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沿海地區(qū)鋼筋混凝土橋梁的腐蝕與防護設計

發(fā)布時間：2014-07-15

（1.天津市市政工程研究院，天津，300074；2. 蘭州交通大學土木學院，蘭州，730070；3. 天津市市政工程設計研究院，天津，300070）
摘要：針對我國沿海環(huán)境鋼筋混凝土橋梁的耐久性狀況，提出對新建的鋼筋混凝土橋梁要從結構角度和材料角度進行專項防腐蝕設計，同時應進行橋梁健康狀態(tài)的實時監(jiān)測，以橋梁的；對既有橋梁，應針對病害形式、部位進行對應的二次防水、防腐設計，最后提出，對維修后的橋梁應進行整體的防水與防腐處理。
關鍵詞：混凝土，橋梁，腐蝕，耐久性，設計
引言
鋼筋混凝土橋梁一經投入使用，即處于各種復雜的自然和人為環(huán)境的包圍之中，特別是北方沿海地區(qū)，在鹽腐蝕、凍害、進出港的重載交通的綜合作用下，橋梁會過早劣化，發(fā)生各種病害。
從設計之處，對橋梁進行科學的防腐蝕設計；對存在耐久性缺陷的既有橋梁，在健康狀態(tài)診斷基礎上進行合理的二次防腐蝕設計，是保障橋梁耐久性的必要措施。
1新建橋梁的防水、防腐設計
在很多專業(yè)文獻中，都詳細講述了沿海環(huán)境鋼筋與混凝土的劣化模式，諸如凍融、鹽結晶、碳化、鹽腐蝕、堿集料反應和因此而誘發(fā)的鋼筋銹蝕等，此處不再贅述，但了解各種破壞的反應機理后，可以看出：水是引起一切破壞的元兇，沒有水的存在，一切破壞便都不會發(fā)生，做好防水工作，也就做好了防腐蝕。
1.1結構的防水設計
１）構件外形有利水的排除
結構的外形構造要盡量避免雨水、水氣和有害物質在混凝土表面上的積聚。過去的橋梁設計對此考慮的不周，雨水通過欄桿外側流向邊梁，所以邊梁外側病害最嚴重。從防水角度，要求欄桿等外側構造圓滑，并有滴水檐。墩臺頂面設計成5%外向斜面，或斜面向內以便水匯集集中排除。
２）墩柱防水設計
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、結晶腐蝕、凍融循環(huán)、碳化，因此，防護的重點是防止毛細管吸水。建議考慮硅烷浸漬保護，硅烷（或硅氧烷）特殊的小分子結構，使其沿毛細孔穿透混凝土的表面，與空氣及基底中的水分產生化學反應，在毛細孔的內壁生成羥基團，從而在毛細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孔上升，大大提高了混凝土的防水性和綜合性能。
３）上部結構應盡量選用現澆形式
過去的橋梁預制安裝的比較多，尤其焊接連接的預制梁之間，在使用過程中容易在連接處發(fā)生應力集中，過早出現病害。而現澆結構、先簡支后連續(xù)結構、簡支梁結構梁與梁之間現澆連接的病害相對較輕，應優(yōu)先選用，如采用現澆的防撞墻，找平層與濕接頭混凝土一起澆筑，使預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度。
４）嚴重腐蝕環(huán)境應選用大跨徑預應力粱
鹽漬土或濱海地區(qū)，混凝土的腐蝕主要體現在橋梁的下部結構，大氣中的鹽分對上部結構的作用相對要弱得多。采用預應力技術加大粱體跨徑，盡量減少下部樁基、墩臺的數量，可在投資規(guī)模不變甚至更小的前提下，重點加大下部結構的防護力度。
５）增加混凝土保護層厚度
混凝土保護層的主要作用是使梁板內鋼筋免遭銹蝕。設計中宜使保護層適當加厚，以延緩因碳化引起的鋼筋銹蝕，從而延緩鋼筋銹蝕的發(fā)生時間，縱向受力鋼筋的混凝土保護層最小厚度，應根據環(huán)境類別及混凝土強度來確定。
６）橋梁結構細部防水設計
橋面設計良好暢通的排水系統(tǒng)，可保持橋梁結構不受或較少受水蝕。橋面的縱坡、橫坡必須符合設計要求，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計和瀉水管的構造上應考慮瀝青混凝土層間水的排放。
將防水層的設計在全橋范圍內進行整體考慮．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，使其防水層的設置更趨于合理。
７）重要部位預留陰極保護措施
陰極保護是被廣泛采用的有效措施，在海工結構中應用比較廣泛。橋梁設計中，在一些重要的部位，應預留保護節(jié)點，一旦發(fā)現銹蝕可以迅速啟動保護系統(tǒng)。
８）預設鋼筋工作狀態(tài)實時監(jiān)測系統(tǒng)
結合周邊環(huán)境，在最易出現安全性、耐久性隱患的部位，埋入鋼筋混凝土監(jiān)測系統(tǒng)進行橋梁的健康檢測與監(jiān)測，可及時發(fā)現橋梁的某些缺陷，實時跟蹤缺陷的發(fā)展，適當時候采取必要的技術措施，可在最合適的時間采取經濟的方案，以保障橋梁的安全性，同時為后續(xù)的橋梁設計提供參考依據。
1.2材料的防腐蝕設計
１）普通混凝土的高性能化
以前的設計規(guī)范中，主要考慮混凝土的強度。隨著耐久性意識的提高，普通混凝土逐步向高性能方向發(fā)展。通過加入比水泥顆粒更細小的摻加料如微硅粉、優(yōu)質粉煤灰、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)境下還應摻用引氣劑，密實度增加，混凝土自身抗?jié)B性提高，大大提高混凝土的耐久性。
２）應用鋼筋阻銹劑
對于鋼筋防護而言，在任何情況下混凝土質量都是最重要的。如果混凝土材料或施工質量不好，或設計有缺陷等都會加速病害的發(fā)生和發(fā)展速度。在高質量混凝土的基礎上摻加鋼筋阻銹劑，被認為是長期保護鋼筋延緩腐蝕破壞、實現設計壽命的最簡單、最經濟和有效的技術措施[[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
橋梁因為承受振動荷載，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，應根據結構形式、施工環(huán)境等綜合因素來考慮。設計人員應高度關注國內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上，根據結構受力特性和橋面鋪裝材料性能及施工特點來確定防水設置方案，在設計圖紙上體現細化的防水設計、選材說明，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、防腐設計
隨著時間的推移，橋梁遲早會發(fā)生腐蝕、性能退化，適時二次防水防腐設計，可保證橋梁繼續(xù)健康服役，二次設計包括材料、工藝、維修效果評估，對于維修材料，要與基層粘合強度高，彈性模量與基層基本相同，干縮率小，溫變系數與基層基本一致，施工和養(yǎng)護過程發(fā)熱量低。維修后的效果要達到從安全性、耐久性、適用性以及美學角度等滿足要求，維修后的部分要與周圍色調一致，
結合我們的工作，總結一些橋梁病害發(fā)生后的補救措施。
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型梁外側流淌，滲入混凝土結構內引起鋼筋銹蝕，導致混凝土結構開裂、破碎，鋼筋外露。開裂后雨水和化冰鹽更容易進入結構內，反過來加快了鋼筋的銹蝕過程，使得病害更加嚴重，造成翼板下緣大面積破損。
T型梁間接縫處的裂縫應采取防治結合的原則進行治理，根據橋面鋪裝層破損情況選擇修復方法：
a.全面修復
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。
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晶防水材料)，并加設增強纖維網，涂層總厚度應不小于1.6mm；
iii.在其它結構層表面按1.5Kg/m2的用量分兩遍剛性涂刷優(yōu)止水并養(yǎng)護24小時；
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，然后用細沙作保護層，進行橋面鋪裝。
橋面下縫隙修補見下述局部修復。
b.局部修復
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水泥）進行修補。
邊梁外側及梁體破損的修補方法：解決排水以疏通為主，使橋面排水通暢，采取相應的構造修補措施。

沿海地區(qū)鋼筋混凝土橋梁的腐蝕與防護設計

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使用填縫材料不當，使雨水滲漏導致鋼筋銹蝕后體積膨脹，對鋼筋周圍混凝土結構產生張力導致開裂破損，開裂后雨水和化冰鹽更容易進入混凝土裂縫，從而加快了鋼筋的銹蝕過程和受凍融破壞的程度，使得病害更加嚴重。另外，由于梁與梁之間有一定的空隙，堅硬的石子可能落入縫內，夏天混凝土受熱膨脹空隙變小，石子易將梁端擠碎，也會造成局部破損。
拆除原有伸縮縫的填充材料，按圖2的新構造詳圖進行施工。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，用鋼絲刷清理兩側縫壁，清凈縫內灰塵。
b 用水盾防水膠底漆涂刷縫壁。
c 在縫的兩側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污染路面。在伸縮縫兩側鉆孔植筋。錨筋孔的直徑應比錨筋大5mm，錨筋必須埋設牢固，在孔內灌注調和好的立止水，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。

沿海地區(qū)鋼筋混凝土橋梁的腐蝕與防護設計

圖 2 伸縮縫構造圖
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，必須進行治理。方案如下：
A鑿除全部破損和松動的混凝土，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進行結構修補
C表面用柔性優(yōu)止水進行封閉處理，根據情況考慮是否要增加纖維網。

沿海地區(qū)鋼筋混凝土橋梁的腐蝕與防護設計

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物質的侵蝕等多種因素引起銹蝕，導致梁下部混凝土的鋼筋保護層開裂破碎，鋼筋暴露。混凝土受損后，雨水、化冰鹽等更容易進入混凝土內部，進一步加重病害的發(fā)生。
維修方案
A.鑿除全部破損和松動的混凝土，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結構修補劑修補破損處

沿海地區(qū)鋼筋混凝土橋梁的腐蝕與防護設計

圖4 T型梁縱向開裂修復示意
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物質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。混凝土受損后，雨水、化冰鹽等更容易進入混凝土內部，進一步加重病害的發(fā)生。
維修方案
A.鑿除全部破損和松動的混凝土，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結構修補劑修補破損處。
6）主梁箍筋銹蝕，表皮混凝土破損脫落
由于混凝土保護層厚度不足，造成鋼筋附近混凝土很快炭化，失去對鋼筋的保護，鋼筋銹蝕。
維修方案
A.鑿除全部破損和松動的混凝土，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結構修補材料修補破損處。
6）鋼筋混凝土表面封閉處理
對維修后的橋梁進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)論的觀點出發(fā)，整體封閉后的結構處在同一個電化學環(huán)境下，最大程度避免了維修區(qū)域與原來區(qū)域能態(tài)的不均衡，隔絕了有害介質，從而起到保護鋼筋，降低其銹蝕速度作用，提高結構的耐久性［[3]］。
７）維修后結構評估
對結構維修后的效果進行現場評價非常重要，最近英國研制出了可對現場鋼筋混凝土結構進行無損檢測或半損檢測系列儀器，操作簡單，方便可靠，國內多家科研院所都已引進。如PERMIT離子遷移儀，可對離子擴散的能力進行快速檢測評定的，從而可用于預測結構物的使用壽命；Autoclam混凝土滲透性測試系統(tǒng)，可用于現場檢測混凝土表層的水、氣的滲透性；Limpet拔出測試儀可現場評價混凝土施工質量，用于新建和維修工程的強度檢測、界面結合力檢測。
３結論
提高沿海環(huán)境橋梁抗腐蝕性能是一項系統(tǒng)工程，新建橋梁和既有橋梁各有其特點。實際工程中要從結構設計、材料設計與工藝設計等各個環(huán)節(jié)著手，對既有橋梁，還應考慮維修后的整體性封閉，以保證結構整體的耐久性能。

上一條橋梁結構健康監(jiān)測
下一條公路橋梁的加固措施

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