钢筋混凝土桥梁的耐久性分析

试论钢筋混凝土桥梁的耐久性分析【摘要】本文根据大量的己建钢筋混凝土桥梁的运营状况，分析研究了影响钢筋混凝土桥梁结构耐久性的主要因素，如混凝土的碳化、混凝土的冻融循环、混凝土的碱集料反应等;针对影响钢筋混凝土结构耐久性的因素提出了提高钢筋混凝土结构耐久性的措施。

【关键词】钢筋混凝土桥梁；耐久性；混凝土碳化

如今，我国大力发展公路交通工程,基础设施建设规模异常宏大，每年投资20000亿元来兴建桥梁、公路等。桥梁作为现代交通重要组成部分，在促进社会发展、经济建设中起重要的作用。有专家估计，我国“大干”基础设施工程建设的高潮还可延续20年，但是由于对耐久性忽视，我国不久会有“大修”几十年的高潮，其耗费将大大高于当初这些工程施工建设时的投资，可见，耐久性问题不仅带来安全问题，还带来经济性和可持续性等问题。试想如果仍然不关注桥梁结构耐久性，随着桥梁服役时间的增长，在本世纪10-30年代，我国也将有越来越多的桥梁进入到维修期，届时所需的维修费或重建费会给我国带来沉重的经济负担。由此可见，加强钢筋混凝土桥梁的耐久性研究极其重要，不但能提高工程技术人员和决策者以及对结构耐久性更深的认识，而且带来的经济效益和社会效益也将是巨大的。

1．耐久性的概念

至今为止，耐久性的定义还未得到统一的认识。通常认为，材

料的耐久性是在使用过程中经受(抵抗)各种破坏因素的作用(破坏力)而能保持其使用功能的能力。清华大学研究人员认为材料的耐久性是指材料与环境相互作用过程中的行为特征及其在时间上的

反映。也就是寿命。如果一种材料在使用环境中能够满足设计和使用要求，那么它就是耐久的。

从上面的定义可以看出，影响材料耐久性的因素有三个：材料、环境和其相互作用的途径，三者缺一不可。要想提高材料的耐久性，只要改变三要素中的一个就可以了。

2．影响钢筋混凝土桥梁耐久性的主要因素

钢筋混凝土桥梁的建设受到诸多因素的影响，而建成后桥梁所处的环境又是非常复杂而且是多变的。因而，影响钢筋混凝土桥梁耐久性的因素很多。通常把影响钢筋混凝土桥梁耐久性的因素分为两类，一类是内因的影响，如所选用的设计因素的影响，施工质量的影响，材料的质量，结构功能的影响等。第二类是外因的影响，如自然环境的影响(温度、风、湿度、二氧化碳的浓度等)，人为的破坏，自然灾害的影响(地震、海啸等)。也有可能是内因、外因交叉影响造成的。

2.1 混凝土的碳化

混凝土的基本原料是水泥、砂、水和碎石,在其形成过程中,核心的化学反应是水与水泥发生的水化反应。水化反应是将散粒状的砂与碎石粘结在一起,生成具有强度的水泥石。混凝土是一个多孔体,在其内部存在着许多大小不同的毛细管、气泡和孔隙。空气中

的 co2首先渗透到混凝土内部的毛细管和孔隙中,然后溶解于毛细管中的液相物质, 再与水泥水化过程中产生的ca( oh) 2、硅酸二钙和硅酸三钙等水化产物发生化学反应, 生成 caco3。在特定情况下, 混凝土的碳化会增加其密实性, 但是绝大部分情况下,混凝土的碳化对混凝土是一个有害的化学反应过程。碳化会降低混凝土的碱度, 破坏钢筋表面的钝化膜, 造成钢筋的锈蚀。同时混凝土的碳化会加剧混凝土的收缩, 有可能导致混凝土的开裂以及结构的破坏,对钢筋混凝土结构的耐久性极为不利。

2.2 冻融循环对混凝土耐久性的影响

混凝土是一种多孔结构，在混凝土的凝胶孔和毛细孔中有水分存在，这些水分有两种来源:一种是由外界环境渗入的；另一种则是在混凝土拌合时加入的，混凝土硬化后以游离水的形式存在于混凝土中。当环境温度降低到水的冰点以下时，水就会结冰，体积膨胀9%。当混凝土中有超过91.7%的孔隙被水充满时，水结冰就会对孔壁产生压力，这种压力称为膨胀压力。另外，当毛细孔中的水结冰时，凝胶孔中的水处于过冷状态，过冷水的蒸汽压高于同温度下冰的蒸汽压，凝胶水就会向毛细孔渗透，对孔壁产生渗透压，并引起水泥石的膨胀。当混凝土内部的张力达到并超出混凝土的极限抗拉强度时，混凝土就会开裂。随着冻融循环，裂宽和裂深逐渐加大，达到钢筋表面时，就会加剧钢筋的腐蚀，从而降低混凝土结构的耐久性。

2.3 碱—集料反应对混凝土耐久性的影响

1940年，stnatno首先证实了造成钢筋混凝土结构物破坏的主要原因之一碱—集料反应。混凝土碱集料反应是指混凝土中的碱和环境中可能渗入的碱与混凝土集料(砂石)中的碱活性矿物成分，在混凝土固化后缓慢发生化学反应，产生胶凝物质因吸收水份后发生膨胀，最终导致混凝土从内向外延伸开裂和损毁的现象。混凝土集料中的活性成分主要有三种: 一种是活性硅酸盐集料，一种是活性二氧化硅，再一种是活性碳酸盐。

碱—集料反应必须具备三个条件:(1)水泥中的碱含量大于

0.6%(以当量na20表示)。(2)混凝土骨料中有活性成分。(3)有水分存在或者环境潮湿。碱一集料反应一旦发生，其反应产物都具有一定的吸水性，吸水后体积膨胀，特别是碱与活性二氧化硅反应生成的硅凝胶，其吸水膨胀力极强，这种膨胀在混凝土内产生内部应力，使混凝土开裂剥落，并引起混凝土强度和弹性模量降低，耐久性也降低。发生碱—集料反应的混凝土结构不到两年就会出现明显的裂缝，而且碱—集料反应一旦发生就会很难控制。

3、提高钢筋混凝土耐久性的措施

（1）使用引气剂。引气剂是一种憎水性表面活性剂 ,可以降低水的表面张力。在混凝土中主要发挥起泡、分散、湿润等表面活性作用。引气剂使混凝土中形成无数分散性的独立气泡,尺寸大致在0. 05～1. 25 mm之间。实践证明,加适量的引气剂可使混凝土具有合适的含气量,对于提高混凝土的耐久性有很好的作用。

（2）钢筋有足够的保护层厚度。保护层是隔绝水分、空气与钢

筋接触的重要构造措施，对于减缓钢筋的电化学锈蚀起到重要作用,因此钢筋混凝土要有足够的保护层厚度,一般不应小于 3 cm,对于受环境影响较大的构件 ,保护层厚度还应当适当增加。

（3）钢筋表面作防锈处理。钢筋表面涂一些防锈剂可明显起到防锈作用,其中简便的方法是在钢筋表面刷稀石灰水,其作用主要

是降低钢筋接触表面混凝土的 ph值。

（4）适当降低混凝土拌和时的水灰比。水灰比大了对于钢筋混凝土的钢筋防锈、抗冻融破坏都是很不利的 ,所以应尽量降低水灰比 ,必要时也可以使用减水剂。

（5）避免混凝土早期受冻。

混凝土如果在龄期较短的时候受冻 ,由于强度较低 ,无法抵御内部孔隙水结冰时的强大压力，将会在混凝土内产生微裂缝 ,这将是无法挽救的。所以务必要避免混凝土的早期受冻。

4．结论

提高混凝土结构的耐久性，首先应从混凝土材料品质入手，提高混凝土的抗冻性、抗渗透性、减少或防止碱集料反应的发生。桥梁的施工是保证桥梁耐久性的重要环节，施工人员应严格按规范、规程精心组织施工，保证施工中不留质量缺陷。桥梁的耐久性研究是一个长期的课题。目前国外对混凝土结构耐久性的研究还不是很成熟。我国在混凝土耐久性研究方面虽然做了很多工作，也取得了不少的成果，但是，还没有进入与使用寿命挂钩的量化研究阶段，进行桥梁耐久性设计时还缺乏大量的基础研究数据成果，这也是今