關(guān)于橋梁耐久性的研究及展望
摘要：隨著交通事業(yè)的快速發(fā)展，橋梁結(jié)構(gòu)尤其是鋼筋混凝土橋梁及索結(jié)構(gòu)橋梁的耐久性問(wèn)題日益突出，應(yīng)予以高度重視，本文簡(jiǎn)述了在耐久性問(wèn)題上常見(jiàn)的各種病害及影響因素，提出了相應(yīng)的解決思路。
關(guān)鍵詞：橋梁;耐久性;影響因素;鋼筋混凝土;索結(jié)構(gòu)
0概述
現(xiàn)役橋梁中，以鋼筋混凝土橋梁與索結(jié)構(gòu)橋梁居多。20世紀(jì)70年代，混凝土耐久性問(wèn)題開(kāi)始在發(fā)達(dá)國(guó)家大量出現(xiàn)，80年代美國(guó)有報(bào)告顯示：在美國(guó)約有25.3萬(wàn)座混凝土橋面結(jié)構(gòu)處于不同程度的壞化狀態(tài)，而且每年還會(huì)增加3.5萬(wàn)座新的有害結(jié)構(gòu)。日本也對(duì)部分沿海范圍內(nèi)修建的15座混凝土橋梁進(jìn)行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)它們?cè)诮ǔ珊蟛痪贸霈F(xiàn)了由于鹽分侵蝕引起的鋼筋銹蝕、混凝土剝落、預(yù)應(yīng)力筋損傷等各種病害。對(duì)于索結(jié)構(gòu)橋梁，拉索的壽命是不可預(yù)測(cè)的，據(jù)統(tǒng)計(jì)斷索壽命為2～16年，約為橋梁設(shè)計(jì)壽命的1/10至1/5，在此期間，任何時(shí)候拉索都有破斷的可能。根據(jù)歐美日發(fā)達(dá)國(guó)家的經(jīng)驗(yàn)，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)耐久性原因而產(chǎn)生的維修費(fèi)、加固費(fèi)是昂貴的，例如索結(jié)構(gòu)橋梁拉索破斷毀橋的修復(fù)費(fèi)用，達(dá)全橋建造當(dāng)年總價(jià)的2～4倍。故提高橋梁的耐久性成為迫切需要解決的問(wèn)題。
耐久性指結(jié)構(gòu)在預(yù)期作用和預(yù)定的維護(hù)條件下，能在造物的使用年限內(nèi)長(zhǎng)期維持其設(shè)計(jì)性能要求的能力。本文總結(jié)了影響耐久性的因素，并提出了幾個(gè)提高橋梁耐久性的思路以供參考。
1影響橋梁耐久性的因素
橋梁的耐久性問(wèn)題實(shí)際上是各種影響介質(zhì)對(duì)結(jié)構(gòu)的作用，這些介質(zhì)不僅包括荷載作用，還包括環(huán)境侵蝕作用等，歸納起來(lái)，有內(nèi)因和外因兩個(gè)方面。
1.1內(nèi)因
1.1.1材料自身特性
混凝土收縮與徐變，收縮應(yīng)變導(dǎo)致內(nèi)部拉應(yīng)力，當(dāng)其超過(guò)混凝土的抗拉強(qiáng)度，材料發(fā)生開(kāi)裂，破壞混凝土整體性，降低其耐久性。
1.1.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不完善
我國(guó)現(xiàn)行的公路鋼筋混凝土橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)范主要考慮的是荷載作用下結(jié)構(gòu)安全性與適用性的需要，并未能充分考慮耐久性要求。這就導(dǎo)致在橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中普遍存在重視結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)而輕視耐久性設(shè)計(jì)的問(wèn)題。許多橋梁設(shè)計(jì)時(shí)也并沒(méi)有從結(jié)構(gòu)體系、構(gòu)造、材料、維護(hù)及施工全過(guò)程中可能存在的問(wèn)題等方面去加強(qiáng)和保證結(jié)構(gòu)的耐久性。
1.1.3施工質(zhì)量等問(wèn)題
許多短期內(nèi)發(fā)生突然破壞與倒塌的橋梁，多是由于施工質(zhì)量沒(méi)有達(dá)到規(guī)范和設(shè)計(jì)要求，比較典型的問(wèn)題包括混凝土質(zhì)量不合格，振搗不密實(shí)；橋梁建設(shè)中偷工減料、以次充好；不適當(dāng)?shù)丶涌焓┕みM(jìn)度，沒(méi)有保證混凝土橋梁所需要的足夠的施工養(yǎng)護(hù)期；鋼筋保護(hù)層厚度不足，影響了鋼筋混凝土橋梁的耐久性和安全性。次外，在大多數(shù)鋼筋混凝土橋梁的正常使用過(guò)程中，也缺乏合理的維護(hù)和管理。還有沒(méi)有對(duì)橋梁進(jìn)行定期監(jiān)測(cè)和維護(hù)，在出現(xiàn)問(wèn)題后又沒(méi)有及時(shí)維修，使橋梁的使用年限減少，耐久性和安全性降低。
1.2外因
1.2.1環(huán)境
�。�1）混凝土的凍融破壞
當(dāng)溫度降至冰點(diǎn)以下時(shí)，部分混凝土內(nèi)孔隙中的水將結(jié)冰，產(chǎn)生體積膨脹，使孔壁受壓變形，冰融化后，就可能使孔壁產(chǎn)生拉應(yīng)力，當(dāng)作用于孔壁的拉應(yīng)力大于混凝土的極限抗拉強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生微裂縫。隨著凍融循環(huán)，裂寬和裂深逐漸加大，達(dá)到鋼筋表面時(shí)，就會(huì)加劇鋼筋的腐蝕，降低混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。
�。�2）鋼筋的銹蝕
鋼筋在混凝土中處于一種強(qiáng)堿性環(huán)境。在這種環(huán)境中，鋼筋表面形成一層惰性的氧化鐵薄膜，它使鋼筋表面不存在活性狀態(tài)的鐵，鋼筋就不會(huì)產(chǎn)生銹蝕。而一旦鈍化膜被破壞，在有水和氧氣的條件下，鋼筋就會(huì)產(chǎn)生銹蝕。鋼筋銹蝕是造成鋼筋混凝土橋梁耐久性損傷的最主要和最直接因素，也是混凝土橋梁耐久性破壞的主要形式之一。
通常，鋼筋表面氧化鐵薄膜遭到破壞的原因主要有兩個(gè)：一是混凝土碳化，混凝土材料具有一定的滲透性，空氣中的二氧化碳擴(kuò)散到混凝土中與水作用生成碳酸，碳酸與水泥水化過(guò)程中產(chǎn)生的氫氧化鈣、硅酸二鈣、硅酸三鈣反應(yīng)生成碳酸鈣，在自由水的作用下碳酸鈣沉淀在混凝土內(nèi)部的孔穴中，這個(gè)過(guò)程就是混凝土碳化。混凝土碳化會(huì)使混凝土的pH值降低，當(dāng)混凝土的pH值小于l1.5且碳化發(fā)生在鋼筋附近時(shí)，就能引起鋼筋表面惰性氧化鐵薄膜的破壞，在空氣中的水和氧的作用下，還會(huì)引起平行于鋼筋的裂紋和混凝土的崩裂；二是氯離子的作用而破壞氧化鐵薄膜。氯離子本身并不直接危害混凝土，但它的存在會(huì)破壞鋼筋的鈍化，使鋼筋暴露在腐蝕的危險(xiǎn)下。
�。�3）硫酸鹽的侵蝕
混凝土碳化的速度一般比較緩慢，但當(dāng)環(huán)境為酸性條件時(shí)，碳化速度急劇加快，因?yàn)槌跏继蓟纬傻姆雷o(hù)層被酸溶解而流失，從而使新的表面不斷地暴露在侵蝕環(huán)境下，加深腐蝕，使混凝土密實(shí)性加速喪失。
1.2.2荷載作用
結(jié)構(gòu)面臨的最普遍的一種自然環(huán)境就是荷載作用，包括靜力作用和動(dòng)力作用。在荷載作用下，結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，在約束條件下，荷載應(yīng)變一應(yīng)力有可能超過(guò)材料的強(qiáng)度而使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫，耐久性降低。橋梁拉索就是隨機(jī)荷載環(huán)境與隨機(jī)介質(zhì)環(huán)境下的腐蝕、疲勞及鋼索的腐蝕疲勞等共同作用的結(jié)果，導(dǎo)致其壽命的不可預(yù)測(cè)性。
1.2.3混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫
混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫最容易成為因水分滲入導(dǎo)致鋼筋銹蝕的通道。混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫可分為受力裂縫、非受力裂縫兩大類(lèi)。非受力裂縫大多與結(jié)構(gòu)耐久性有關(guān)，即使現(xiàn)在對(duì)承載能力沒(méi)有影響，但必須考慮對(duì)結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期使用過(guò)程中與外界環(huán)境的接觸時(shí)有害物質(zhì)的滲入，所以合理控制裂縫寬度、數(shù)量以及裂縫開(kāi)展速度，無(wú)疑會(huì)改善結(jié)構(gòu)的耐久性。
還有一種造成混凝土開(kāi)裂的原因即為堿一集料反應(yīng)，堿一集料反應(yīng)指集料中活性硅與水泥漿中氫氧離子作用生成水化硅酸鈣的反應(yīng)，其體積膨脹足以使混凝土破裂。水泥中含堿量過(guò)高(0.6)，骨料中水分過(guò)大，及骨料中的活性骨料含量過(guò)高，是引起堿一集料反應(yīng)的3個(gè)條件。堿一集料反應(yīng)一旦發(fā)生，體積迅速增大，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)破壞的發(fā)展速度非常快，破壞程度也更嚴(yán)重，發(fā)生堿一骨料反應(yīng)的主要原因是混凝土結(jié)構(gòu)中使用含活性硅的骨料。
2提高橋梁耐久性的幾個(gè)思路
2.1從材料入手
�。�1）采用高性能混凝土
所謂高性能混凝土即為高強(qiáng)度、高施工性能、高耐久性混凝土。高性能混凝土具有低水灰比，高強(qiáng)度骨料的特點(diǎn)，從而減小了骨料與膠凝材料間的孔隙率，改善了混凝土的滲透性，阻止了堿一骨料反應(yīng)，大大提高了混凝土的耐久性的同時(shí)也提高了混凝土強(qiáng)度。
