天津滨海地区桥梁混凝土耐久性劣化模式研究

2016-10-20王春阳李志国

天津建设科技 2016年2期

□文/王春阳李志国

□文/王春阳李志国

混凝土耐久性设计方法研究正在酝酿和摸索过程中。天津地处渤海沿岸，是我国重要的北方港口城市，混凝土工程耐久性问题会影响工程质量和使用寿命，进而影响整个城市和地区地发展。文章在调查研究基础上，结合国内外关于混凝土耐久性设计的研究成果，参照CCES01—2004《混凝土结构耐久性设计与施工指南》和DB/T 29—165—006《天津市钢筋混凝土桥梁耐久性设计规程》并根据天津滨海地区的地理气候条件，提出了天津地区混凝土结构腐蚀现状以及环境特点，分析总结了不同的混凝土耐久性劣化模式。

耐久性；滨海地区；桥梁；混凝土；劣化

天津滨海地区平均海拔≤5 m，地下水埋深≤2 m，地下、环境水中各种盐类含量较高；海风海水海浪及土壤和地下水环境常常对桥梁钢筋混凝土结构造成严重的侵蚀。由于天津滨海地区地处北方，有雨雪和除冰盐冻害环境。故天津滨海地区是我国钢筋混凝土耐久性环境因素最复杂地区。

本项研究是针对天津滨海地区的环境类型，结合渤海沿岸地区公路桥梁工程建设项目，开展滨海地区腐蚀环境调研，区分腐蚀类别，确定腐蚀等级，为进行耐久性设计，提出天津滨海地区桥梁混凝土的腐蚀模式并对天津滨海地区桥梁混凝土耐久性设计提出建议。

1　天津滨海地区气候环境及冻融次数

从文献［1］和香港天文台的气象数据，得到天津和其他城市的气象资料，见表1。

表1　天津及其他城市的气象资料

续表1

从表1可以看出，天津有5个月的平均最低气温低于-5℃。采用香港天文台30 a数据统计，天津月均最低气温低于-3℃，月均最高气温高于3℃有3～5月，属寒冷地区。依此本文认为天津滨海地区工程结构表面的年理论“正负温循环次数”约为105次/a，而不采用文献［2］和［3］的假定。同理，“正负温循环”沈阳地区95次/a，哈尔滨地区85次/a。

但考虑到实际工程中，混凝土内毛细孔水产生“有效冻结破坏作用温度”在-10～-15℃；混凝土内毛细孔水融化，混凝土表面温度至少要达到5～8℃，而且要有足够的时间（t≥3～5 h），才能保证混凝土表面30～50 mm范围内的混凝土毛细孔水融化。同时，进行混凝土结构耐久性设计，必须考虑混凝土冻融循环中最低冻结温度。因此本文建议：当考虑100 a设计使用寿命时，可取天津地区混凝土冻融循环次数为3次/a，沈阳地区混凝土冻融循环次数为3.5次/a，哈尔滨地区混凝土冻融循环次数为4.0次/a，青藏高原地区混凝土冻融循环次数为4.5次/a并依此按“快冻法的循环次数”进行抗冻耐久性设计。

2　天津滨海地区的水土环境

本研究按JTJ 064—1998《公路工程地质勘察规范》和GB/T50123—1999《土工试验方法标准》，对天津滨海地区进行了调查研究，结果见表2和表3，文献的数据见表4［3］。

表2　天津滨海地区（塘沽）地下水质调研结果mg/L

表3　天津滨海地区（汉沽）地下水质调研结果mg/L

表4　天津滨海地区地下水质调研结果［1］mg/L

表2-表4表明，［SO42-］≤4 000 mg/L；［Cl-］≤60 000 mg/L；［Mg2+］≤4 000 mg/L；可见天津滨海地区钢筋混凝土结构均存在复合盐类腐蚀环境。汉沽地区地下水的氯离子侵蚀基本为D级；塘沽地区地下水的离子侵蚀浓度普遍高于汉沽地区，作用等级应为E级［4］。

3　天津滨海地区桥梁工程混凝土材料及结构破坏状况

对天津滨海、秦皇岛、黄骅、山东东营等环渤海地区桥梁工程进行不连续考察。发现桥梁工程混凝土耐久性破坏的普遍性：

1）破坏最为显著的是20 a龄期以上的混凝土桥梁工程，钢筋锈蚀导致混凝土砂浆保护层开裂、脱落现象较为普遍；

2）有部分盐池、盐碱地等工程环境中的混凝土构件，有明显的盐结晶破坏和盐腐蚀破坏现象，如天津开发区及天津滨海地区的水泥混凝土电杆的腐蚀破坏；

3）与水接触的部分，有受冻剥落的迹象，但不是十分明显；盐池中与水接触的部分有十分严重的剥落、碎裂式的破坏；分析认为应属盐结晶、盐腐蚀、盐冻复合型破坏；

4）在桥梁接缝处或桥面渗漏处，明显看出由于上部渗漏导致的腐蚀。分析认为是除冰盐造成的盐结晶、盐腐蚀、盐冻破坏。

4　天津滨海地区桥梁混凝土耐久性劣化模式

对于天津滨海地区的桥梁工程而言，其所处的耐久性环境基本符合以下3种类型。

1）模式1：淡水海水冻融和盐冻环境。

2）模式2：盐结晶破坏和盐腐蚀环境。

3）模式3：海风、海浪和海水钢锈环境。

桥梁结构耐久性劣化模式，按文献［4］分类见图1。

图1　桥梁混凝土的耐久性破坏

4.1冻融和盐冻引起的混凝土破坏模式

天津滨海地区的桥梁工程环境中也存在淡水海水冻融和盐冻破坏模式（模式1）。这种环境，对桥梁工程中的混凝土会造成冻融循环和盐冻型的损伤破坏。

4.1.1冻融循环

当混凝土与淡、海水接触时，混凝土中毛细孔可快速吸水饱和。在负温条件下，由于混凝土中毛细孔水结冰，体积增大9%，将激起静水压力，导致毛细孔胀裂。冻结-融化反复作用造成的混凝土冻融循环的破坏模式。

混凝土受冻破坏的原理中水分结冰膨胀和相伴的水分迁移，受到渗透压的作用和影响。当水分中含有盐份时，水分的迁移和扩散加剧。冻融循环破坏作用会显著被恶化。

混凝土冻融循环造成的损伤破坏，主要取决于混凝土的饱水程度、冻融循环次数、最低冻结温度等。通过掺加引气剂、减小水灰比、提高混凝土强度等级，可改善混凝土抗冻性。

根据天津港湾研究所、东北勘测设计研究院、哈尔滨低温所和哈尔滨建筑工程学院早期内部研究资料，天津滨海地区年“最大正负温循环次数”为105次/a。比哈尔滨的年正负温次数（85次/a）高，但天津最低负温t≥-15℃，哈尔滨负温t≤-30℃，故冻融损伤程度不如哈尔滨严酷。

4.1.2盐冻作用

盐冻作用是指在负温条件下盐水对混凝土的冻融破坏作用。通常情况下，氯盐对钢筋混凝土结构的腐蚀主要是通过钢筋锈蚀形成的；而盐冻作用是氯盐对混凝土本体形成的冻融损伤作用。

对于桥梁工程而言，盐冻作用通常是由于冬季雨雪天喷洒化冰盐水造成的，当地下水中氯离子含量较高时，也可能造成盐冻破坏。盐冻破坏和普通的混凝土冻融破坏在原理上并没有本质的区别，破坏的形态也相同，但盐冻作用更为严酷，因为氯离子的存在加速了冻融破坏的进程。可以认为盐冻破坏是混凝土冻融破坏的一种特殊形式。冻融伴随着盐的作用，混凝土破坏的进程将大大加速：

1）盐水增大了毛细孔中水的饱和程度，饱和程度越高，冰胀压力越大；

2）盐水中水分冻结后，盐分自身结晶将产生结晶压力；

3）盐使冰雪融化时吸收大量的热，使冰雪覆盖下的混凝土的温度剧烈下降，造成“冷冲击”，导致更加严酷的冻融作用。

盐冻作用的强烈程度同样受到盐水浓度的影响，如果以NaCl为盐冻介质，当其浓度为4%时，能较大幅度地增大混凝土中孔隙的饱水程度，却不能使水的冰点有大幅度下降，此时混凝土的盐冻损伤作用最为强烈。

在天津滨海地区的大量调查结果表明［5］，如果桥面防水功能不良，由于桥面水下渗，泄水孔外壁缝隙下沿、梁的翼板下沿、腹板水流经处以及盖梁顶部等处，经常处于潮湿状态，为除冰盐结晶及盐冻破坏提供了条件。

4.2盐结晶及硫酸盐、镁盐腐蚀引起的混凝土破坏模式

天津滨海地区的桥梁工程环境中也存在“盐结晶及硫酸盐、镁盐腐蚀破坏模式”（模式3）。这种环境，对桥梁工程中的混凝土会造成盐结晶和盐腐蚀型的破坏。

4.2.1盐结晶

总结长期工程考察经验，天津滨海地区大量存在盐结晶破坏现象。这种盐结晶作用，是材料中毛细孔的吸提作用，使盐溶液被提升。普通混凝土毛细孔水吸提高度约300～600 mm；烧结粘土砖（实心红砖）吸提约800～1 500 mm；天津市区的青砖墙体吸提高度约1 200～1 600 mm，极个别情况可达到2 500 mm。

被毛细孔吸提的盐溶液，当空气湿度发生变化时，其中的水分会向环境中蒸发，使得毛细孔中的盐溶液被浓缩。当毛细孔中水分进一步蒸发后，毛细孔中会产生盐结晶现象。

4.2.2硫酸盐腐蚀

硫酸盐腐蚀混凝土的过程比较复杂，但总体上看，主要由硫酸盐和Ca（OH）2反应生成石膏（硫酸钙）的过程以及石膏和水化铝酸钙反应生成水化硫铝酸钙（AFt）生成的过程两部分构成，其中又包含了许多次生的过程。

无论是石膏还是高硫型硫铝酸钙的生成都会产生体积膨胀。初期生成的石膏将很快转化为硫铝酸钙，发生体积膨胀。当SO42-含量较高时，石膏生成后不能迅速和水化铝酸钙反应，就形成硫铝酸钙和石膏混合腐蚀。生成二水石膏和钙矾石后的体积分别增大1.24倍和1.5倍，随着石膏和钙矾石的不断形成，在内部可产生高达240 MPa的巨大膨胀压，足以造成混凝土的开裂。

混凝土发生硫酸盐腐蚀破坏表现的特征初期为表面发白，损害从棱角处开始，随后裂缝开展并造成混凝土表面剥落，最终使混凝土表面成为一种易碎，甚至松散的状态。硫酸盐腐蚀的速度随其溶液的浓度增大而加快。

美国建筑法规对不同硫酸盐浓度下混凝土受腐蚀程度的分类如下：

1）土壤中硫酸盐含量＜0.1%或水中SO42-浓度＜150 mg/L时，可认为对混凝土没有腐蚀作用；

2）土壤中硫酸盐含量在0.1%～0.2%或水中SO42-含量为150～1 500 mg/L时，为中等腐蚀；

3）土壤中硫酸盐含量在0.2%～2%或水中SO42-含量为1 500～10 000 mg/L时，为严重腐蚀；

4）土壤硫酸盐含量超过2%或水中SO42-含量超过10 000 mg/L时，为非常严重腐蚀。

4.2.3镁盐腐蚀

当硫酸盐以硫酸镁的形式存在时，不仅和水化铝酸钙发生反应，还能和水化硅酸钙发生反应，造成更加严重的腐蚀作用。

这一反应能进行得很完全，不断地促使水化硅酸钙分解。CaSO4·2H2O和Mg（OH）2可同时造成膨胀破坏，故镁盐腐蚀，属于比较严重的双重腐蚀。

4.2.4复盐及盐渍作用

天津滨海地区的地质层系海泥长期淤积形成，富含多种盐离子，属于盐碱土水环境。硫酸盐腐蚀、镁盐腐蚀、氯盐腐蚀会交互作用。不仅如此，对于某些低洼区域，甚至会存在由于水洼处水分蒸发，导致的盐水浓缩现象。这种现象，如同晒盐一样的原理，故土壤中或土壤地下水中的各类盐及离子浓度，高得出奇。勘察极易发现，在旱季由于水分蒸发，土壤中盐份可以通过毛细孔上升，留在地表；而存水处的水分蒸发，又使盐浓缩结晶。从而在地表产生白色盐霜或盐壳，表层土中SO42-浓度远远高于6 000 mg/L。

综上述，天津滨海地区高盐含量，存在盐结晶及硫酸盐、镁盐、氯盐等腐蚀作用；盐结晶及硫酸盐、镁盐以及氯盐的综合作用，会使钢筋混凝土遭受严重破坏。

4.3氯盐引起的钢筋锈蚀破坏模式

天津滨海地区的桥梁工程环境为“风、海浪和海水钢锈环境”模式3。这种环境中的盐雾、盐溶液或盐结晶等气、液和固体介质中存在的氯盐，大气中的氧气和潮湿的水汽，对桥梁钢筋混凝土会造成腐蚀型的破坏。

通常情况下混凝土中，碱度较高（ph≥12.5），钢筋处于钝化状态，表面FeO层能有效阻止锈蚀继续发生，反应完成式（1）后停止。

混凝土结构若处在模式3的环境下，Cl-在混凝土中运动的驱动力主要有以下3种：

1）Cl-浓度差引起的扩散作用；

2）水压力差引起的渗透作用；

3）特殊条件下电势差引起的迁移作用。

当钢筋周围混凝土孔隙溶液中Cl-含量达到一定浓度时，Cl-就会与钢筋表面的钝化膜作用，使FeO中的Fe2+被激活，从而使钢筋钝化膜破坏，使铁与氧、水继续反应，生成铁锈。即在高碱度下，也能完成式（2）～（4）

生成的铁锈Fe（OH）33H2O比原有被腐蚀铁的体积增大6倍以上。这种锈蚀从点开始，逐步扩展，最终形成大片的锈蚀，导致混凝土砂浆保护层开裂、剥落。

对天津地区桥梁结构所处环境的分析可知，冬季化冰盐环境是影响桥梁结构耐久性的主要因素之一。由于桥面铺装层易损，防水功能下降，桥面水通过泄水孔缝隙、地袱与桥面间缝隙下渗，化冰盐水将对梁的翼板、腹板，以及帽梁产生腐蚀。关于天津滨海地区受化冰盐作用造成桥梁混凝土Cl-含量变化情况，本研究曾做过相关调查［4］，结果表明泄水孔附近混凝土中Cl-含量明显高于其他部位并且Cl-沿保护层厚度由表及里呈递减分布，这种现象显然是化冰盐水从桥面沿孔下渗造成的。