钢筋混凝土桥梁的耐久性

易 垚

（重庆交通大学 土木工程学院 重庆 400074）

钢筋混凝土桥梁的耐久性

易 垚

（重庆交通大学 土木工程学院 重庆 400074）

耐久性是钢筋混凝土桥梁结构可靠性的一个重要组成部分。耐久性不足造成钢筋锈蚀膨胀、混凝土保护层剥落以及结构构件损坏。本文介绍了钢筋混凝土桥梁耐久性的规定，分析了影响钢筋混凝土桥梁耐久性的各种因素，并突出了改善钢筋混凝土桥梁的耐久性的对策和措施。

钢筋混凝土桥梁；耐久性；锈蚀；碳化；混凝土保护层

1 前言

经过两个多世纪的发展，桥梁总数量已变得异常庞大。随着桥梁年龄的逐年增加，钢筋混凝土结构越来越多地发生表面裂缝、钢筋锈蚀膨胀、混凝土保护层剥落等一系列病害。据美国的相关调查与分析表明：美国 5万座公路桥梁中，20万座已有损坏，平均每年有150～200座桥梁部分或完全倒塌，寿命不足20年，修复这些桥梁需900亿美元。其中除了荷载增加、受地震或船舶撞击作用外 ，最主要的原因就是混凝土桥梁的耐久性不足。造成这一现象的原因是人们对混凝土性能劣化的认识水平不足，过分的强调减少工程造价而忽略了桥梁结构的耐久性。

2 耐久性的概念及控制混凝土结构耐久性的措施

2.1 耐久性的概念

钢筋混凝土桥梁的耐久性是指在正常维护条件下，在预计使用期内，以及指定的工作环境中保证结构满足既定的功能要求。然而暴露在野外环境的桥梁，受到各种水侵腐蚀、冻融破坏、正常和非正常荷载的作用，加之设计、施工的不当，其生存时间很难同我们想象的设计寿命挂钩，其实际耐久实际远远小于理论耐久性。

2.2 结构构造的规定

（1）保护层厚度的规定。保护层厚度的增加，可以使氯离子侵蚀和混凝土碳化至钢筋表面的时间增加，对钢筋混凝土桥梁的耐久性是有利的。

（2）裂缝宽度的限制。研究表明，带裂缝工作的钢筋混凝土构件，其主筋锈蚀的速度为不带裂缝工作的相同条件下构件的3倍，箍筋锈蚀的速度可达主筋的5倍。

（3）桥面排水系统的设置。桥面排水系统应通畅，泄水管的出口不能位于盖梁上或桥墩的侧面，以免混凝土结构被水饱和。

3 影响混凝土结构耐久性的因素

随着桥梁工程界对耐久性问题的不断深入研究，其影响因素大致有如下几种。

3.1 钢筋的锈蚀

混凝土中的高碱性溶液可以使钢筋表面形成一层惰性的水化氧化铁薄膜，该惰性薄膜可以阻止钢筋的锈蚀，通常钢筋表面氧化铁薄膜的破坏主要有两个原因：一是因混凝土碳化，使钢筋混凝土结构保护层的pH值降低，进而破坏氧化铁薄膜；二是氯离子与氧离子的作用而破坏氧化铁薄膜。氧化铁薄膜破坏后，铁原子与水和氧气发生化学反应生成铁锈，造成钢筋的锈蚀。

3.1.1 混凝土的碳化

混凝土是以水泥砂浆为基体，以骨料为加劲材料的复合材料。骨料与水泥砂浆间有微孔隙、微裂纹，因而混凝土材料具有一定的渗透性空气中的二氧化碳扩散到混凝土中与水作用生成碳酸，碳酸与水泥水化过程中产生的氢氧化钙、硅酸二钙硅酸三钙反应生成碳酸钙，在自由水的作用下碳酸钙沉淀在混凝土内部的孔穴中。

3.1.2 氯化物侵蚀

混凝土本身含有氯离子或氯离子通过扩散作用和毛细作用进入混凝土内，对钢筋的锈蚀影响极大。氯离子半径小，穿透能力强，很容易吸附在钢筋阳极区的钝化膜上，取代钝化膜上的氧离子，使氢氧化铁变为无保护作用的氯化铁，氯化铁的溶解度比氢氧化铁大得多，由于氯离子到达和钢筋表面的不均匀性，特别是氯离子作用在钢筋局部区域时，则局部区域为阳极区，形成腐蚀。

3.2 混凝土的劣化

3.2.1 混凝土的冻融破坏

混凝土是多孔隙的复合材料，外部的水分可以通过毛细作用进入这些孔隙。当温度降至冰点以下时，孔隙中的水冻结膨胀，其体积大约可增加9%，只有当至少有91.7%的孔隙充满水时，水里结冰才产生内应九孔隙体积膨胀，孔壁受压变形，冰融化后，就可能使孔壁产生拉应力，反复冻融，当作用于孔壁的拉应力大于混凝土的极限抗拉强度时，即可以产生微裂缝，持续冻融的结果使混凝土开裂，甚至崩裂。

3.2.2 碱集料反应

碱集料反应是指混凝土中的氢氧根离子与集料中的活性二氧化硅之间的反应，混凝土中的碱离子主要是由水泥引入的，当集料中含有二氧化硅时，在有水的条件下，碱离子与二氧化硅反应生成一种含碱金属的硅凝胶，其形成和成长常常造成混凝土内部的膨胀，产生内部应力，使混凝土内部形成微裂缝，甚至造成混凝土的严重开裂。

3.2.3 混凝土碳化及保护层厚度

混凝土的碳化是由CO2与混凝土中Ca(OH)2发生化学反应，导致混凝土碱性下降。当混凝土碳化穿透保护层到达钢筋表面时，钢筋周围碱性降低，钝化膜失去原有的稳定性，在水分和氧气的作用下钢筋就会锈蚀。混凝土保护层厚度的增大，可以延续碳化的进程，特别是处于最外层构造钢筋的混凝土保护层厚度是至关重要的，因为碳化到达最外层钢筋位置，就会很快引起这些钢筋的锈蚀，随后混凝土保护层剥落，钢筋裸露。

3.3 混凝土表面裂缝

由于温度变化，混凝土干缩、徐变、太阳辐射、疲劳荷载的作用以及冻融和干湿循环作用，桥梁结构裂缝的存在是必然的。表面裂缝会促使各种离子和气体渗透到钢筋表面。在裂缝处，这些有害物质会使钢筋钝化膜较早破坏，钢筋产生锈蚀。合理控制裂缝宽度、数量以及裂缝开展速度，会改善结构的耐久性。

4 改善钢筋混凝土桥梁耐久性的方法

钢筋混凝土桥梁除按规范要求控制其耐久性外，尚可采用以下方法进一步提高其耐久性。

4.1 采用高性能混凝土

高性能混凝土是从强度到耐久性都优于一般的混凝土。高性能混凝土中加入了比水泥颗粒小约100倍的胶凝材料(如硅粉、优质粉煤灰等)，并采用高效减水剂降低水灰比和采用高强度的骨料，其结果减小了骨料与胶凝材料间的孔隙率，改善了混凝土的渗透性，从而提高了混凝土的耐久性。

4.4 结构表面涂层

混凝土表面的涂层可以阻止氯离子侵蚀和混凝土碳化深入混凝土内部。

4.5 钢筋阻锈剂

钢筋阻锈剂是外加剂的一个品种，少量掺入混凝土中能起到阻止或减缓钢筋锈蚀的作用。

4.6 结构耐久性设计

设计合适的结构尺寸，是提高实际构件混凝土质量的保证，若截面过小，配筋过密时，易造成混凝土浇注困难，骨料分布不均匀，从而造成混凝土的密实性下降，不利于结构的耐久性。

4.7 维修养护

及时到位的维修养护是混凝土桥梁耐久性的重要保证，由于人们对混凝土结构耐久性的认识是逐步深入的，已建成的桥梁在耐久性方面存在一些问题，更要对其采取必要的措施来延长其使用寿命。

5 结语

混凝土桥梁耐久性问题是桥梁建设中的一个重要问题。鉴于人们对混凝土桥梁损坏的各种物理化学作用的认识还不十分清楚，有必要宣传和提高工程技术人员的认识，使大家对混凝土桥梁的破坏过程有一个基本的了解。要开展耐久性问题的研究，重视收集基础性资料，逐步建立混凝土桥梁野外数据资料库。在维修和加固旧桥时，要结合具体工程项目和经济条件，做好野外检查，尤其要充分利用替换下来的构件进行取样和试验分析，检查钢筋的腐蚀程度和力学性能等。要跟踪国内外桥梁结构材料、设计与施工等方面的新进展，利用所收集的资料并运用一些专业新知识、新技术解决好耐久性问题。尤其是在作出维修决策时，正确的评估诊断、整治病害和及时的维修养护则能延长既有钢筋混凝土桥梁的使用寿命。

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1007-6344（2016）08-0026-01

易 垚（1988-），男，河南信阳人，硕士研究生在读。