B e i j i n g ： C h i n a Ra i l w a y P u b l i s h i n g Ho u s e ， 1 9 9 8： 2 6 2 9 ( i n Ch i n e s e ) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m