探讨钢筋混凝土桥梁结构耐久性分析

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　　摘要: 提高钢筋混凝土结构耐久性是一项系统工程，要从设计、选材与施工、维护各个环节着手，特别要以体现设计为前提、为龙头的指导思想改进我国桥梁防水、防腐结构设计。尽快改变目前我们在设计图纸上无细化的防水设计、无防水选材说明，造成防水设计上选材不当，降低设计标准，影响桥梁使用寿命和耐久性的现状。
　　
　　 关键词：钢筋混凝土桥梁结构耐久性
　　
　　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。
　　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。
　　 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。
　　 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。
　　 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。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。
　　 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，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。
　　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。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。
　　 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。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。
　　 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，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。对于新建桥梁，建议进行钢筋混凝土结构的预防性保护；对于已经发生病害的桥梁，在进行病害治理的同时，还要做表面的防护，以延长结构的使用寿命。

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