特殊检测对桥梁承重构件耐久性的影响初探

胡春华， 朱 乔， 马小舟， 余 芳

(湖北工业大学土木工程与建筑学院， 湖北 武汉 430068)



特殊检测对桥梁承重构件耐久性的影响初探

胡春华， 朱 乔， 马小舟， 余 芳

(湖北工业大学土木工程与建筑学院， 湖北 武汉 430068)

为能更全面准确地掌握桥梁的耐久性状况，对桥梁主要承重构件的现状做出综合评定和桥梁检算、荷载试验提供进一步可靠数据。在桥梁常规检测的基础上，采用一些专门技术和检测设备，对一些重点部位的钢筋锈蚀、混凝土碳化、保护层厚度以及构件质强进行特殊检测。通过对室内试验与室外检测的实验数据进行分析。结果表明：这些特殊检测内容对结构耐久性都有着一定的影响，而且这些影响因素之间也存在互相影响关系。

钢筋锈蚀； 混凝土碳化； 保护层厚度； 构件质强

特殊检测是一种局部的病害诊断，应用模糊数学进行单因素评价[1]，将整个结构用局部量化的数据来判别结构目前承载能力和安全使用度，更多的是对混凝土结构中的材料(混凝土与钢筋两种主要材料)性能与变化状态更深层次的研究，通过实测数据掌握现时态桥梁的结构耐久使用性能，对桥梁残存寿命是一个重要的参考检测。

此次桥梁结构的特殊检测，选取中部某高速路段上桩号K75+600的中桥进行特殊检测，通车年限已有10 a。对混凝土碳化、桥梁结构构件强度、钢筋锈蚀状态以及钢筋保护层的这些特殊检测内容做了数据采集，在实测数据的基础上分析这些因素的变化对混凝土结构耐久性的影响。

1 混凝土保护层厚度的检测

采用电磁检测方法，对主要承重构件或承重构件的主要受力部件，或钢筋锈蚀电位测试结果表明钢筋可能锈蚀活化的部位进行无损检测。通过钢筋位置测定仪测得混凝土结构钢筋分布状况与保护层厚度数据见表1。

表1 桥梁左幅第1跨第3片梁(L1-3)的钢筋间距以及保护层厚度探测数值

根据该梁板测量部位各测点混凝土厚度实测值，求出混凝土保护层厚度平均值Dn和标准差SD，精确至0.1 mm，再按照下式计算确定检测构件或部位的钢筋保护层Dnd厚度特征值Dne，如

式中：K—判定系数，按规范取用)。

据检测构件或部位的钢筋保护层厚度特征值Dne与其设计值Dnd的比值，按照《公路桥梁技术状况评定标准JTG/TH21—2011》中的混凝土保护层厚度对结构钢筋耐久性的影响评判标准。对以上检测结果进行评判，判断结果见表2。

表2 混凝土保护层厚度对结构钢筋耐久性的影响评判表

检测评定结果表明：该桥L1-3板钢筋混凝土空心板混凝土保护层厚度以及钢筋间距都比设计值要小，对钢筋耐久性有中度影响，评定标度为2。由表1数据可以看出，在施工过程存在的问题也是后期使用年限内保护层厚度不足而导致混凝土碳化严重的原因。如果钢筋保护层厚度未达到设计要求，那么钢筋锈蚀率会显著增大，这再一次说明施工质量对钢筋混凝土结构耐久性的重要性[2]。

2 混凝土碳化深度检测

混凝土碳化深度对钢筋锈蚀及材料强度均有一定影响。混凝土碳化深度测试与混凝土强度测试同时进行，待混凝土强度测试完成后，可在同一测区钻孔，每个构件不少于10个测点。然后在测孔中滴入1%酒精酚酞试剂，用碳化深度仪量测从混凝土表面测孔中酚酞变色前缘的距离。混凝土碳化深度检测结果见表3。

表3 混凝土碳化深度检测结果表

本桥上构空心板混凝土保护层设计厚度30 mm，下构桥墩混凝土保护层设计厚度为50 mm。根据《公路桥梁技术状况评定标准JTG/TH21—2011》中的混凝土碳化深度对钢筋锈蚀影响的评判标准，计算测区混凝土碳化深度平均值与实测保护层厚度平均值的比值Kc，对以上检测结果进行评判，评判结果见表4。

表4 混凝土碳化深度评判结果表

结果表明：该桥所测构件碳化现象正常，且所有碳化深度均小于混凝土保护层厚度50%，对结构耐久性无影响，评定标度值为1。由表3中L1-3板的碳化结果可以看出：同一构件碳化深度有差别，混凝土碳化影响因素决定了混凝土碳化深度具有很大的随机性。施工因素对混凝土的影响主要指的是混凝土搅拌、振捣和养护等条件的影响，它主要是通过影响混凝土密实度来影响混凝土碳化[3]。仅仅只看Kc这个指标判定结构是否处于安全使用状态是单一不全面的，要探究混凝土碳化对钢筋锈蚀以及构件质强的影响。

3 桥梁构件质强检测

混凝土强度检测主要采用超声回弹综合法或回弹法。目前为了弥补单一法在较高强度区或在较低强度区各自的不足，回弹—取芯综合法检测强度更可靠[1]。此次检测的桥梁中，按照回弹法规范要求，采取布置测点间距5 cm，方形网15 cm × 15 cm。检测结果见表5。

1)推定强度匀质系数：

式中：Rit为混凝土实测强度推定值；R为混凝土设计强度等级。

2)平均强度匀质系数：

式中：Rim为混凝土测区平均换算强度值。

f推定值=f换算值1.645 ×δ

依据混凝土桥梁结构或构件实测强度推定值或测区平均换算强度值，按下式计算其推定强度匀质系数Kbt或平均强度匀质系数Kbm，按承重构件实测强度状况评定标准规定确定混凝土强度评定标度。本桥上构空心板混凝土设计强度为C40，下构墩身帽梁混凝土设计强度为C25，根据《公路桥梁技术状况评定标准JTG/TH21—2011》中评定混凝土强度的方法，对以上检测结果进行评判，评定结果见表6。

表5 混凝土强度及碳化深度测试结果

表6 桥梁构件质强评判结果表

结果分析：桥墩主要承受上部传下来的的压力荷载，而桥梁空心板承受的荷载是很复杂的。有试验结果表明:拉应力加快了混凝土碳化的速度，压应力可以减缓混凝土碳化的速度；但当压应力水平超过一定限值时，会引起混凝土内部新的裂纹发展，从而加速碳化[4-5]。由表6的判定结果及表5的实测数据可以看出碳化深度越大，钢筋混凝土空心板的质强是减小的，结构的耐久性也开始降低。由表5与文献[6]知，当回弹值相当时，碳化深度值越大其对应的混凝土检测强度值越低。

4 混凝土钢筋锈蚀电位与混凝土电阻率检测

大气环境下混凝土内钢筋锈蚀主要是由混凝土中性化和氯离子侵蚀引起[5]，中性化主要是混凝土保护层碳化。混凝土中的钢筋锈蚀程度对于判定结构耐久性是很重要的，锈蚀程度大，构件更有可能因抗剪强度不足而发生耐久性失效。混凝土中钢筋锈蚀电位宜采用半电池电位法，钢筋锈蚀状况检测范围应为主要承重构件的主要受力部位，或根据一般检查结果存在锈蚀的部位。每一测区的测点数不宜少于20个。混凝土电阻率可采用四电极阻抗法测定，混凝土电阻率大，若钢筋锈蚀，则发展速度慢，扩散能力弱；混凝土电阻率小，锈蚀发展速度块，扩散能力强。现场两类检测结果见表7、表8。

表7 L1-3板钢筋锈蚀电位检测结果表

表8 L1-3板电阻率检测结果表

结果分析：根据《公路桥梁技术状况评定标准JTG/TH21—2011》中评定钢筋锈蚀的方法，在测试的空心板中，电位均在-200～-300 mV之间，腐蚀出现在高电位处；电阻率在15 000～20 000Ω·cm之间。承重构件有轻微锈蚀现象，评定标度值均为2，说明此次对钢筋锈蚀的检测是可靠的。另外选取现场检测锈蚀不同区的数据，整理结果见表9。无锈蚀区混凝土的碳化深度明显小于钢筋出现锈蚀情况的碳化深度，说明碳化深度超过一定值时，会伴随钢筋锈蚀态的发生；由于锈蚀与碳化共同作用，混凝土测区抗压强度值减小。在检测中发现钢筋锈蚀严重区域混凝土脱落严重，可能是由于钢筋锈蚀导致混凝土保护层的开裂，钢筋混凝土粘结锚固性能降低甚至产生一定的滑移[7]。

表9 锈蚀不同区参数数据整理

5 实验

在实验室进行了A、B两组加速碳化实验：混凝土强度等级都是C40，相同环境、 相同持续时间，28 d养护龄期后加速碳化20 d。实验数据以及相关参数关系见表10。

由图1、图2可以看出未加速碳化前，养护龄期28 d内实验室测得的抗压强度与回弹法测定的推定强度都是随着时间而增长，随混凝土龄期的增加，碳化深度增长,碳化深度总趋势是减小，这种碳化现象对结构有利；28 d两组实验强度数据虽然存在一定的差别，但从图中对数函数拟合曲线和拟合度R2来看，两种不同测法的强度曲线关系符合混凝土强度真实的对数函数关系，拟合度很高，说明实验室和回弹法测得数据可靠有效。

由表10分析得出，混凝土试块经过加速碳化，碳化深度增大较快，回弹值随着时间增加的幅度减缓，但加速碳化后推定强度是降低的，表明混凝土碳化严重后，其强度下降；由表10和图3，对于相同环境、相同持续时间、相同混凝土强度等级，混凝土碳化深度都具有很大的随机性；正如文献[8]、文献[9]指出的：混凝土碳化深度是一个随着时间随机分布的过程，混凝土抗压强度与回弹值之间没有唯一确定的关系。

表10 实验室混凝土试块碳化以及强度数据

图2 未加速碳化前回弹法推定强度变化

由图3和图4中7、14、28d碳化深度与混凝土空隙率的变化曲线，可以看出随着碳化深度加深，空隙率逐渐减小，空隙率斜率减小幅度放慢，因为碳化后碳化区域结构变得密实，改善了混凝土的空隙结构，孔隙变小，混凝土结构变得密实。但是这种结构密实只是单因素的空隙率变小，不能简单地认为碳化后，混凝土结构强度是长期加强的，从实验中可以看出：碳化深度较大时，推定强度明显减小。

图3 不同时间碳化深度与回弹值的变化

图4 不同时间碳化引起的空隙率变化

6 结论

混凝土碳化严重后，其强度下降；混凝土抗压强度与回弹值、混凝土表面碳化深度有关，但二者之间没有唯一确定的关系；混凝土碳化后易发生的钢筋锈蚀问题严重影响着结构的耐久性能及使用寿命；随着碳化深度加深，混凝土结构空隙率逐渐减小，理论上混凝土结构变得密实，但严重碳化是降低混凝土强度的；对于相同环境、相同持续时间、相同混凝土强度等级，混凝土碳化深度随机性也表现得很明显；确保混凝土有效保护层厚度是减小混凝土碳化以及钢筋锈蚀对结构耐久性影响的防护措施。

[1] 万 平.钢筋混凝土桥梁安全性评估方法研究[D].武汉： 武汉理工大学,2006.

[2] 金伟良,鄢 飞,张 亮.考虑混凝土碳化规律的钢筋锈蚀率预测模型[J].浙江大学学报(工学版),2000(02):46-51.

[3] 李 侃,王启军. 混凝土碳化对钢筋混凝土结构影响的探讨[A]. 土木建筑学术文库(第13卷)[C],2010:2.

[4] 田 浩,李国平,刘 杰,等.受力状态下混凝土试件碳化试验研究[J].同济大学学报(自然科学版),2010,02:200-204,213.

[5] 陈立亭. 混凝土碳化模型及其参数研究[D].西安：西安建筑科技大学,2007.

[6] 童寿兴.混凝土假性碳化引起回弹法强度的误判[J].无损检测,2006(08):406-408.

[7] 潘慧敏.钢纤维混凝土碳化和钢筋锈蚀性能研究[D].成都：西南交通大学,2006.

[8] 张海燕,把多铎,王正中.混凝土碳化深度的预测模型[J].武汉大学学报(工学版),2006(05):42-45.

[9] 宋 力,李 鹏,汤进伟,等.工程检测中回弹法测强不确定性影响因素分析[J].长江科学院院报,2009(12):98-101,105.

[责任编校： 张岩芳]

Preliminary Investigation into the Influence of Special Testing on Bridge Structure Durability

HU Chunhua, ZHU Qiao, MA Xiaozhou, YU Fang

(SchoolofCivilEngin.andArchitecture,HubeiUniv.ofTech.,Wuhan430068,China)

Based on the bridge routine examination, the steel corrosion, concrete carbonation, the thickness of the protective layer and component quality of the key parts of bridge were detected using the expertise technology and testing equipments. This may provide technical data for the next bridge inspection count and load test. The indoor experiment and outdoor test results show that: the special inspection contents have certain effects the structure durability, and those influencing factors also affect each other.

steel corrosion; concrete carbonation; the thickness of the protective layer; component quality

2014-07-13

胡春华(1973-)， 男， 湖北黄冈人，湖北工业大学教授，研究方向为公路工程

1003-4684(2015)01-0098-05

U443.3, U446.3

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