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鋼筋混凝土橋梁的病害處理

09-03 13:00:11  瀏覽次數:774次  欄目:交通工程
標簽:城市軌道交通工程技術,交通工程專業介紹, 鋼筋混凝土橋梁的病害處理,http://www.tljciu.live

  摘要:交通工程中橋梁規模、數量在不斷地增加,但在已經運營的線路上,有些橋梁卻未達到其使用壽命而過早地發生損壞,研究混凝土橋梁病害發生的原因和處理、防治措施,為今后橋梁的結構設計和施工提供有益借鑒。通過對多處存在病害的混凝土橋梁進行實地考察,對其所處環境中的大氣、地表水、地下水進行化驗,根據侵蝕性介質類型的不同,分別進行物理、化學和結構分析。針對病害混凝土橋梁出現的混凝土保護層松動、剝落和鋼筋銹蝕的現象,分析了原因,對存在病害的橋梁提出了加固改造措施,對設計、施工提出了建議。有害物質是以氣體或水為載體,以混凝土的裂縫、毛細孔為通道在結構中擴散,和混凝土中的一些物質發生反應,使結構發生破壞。病害混凝土橋梁的處理措施包括提高混凝土密實度和防水抗滲性以及鋼筋的耐蝕性,對防止病害的發生、提高橋梁的使用壽命有著重要的意義。

  關鍵詞:鋼筋混凝土橋梁;病害;處理措施

  在橋梁工程中,混凝土作為主要的建筑材料而被廣泛使用,它一直被認為是非常耐久的材料。近幾年來,才逐漸發現它也會像天然石材在一定的條件下被風化變質一樣,喪失原有強度而過早損壞,影響其正常使用。混凝土橋梁的設計壽命一般都為一百年,但遭受病害的橋梁其使用壽命將大大縮短,嚴重的在建成幾年就會出現混凝土保護層剝落、鋼筋銹蝕的現象,需要進行病害整治和加固維修。

  1.病害發生的原因

  橋梁的混凝土結構是以水泥的水化產物作為膠結料并結合一定級配的骨料或其它惰性材料和鋼筋制成的一種復合材料。在這一復合結構中,鋼筋提供了結構的抗拉強度,而混凝土則提供了結構抗壓強度和對鋼筋的保護作用。所以混凝土橋梁的病害包括混凝土的性能劣化和混凝土中鋼筋的銹蝕兩個方面,混凝土的劣化指在使用過程中,混凝土受周圍環境的物理、化學、生物作用,混凝土內的某些成分發生反應變性、溶解析出、結晶膨脹及基體開裂等,從而造成混凝土性能的下降,主要包括侵蝕性介質腐蝕、凍融破壞、混凝土裂縫,混凝土的碳化(中性化)、溶出性腐蝕等,混凝土的劣化不僅直接降低混凝土的性能,更主要的是它對混凝土中的鋼筋失去保護作用,導致鋼筋的銹蝕失效。

  1.1侵蝕性介質腐蝕

  侵蝕性介質腐蝕主要指混凝土中含有的某些化學成分Ca(OH)2、(3CaO·2Al2O3·3H2O)容易與侵蝕性介質發生化學反應,比較典型的是氯鹽的腐蝕和硫酸鹽的腐蝕。氯鹽的腐蝕主要是環境中游離的Cl-和混凝土中的(3CaO·2Al2O3·3H2O)等發生反應,生成易溶的CaCl2和大量的結晶水,使體積膨脹好幾倍,造成混凝土的破壞,當Cl-與鋼筋接觸,含量達到一定程度時,使該處的PH值迅速下降,鋼筋的鈍化膜發生破壞,使與完好的鈍化膜區域之間構成了電位差,同時,Cl-具有導電作用,可以和Fe2+發生反應生成FeCl2,加速了鋼筋的腐蝕。硫酸鹽的腐蝕可以出現鈣釩石破壞和石膏膨脹破壞。[2]

  1.2凍融破壞

  主要表現在混凝土中存在大量的孔隙和裂縫,水份通過毛細作用進入,當溫度降至冰點以下時,孔隙中的水凍結膨脹,體積可增大10%,使孔壁受壓變形,當溫度升高冰融化后,使孔壁產生拉力,經過持續的反復凍融,使混凝土發生開裂,裂縫隨著凍融次數的增多而增加,并逐漸擴展連接,以致逐漸降低混凝土的強度。

  1.3混凝土的碳化

  在大氣環境下,橋梁結構的破壞主要是鋼筋的混凝土保護層碳化,堿性降低,混凝土出現裂縫,大氣中的氧氣和水深入混凝土中到達鋼筋表面,并發生化學反應,引起體積膨脹,使混凝土的裂縫加大,最終引起保護層的開裂、剝落。

  1.4鋼筋的銹蝕

  鋼筋的銹蝕是電化學過程,除受其自身性能影響外,與混凝土的性能和外界環境有著密切的關系,在大氣區當裂縫達到0.3mm時,鋼筋已經開始腐蝕。鋼筋生銹后,使其本身有效截面縮小,生成的氧化鐵體積比原來膨脹好幾倍,使保護層的混凝土開裂,使有害物質更容易進入混凝土內部,加速對鋼筋混凝土的腐蝕。

  2.主要的病害處理措施

  一般的混凝土橋梁病害是由幾種破壞的組合,更加加速了侵蝕的程度,例如:化學腐蝕可以導致結構的破壞,而同時又有冰凍發生,對混凝土的破壞程度遠遠大于兩者的代數相加,鹽凍對混凝土路面造成的傷害使得東北地區一條高等級公路只經過一個冬天就大面積剝蝕。所以探求處理病害的處理措施應該全面的從共性的問題上去解決。由以上幾種主要的病害,可以看出混凝土的侵蝕與混凝土的強度無關,而與混凝土的密實度、孔隙特征和外界環境相關,鋼筋混凝土結構的裂縫和毛細孔,是各種有害介質進行侵蝕的通道,如何致力于提高鋼筋混凝土的密實度,切斷與有害介質侵入的通道(即便是水和氣體也會對鋼筋混凝土具有一定的侵蝕性),對抑制混凝土橋梁各種病害的發生,提高結構的抗侵蝕能力和橋梁的使用壽命有著重要的意義。主要處理措施如下:

  2.1混凝土

  2.1.1選用適當的補強混凝土或砂漿

  被侵蝕松動的混凝土,膠結結構已經遭到破壞,喪失了原有的強度和承載能力。在進行處理時,應剔除松動的混凝土,采用適當的混凝土或砂漿補強,侵蝕嚴重的應考慮增大原來結構的尺寸,降低混凝土表面的拉應力,抑制裂縫的發生,增強結構的承載能力。補強的混凝土或砂漿應具有以下性能:

  (1)和易性好,具有較好的彈性和低收縮率,使補強的混凝土不開裂。

  (2)與既有混凝土構件要有較高的粘接力,以及相一致的線膨脹系數,滿足結構要求的抗彎強度或抗拉強度。

  (3)要有較高的密實度以及抗化學侵蝕的性能,滿足抗滲、抗凍要求。

  (4)位于侵蝕環境水中的橋墩,應采用防水混凝土和適當的混合摻料或添加劑。

  2.1.2提高混凝土的密實度

  一般病害的發生是以水為載體,通過裂縫或孔道到達混凝土內部和鋼筋位置,而且裂縫越大,侵蝕的速度就越快,實驗表明,橋梁結構要達到百年的使用壽命,裂縫寬度必須控制在0.15mm以內。病害處理應包括改善結構材料的防水性能和提高密實度兩個方面。對于既有結構混凝土的裂縫,可以通過埋設注漿嘴進行高壓注漿的方法進行填塞封堵;對于貫通的毛細孔,可以采用新型的滲透結晶型材料通過毛細孔進入混凝土內部,與混凝土本身的某些物質發生反應,生成凝膠,堵塞毛細孔,提高混凝土的密實度,增加抗滲性,從而提高混凝土的抗侵蝕能力和使用壽命。

  2.1.3適當增加混凝土保護層的厚度

  在混凝土耐久性規范中,規定了最小保護層厚度,較原來的鋼筋混凝土規范有了很大的提高,這是一條防止混凝土被侵蝕的重要手段,可以將延長有害物質到達鋼筋的時間,延緩了鋼筋的腐蝕,使鋼筋混凝土的有效壽命得到提高。但在混凝土耐久性規范發布之前,混凝土鋼筋的凈保護層厚度僅為15mm,從結構受力的角度,使截面的有效高度和承載能力較大,而從抗侵蝕能力來講,則正好相反,在惡劣的環境下,侵蝕很容易到達鋼筋位置,引起鋼筋的銹蝕和混凝土裂縫的進一步發展。所以對于侵蝕嚴重的結構應考慮適當增加混凝土保護層的厚度,補強的混凝土凈保護層厚度滿足《鐵路混凝土結構耐久性設計暫行規定》的要求[1].

  2.2鋼筋

  盡管混凝土具有較好的抗滲性,但由于施工條件、施工質量的不同以及在運營過程中養護的問題,難以避免存在微小的孔隙和裂縫,使有害物質容易侵入,造成鋼筋的腐蝕。對于侵蝕輕微的鋼筋混凝土結構,在混凝土基面涂刷阻銹劑,通過滲透進入混凝土中,同時不妨礙混凝土的透氣性及水分散發,保護混凝土中的鋼筋,防止其進一步銹蝕。阻銹劑的摻入量與有害物質的滲入總量有關,使結構在設計使用壽命內不會因鋼筋銹蝕而發生破壞。對于侵蝕嚴重的鋼筋混凝土結構,應該在剔除松動的混凝土后,檢查鋼筋的銹蝕情況,如鋼筋只是表面銹蝕,應作除銹處理后,在鋼筋表面涂刷阻銹劑,如果鋼筋的有效面積明顯減小,應該采用同型號的鋼筋進行綁焊。在混凝土補強后,在結構表面再噴涂阻銹劑。

  2.3混凝土表面的防護層

  處于惡劣環境下的混凝土橋梁,應在混凝土表面增設防護層。在海洋及近海環境下,經過對多種混凝土表面防護層進行試驗,表明采用防護層保護的混凝土試件在探測深度范圍內氯離子的滲入量比無涂層的低7倍以上,氯離子的含量值基本接近混凝土原有的初始濃度。鋼筋混凝土結構設計按允許有裂縫設計考慮的,在正常使用狀態是存在微小裂縫的,所以表面防護層宜采用滲透結晶型混凝土防水材料,其具有遇濕固化能力,不僅可以在混凝土表面形成一道防水屏障,而且其對混凝土的滲透性強,滲入混凝土中后,其活性物質可與混凝土中的物質進一步反應生成凝膠,堵塞已存在于混凝土中的空隙、裂縫及毛細孔,以增加基層混凝土的密實度,阻止了水和各種侵蝕性介質的滲入。當混凝土出現新的裂縫有水滲入時,在混凝土內部未反應的涂層顆粒還可與混凝土中的物質繼續反應生成新的凝膠,對較小的裂縫可實現自身修復。防護層除具有防水功能外,還應具有以下主要技術性能[3]:

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