京沪高速江苏段混凝土桥梁的耐久性指标统计特性分析

2022-10-27陈光伟王少鹏厉广广赵尚传

公路交通科技 2022年8期

陈光伟，王少鹏，杨洋，厉广广，赵尚传

(1.江苏省交通工程建设局，江苏南京 210004;2.交通运输部公路科学研究院，北京 100088)

0 引言

随着沿线社会经济的快速发展，国内高速公路交通量增长迅猛，部分路段已经达到或接近饱和状态，服务水平严重下降，现状通行条件无法适应重要的路网地位及未来交通需求的发展要求，亟需进行改扩建[1-3]。桥梁作为高速公路的关键节点，随着服役时间的延长部分桥梁已出现不同程度的耐久性劣化。一条线路中相同服役环境的桥梁具有相近的耐久性状况，可通过一定的统计数据来反映该区域桥梁整体耐久性状况[4]。为践行绿色可持续发展理念，并减小改扩建对交通的影响，需要最大限度利用既有桥梁，为评估桥梁的可利用价值则需要对其耐久性进行检测评估。

基于京沪高速江苏段改扩建工程，选取淮安境内的10座既有混凝土桥进行耐久性数据的测试采集及统计特性分析，为掌握该区域混凝土桥梁的整体耐久性状态以及指导改扩建中既有桥梁的再利用决策提供依据。

1 一般大气环境混凝土桥梁耐久性指标

碳化作用是导致桥梁结构耐久性失效的主要模式，也是对我国桥梁耐久性影响最为广泛的一种作用模式[5-6]。江苏省气候特点湿润多雨，混凝土梁桥的耐久性病害按照自然环境区划，主要考虑混凝土碳化导致的钢筋锈蚀。该地区属温带季风气候，四季分明，年平均气温在14.1～14.8 ℃之间，平均最高温度31 ℃，平均最低温度为-2 ℃。年无霜期240 d左右，年平均降水量约940 mm，平均湿度在65%～84%。

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，使混凝土的pH值降低，这就是混凝土碳化。当混凝土的pH 值小于11.5时，就能引起钢筋表面惰性氧化铁薄膜的破坏，在空气中的水和氧的作用下，致使钢筋发生锈蚀引起结构的破坏[7]。对碳化环境中混凝土结构耐久性国内外已开展了大量研究[8-9]，对于耐久性极限状态一般取碳化至钢筋表面或钢筋锈胀产生裂缝。该环境中直接相关的耐久性指标主要包括混凝土强度、碳化深度、保护层厚度，混凝土强度直接反映材料的密实状况以及受碳化侵蚀的难易程度，通过碳化深度与保护层厚度可推算该环境下碳化系数和剩余耐久年限[10-11]。

2 耐久性指标数据

京沪高速公路江苏段建成于2000年，截至2021年耐久性测试时间已服役21 a，为探究既有混凝土桥梁的耐久性状况，对京沪高速江苏省淮安段10座混凝土桥梁进行了耐久性数据的采集测试，其中空心板梁桥8座、组合箱梁桥1座、T梁桥1座。

根据桥梁结构特点确定桥梁耐久性指标测试的主体结构为主梁、墩台。为准确清晰探究各类构件的测试结果，根据构件的截面形式、受力特点和建造材料等对主体结构进行构件类别划分，测试桥梁的主梁结构构件类别有空心板梁、组合箱梁以及T梁；墩台结构构件类别划分为墩柱、盖梁、台帽。根据环境条件和表观特征等划分构件评定单元，同一构件类别中环境作用效应、材料性能和表观特征基本一致的构件作为一个评定单元。主梁结构中空心板梁、组合箱梁以及T梁，其边梁与中梁所处环境效应存在一定差异，边梁腹板直接受到高温暴晒和雨水冲刷的自然环境侵蚀，表观损伤程度较重量严重，且边梁腹板碳化深度较中梁更大，因此根据耐久性评定需要将主梁结构中空心板梁、组合箱梁以及T梁均再次按构件划分为边梁单元、中梁单元。墩台结构中的墩柱、盖梁、台帽构件类别，其各自构件所处环境效应以及表观状况基本一致，故各自构件划分为一个评定单元，即墩柱单元、盖梁单元、台帽单元。构件类别与评定单元划分见表1。

表1 桥梁主体结构构件类别与评定单元划分Tab.1 Classification and evaluation unit division of bridge main structure components

2.1 混凝土强度

既有桥梁的混凝土强度依据《回弹法检测混凝土抗压强度技术规程》(JGJ/T23—2011)[12]通过回弹法测得。由原始设计文件查得，该线桥梁中空心板梁、组合箱梁、T梁的混凝土设计强度分别为40#，50#，50#，墩柱、盖梁、桥台混凝土设计强度分别为30#(其中有两座桥墩柱混凝土设计强度为25#，经测试其实际强度已超过30 MPa)，30#，30#。桥梁各类构件回弹强度检测结果如图1所示。

图1 桥梁各类构件回弹强度测试结果Fig.1 Test result of rebound strengths of various bridge components

检测结果可知，整体来看边梁的混凝土强度略低于中梁，桥台强度略低于盖梁和墩柱，桥梁上部结构混凝土强度主要在40～60 MPa之间，下部结构主要在30～40 MPa之间。

2.2 碳化深度

既有桥梁混凝土碳化深度依据《公路桥梁承载能力检测评定规程》(JTG/T J21—2011)[13]和《公路桥梁耐久性检测评定规程》(报批稿)开展测试。该段线路桥梁建成于2000年，本次测试时间为2021年，混凝土经受21 a碳化侵蚀，测得各构件的碳化深度平均值如图2所示。可以看出，边梁受环境侵蚀较中梁严重，其碳化深度略高于中梁，上部结构碳化深度主要在1～5 mm之间，下部结构碳化深度主要在10～25 mm之间，上部结构碳化深度远小于下部结构，这与两种结构所用混凝土强度不同相关，同类构件中各桥梁碳化深度存在一定差异性，此现象可能与桥梁初期建造质量(如混凝土浇注振捣差异)、运营期环境状况(如存在渗水、迎风与背风面差异)等有关。

图2 桥梁各类构件碳化深度均值测试结果Fig.2 Test result of average carbonization depth of bridge components

2.3 保护层厚度

桥梁构件的保护层厚度依据《混凝土中钢筋检测技术标准》(JGJ/T 152—2019)[14]进行检测。分别进行了桥梁各构件类中的主筋和箍筋检测，测试结果如图3和图4所示，同一类桥梁结构中有包含多个构件的保护层测试结果，图中柱体高度代表保护层厚度中值，上下浮动范围以误差线表示。上部结构的主筋和箍筋保护层厚度分别主要在20～40 mm，30～50 mm之间，下部结构的主筋和箍筋保护层厚度分别主要在25～50 mm，30～60 mm之间。

图3 箍筋保护层厚度测试结果Fig.3 Test result of thickness of stirrup protective layer

图4 主筋保护层厚度测试结果Fig.4 Test result of thickness of main reinforcement protective layer

3 耐久性指标统计特性

对京沪高速江淮安段10座桥梁所采集的强度、碳化深度、保护层厚度进行了统计特性分析，在该统计特性分析中，以每个构件的检测结果作为数据样本。为体现同类构件耐久性指标的统计规律，同时增大同类构件的样本数，将上部结构中结构功能相同且测试结果相接近的边梁和中梁合并，仅对不同桥型的主梁进行区分，即分为空心板、组合箱梁、T梁；将下部结构中结构相同的台帽和盖梁合并组合为“台盖”，10座桥梁的下部结构数据分为台盖、墩柱。对各类构件统计特性中的均值、变异系数、90%保证率区间等进行了分析，并判断其符合的分布规律。数据Q-Q图能直观明了地看出数据是否为满足分布规律，当Q-Q图的散点呈现一条直线时，说明数据为符合预设的分布状态。

3.1 混凝土强度

京沪高速江淮安段桥梁不同类构件的混凝土强度统计参数如表2所示，其中采用回弹法测得的组合箱梁构件强度均大于60 MPa，其回弹强度推测值以60 MPa计，各类构件强度分布直方图与Q-Q图如图5所示。各类构件强度均值的大小关系为：箱梁(60)>T梁(57.52)>空心板(46.18)>墩柱(35.77)>台盖(33.87)，具有90%保证率的强度下限值分别为60，54.4，31.6，28.2，26.0 MPa。T梁数据来自同一个桥，变异系数很小，其他类构件变异系数在0.17～0.18。空心板、T梁、台盖的强度数据符合正态分布，墩柱符合对数正态分布。

3.2 碳化深度与碳化系数

不同类构件经21 a碳化作用后其碳化深度统计参数如表3所示，各类构件碳化深度分布直方图与Q-Q图如图6所示。各类构件碳化深度均值的大小关系为：墩柱(17.63)>台盖(16.36)>空心板(3.43)>T梁(1.76)>箱梁(1.07)，碳化深度与混凝土强度有很强的相关性，下部结构碳化深度较上部结构高出一个量级。各类构件的碳化深度普遍具有很高的变异性，变异系数在0.35～0.61，墩柱的碳化深度变异性最小，空心板变异性最大。箱梁碳化深度最小，且其具有90%保证率的碳化深度上限值仅为1.75 mm。箱梁、台盖、墩柱符合正态分布，空心板和T梁符合对数正态分布。

表2 混凝土强度统计数据(单位：MPa)Tab.2 Statistics of concrete strength(unit：MPa)

图5 混凝土强度直方图与Q-Q图Fig.5 Histograms and Q-Q diagrams of concrete strength

碳化深度与时间的平方根成正比[15-16]，即：

(1)

式中，x为碳化深度；k为碳化系数；t0为碳化时间。

以式(1)计算各类构件的碳化系数，其统计参数如表4所示，上部结构碳化系数均值95%置信区间上限在0.23～0.75 mm/a0.5范围，下部结构碳化系数均值95%置信区间上限在3.57～3.85 mm/a0.5范围。碳化系数的分布规律与碳化深度分布规律相同。

表3 碳化深度统计数据(单位：mm)Tab.3 Statistics of carbonization depths(unit：mm)

表4 碳化系数统计数据(单位：mm·a-0.5)Tab.4 Statistics of carbonization coefficients(unit：mm·a-0.5)

图6 碳化深度直方图与Q-Q图 Fig.6 Histograms and Q-Q diagrams of carbonization depth

3.3 保护层厚度

分别对各类构件的箍筋和主筋保护层厚度数据进行了分析，统计参数如表5所示。箍筋作为外层钢筋最早受到碳化侵蚀，各类构件箍筋保护层厚度分布直方图与Q-Q图如图7所示。可以看出保护层厚度均值的大小关系为：墩柱>台盖>箱梁>空心板>T梁，具有90%保证率的箍筋保护层厚度下限值分别为18.48，22.78，15.73，24.50，27.17 MPa。除了空心板主筋、箱梁箍筋和墩柱主筋的混凝土保护层厚度基本呈对数正态分布以外，其余均为正态分布。各类构件保护层厚度变异性较为稳定，变异系数稳定在0.20～0.32范围，箱梁的保护层厚度变异性最小，T梁的变异性最大。

表5 混凝土保护层厚度统计数据(单位：mm)Tab.5 Statistics of concrete protective layer thicknesses(unit：mm)

图7 箍筋保护层厚度直方图与Q-Q图Fig.7 Histograms and Q-Q diagrams of stirrup protective layer thickness

3.4 碳化深度/系数与强度的关系

数据统计结果表明，碳化深度与混凝土强度有很强的相关性[17]。以测试构件的强度为横坐标、碳化深度为纵坐标只做散点图，如图8所示，可以看出，经21 a时间的碳化侵蚀，混凝土强度在20～30 MPa 对应的碳化深度约在20～35 mm之间；混凝土强度在30～40 MPa对应的碳化深度约在8～22 mm之间；混凝土强度在40～60 MPa对应的碳化深度在1～8 mm之间。以指数衰减函数对经21 a碳化侵蚀构件的强度与碳化深度进行拟合，得到其关系式如下：

y=124.707e-x/18.52-4.029,

(2)

式中，y为碳化深度；x为混凝土强度。决定系数R2为0.877，具有较好的拟合优度。

图8 混凝土与碳化深度关系Fig.8 Relationship between concrete and carbonation depth

图9 混凝土与碳化系数关系Fig.9 Relationship between concrete and carbonation coefficient

由式(1)将碳化深度转换为碳化系数，得到碳化系数与混凝土强度关系为：

y=27.213e-x/18.52-0.879,

(3)

式中，k为碳化系数；x为混凝土强度。碳化系数与混凝土强度关系图如图9所示。

4 碳化剩余耐久年限预测

根据碳化深度与保护层厚度的数据统计结果，对该线路中的混凝土桥梁不同构件进行剩余耐久年限的估测。该线路为高速公路，等级高，安全系数更大，且上部结构为预应力构件，故以碳化至钢筋表面作为耐久性极限状态，即以构件外层钢筋即箍筋失去混凝土碱性环境保护为碳化耐久寿命临界点[9,18]。

以式(4)对桥梁不同构件的剩余耐久年限进行估测：

(4)

式中，t为剩余耐久年限；c为保护层厚度。

同一类构件中包含多个构件，每个构件由于其碳化系数与保护层厚度不同，故而具有各自的剩余耐久年限。为对同一类构件进行整体的估测，碳化深度与碳化系数为环境作用特点，以具有95%保证率的均值上限作为特征值。箍筋保护层厚度分别取均值95%置信区间下限、双侧90%保证率区间下限作为计算值，即分别表示有50%构件钢筋开始锈蚀、有5%的构件钢筋开始锈蚀。

对整体剩余耐久寿命的均值进行估测，各类构件剩余耐久年限测算结果如表6所示。该线路桥梁上部结构具有较好的碳化剩余耐久年限，下部结构碳化剩余耐久年限较弱。桥梁上部结构与下部结构碳化剩余耐久年限的差异与其混凝土强度相关，上部结构混凝土强度主要在40～60 MPa之间，下部结构主要在30～40 MPa之间，混凝土强度的差异造成上部结构与下部结构碳化深度的不同，上部结构碳化深度主要在1～5 mm之间，下部结构碳化深度主要在10～25 mm之间，上部结构碳化深度远小于下部结构，因而造成了碳化剩余耐久年限预测值的差异。