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关于钢筋混凝土桥梁耐久性设计的几点体会

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2017/02/28 16:41
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1 引言

    在世界范围内,对钢筋混凝土耐久性的重视始于上世纪70年代末。国内从上世纪90年代开始重视对结构耐久性的研究,这些研究大多是从材料和统计分析角度进行的,对如何从结构和设计的角度,即如何以设计和施工人员易于接受和操作的方式来改善桥梁耐久性却很少有人研究[1]。

实际上,目前的钢筋混凝土桥梁设计中,对于耐久性更多的只是作为一种概念受到关注,既没有明确提出使用年限的要求,也没有进行专门的耐久性设计。结构的耐久性设计与常规的结构设计有着很大的区别,目前应努力将耐久性的研究从定性分析向定量分析延伸。

    长期以来,许多设计人员往往只满足于设计规范对结构强度计算上的安全度需要,而忽视从结构体系、结构构造、结构材料、结构维护、结构使用、结构耐久性以及从设计、施工到使用和维护全过程中经常出现的人为错误等方面去加强和保证结构的安全性。

    在欧洲国家(如德国、丹麦等),非常重视对结构物进行性能设计(即PBD, Performance Based Design),内容包括结构的变形、裂缝、振动、美观、耐久性能、疲劳性能等。PBD研究主要是为了使结构在运营过程中除了保证最低的安全性要求外,尚应有良好的使用性能(包括寿命和耐久性、抗腐蚀、耐疲劳性能、美观等)。就其本质而言,欧洲国家的PBD理论,主要研究结构在使用过程中表现出来的服务性能,分析使用性能弱化的原因及其发生的机理、规律,寻求新的结构设计理念和方法。

   从欧洲人的观点来看,PBD似乎是对以耐久性为核心的结构使用性能指标的综合考虑。这一观点应该对国内工程界有所启示[2]。

   2 钢筋混凝土桥梁破坏的主要模式 

   根据调查归纳,钢筋混凝土桥梁的破坏模式可以分成以下几类:

   2.1 盐结晶胀裂模式

   在海滨或跨越河流(特别是排污河)以及盐渍土地区的桥梁墩台经常发生此类破坏。由于毛细作用,混凝土孔隙中充满了液体,当水位及环境温度变化时,液相中的盐份析出,在一定温度和湿度下转化为体积膨胀的结晶水化物,使混凝土结构胀裂,进而导致钢筋锈蚀,体积膨胀,加重了混凝土的开裂,造成恶性循环。

   2.2 水冻融破坏模式

   这种破坏模式主要发生在我国的三北地区。水在负温下发生相变,转化成冰,体积膨胀9%左右。当混凝土处于饱水状态,因温度的降低,毛细孔中的水结成冰,对周围造成挤压,反复的结冰、融化,长此以往使混凝土结构疏松,失去强度。

    2.3 盐冻破坏模式 

    为保证冬季雪后道路交通畅通,在立交桥梁上为融化冰雪大量采用除冰盐是通常的做法。调查发现,使用10~20年左右的桥梁,除冰盐对钢筋混凝土桥梁结构的钢筋产生严重的腐蚀;使用不到10年的桥梁,在氯离子影响范围,钢筋也处于锈蚀状态。由于我国北方冬季气候非常干燥,使用除冰盐后,盐水很容易进入结构混凝土,在干湿条件下,高浓度化冰盐能产生足够高的盐结晶压和渗透压,造成混凝土膨胀破坏.由此引起的盐冻剥蚀危害比水冻剥蚀更为严重。

    2.4 钢筋锈蚀破坏模式

    当存在混凝土保护层偏薄、有裂缝、抗掺性能差、氯盐侵入等原因,钢筋与渗入的水份、无机盐、氧气等反应引起钢筋锈蚀,锈后体积膨胀,使混凝土开裂并与钢筋剥离。甚至引起混凝土大面积疏松、脱离。混凝土破坏又进一步加剧钢筋的锈蚀,形成恶性循环。   

    2.5 结构受力破坏模式

    钢筋混凝土桥梁结构中,不可避免地由于温度应力、收缩徐变、荷载作用、地基不均匀沉降等原因造成结构混凝土开裂,开裂部位受到渗漏水等的侵蚀,引起裂缝迅速开展。并向结构内部延伸,直接侵蚀钢筋。钢筋的锈蚀又加剧了混凝土裂缝开展,导致混凝土大面积松散以致脱落。

    2.6 碱—骨料反应破坏模式

    碱—骨科反应是指骨料中活性组分与混凝土中的碱发生反应并导致混凝土膨胀开裂。碱骨料反应主要分为两类:碱—硅酸反应和碱—碳酸盐反应。发生碱骨料反应要有三个条件:

 (1)有活性骨料;

 (2)水泥或混凝土中合碱量过高;  

 (3)要有反应所需的水分。

    2.7 综合破坏模式

    当存在多个因素造成混凝土破坏,而且主次不明显,或者这些因素间存在明显的协同效应,造成的混凝土耐久性急剧下降,称为综合破坏模式。一般说来,单一因素造成的破坏较少,以多种因素造成的综合破坏为多。

    分析以上桥梁破坏模式,初步得出如下结论:

    首先,水冻融和盐冻是引起某些钢筋混凝土桥梁破坏的主要因素。北方的混凝土桥梁工程在冬季处于十分恶劣的水冻融环境,年冻融循环次数多,并接触化冰盐水,兼有盐冻破坏作用,而目前在混凝土桥梁工程的设计施工中,均没有对混凝土的抗冻性提出明确要求。

    其次,钢筋锈蚀引起的混凝土破坏也很严重。钢筋保护层较薄、各种因素造成混凝土开裂、流水侵蚀和Cl离子腐蚀是钢筋锈蚀的主要原因。

第三,混凝土选材、配合比和施工自身存在的质量问题,是一些早期修建的立交桥耐久性不良的一个主要原因。

    而最基本的,桥梁防水的失效或根本就没有防水措施,是所有病害发生的直接诱因。

    3 目前国内桥梁防水现状

    自20世纪80年代中期,我国城市道路和桥梁的大量兴建,不少城市桥梁不做防水或防水材料选材不当、施工存在缺陷,造成桥面渗水、钢筋锈蚀、铺装层剥落、碱骨料反应等,引起混凝土胀裂等损坏问题,严重影响了桥梁的耐久性和正常使用寿命,以及行车的舒适性和安全性。由此,城市桥梁结构防水技术的研究不得不提到议事日程上来[3]。

    从20世纪90年代初,人们对城市桥梁防水技术开始关注并进行专题研究(北京从首都机场高速公路开始,上海从南浦大桥开始)。

    1993年颁布的我国现行《城市桥梁设计准则》(CJJ11-931)规定, “桥面系产生负弯矩(悬臂梁、连续梁、刚架,及连续板和大挑臂板等),桥面顶面产生拉应力,则全桥面(包括车行道和人行道部分)均须设置柔性防水层;若上部构造为双向预应力混凝土结构,在设计荷载下,主梁上缘及桥面板上缘(纵、横向)不产生拉应力,则可只设铺装,不另设防水层。规定具有钢筋混凝土桥面的钢梁,全桥面应设置柔性防水层”。

     一般来讲柔性铺装桥面的桥梁防水主要采用柔性铺装防水(卷材类)、涂料类;刚性铺装桥面采用涂料类和防水砂浆,以及采用钢筋防腐等工艺。

    城市桥梁桥面铺装中,通常采用两种防水技术:

    涂料防水  防水涂料种类较多,包括聚氨酯弹性防水涂料、环氧类防水涂料和聚合物改性沥青防水涂料。

    卷材防水  防水卷材有较好的韧性,能承受一定的压力、振动和变形,具有较好耐腐蚀和抗渗能力。

    近年来,许多新型的、环保型防水材料,如聚合物水泥防水涂料、喷涂无机水性水泥密封防水剂开始广 泛应用于桥面防水。因其具有极强的渗透扩散能力,可以浸入桥面板水泥混凝土内,同时与水泥拌和物中的碱类物质反应、偶联,生成不溶于水的凝胶体,从而堵塞混凝土内部毛细空隙和细微裂缝,进一步增加了密实度,形成与桥面板融为一体的永久性密封防水层。

    以往的城市桥梁防水,主要是指桥面防水,其质量的好坏与桥面是否漏水关系密切。而实践证明,仅仅采取铺设桥面防水层的处理方法是远不够的。

    4 桥梁整体性防水理念 

    传统的防水观念和做法,是单一的防水或局部的防水,也是被动性的防水。比如目前应用较多的桥面防水层设置,初衷是防止大面积的桥面漏水,而对于边、角和一些重点部位几乎没有专门的处理,有些地方做过处理也是按房屋建筑工程传统的施工作法,没有考虑桥梁的特殊性,桥面防水未达到预期目的。因此,在对大量的工程实例调查和对国内外有关文献研究的基础上,提出了桥梁整体性防水设计的思想和理念。

    早在20世纪的80年代末,国外就有专家提出:“构造防水要全面、多道设防,并由设计人员事先完成方案”。这就是我们今天讲的整体性防水和主动性防水的初级概念。

    整体性防水理念应当是:从结构工程设计开始,就把整体防水的设计思想、理念,按照功能要求和工艺要求,作为桥梁工程的一部分进行认真而科学的规划设计,并制定出切实可行的防水实施方案(包括保护措施方案),在施工中做到结构工程与防水工程相互合作,密切配合,使“综合治理、整体防水”的设计思想真正得到落实,最终达到工程具备良好的防水效果。因此,整体性防水又被称为主动性防水。

    整体防水设计的突出特点是:全面、主动。所谓全面,就是包括钢筋混凝土桥梁所有部位可能出现渗漏水的地方,要进行全面的整体的科学设计(包括相关的结构设计);所谓主动,就是在桥梁结构设计过程中,充分考虑桥梁每一部位受力特点、施工工艺特点以及可能渗漏水的原因,进行事前的、主动的预防,并将其贯穿在整个桥梁设计当中,使施工单位、业主单位、监理单位等有关部门按照设计图纸进行施工和监督管理。

    5 提高钢筋混凝土桥梁耐久性的措施

    国内外的研究和实践都表明,结构耐久性对于桥梁的安全运营和经济性起着决定性作用。

    5.1钢筋混凝土桥梁结构防水应着眼于“自身防护”,应用高性能混凝土

    自20世纪80年代以来,工程建设领域以提高耐久性为目标,广泛采用高性能混凝土。高性能混凝土不同于普通混凝土,它加入了比水泥颗粒小约100倍的胶凝材料如微硅粉、优质粉煤灰,并采用高效减水剂使混凝土可以采用较低的水灰比以及良好的养护条件。其结果是减小了骨料与胶凝材料间的间隙,使其粘结强度提高,在混凝土整体强度提高的同时,密实度增加,混凝土自身抗渗性提高,从而可大大提高混凝土的耐久性,这已在世界各地引起人们的广泛重视。

    5.2 钢筋阻锈剂的应用

    对于钢筋防护而言,在任何情况下混凝土质量都是最重要的。如果混凝土材料或施工质量不好,或设计有缺陷等都会加速病害的发生和发展速度。在高质量混凝土的基础上掺加钢筋阻锈剂,被认为是长期保护钢筋延缓腐蚀破坏、实现设计寿命的最简单、最经济和有效的技术措施。

加入钢筋阻锈剂能起到两方面的作用:一方面推迟了钢筋开始生锈的时间,另一方面,减缓了钢筋腐蚀发展的速度。

    5.3 增加混凝土保护层厚度

    混凝土保护层的主要作用是使梁板内钢筋免遭锈蚀,尤其应注意与周围环境相联系,与混凝土的操作工艺相联系,以保证结构在应有的使用寿命期内,其功能完好。目前国际的总趋势宜使保护层适当加厚,以延缓因碳化引起的钢筋锈蚀,从而使结构物的耐久性得到增加,纵向受力钢筋的混凝土保护层最小厚度,应根据环境类别及混凝土强度来确定。

    5.4桥面防水设计

    目前不少设计人员对桥梁防水设计重视不够,对防水材料,特别是对一些新型防水材料缺乏系统的了解,因而在设计图纸上无细化的防水设计、无选材说明,往往造成施工单位选材不当,降低了设计标准,影响桥梁使用寿命和耐久性。

    整体防水设计实际上就是将各个关键的细部防水处理进行汇总。它们之间既相对独立,又相互协防。设计的前提条件是防水效果好,选材符合桥梁的特殊性,防水层耐久,易于维护且经济合理,尽量不能有遗漏,同时,所用的处理方法应该是最适宜的。

    5.4.1桥面防水层

   对于桥面防水层,不能像以往一样简单地在设计图上表示出设置防水层即可,也不是由施工人员或业主方就能够确定这些需要计算的参数,而是必须要有设计人员进行仔细计算,在充分了解防水材料性能的基础上,根据结构受力特性和桥面铺装材料性能及施工特点来确定防水设置方案。桥梁为承受振动荷载的结构,桥面防水层宜采用柔性的涂料与卷材防水材料,防水涂料与防水卷材,应根据结构形式、施工环境等综合因素来考虑。

    5.4.2桥梁防水的细部设计

    设计单位应将防水层的设计在全桥范围内进行整体考虑.特别是在伸缩缝处、泄水管处、防撞墙与分隔带边缘,等特殊部位做到防水层的连续性,使其防水层的设置更趋于合理。同时与结构设计统筹考虑,如:预制的钢筋混凝土梁桥和预应力混凝土梁桥的横向铰缝处,应保证其在运营过程中有足够的刚度,减小其变形、使铺装层的受力与主梁的受力相协调、保证防水层正常工作。

    5.4.3外翼缘板的防水

    过去设计人员对桥梁外侧翼板防水重视不够,致使许多城市立交桥在经过雨水、雪水,特别是冬季的融雪盐碱水冲洗后,留下许多白色沉积物,既不美观又可能造成对翼缘板的腐蚀。设计人员通过改变外侧翼缘板结构外形即可阻断各种水对翼缘板的浸蚀,起到防水作用

    5.4.4泄水管及周边防水

    桥面防水的设计理念应该是“防排结合,以排为主”。这是因为再好的防水层,如果长期浸泡在水中,加之动荷载的作用,就会加大其破坏的程度,缩短使用周期,同时,冻胀作用会使桥面隆起,加速桥面铺装的破坏。桥面的纵坡、横坡必须符合设计要求,泻水管的布置合理,使桥面排水通畅,另外在桥面铺装层设计和泻水管的构造上应考虑沥青混凝土层间水的排放。

    5.4.5预制梁接缝处防水

    由于工期紧张,设计上经常采用预制T型梁桥的做法,由于湿接头的存在,在混凝土收缩作用下,新旧混凝土截面势必开裂。由于T型梁安装后,相邻翼板的高差可能达到2—3cm,为下一步工序施做,必须铺设找平层,且不与T型梁顶面连接,从而形成一大块薄板(6—8cm),在车辆荷载的长期作用下,易产生碎裂造成漏水。因此,建议找平层与湿接头混凝土一起浇筑,使预制梁接缝和桥面找平层成为一体,共同参加工作,这样可以大大提高接缝处的抗拉强度。

    5.4.6中央隔离带处防水

    实际施工中,中央隔离带有两种做法,一是不做防水处理,这种情况多用于跨河桥或桥下无人、车通过的情况;二是进行简单防水处理,一般城市立交桥梁多采用此种作法。特别注意的是,此处的防水层上一般为轻体材料或种植土,极易吸附水体,长期浸泡会使防水层出现脱粘现象,因此,防水基底的(纵)坡度必须按照要求做好,以利于池内的水能够迅速排走。

    5.5桥梁结构防水设计

    桥面设计良好畅通的排水系统,是保持桥梁结构不受或较少受水蚀的条件,但考虑水侵蚀的影响,除主梁外还会涉及盖梁、墩柱、桥台等,这些部位的防水设计也十分重要。比如盖梁顶的排水坡、水中桥墩(特别水位变动区)等特殊部位。

桥梁的防撞系统,是冬季除冰盐水最易危害的部位,对这部分结构的细致的耐久性设计是十分必要的,这不仅涉及防撞系统自身的耐久性,如前面提到的,它还涉及到与其相连接的主体结构的耐久性。防撞护栏与主体结构的连接应采用整体现浇,避免采用预制安装的形式,防止安装过程对桥面防水层的破坏以及预制块导致的桥面至主体混凝土结构的水通道。防撞护栏的自身抵抗氮离子侵蚀的考虑也是非常必要的。

    5.6 混凝土表面封闭处理

    密封剂和涂装材料的功能主要是减少钢筋混凝土结构中的电解液,从而减缓电化学锈蚀反应的进程。另外,密封剂和涂装材料还可以防止化冰盐、二氧化碳和氧气等对结构的侵入从而减缓钢筋的锈蚀,这类保护还可以降低冻融循环对结构的破坏,提高结构抗冻融循环的能力。使用渗透型密封剂保护钢筋混凝土桥梁不受水、化冰盐和酸雨的侵蚀已经是常规的做法了[5]。相对低廉的成本和易于施工是这类材料的主要优点。北方第一桥——“丹拉”高速公路线上的天津滨海大桥主塔和主梁,就是采用加拿大慎实公司的先进技术和材料进行了预防性的表面保护,获得了各方好评。

    6 结论

    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。

     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。

国外在这方面已经走过数十年,已经有比较成熟的材料和工艺,可以借鉴,但必须指出的是,我国的自然环境、经济发展水平、混凝土性能与国外有一定差距,必须要结合我国具体情况进行改进。 

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