塔里木河大桥一桥的病害调查及成因分析

王 荣 姚明星 唐海云

(1塔里木大学水利与建筑工程学院， 新疆 阿拉尔 843300)(2第一师阿拉尔市建筑材料检测中心， 新疆 阿拉尔 843300)(3塔里木高级中学， 新疆 阿拉尔 843300)



塔里木河大桥一桥的病害调查及成因分析

王 荣1姚明星2唐海云3

(1塔里木大学水利与建筑工程学院， 新疆 阿拉尔 843300)(2第一师阿拉尔市建筑材料检测中心， 新疆 阿拉尔 843300)(3塔里木高级中学， 新疆 阿拉尔 843300)

通过对塔里木河大桥一桥的病害调查，以期得到产生病害的主要原因，以便为今后的大桥加固提供科学的理论依据。塔里木河大桥地处南疆阿拉尔市，长期自然环境的影响及外荷载作用，使其产生了裂缝、材料剥落等病害。利用桥梁无损检测技术对塔里木河大桥进行检测，得出产生桥墩梁病害的主要原因是由于盐渍土的腐蚀，而主梁则是由于长期的自然环境影响下的外荷载作用。

塔里木河大桥； 无损检测； 病害； 成因

1 工程背景

塔里木河环流于塔克拉玛干沙漠北边缘，全长2 137公里，流域面积约10万平方公里，是我国最长的沙漠内陆河流。它是一条从未规划整治的原始性荒漠河流，主河道在80～120公里流域宽度上游荡不定，荒漠与绿洲换位频繁。塔里木河大桥位于新疆南疆阿拉尔市，是连接阿拉尔市南北城区的主要通道之一。该桥跨径布置为80×20 m，总长1602 m，桥面净宽为9 m。设计荷载为汽车-15级， 挂车-80。上部结构为跨径20 m 的钢筋混凝土T梁， 桥面横向布置为5片 T 梁；下部结构为双柱式桥墩，钻孔灌注桩基础。该桥于1982 年建成通车。在长期外荷载及自然环境的影响下，塔里木河大桥已经出现了开裂、腐蚀剥落等病害现象，为避免影响交通能力，有必要对其进行病害检测。

2 桥墩病害及检测

2.1 表观检测

混凝土受腐蚀与否的鉴别方法主要靠表观、颜色、锤击等来鉴别。新鲜的水泥混凝土颜色呈灰、白色，致密，坚硬。受腐蚀的水泥混凝土颜色异常，疏松，用小锤敲击时剥落比较严重。表面粗化、露石、沿配筋方向有条状鼓突，开裂或变色[1]。从现场观察来看，大桥的下部结构混凝土都有不同程度的腐蚀。主要表现为：在地表向上10 cm的距离，桥梁墩身砂石外漏，且出现了裂缝和砂石剥落现象；40 cm左右的位置有白色粉末一圈，宽度在1～5 cm，在此位置以下的墩台颜色较深，往上部位的颜色较浅。墩帽上也出现了白色粉末，整个桥墩上有纵向和横向分布的裂缝。位于主河道上的桥墩墩身被腐蚀的高度大约在距地面50 cm左右。如图1及图2所示。

图1 河滩处桥墩腐蚀 图2 河槽桥墩腐蚀

2.2 强度检测

桥墩的强度检测采用无损检测技术，利用回弹法测定混凝土强度。其测区及检测如图3所示。

(a)墩柱外观(b)强度检测

将回弹值换算为混凝土强度时，没有对桥墩钻心取样测碳化深度，所以在后面的回弹值推算砼强度时，按公式2.1至公式2.3推算混凝土抗压强度：

Rn=0.025N2

(2.1)

式中：Rn—水泥砼的抗压强度，MPa；N—测区砼平均回弹值。

本次检测取墩帽测区3个，盖梁测区3个，墩身测区10个，按不同测区数按下列公式计算构件强度：

n<10个时：fcu=Rnmin

(2.2)

n≥10时：fcu=f-1. 645 s

(2.3)

式中：fcu—强度推定值；f—测区平均值；s—测区标准差。

实测桥墩回弹值并根据公式推算出桥墩的强度如表1。反查混凝土抗压强度换算值表可以得出平均碳化深度值。

表1 回弹法测定的桥墩回弹值及换算强度 (单位：MPa)

2.3 检测结果与评价

通过外观检测和回弹法检测桥墩的强度发现，桥墩表面有腐蚀剥落材料并呈现粉末状，混凝土有石子外漏，未发现有钢筋漏出，近地面附近有离析层。利用回弹法测强，墩身上部强度较高，越靠近地表强度越低，低于设计强度C20。

3 主梁病害及检测

3.1 现场检测

超声回弹综合法测强是通过混凝土抗压强度与混凝土超声波传播速度和表面回弹值之间存在的统计关系，用于检验建筑结构构件的普通混凝土抗压强度。检测时选取中主梁为检测对象，因为其不仅承受恒载及活载作用，还承受着明显的车轮冲击荷载作用。塔里木河大桥由于中间跨径受到检测条件的限制不能得到检测，本次检测就选取了从北向南走向第4跨径为检测对象。将第4跨径中主梁分为5个测区，每个测区测取3个点。主梁上翼缘板分为4个测区，每个测区检测3个部位，每个部位测取3个点。

3.2 结果与评价

3.2.1 强度检测

利用非金属超声波仪进行超声回弹综合法测强推定出的塔里木河大桥主梁及翼缘板强度如图4所示。从图中可以看出：中主梁的平均强度为10. 3 MPa，上翼缘板的平均值为10 MPa，整个上部结构的主要构件强度水平低下，均小于设计混凝土强度C20，已不能满足设计要求。波形图可以看出主梁的接近跨中部位的波形比较差，翼缘板的波形也是接近跨中部位波形较差，与主梁部位相一致。由于本桥是简支梁桥，跨中部位受力最不利，承受的荷载最大，所以上部结构的混凝土强度也比较低。

(a)塔里木河大桥中主梁强度计算 (b)塔里木河大桥上翼缘板强度计算 (c)塔里木河大桥主梁波形图(d)塔里木河大桥翼缘板波形图

3.2.2 评价

利用超声波回弹综合法测强对桥梁主梁和板进行了强度检测，发现桥梁结构的强度均已不能达到设计要求的强度，强度低，裂缝较多。已不能满足设计要求，桥梁现场发现该桥已经进行过局部的补强加固。

4 地基土检测

地基土检测分为土壤含盐量检测及土壤细观结构影像观测两部分，土壤含盐量检测要求检测出土壤中总盐含量及各离子含量，细观结构影像采用体视显微镜观测。

4.1 含盐量及含盐类型测定

为了能准确模拟工程实际情况，从桥墩下取土进行含盐量及离子成分测定。分别取塔里木河水及河边坑洼积水各一份；横向取桥台、河滩处桥墩及水中桥墩处土样，并在此基础上纵向取土，从地表开始，每20 cm取土一次，取至地表以下60 cm。经过样品分析化验得到以下结论：

4.1.1 水样结果显示：河水中含盐量没有河边坑洼积水的含盐量高。积水中含盐量为总含盐量为0. 26%。

4.1.2 土样结果显示：横向比较后得出桥墩台附近的含盐量比河水中含盐量高，桥墩处的为最大；纵向比较后得到地表含盐量最大，为2. 3%，随着深度的增加含盐量减小。

4.1.3 通过含盐量测定，根据盐渍土按含盐成分的分类方法得出桥址所在地的盐渍土类型为亚硫酸盐渍土并且是中盐渍土[2]。

(a)含盐量变化图 (b)离子含量变化图

4.2 墩柱和地基土细观结构

4.2.1 桥墩材料细观结构图像采集

塔里木河大桥现场调研时发现桥墩在地表吸附区有剥落，将剥落材料及桥址处土壤样本采回，进行了细观图像观察，如图6。

4.2.2 地基土细观结构图像采

将沿桥墩不同深度位置处的地基土取样观察，得到细观的影像图如图7。

从上述图片可以看出：

桥墩剥落材料表面和内部均有结晶盐，并且内部多于外部。从桥址处的土体影像看，表土中含盐量最大，随着深度的增加，土体中看不到结晶盐。

4.3 细观结构与实测结果对比分析

对不同深度土壤细观结构与不同土壤深度含盐量试验检测对比分析，土壤细观结构中随着土壤深度的增加，影像中盐的成分是减少的；不同土壤深度含盐量试验检测结果也是随着深度的增加，含盐量也减少，地表含盐量最高，这与桥墩腐蚀情况也一致。说明桥墩地表的破坏主要是由于盐类腐蚀的结果。

(a)桥墩表面剥落层 (b)桥墩内部剥落材料

(a)表土 (b)10cm (c)20cm

5 病害及成因分析

5.1 主要病害

新疆地区气候干燥、冬季寒冷，在冻融的反复作用下较易造成墩台的裂缝、腐蚀等病害。因此，墩台的病害主要有：墩台的变位、材料的老化、钢筋的锈蚀、混凝土开裂、剥落等。塔里木河大桥的主要病害表现为：

5.1.1 剥落、露石。调查发现剥落及露石均发生在桥墩地表吸附区，在地表向上10 cm的距离，桥梁墩身砂石外漏，且出现了裂缝和砂石剥落现象，并且砂石剥落严重。在地表处还有5 cm左右的离析层。

5.1.2 裂缝。裂缝是反映混凝土结构的晴雨表，调查发现在桥墩上分布着大量纵向及横向的裂缝，包括结构裂缝和非结构裂缝。整体上看，桥墩上的裂缝开展不大，较细微；另外竖向裂缝开展的宽度大于横向裂缝。主梁由于进行过体外加固，整体上裂缝很少，只在两梁接头处存在纵向裂缝，并且裂缝开展较宽，利用裂缝测宽仪进行检测，平均裂缝宽度在0. 4 mm以上，部分裂缝大于2 mm。

5.2 病害成因分析

结合桥梁的病害情况，从设计、施工和运营管理的角度对桥梁病害的主要成因分析如下：

5.2.1 设计原因

探讨全面深化改革时期中国特色社会主义的新特色，关键是要深刻洞察全面深化改革时期国情和世情的新特点。全面深化改革时期的国情和世情的新特点有很多，但是必有一个是最重要的最根本的，这里的讨论主要集中于这个最重要最根本的特点。

塔里木河大桥建于1982年，设计荷载为汽-15、挂-80。但是随着南疆地区经济事业的发展，桥梁荷载等级已经不能满足交通运输事业的需要，大吨位的车辆以及严重的超载现象造成桥梁的挠度变大，裂缝增加，进而导致桥梁的承载能力降低，形成一种恶性的循环，最终造成桥梁的破坏。

5.2.2 施工质量问题

在早期的桥梁施工过程中由于施工技术以及施工条件的限制，导致桥梁整体的施工质量低下。本桥由于桥墩混凝土在浇筑过程中没有振捣填充均匀，造成了地面附近大约10 cm厚的离析层。

5.2.3 自然环境影响[3]

5.2.3.1 大温差。新疆地区昼夜温差较大，最大可达20°左右，这种大温差作用在混凝土结构上，使结构内外产生温度梯度，而导致了温度应力的产生。结构内外部温度应力越大，会降低混凝土强度，使其耐久性降低。

5.2.3.2 风沙。风沙现象是指风挟带起大量沙尘，按一定路径移动扩散，造成空气浑浊、能见度显著降低的现象。风沙在活动过程中，对地表物质发生的侵蚀、搬运和堆积作用，称为风沙作用。阿拉尔市特殊的地理位置形成了每年2月至8月期间经常发生沙尘暴现象。风沙中的细砂颗粒对桥梁的体表产生摩擦、侵蚀等，空气中的氯离子和桥梁混凝土会产生化学反应，造成桥梁强度降低。

5.2.3.3 冻融。新疆地区冬季时间较长、温度很低，阿拉尔市冬季昼夜温差最高可达20℃。由于昼夜温差大，在正负温度的交替作用下，造成混凝土表层酥松、剥落。混凝土凝结硬化后，内部会形成很多的微细小孔，而为了得到较好的和易性，在搅拌混凝土时使用的水远远超过水泥水化作用所需要的水，这些水在混凝土中以自由水的形式存在，并在这些微小细孔中扩散。当温度降低时，这些自由水结冰，体积可增大百分之九左右，使混凝土产生膨胀应力，与此同时，混凝土中尚未结冰的自由水在微小细孔中迁移重分布，造成渗透压力，使混凝土的膨胀应力变大。经过冻融的反复循环，造成混凝土内部损伤严重，内部出现裂缝，混凝土强度损失。

5.2.3.4 腐蚀。从对塔里木河大桥的现场调研情况来看，桥墩的破坏主要原因是由于腐蚀造成的。土壤中含有大量的硫酸盐和氯盐，经过离子检测，土壤类型属于亚硫酸盐中盐渍土，对混凝土结构有较强的腐蚀性。盐渍土中的硫酸盐和混凝土中的水泥水化产物发生化学反应，形成新的水化物的过程中，发生膨胀，使混凝土失去胶结性能而产生剥落、溃散现象，导致整个结构开裂破坏，称为化学侵蚀。化学侵蚀一般有两种，一种是石膏型化学侵蚀，另一种是钙矾石型化学侵蚀，从晶体结构上看，钙矾石由于结合了大量的结晶水，体积增大，一般为石膏的8倍，也是造成混凝土结构主要膨胀开裂的原因。盐渍土中的硫酸盐不与混凝土中的水泥水化产物发生化学反应，而是形成相应的盐结晶，结晶的体积膨胀，导致混凝土开裂破坏，称为物理侵蚀[4]。不管是化学侵蚀还是物理侵蚀，最终导致了混凝土的开裂，强度降低。

5.2.3.5 混凝土的碳化[5]。混凝土的碳化是指混凝土中氢氧化钙与渗透进混凝土中的二氧化碳或其它酸性气体发生化学反应的过程。一般情况下混凝土呈碱性，在钢筋表面形成碱性薄膜，保护钢筋免遭酸性介质的侵蚀，起到了“钝化”保护作用。碳化的实质是混凝土的中性化，使混凝土的碱性降低，钝化膜破坏，在水分和其它有害介质侵入的情况下，钢筋就会发生锈蚀。

5.2.4 使用维护不当

没有对桥梁的使用期间进行正常的维护也是造成桥梁病害的原因之一。不能对桥梁进行定期的检查，对桥梁的病害不能及时发现并进行有效的养护维修和加固，造成病害的进一步加剧等。混凝土表面的碳化剥落，钢筋锈蚀等病害没有进行及时的修补、加固，造成病害的进一步加剧。

6 小结

6.1 通过对塔里木河大桥处的工程地质条件进行勘察，最终确定桥址处盐渍土类型为亚硫酸盐中盐渍土，并且其含盐量随着土壤深度的增加而降低，地表的含盐量最大为2. 3%。

6.2 针对桥梁现场调研时出现的病害问题，利用非金属超声波仪对塔里木河大桥进行了现场检测，通过超声回弹综合法测强以及桥梁振动能量采集分析，得出桥梁上部结构破坏主要是由于在自然环境的影像下，外荷载作用以及长期的使用维护不当使得桥梁的整体强度低于设计强度。

6.3 针对桥墩在地表吸附区发生了剥落、露石并且有盐析出等现象，通过体视显微镜检测可以看出材料上有盐晶体，并且外部多于内部，说明土壤中的盐分向混凝土结构中扩散、侵蚀。土壤中的盐分含量随着深度的增加而减少，表面含盐量最多，地下50 cm往下基本含盐量为零。试块经过腐蚀冻融之后，体内有盐分的析出，从而得出造成桥墩破坏的主要原因是由于盐渍土的腐蚀，同时耦合冻融、干湿循环等多因素的作用。

6.4 针对桥梁的病害调查以及产生病害的原因，对塔里木河大桥一桥提出相应的防护加固措施，以便为大桥今后的加固提供一定的技术方法。首先，对大桥要进行定期的检测维护；其次，将主梁及桥墩进行加固处理，主梁可以采用黏贴玄武岩纤维布。桥墩的离析层可以用加入短切的玄武岩纤维的混凝土进行补强后在地表上下50 cm范围内包裹玄武岩纤维布，以此来提高墩柱的强度和阻隔盐分向墩柱内扩散迁移。

[1] 交通部西部交通建设科技项目管理中心.盐渍土地区公路桥涵及构造物防腐蚀技术指南[M].2010：1-11.

[2] 新疆盐渍土地区公路路基路面设计与施工技术规范XJTJ01-2001[S],2001：4-5.

[3] 张建军.新疆地区桥梁病害及其修缮方法研究[D]. 西安：长安大学，2010.

[4] 韩劲草.青海盐渍土地区半埋混凝土耐久性研究[D].西安：长安大学，2012：9-13.

[5] 杨斌.混凝土碳化的机理及影响要素[J].广西质量监督导报. 2010(10)：48-49.

Disease Investigation and Analysis of the Tarim River Bridge

Wang Rong1Yao Mingxing2Tang Haiyun3

(1 College of Water Conservancy and Architecture Engineering,Tarim University，Alar，Xingjiang 843300)

(2 First Division Alar Building Materials Testing Center， Alar， Xingjiang 843300)

(3 The Tarim Senior High School， Alar， Xingjiang 843300)

In order to get the main disease cause of Tarim River Bridge, The disease cause was investigated，so that to provide scientific basis for the future reinforcement of bridge. Tarim River Bridge is located in southern Xinjiang alar city, effects of long-term natural environment and external loading, to produce cracks, material spalling and other diseases. By using the Nondestructive detection technology to detect the Tarim River Bridge, Results shown: the main causes of diseases of bridge pier beam is the corrosion of saline soil, while the beam is due to external loads under the influence of the long-term natural environment.

Tarim River Bridge; nondestructive detection; disease; causes

2014-06-14

塔里木大学校长基金项目(TDZKSS201416)；塔里木大学校长基金重大培育项目(TDZKPY201401)。

王荣(1983-)，女，汉族，讲师，硕士，主要从事道路桥梁方面的教学、科研工作。E-mail：wrong.com.cn@163.com

1009-0568(2015)01-0117-07

U

ADOI：10.3969/j.issn.1009-0568.2015.01.021