钢筋砼桥梁病害的主要成因及修补加固范例
2014-06-11
1. 前言
交通运输与国计民生息息相关，而桥梁则是交通命脉的咽喉。据20世纪末统计，我国的铁路桥梁约有3700多座，桥梁总长近2400公里，公路桥梁约有近28万座，桥梁总长近10300公里。其中大部分的桥梁为钢筋砼（含预应力梁）结构，约占桥梁总数的90％以上。解放后尤其是改革开放以来我国的桥梁建设发展速度蒸蒸日上，方兴未艾，有力地促进了国民经济的高速发展，而且桥梁的设计、施工技术水平不断得到提高和发展，尤其是在长江中已竣工通车的数十座特大桥和最近已在长三角地区修建的东海超长跨海特大桥和杭州湾大桥的技术水平已达国际的领先地位。在大好形势下，我们还必须保持清醒的头脑，据上世纪末统计显示，公、铁路混凝土桥梁的失格率达到了20％左右，有的已成了危桥，还在负荷运营，报载桥垮、车毁、人亡的恶性事故报导，已屡见不鲜。为此，21世纪以来，已引起工程界特别是桥梁界的严重关切，由中国科协工程联合会、中国铁道学会、中国公路学会、中国土木工程协会相继联合举办了“2003年桥梁病害诊治论坛”；同年12月中国腐蚀与防护学会防腐蚀工程专业委员会在广西北海市召开了“2003年全国承工、桥梁结构防腐蚀技术交流会”，2004年由中国交通部《公路运输文摘·桥梁》杂志和中国科协工程联合会共同在海南省海口市举办了“桥梁耐久性研讨会”…，所有这些重要全国会议的与会专家、学者针对我国目前桥梁存在的病害提出了各自的精辟见解和对策建议，通过调查研究发现了从设计、施工、管理体制、养护加固等存在的人为因素、缺陷、环境恶化、交通量剧增、超载严重等客观因素对桥梁带来的危害等一系列原因，进行了分析和诊断，认为必须刻不容缓的认真对待和处理，已基本取得了共识，那就是对原来一些传统的设计理念和模式必须更新，既要重视结构的强度，也要重视整体的安全性能和耐久性措施，对施工质量的保证措施必须要有严格且便于执行的工艺；对桥梁的养护管理必须加强健康监测及时组织有经验的技术人员通过先进可靠的检测设施对桥梁进行了正确的诊断分析，做剑对症下“药”，在此基础上分清轻重缓急，采用先进的技术、工艺和产品进行维修和加固，做到未雨绸缪，确保运输安全和延长使用寿命。
2. 我国钢筋砼桥梁病害的主要成因及对策建议
（1）早期设计的钢筋砼桥梁，混凝土强度标号偏低，防水和抗冻性能不强，一般抗渗标号只有S8～S12左右，加上施工时选材不严，搅拌不均匀，振捣不密实，往往存在蜂窝麻面及微裂缝的缺陷，有的桥体过于强求轻巧薄型以致钢筋保护层过薄，多在10～20mm左右。
（2）温度应力促使存在缺陷的砼产生微裂缝，防水涂料达不到防水作用时，空气中的水气在毛细管引力的作用下渗入到微裂隙中，若达到钢筋表面在水与氧的作用下形成腐蚀电池破坏其钝化膜，导致钢筋锈蚀。在近海地区的砼桥梁，氯离子的侵入导致钢筋锈蚀是主要原因。钢筋锈蚀后，必然出现体积膨胀，膨胀量为原体积的4～5倍，这样势必对砼产生很大的膨胀应力，加上保护层较薄，促使钢筋锈蚀部位的砼开始起裂，形成沿钢筋裂缝，即顺筋裂缝，继而出现保护层的剥落。
（3）环境化学腐蚀，有二种情况：一是当砼存在缺陷时，大气中的二氧化碳CO2与砼中的氢氧化钙Ca（OH）2起化学反应，生成中性的碳酸钙（碳化作用），即：
CO2+ Ca（OH）2=CaCO3+H2O
而在潮湿和高浓度的CO2环境中，CO2在水中能够溶解CaCO3生成溶于水的碳酸氢钙Ca（HCO3）2，它随着水沿毛细管或微裂缝到达砼表面又可发生分解，析出Ca-CO2。即：
CO2+H2O+ CaCO3=Ca（HCO3）2
Ca（HCO3）2= CaCO3+CO2+H2O
砼发生碳化溶蚀后，其PH值可降低至9以下，钢筋的防腐得不到保证，促使钢筋表面钝化膜遭到破坏，在氧和水作用下氧化锈蚀。即：
4Fe+2H2O+3O2=4Fe（OH）
第二种情况是近年来大气环境污染产生的酸雨对砼结构的危害日趋严重，我国的酸雨覆盖面已达到国土的30％以上，SO2和进一步氧化的SO3均可使混凝土中性化和酸化，同样可直接促使钢筋的电化学腐蚀，同时产生的硫酸盐又会对砼进一步膨胀产生侵蚀作用。故在酸雨地区SO2与酸雨对钢筋砼结构物的危害比碳化更为严重。腐蚀过程化学反应如下：
2 SO2+O2+2H2O→2H2SO4
2H2O4+Ca（OH）2→CaSO4·2H2O
3CaO·AL2O3+3（CaSO4·2H2O）+26H2O
→3CaO·ALO3·3CaSO4·32H2O
由于生成物带有大量的结晶水，因此其体积要比原来的体积大得多，产生膨胀，促使砼的裂坏。在潮湿的空气中SO2与Fe发生化学反应：
SO2+O2+Fe→FeSO4
4FeSO4+O2+6H2O→4FeO（OH）+4H2SO4
最终反应产物除氧化铁之外，还有硫酸。硫酸于是能分解更多的铁，进一步促使铁锈形成。
（4）冻融循环对砼产生的物理破坏作用，当砼结构有裂隙时，水份侵入后，遇冰点以下低温时结冻产生膨胀，孔隙受压变形，当环境温度升高后，冰冻面受热融化反过来又使孔隙受到拉应力，这样反复冻结、融化，当作用于孔隙的拉应力大于砼的极限抗拉强度时，即可使砼孔隙扩大成裂缝仍至崩裂。尤其在北方地区的桥梁桥面，在冬季为了交通安全大量撒盐来促使化雪降低冰点，于是盐水渗入砼缝隙内，导致桥面砼内的钢筋受到氯离子破坏、锈蚀愈演愈烈，不仅促使桥面上的铺装层大面积碎裂，乃至逐渐扩展到梁体，若梁体顶面存有裂隙，也将导致病害的加深。
（5）碱骨料反应（AAR）其特点是反应缓慢，但持续时间长，砼结构产生的AAR破坏，一般要在一年以上，有时甚至达20～30年。一旦发生这种破坏将很难补救。其成因主要是由于砼所配好的各种混合料中的含铖（NaO或K2O）量偏高，与骨料中的活性成份（氧化硅、碳酸盐等）发生反应生成硅酸凝胶，碱硅酸凝胶吸水膨胀后产生内应力，导致砼开裂。显然，AAR反应的发生需要三个条件：即碱量高、骨料中含有活性成分，有水渗入，缺一不可，故一般是可以预防的。
（6）溶液性侵蚀，主要是环境介质水溶液对防水构造不合理、防水质量不可靠，从而出现经常性渗漏的砼结构部位的Ca（OH）2产生溶解，促使其浓度不断下降，固相中Ca（OH）2不断被溶出，于是在砼中与Ca（OH）2浓度有关的水化生成物的稳定度遭到破坏，造成这些水化物不断分解出CaO，CaO又溶于水随水冲走，水泥石的结构不断破坏，从而导致砼的PH值降低，孔隙率增大．钢筋锈蚀病害发生，砼表层起鼓剥离现象就会出现。
综上所述六种病害产生的主要成因均与砼结构的密实度与防水效果息息相关。目前提出的对策措施从下面几点考虑：
一是提高砼的密实度，宜采用高性能砼．掺硅粉、粉煤灰、矿渣等超细矿物掺合料，并与适当的外加剂相结合最大限度提高砼的密实度，提高其抗渗标号；二是采用水化热较低的水泥品种并调整好配合比；三是适当增加砼对钢筋的保护层厚度；四是采用具有永久性的砼表面防护涂层的材料。
在这里提供一个信息，《大众科技报》著名记者邵斌同志在2003年9月21日在该报的头版和四版上，较详细荟萃了专家的意见和建议，推荐了XYPEX（赛柏斯）这种刚性无机渗透结晶防水材料，其所含化学物质对水有很强的亲和力，以灰浆的形式涂刷或喷涂到砼表面后，充塞到砼的微孔和毛细管道中，催化未完全水化的水泥颗粒，生成枝蔓状的晶体填塞细小的渗漏水通道，从而提高了砼的密实度和达到特佳的防水效果。XYPEX已在我圈多座桥梁、桥面防水和耐久性加固中应用，取得了较好的效果，国家建设部在2001年和2004年两次将其作为科技成果推广指南项目向全国推荐并出具证明，兹将在国内采用XYPEX材料修复加固的桥梁实例简介如下。
3. 经实践检验的几座桥梁病害修复加固的范例
（1）上海铁路局杭州分局杭州工务段所管辖的长牛线近长兴县的#6、#7、#10、#11桥和南京分局芜湖工务段管辖芜铜线繁昌县城附近的#10桥等都是上世纪50年代后陆续修建的钢筋混凝土桥梁，由于施工质量较差，原设计的砼强度标号偏低，以及在运营过程中，环境恶化等因素对砼的综合影响，梁体砼的弱点不断暴露出来．尤其是裂纹的增多，砼碳化的弊端不断出现，砼表面的钢筋保护层碎裂剥落，钢筋裸露锈蚀越来越严重，曾按照传统的环氧树脂砂浆作为修补的材料，同时用环氧树脂浆液进行表面封闭。从物理角度来看，这种靠薄膜包裹的做法一时确能起到防水作用，但这种有机材料在紫外线的作用下，受氧化和温度影响较大，容易产生老化和龟裂剥离．且对砼结构本身内部得不到补强作用和耐久性效果．不仅施工有毒性，且操作工艺复杂，因此否定了这种治标不治本的修补方法。最后杭州铁路分局和北京市城建设计研究院合作子1997年11月对长牛线#11桥#1、#2粱体用XYPEX材料进行修补试验，经鉴定委员会专家测试报告结果认为：“原有裂纹通过XYPEX涂料已封闭，未发生重新开裂、剥落掉皮现象，与未经修补的梁形成鲜明对比，梁体表面完整，达到预期效果，实践证明XYPEX材料用于砼结构的破损修补其性能优越，施工工艺设备简单，能够满足修补质量要求，经过工程考验，质量可靠，效果明显。拓宽了应用领域，这种材料不仅可用于静载作用下的防水工程，而且可应用于动载作用下铁路桥梁结构的修复。对传统的修复方法有所创新，居国内领先水平，并达到国际先进水平。选用XYPEX产品属元机材料，可称为“绿色材料”，应用地域广阔，具有显著的经济效益和社会效益…”同时提出进一步对修补的桥梁在正常运行状态下进行观察和资料积累的建议。据此，按要求进行长达两年半的观察，并于2000年4月又请有关专家进行了认真的复查，经修复的梁体情况良好，为此，对长牛线#11桥的剩余第3、4、5孔以及该线的#10、#7、#6桥和位于南京分局芜湖工务段管内的芜铜线#10桥，都利用XYPEX材料和工艺进行了修补工作，经过观察分析，其结果和长牛线#11桥的第1、2孔的效果相同，事隔8年后的2005年5月有关专家又去复查，所有修补过的桥梁完好状况令人满意。由此证明，XYPEX用于补强、防水和对砼密实度的加强和保护效果都是良好的，在反复动载的冲击作用下，抗疲劳性能也是良好的。“利用XYPEX材料修补铁路钢筋砼梁技术”这个项目早已获得上海市2001年优秀发明选拔赛的二等奖，目前已用于国内桥梁桥面防水获得较佳效果的有北京八达岭高速公路上的东老峪1#、2#、3#桥，在完工后近五年内，没有任何渗漏及锈水现象出现，也未见桥面有裂缝产生，颇得业主和运营养护管理单位好评；江西九江湖口大桥业主、设计及施工单位从该桥的重要性、耐久性及工程质量的可靠性考虑，决定在主桥面的隔离带、施工缝及拉索锚头部位采用XYPEX防水、防腐及预防微裂缝的产生，完全达到了预想的目的，涂刷过的部位，无任何渗漏、无锈水现象产生，也未见有微裂缝产生，因此亚行贷款项目九景公路建设指挥部桥标工程管理部认为水泥基渗透结晶型XYPEX防水材料对桥面防水和增加砼的耐久性是一种好材料，用其保证桥的质量是正确的选择。…其它桥梁应用XYPEX的项目，就不拟一一赘举了。
参考文献
[1]朱海涛．钢筋混凝土桥梁结构防水防腐问题探讨．中国言实出版社，2004年《中国科技发展精典文库》第叁辑
[2]朱海涛，吴彬俊．钢筋砼梁耐久性寿命的思考及对策探讨．中国档案出版社。2005年《中国科技发展精典文库》
[3]曹备，张琳主编．新世纪水、桥梁结构腐蚀控制．云南出版社，2003年10月第一版
《中国科技发展精典文库》
作者：朱海涛
