寒冷海洋环境混凝土桥梁耐久性提升方法研究

刘 青

(西南交通大学土木工程学院，四川 成都 610031)



寒冷海洋环境混凝土桥梁耐久性提升方法研究

刘 青

(西南交通大学土木工程学院，四川 成都 610031)

分析了影响寒冷海洋环境混凝土桥梁耐久性的因素，从设计阶段和运营阶段，论述了提升混凝土桥梁耐久性的方法，并总结了现有耐久性提升方法的修复机理和注意事项，从而延长寒冷海洋环境混凝土桥梁的使用寿命。

寒冷海洋环境，桥梁，混凝土，耐久性

0 引言

近年来，随着社会经济水平的大幅提高，我国公路交通事业进入了快速发展时期，大型的跨海跨河桥梁工程也不断涌现。桥梁作为道路交通的重要组成部分，其服役性能非常关键，特别是在寒冷海洋环境下，混凝土桥梁的耐久性研究更为复杂，要同时考虑钢筋锈蚀和海水氯盐侵蚀等多种作用对其的影响。混凝土结构的耐久性是其抵抗大气影响、化学侵蚀和其他劣化过程从而长期维持其性能的能力[1]。在寒冷海洋环境下各种复杂环境介质影响下，使混凝土材料的内部发生损伤从而带来混凝土结构耐久性失效。

本文以曹妃甸工业区跨纳潮河2号大桥工程项目为依托，展开寒冷海洋环境混凝土桥梁耐久性提升方法研究。纳潮河2号大桥位于渤海湾寒冷海洋环境中，是曹妃甸工业区的重点市政工程，全长2 380 m，桥梁全长1 015.3 m，主桥为7跨连续梁总长525 m，设计使用年限为100年。

1 桥梁结构混凝土耐久性的影响因素

耐久性极大程度地影响着混凝土桥梁结构的服役寿命，由于结构耐久性缺陷而导致的后果也是相当严重。近年来，由于混凝土结构耐久性问题，造成建筑物功能丧失，需要停用、修缮、废弃、拆除和重建的事件多有发生，甚至发生严重事故，造成十分巨大的经济、社会损失，威胁公共安全[2]。而对于寒冷海洋环境混凝土桥梁结构的耐久性问题更是严峻，需要引起我们的高度重视，采取适当措施进行应对。

影响混凝土桥梁耐久性的因素是非常多的，各种影响因素之间也是相互关联的。针对本文研究的寒冷海洋环境，影响混凝土桥梁耐久性的主要因素包括钢筋锈蚀、氯盐侵蚀、冻融破坏和施工质量等。

1)钢筋锈蚀。混凝土桥梁中的钢筋表面有一层非常致密的钝化膜，在一般情况下可以防止钢筋发生锈蚀，但是如果钝化膜遭到破坏，钢筋在外界恶劣环境下就会发生锈蚀。钢筋锈蚀会导致钢筋有效截面面积减少，同时钢筋锈蚀产物也会造成体积膨胀，对混凝土压力增大从而破坏混凝土的保护层。

2)氯盐侵蚀。海洋环境中，混凝土桥梁中钢筋会受到氯离子的严重侵蚀，所以钢筋表面氯离子含量的多少是可以用来衡量混凝土在海洋环境中耐久性非常重要的指标。氯离子的来源除了外界的海水环境，还有很大一部分来自混凝土的组成原材料中。氯离子进入混凝土内部的方式很多，主要包括扩散、渗透和毛细吸附。

3)冻融破坏。北方的严寒，混凝土毛细孔中的水在正负温度反复交替作用下会发生冻融循环过程。混凝土在整个冻融循环过程中会受到水渗透和冻胀压力的共同作用，持续发生疲劳损伤，结果导致混凝土从内到外逐渐发生剥蚀破坏。

4)施工质量。寒冷海洋环境的混凝土桥梁的整体耐久性和其在施工过程中的质量控制紧密相关，组成混凝土原材料的质量不过关以及配合比设计不合理都会使混凝土整体性能较差，加上在施工过程中操作不细致，这些因素都会加速混凝土的破坏，因此优良的施工组织管理工作对施工环节的质量保证意义重大。

2 桥梁结构混凝土耐久性提升方法

现阶段我国桥梁建设高速发展，如果能有效提升桥梁结构混凝土的耐久性，将会给基础设施建设带来非常可观的经济和社会效益。提升桥梁结构混凝土的耐久性也是符合我国可持续发展战略的举措，因为耐久性的提高可以大幅降低相关的维修费用，减少结构过早破坏的重建从而避免浪费资源。

2.1 混凝土桥梁结构设计耐久性提升方法

JGJ/T 259—2012混凝土结构耐久性修复与防护技术规程[3]对混凝土耐久性提升是从“预防”和“治理”两个方面进行说明的。“预防”是指根据相应的环境条件，在混凝土结构设计阶段从结构设计、材料选用以及构造措施几个方面提前预防混凝土的耐久性下降。

2.1.1 混凝土的结构设计

对于混凝土的结构设计，应尽量避免混凝土的截面几何形状突变，规整平滑的截面形状才能保证构件的传力路径简洁合理，应力分布均匀和缓。结构构件除了要满足承载力足够的条件，还必须具有相应的整体稳定性，整体性良好的结构不但形态美观，同时也是力流平滑的保证。由于混凝土桥梁防排水系统的寿命与桥梁的整体使用寿命相比偏短，所以混凝土表面形状还应该便于防水排水。此外在进行结构设计时，应尽量使结构便于进行后期的检修工作以降低检修费用。

2.1.2 混凝土原材料选用质量控制

需要从钢筋选用、水泥品种、集料级配、掺合料和外加剂等方面进行原材料的选用和控制。对于寒冷海洋环境的混凝土桥梁结构，应采用符合现行国家规范标准质量规定的热处理钢筋、钢丝和钢绞线。水泥宜选用质量合格的硅酸盐水泥，需保证配制的混凝土强度达标、和易性良好和收缩小。还需注意选用坚固耐久、有害物含量小的集料，并保证其级配连续良好。混凝土掺合料和外加剂的选用首先要满足对混凝土的质量无影响，品种和用量要根据具体的环境条件选用，符合相应规范的要求。

2.1.3 混凝土构造设计

对于混凝土的构造设计要求，主梁截面尺寸的拟定非常关键，除了要满足受力需要，还应该便于施工，同时考虑耐久性的需要，各关键尺寸要保证混凝土能良好灌注和振捣。钢筋的布置对结构耐久性也是影响较大，除了保证钢筋就位方便，还应能使周围混凝土振捣充分，受力钢筋和构造钢筋要封闭连接，提高结构的整体受力性能。相关试验研究表明混凝土保护层厚度的增加会使钢筋锈蚀开始时间发生平方关系的增加，由此混凝土保护层厚度对于其耐久性的重要性可见一斑，特别是对于寒冷海洋环境的混凝土桥梁耐久性的需要，在满足极限承载能力要求情况下，通过合理措施，混凝土保护层厚度相应增大一些是很有必要的。

2.2 既有混凝土桥梁结构耐久性提升方法

既有混凝土结构耐久性提升就是从“治理”的角度出发，对混凝土结构进行修复，提升混凝土耐久性从而延长使用寿命。氯离子侵蚀会破坏钢筋表面的钝化膜从而加速钢筋锈蚀，根据钢筋锈蚀机理可以将既有混凝土结构耐久性提升方法分为物理隔断型、阴极保护型、钢筋保护膜型以及除氯并恢复钝化膜型4种主要形式。

2.2.1 物理隔断型

物理隔断型修补法是通过隔断氯离子、氧气和水等进入混凝土内部的通道来提升其耐久性，物理隔断型修补法包括表面处理法和填充法等。1)表面处理法。对结构整体强度影响不大的混凝土构件表面裂缝，一般可以采用表面处理法，此方法通常是使用渗透性防水剂和弹性覆膜防水材料等来恢复结构耐久性。2)填充法适用于裂缝宽度已发展较大的混凝土结构，其原理就是把环氧树脂等填充料填充到混凝土裂缝孔隙内部，以此来恢复混凝土构件耐久性和整体性。物理隔断型修补法通过适宜的修复材料修复混凝土裂缝，从而减少有害物质侵入混凝土内部来提升其耐久性。该方法原理简单，施工便利，关键是选择的修补材料要确保能有效隔断有害侵入物质。

2.2.2 阴级保护型

阴极保护型修补方法的原理是防止在钢筋表面形成电化学腐蚀电池从而提升结构耐久性，主要有牺牲阳极法和外加电流辅助阳极法。牺牲阳极法是在钢筋上连接一块更为活跃的金属，使该金属代替钢筋成为新的阳极，这样钢筋就成为了被保护的阴极。外加电流辅助阳极法就是将直流电的负极直接连接钢筋，正极连接难溶性的阳极，以此来保护钢筋不被腐蚀。阴极保护型修补可以有效保护钢筋，但是它也存在主要的缺点就是在建设过程中需要对混凝土结构提前设置保护系统，同时需要有人专门护理，因此成本较高。

2.2.3 钢筋保护膜型

钢筋保护膜型修补法是在被氯离子破坏了钝化膜的钢筋上重新生成新的保护膜，使钢筋和有害物质隔离，具有代表性的方法是迁移性阻锈剂和电迁移性阻锈剂。迁移性阻锈剂(MCI)是以胺、醇胺及其盐或酯为主的混合型溶液，将其涂抹在混凝土表面，阻锈剂就会以水为介质进入混凝土内部。当阻锈剂到达钢筋表面时会形成稳定的保护膜，使钢筋与氯离子等有害物质隔离从而阻止钢筋进一步锈蚀。由于迁移性阻锈剂到达钢筋表面速度较慢并且对于较厚混凝土阻锈效果欠佳，为了改善这些问题，通过增加电场作用的电迁移性阻锈剂逐渐发展起来，在原来迁移性阻锈剂的基础上阻锈效果显著提升[4]。此方法要重点考虑使用的阻锈剂是否影响环境，还有阻锈剂自身的稳定性及作用效率。

2.2.4 除氯并恢复钝化膜型

除氯并恢复钝化膜型修补法是一种新型的综合性方法，它提高混凝土耐久性的工作原理就是转移混凝土内部的氯离子并且将已经破坏的钢筋钝化膜进行恢复，其中具有代表性的方法有电化学脱盐法和双向电渗法。电化学脱盐法将外部电极作为阳极，钢筋作为阴极，两者之间通直流电后钢筋周围水得电子生成的OH-会和Cl-一起向混凝土表面的阳极移动，最终的效果就是降低混凝土内部氯离子浓度的同时使混凝土表面pH得以恢复[5]。文献[6]提出了双向电渗法，这是在电化学脱盐法的基础上在外部电解液中加入阳离子阻锈剂，从而降低混凝土内部氯离子浓度的同时也使钢筋表面加上一层阻锈剂，阻止钢筋锈蚀。综合来看，除氯并恢复钝化膜型修复法能比较彻底地移除混凝土中的氯离子并恢复其碱性环境，但是也存在如设备复杂、施工难度大和费用较高等问题。

3 结语

寒冷海洋环境混凝土桥梁的耐久性是其设计、施工和使用过程中需要重点关注的问题，耐久性不足给桥梁带来安全隐患问题的同时，也大幅增加了后期维修费用投入，可见进行桥梁耐久性提升方法研究的意义重大。从控制钢筋锈蚀机理的角度出发，将耐久性提升方法总体分成四类，实际应用中应根据具体情况，选用适宜的方法。做到“防”“治”结合，优化结构设计方案，运营过程中定期检测并及时修复损伤，做到有效提升寒冷海洋环境混凝土桥梁耐久性以延长其使用寿命。

[1] 陈肇元.混凝土结构的耐久性设计方法[J].建筑技术，2003，34(5)：328-333.

[2] 吉 林，缪昌文，孙 伟.结构混凝土耐久性及其提升技术[M].北京：人民交通出版社，2011.

[3] JGJ/T 259—2012，混凝土结构耐久性修复与防护技术规程[S].

[4] 唐军务，李森林，蔡伟成,等.钢筋混凝土结构电渗阻锈技术研究[J].海洋工程，2008，26(3)：83-88.

[5] 徐建芝，丁 铸，邢 峰.钢筋混凝土电化学脱盐修复技术研究现状[J].混凝土，2008(9)：22-24.

[6] 金伟良，吴航通，许 晨，等.钢筋混凝土耐久性提升技术研究进展[J].水利水电科技进展，2015，35(5)：68-76.

Research on durability improvement method of concrete bridge in cold marine environment

Liu Qing

(CivilEngineeringSchool,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,China)

This paper analyzed the durability influence factors of concrete bridge in cold marine environment, from the design stage and operation stage, discussed the methods to improve the concrete bridge durability, and summarized the repair mechanism and precautions of existing durability enhancing methods, so as to prolong the service life of concrete bridge in cold marine environment.

cold marine environment, bridge, concrete, durability

1009-6825(2017)10-0173-02

2017-01-24

刘 青(1992- )，男，在读硕士

U445.73

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