摘 要:針對西北氣候特點,討論鐵路橋梁保護層混凝土的碳化特征,并結合現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)分析既有橋梁保護層混凝土的碳化規(guī)律,基于混凝土強度和碳化深度的測試值提出保護層混凝土碳化壽命預測公式,并給出干旱地區(qū)橋梁混凝土強度和保護層厚度的建議值。
關鍵詞:鐵路橋梁; 碳化; 壽命預測; 耐久性
中圖分類號:U448113 文獻標識碼:A
文章編號: 1004 2954 (2007) 05 0045 03
鐵路鋼筋混凝土橋梁隨著服役時間的延長,受設計、施工和周圍大氣環(huán)境作用的影響,逐漸出現(xiàn)了老化現(xiàn)象,其中,大氣環(huán)境下保護層混凝土碳化是造成橋梁耐久性降低的主要原因之一。據(jù)2003年的鐵路秋季檢查結果,全國鐵路有失格橋梁7 352座(占橋梁總數(shù)的181．5%) ,其中混凝土梁體發(fā)生順筋開裂3 345孔,大面積銹蝕3 390孔。嚴重時,保護層混凝土因碳化而出現(xiàn)銹脹開裂,不得不提前維修甚至大修。我國地域遼闊,氣候環(huán)境復雜多變,影響混凝土碳化速度的因素也很多,因此,建立統(tǒng)一的碳化深度理論預測公式是不現(xiàn)實的。結合各地區(qū)氣候環(huán)境特點,在對既有鐵路橋梁調(diào)查檢測的基礎上,對在役混凝土橋梁的碳化壽命進行預測,以便及時采取維修措施,減緩保護層混凝土碳化進程,對今后鐵路橋梁的使用和維護乃至鋼筋混凝土橋梁耐久性設計都具有重要的技術和經(jīng)濟意義。
西北地區(qū)降雨較少,蒸發(fā)量大,給橋梁混凝土的施工養(yǎng)護和后期材料性質(zhì)帶來不利影響。筆者結合西北地區(qū)的氣候特點,對保護層混凝土的碳化特征進行了討論,分析了西北地區(qū)在役橋梁混凝土的碳化規(guī)律,基于測試數(shù)據(jù)提出了保護層混凝土碳化壽命預測公式,對鋼筋混凝土橋梁保護層厚度的取值進行了討論。
1 西北地區(qū)混凝土碳化特點
保護層混凝土的性質(zhì)對結構的耐久性起著關鍵作用,但由于保護層混凝土含有較多的細集料、水泥和水,使得表層混凝土的孔隙結構和物理化學特性與內(nèi)部混凝土差異很大。大氣環(huán)境下,混凝土碳化是一個緩慢的破壞過程,混凝土的碳化速度與結構混凝土保護層的質(zhì)量和大氣環(huán)境密切相關。空氣中的CO2 通過保護層混凝土孔隙,由外向內(nèi)進行擴散,在一定的濕度條件下,與混凝土中的Ca (OH) 2 反應生成CaCO3。
由于碳化后的混凝土堿度降低,將造成鋼筋表面鈍化膜破壞,保護層混凝土失去對鋼筋的保護作用。野外暴露環(huán)境中的H2O、O2 會通過保護層擴散到鋼筋和混凝土界面,使鋼筋發(fā)生電化學腐蝕反應。由于鋼筋銹蝕后體積較原體積增大2～4倍,銹蝕層會導致保護層脹裂。開裂后的鋼筋混凝土結構會以更快的銹蝕速度劣化,最后導致耐久性失效、結構承載能力下降甚至誘發(fā)結構破壞。
在干旱地區(qū)施工的混凝土橋梁,由于表層混凝土干燥快、水化不充分等原因,在高原環(huán)境強烈的溫差變化和風效應影響下,混凝土的收縮和脆性的增加,造成混凝土表面出現(xiàn)網(wǎng)狀裂紋,使酸性氣體在普通混凝土中擴散速度較快,這對野外暴露環(huán)境下橋梁混凝土的抗碳化性能是不利的。山東建筑科學研究院通過試驗研究[ 1 ] ,給出相對濕度為90%、70%和50%的室內(nèi)條件下,混凝土碳化速度的平均比率約為016∶110∶114。
現(xiàn)場調(diào)查也表明,在風口、戈壁地段, 20世紀70年代建造的鋼筋混凝土梁,碳化深度有的達到30～40 mm,梁體表面已出現(xiàn)風化現(xiàn)象。為保證橋梁結構的耐久性,避免后期高額維修、加固費用,應針對西北地區(qū)的環(huán)境特點和混凝土材料特性,對保護層混凝土的厚度和材料強度提出限定要求。
2 鐵路橋梁混凝土碳化深度預測
國內(nèi)外的大量碳化試驗與碳化調(diào)查結果均表明,混凝土碳化速度與CO2 濃度的平方根成正比,混凝土的碳化過程遵循Fick第一擴散定律,碳化深度與碳化時間的平方根成正比[ 2 ] ,由此導出的碳化深度理論計算公式為
其中, x為碳化深度, k為碳化系數(shù), t為碳化時間。
對于碳化系數(shù)的確定,國內(nèi)外基于材料試驗和現(xiàn)場調(diào)查提出了不少預測公式,但受試驗條件和數(shù)據(jù)來源的限制,這些公式都有一定的局限性,實際應用過程中誤差較大。為了解西北地區(qū)橋梁混凝土的碳化規(guī)律,在青藏、蘭新、包蘭鐵路沿線選擇有代表性的鋼筋混凝土梁進行了碳化深度檢測。檢測時,首先采用超聲回彈綜合法測定混凝土強度,然后在梁體腹板位置鉆孔,清孔后,向孔內(nèi)噴灑1%的酒精酚酞試劑,根據(jù)顯色情況判斷碳化深度。部分長齡期橋梁的混凝土強度和碳化深度測試結果見表1。
從檢測結果來看,梁體混凝土強度較低時,保護層混凝土碳化系數(shù)較大,而且數(shù)據(jù)離散性較大。隨著混凝土強度的提高,保護層混凝土碳化系數(shù)明顯下降,基本符合拋物線規(guī)律,見圖1。
將表1中試驗數(shù)據(jù)進行回歸分析,得到干旱地區(qū)混凝土強度fcu, k和碳化系數(shù)k的關系為
k = 01004 2f2cu, k - 01425 1fcu, k + 101762 (3)
式(3)確定系數(shù)R2 = 01974 3接近110,回歸效果較好。
由此可得到干旱地區(qū)普通鋼筋混凝土橋梁的碳化深度x與使用年限t的關系為
x = (01004 2f2cu, k - 01425 1fcu, k + 101762) t (4)
式( 4)適用于普通硅酸鹽混凝土的情況,如施工期間混凝土中摻加外加劑,其碳化深度數(shù)值應結合實測結果另行考慮。摻加外加劑或減水劑后,梁體混凝土密實度較普通混凝土顯著增加,大大增強材料抵抗大氣環(huán)境侵蝕的能力。表2列出了青藏鐵路西格段2座施工時摻加外加劑的梁體在使用幾十年后的碳化深度數(shù)值,其值遠小于相同強度等級的普通混凝土碳化深度。
3 橋梁混凝土的耐久性要求
3．1 橋梁混凝土保護層厚度
鋼筋混凝土結構,混凝土保護層是內(nèi)部混凝土和鋼筋免受環(huán)境物理、化學侵蝕的屏障,對混凝土保護層厚度的確定應給予足夠的重視。保護層厚度應從受力鋼筋(包括主筋和箍筋)外緣算起,選值上應以控制使用期內(nèi)混凝土碳化鋒面不至于達到鋼筋為目標。日本規(guī)定,在一般環(huán)境下,最靠近混凝土表面的鋼筋保護層不應小于30 mm;德國考慮施工因素影響,甚至規(guī)定設計采用40mm的保護層厚度以保證實際結構物的30mm厚度。
近年來,我國鐵路混凝土橋梁結構設計規(guī)范在混凝土耐久性方面取得了顯著的進步?，F(xiàn)行規(guī)范規(guī)定:設計使用年限100年,不同環(huán)境作用等級情況下離混凝土表面最近的普通鋼筋(主筋、箍筋和分布筋)的混凝土保護層厚度應不小于最小厚度Cmin (35～60 mm)與混凝土保護層厚度施工允許偏差負值Δ之和[ 3 ] 。
在役的既有鐵路混凝土橋梁,由于當時采用的設計規(guī)范混凝土保護層厚度較小(混凝土保護層厚度不得小于30 mm,也不宜大于50 mm,但板的高度小于300 mm時,保護層厚度可減為20 mm,箍筋的保護層厚度不得小于15mm) ,這些混凝土橋梁受當時施工質(zhì)量的影響,鋼筋的保護層厚度經(jīng)常不足,梁體某些箍筋的保護層厚度有的僅數(shù)毫米,從而造成梁體混凝土提前銹脹開裂。
對鐵路某干線區(qū)段混凝土橋梁實測結果表明,保護層厚度基本服從正態(tài)分布,現(xiàn)場抽樣檢測246組鋼筋混凝土梁主筋保護層厚度,平均值27．7 mm,均方差3．57 mm,檢測數(shù)據(jù)稍小于設計值。在今后的設計中,如按保護層厚度概率分布的某一百分位數(shù)確定保護層厚度的有效值[ 4 ] ,設保護層厚度的平均值為a,均方差為σ,則具有85%保證率的保護層有效厚度可表示為
ae = a – 1．037σ (5)
如橋梁使用壽命按100年考慮,為避免鋼筋銹蝕,利用實測數(shù)據(jù)回歸公式( 4)和保護層有效厚度表達式,建議西北地區(qū)未摻加外加劑的鐵路橋梁普通鋼筋混凝土的保護層厚度數(shù)值見表3。
3．2 橋梁的防排水要求
由于鐵路橋梁道碴槽的槽形構造特點,當?shù)啦瓴蹆?nèi)的道碴清篩不徹底,如果結構排水處理不當,大氣降水結束后,部分水體在槽內(nèi)會積聚一段時間,造成泄水孔病害,見圖2。當水體流經(jīng)混凝土保護層時,干燥的混凝土通過滲透和毛細管效應吸取大量的水分,并影響到附近約50 cm的范圍,使該區(qū)域混凝土的含水量迅速增加,混凝土電阻大幅下降,鋼筋電化學腐蝕所需的水環(huán)境得到滿足。橋梁混凝土表面由于荷載、溫差效應、收縮、環(huán)境侵蝕造成的微裂紋,特別是毛細管尺度上的微裂紋,具有很強的保持水分的能力,使得橋上排水在保護層滯留時間增加,延長了鋼筋電化學反應的時間。自然環(huán)境下保護層浸潤和大氣干燥的交替進行,混凝土內(nèi)部不會達到完全飽水和非常干燥,必然加劇鋼筋銹蝕速度,即便該區(qū)域附近的碳化深度未到鋼筋表面,受降水浸漬影響,也將發(fā)生嚴重的銹脹開裂,見圖3。
對碳化深度較大的梁底混凝土進行破型檢查發(fā)現(xiàn),在沒有雨水侵蝕的地方,鋼筋一般未出現(xiàn)銹蝕現(xiàn)象或僅有微量的浮銹,橋梁鋼筋銹蝕主要集中在有雨水流經(jīng)的梁間縫、梁底、腹板、梁端等區(qū)域。因此,應做好泄水管周圍的防滲,加長泄水管長度,改善梁端和梁間縫排水設計,避免道碴槽積水在梁體表面漫流。
以上分析可見,為保證橋梁的耐久性,減少因大氣環(huán)境侵蝕造成的鋼筋銹蝕病害帶來的巨額修補費用,對目標使用壽命為100年以上的橋梁,在今后的橋梁設計中,應根據(jù)干旱地區(qū)的氣候環(huán)境特點,采用C35以上鋼筋混凝土,或在混凝土中摻加外加劑,以增加混凝土的密實度和抗侵蝕性能,同時加強橋梁的防、排水設計,并做好維修養(yǎng)護工作。
4 結論
現(xiàn)場調(diào)查和檢測數(shù)據(jù)表明,保護層混凝土強度與碳化深度明顯相關。為避免后期巨額維修、加固費用,保證橋梁的使用壽命,針對目前規(guī)定的保護層厚度,西北地區(qū)鐵路混凝土橋梁設計應采用C35 以上的普通硅酸鹽混凝土而且鋼筋保護層厚度(包括構造鋼筋等)不得小于15 mm,并充分重視橋梁的防排水設計。
在材料試驗的基礎上,使用外加劑可增加保護層混凝土的抗侵蝕性能。
參考文獻:
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