浅析桥梁工程中混凝土耐久性影响因素研究
摘要:针对混凝土材料耐久性对桥梁工程的影响,从气候条件、暴露条件、荷载条件、温度应力裂缝、碱骨料反应、混凝土碳化等方面研究了影响桥梁中混凝土耐久性的因素及应采取的措施,从而确保桥梁工程混凝土耐久性。
关键词:桥梁工程,混凝土,耐久性,影响因素
桥梁工程用混凝土除了要满足一般混凝土的工作性能和强度要求外,还要求具有优良的耐久性能。对于桥梁建筑混凝土,由于无遮盖而裸露在大气中,长期受风霜雨雪的侵蚀。因此,混凝土耐久性能的首要要求是混凝土必须具备抵御其现场条件破坏的能力;其次还要满足荷载条件、混凝土的碳化!温度应力等要求。
1气候条件
温度变化引起的混凝土的膨胀和收缩通常在结构设计中考虑,然而,冰冻条件或冻融循环的年发生次数则需要重点考虑,因为冻融是导致桥梁混凝土劣化最普遍的原因之一。
混凝土是多孔隙的复合材料,外部的水分可以通过毛细作用进入这些孔隙。当温度降至冰点以下时,孔隙中的水冻结膨胀,其体积大约可增加9%,只有当91.7%的孔隙充满水时,水结成冰才产生内应力。孔隙体积膨胀,孔壁受压变形,冰融化后,就可能使孔壁产生拉应力,反复冻融,当作用于孔壁的拉应力大于混凝土的极限抗拉强度时,即可产生微裂缝,持续冻融的结果使混凝土开裂,甚至崩裂。
混凝土的密实性不好,则其抗渗性能就差,可导致更多的水分进入混凝土内部,加快混凝土结构的冻融破坏。因而降低混凝土的水灰比,提高单位混凝土中水泥的用量对混凝土结构抗冻融破坏都是有利的。此外,应避免采用吸水率较高的集料,加强排水以免混凝土结构被水饱和,还可以采用引气剂,这也是提高混凝土抗冻性能的一项有效措施。
2暴露条件
桥梁墩台常受到海水或污水的侵蚀,故桥梁混凝土的抗化学侵蚀的耐蚀性也是保证桥梁混凝土耐久性的重要因素之一。
混凝土本身含有氯离子或氯离子通过扩散作用进入混凝土内,使桥梁混凝土受到氯盐污染,氯离子半径小,穿透能力强,有很强的渗透扩散能力,渗入到钢筋表面会破坏钢筋钝化膜而引起锈蚀,锈蚀反应具有膨胀性,可导致混凝土开裂剥落。氯离子渗入引起钢筋锈蚀的破坏速度加快,当融入混凝土中的氯盐达到混凝土重量的0.1%~0.2%时,钢筋开始锈蚀,当氯盐含量超过1%后,钢筋的锈蚀面积将急速增加。同时,氯化物侵蚀所形成的锈蚀产物会导致混凝土的开裂或崩裂"这往往会成为桥梁寿命的决定因素。以下几个方面影响着氯化物锈蚀钢筋的速度:
1)水灰比"随着水灰比的增加,钢筋锈蚀的速度加快。
2)混凝土的pH值。随着pH值的增加,钢筋锈蚀的速度加快。
3)单位混凝土中的水泥用量。随着水泥用量的增加可提高混凝土的密实度和抗渗性能,可以减小氯离子的渗透速度,因而也降低了钢筋锈蚀速度。
4)保护层厚度"增加钢筋保护层厚度可使氯离子渗透至钢筋表面的时间增加,因而也就延缓了钢筋锈蚀的发生。
另外,使用化冰盐不仅会引起钢筋锈蚀还会对混凝土表面产生冷冲击,即在冰层融化的同时会吸收能量,导致冰层下面的混凝土温度急剧降低,引起混凝土表面起皮、点蚀和剥落。
桥梁还可能暴露于其他腐蚀性介质中,其中硫酸盐侵蚀较为常见,因为硫酸盐存在于海水及一些地区的土壤和地下水中。硫酸盐主要与水泥中的C2S2H凝胶、水化铝酸盐反应,形成膨胀的硫铝酸钙或二水石膏沉积膨胀而导致破坏。可以引入抗硫酸盐侵蚀的矾土水泥矿物和减少孔隙率或表面处理,封闭孔缝通道。
较高的电阻率是混凝土的一种优良性能,它在防止钢筋过早锈蚀方面,甚至比氯离子渗透率较低的性能方面更为突出。降低水灰比和增加水泥的用量可提高混凝土的电阻率,然而在水泥用量较多的混凝土中加入硅粉是提高混凝土电阻率的又一种有效的方法。
3荷载条件
荷载条件包括交通车辆、风、地震等作用。车辆或流水中的悬浮物等可磨损混凝土表面,另外流动水的气泡冲击作用类同于磨损,也可导致混凝土失效。一般情况下,表面磨损不是桥面板的主要性能指标,但在允许使用防滑链或带钉轮胎的地方或水面有大量浮冰,则磨损可能较严重,耐磨性就是混凝土的一个重要参数。另外预应力混凝土梁桥,如果长期处于使用荷载大于设计荷载的条件下,则在受拉区可能出现混凝土被拉裂的现象。
4温度应力裂缝
混凝土中水泥水化反应时要放出热量,导致构件中心与边缘出现温度差而产生应力,该应力大于混凝土当时的抗拉强度,混凝土就会开裂。混凝土构件尺寸越大,发生温度应力裂缝的可能性也越大。减小混凝土的水泥用量和降低混凝土初始温度,是防止温度应力裂缝的主要方法。
近年来,在混凝土材料方面水泥向更多早强矿物硅酸盐三钙(C3S)!粉磨细度增大发展,加水拌和后水化热加速,放热加剧、温度收缩及干燥收缩增大。粗骨料的最大粒径减小、级配单一,使拌合物需要的浆体量增加,以致水化热加剧。
温度变化的热胀冷缩也会导致温度应力的产生。由于各材料界面的温差变形系数不同,而使得钢筋与混凝土界面、砂石与水泥浆界面等产生不同的温差变形,导致混凝土产生裂缝。
5碱骨料反应
碱骨料反应是指混凝土中的氢氧根离子与集料中的活性二氧化硅之间的反应,混凝土中碱离子主要是水泥引入的,当集料中含有二氧化硅时,在有水的条件下,碱离子与二氧化硅反应生成一种含碱金属的硅凝胶(具有强烈的吸水膨胀能力),其形成和成长常常造成混凝土内部的膨胀,这种膨胀所产生的内部应力,使混凝土内部形成微裂缝,甚至造成混凝土的严重开裂。
碱集料反应需要有三个条件:活性集料、混凝土碱的含量达到一定程度、有水或潮湿的环境。为了避免碱集料反应,混凝土应采用非活性集料,采用低碱水泥或控制混凝土中其他组分碱的引入,掺入混合料,如粉煤灰和硅粉,以降低混凝土中碱的含量。
碱集料反应会导致大型桥梁墩台或高速公路路面的开裂和破坏,并且这种破坏会继续下去,难以补救。
6混凝土的碳化
混凝土是以水泥砂浆为基体,以骨料为加劲材料的复合材料,水泥砂浆体的主要成分C2H2S凝胶是一种结晶不完整的、蜂窝形的、错综复杂的网状结构,骨料与水泥砂浆间有微孔隙、微裂纹,因而混凝土材料有一定的渗透性。空气中的二氧化碳扩散到混凝土与水作用生成碳酸,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,在自由水的作用下碳酸钙沉淀在混凝土内部的孔穴中,即为混凝土碳化。
混凝土碳化的结果是使混凝土的pH值降低,如果碱损失发生在钢筋附近,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,在空气中水和氧的作用下,还可以引起平行于钢筋的裂纹和混凝土的崩裂。碳化有初始期和传播期,在初始期二氧化碳渗透进入混凝土保护层,最终导致钢筋表面惰性薄膜的破坏,在传播期钢筋锈蚀导致混凝土保护层开裂或崩塌。
混凝土的碳化程度与水灰比有关,随水灰比的增加碳化速度加快。混凝土的碳化速度随养护时间的增加而减少。增加单位混凝土中水泥的用量,会提高混凝土的密实度和抗渗性,可以减小混凝土的碳化程度;增加保护层的厚度,使混凝土碳化到达钢筋表面的时间增加,也有利于提高混凝土结构抗碳化的能力。
7结语
由于混凝土材料耐久性的不足,进而引起桥梁结构耐久性的不足。调查资料显示,很多桥梁并没有达到设计寿命就提前进入加固维修期,主要原因之一就是其混凝土耐久性不足。现今,我国公路基础设施建设投资力度巨大,如再不着手提高桥梁混凝土的耐久性,将来增加的维修加固以及重建费用将是十分巨大的。
