摘 要:针对西北气候特点,讨论铁路桥梁保护层混凝土的碳化特征,并结合现场实测数据分析既有桥梁保护层混凝土的碳化规律,基于混凝土强度和碳化深度的测试值提出保护层混凝土碳化寿命预测公式,并给出干旱地区桥梁混凝土强度和保护层厚度的建议值。
关键词:铁路桥梁; 碳化; 寿命预测; 耐久性
中图分类号:U448113 文献标识码:A
文章编号: 1004 2954 (2007) 05 0045 03
铁路钢筋混凝土桥梁随着服役时间的延长,受设计、施工和周围大气环境作用的影响,逐渐出现了老化现象,其中,大气环境下保护层混凝土碳化是造成桥梁耐久性降低的主要原因之一。据2003年的铁路秋季检查结果,全国铁路有失格桥梁7 352座(占桥梁总数的181．5%) ,其中混凝土梁体发生顺筋开裂3 345孔,大面积锈蚀3 390孔。严重时,保护层混凝土因碳化而出现锈胀开裂,不得不提前维修甚至大修。我国地域辽阔,气候环境复杂多变,影响混凝土碳化速度的因素也很多,因此,建立统一的碳化深度理论预测公式是不现实的。结合各地区气候环境特点,在对既有铁路桥梁调查检测的基础上,对在役混凝土桥梁的碳化寿命进行预测,以便及时采取维修措施,减缓保护层混凝土碳化进程,对今后铁路桥梁的使用和维护乃至钢筋混凝土桥梁耐久性设计都具有重要的技术和经济意义。
西北地区降雨较少,蒸发量大,给桥梁混凝土的施工养护和后期材料性质带来不利影响。笔者结合西北地区的气候特点,对保护层混凝土的碳化特征进行了讨论,分析了西北地区在役桥梁混凝土的碳化规律,基于测试数据提出了保护层混凝土碳化寿命预测公式,对钢筋混凝土桥梁保护层厚度的取值进行了讨论。
1 西北地区混凝土碳化特点
保护层混凝土的性质对结构的耐久性起着关键作用,但由于保护层混凝土含有较多的细集料、水泥和水,使得表层混凝土的孔隙结构和物理化学特性与内部混凝土差异很大。大气环境下,混凝土碳化是一个缓慢的破坏过程,混凝土的碳化速度与结构混凝土保护层的质量和大气环境密切相关。空气中的CO2 通过保护层混凝土孔隙,由外向内进行扩散,在一定的湿度条件下,与混凝土中的Ca (OH) 2 反应生成CaCO3。
由于碳化后的混凝土碱度降低,将造成钢筋表面钝化膜破坏,保护层混凝土失去对钢筋的保护作用。野外暴露环境中的H2O、O2 会通过保护层扩散到钢筋和混凝土界面,使钢筋发生电化学腐蚀反应。由于钢筋锈蚀后体积较原体积增大2～4倍,锈蚀层会导致保护层胀裂。开裂后的钢筋混凝土结构会以更快的锈蚀速度劣化,最后导致耐久性失效、结构承载能力下降甚至诱发结构破坏。
在干旱地区施工的混凝土桥梁,由于表层混凝土干燥快、水化不充分等原因,在高原环境强烈的温差变化和风效应影响下,混凝土的收缩和脆性的增加,造成混凝土表面出现网状裂纹,使酸性气体在普通混凝土中扩散速度较快,这对野外暴露环境下桥梁混凝土的抗碳化性能是不利的。山东建筑科学研究院通过试验研究[ 1 ] ,给出相对湿度为90%、70%和50%的室内条件下,混凝土碳化速度的平均比率约为016∶110∶114。
现场调查也表明,在风口、戈壁地段, 20世纪70年代建造的钢筋混凝土梁,碳化深度有的达到30～40 mm,梁体表面已出现风化现象。为保证桥梁结构的耐久性,避免后期高额维修、加固费用,应针对西北地区的环境特点和混凝土材料特性,对保护层混凝土的厚度和材料强度提出限定要求。
2 铁路桥梁混凝土碳化深度预测
国内外的大量碳化试验与碳化调查结果均表明,混凝土碳化速度与CO2 浓度的平方根成正比,混凝土的碳化过程遵循Fick第一扩散定律,碳化深度与碳化时间的平方根成正比[ 2 ] ,由此导出的碳化深度理论计算公式为
其中, x为碳化深度, k为碳化系数, t为碳化时间。
对于碳化系数的确定,国内外基于材料试验和现场调查提出了不少预测公式,但受试验条件和数据来源的限制,这些公式都有一定的局限性,实际应用过程中误差较大。为了解西北地区桥梁混凝土的碳化规律,在青藏、兰新、包兰铁路沿线选择有代表性的钢筋混凝土梁进行了碳化深度检测。检测时,首先采用超声回弹综合法测定混凝土强度,然后在梁体腹板位置钻孔,清孔后,向孔内喷洒1%的酒精酚酞试剂,根据显色情况判断碳化深度。部分长龄期桥梁的混凝土强度和碳化深度测试结果见表1。
从检测结果来看,梁体混凝土强度较低时,保护层混凝土碳化系数较大,而且数据离散性较大。随着混凝土强度的提高,保护层混凝土碳化系数明显下降,基本符合抛物线规律,见图1。
将表1中试验数据进行回归分析,得到干旱地区混凝土强度fcu, k和碳化系数k的关系为
k = 01004 2f2cu, k - 01425 1fcu, k + 101762 (3)
式(3)确定系数R2 = 01974 3接近110,回归效果较好。
由此可得到干旱地区普通钢筋混凝土桥梁的碳化深度x与使用年限t的关系为
x = (01004 2f2cu, k - 01425 1fcu, k + 101762) t (4)
式( 4)适用于普通硅酸盐混凝土的情况,如施工期间混凝土中掺加外加剂,其碳化深度数值应结合实测结果另行考虑。掺加外加剂或减水剂后,梁体混凝土密实度较普通混凝土显著增加,大大增强材料抵抗大气环境侵蚀的能力。表2列出了青藏铁路西格段2座施工时掺加外加剂的梁体在使用几十年后的碳化深度数值,其值远小于相同强度等级的普通混凝土碳化深度。
3 桥梁混凝土的耐久性要求
3．1 桥梁混凝土保护层厚度
钢筋混凝土结构,混凝土保护层是内部混凝土和钢筋免受环境物理、化学侵蚀的屏障,对混凝土保护层厚度的确定应给予足够的重视。保护层厚度应从受力钢筋(包括主筋和箍筋)外缘算起,选值上应以控制使用期内混凝土碳化锋面不至于达到钢筋为目标。日本规定,在一般环境下,最靠近混凝土表面的钢筋保护层不应小于30 mm;德国考虑施工因素影响,甚至规定设计采用40mm的保护层厚度以保证实际结构物的30mm厚度。
近年来,我国铁路混凝土桥梁结构设计规范在混凝土耐久性方面取得了显著的进步。现行规范规定:设计使用年限100年,不同环境作用等级情况下离混凝土表面最近的普通钢筋(主筋、箍筋和分布筋)的混凝土保护层厚度应不小于最小厚度Cmin (35～60 mm)与混凝土保护层厚度施工允许偏差负值Δ之和[ 3 ] 。
在役的既有铁路混凝土桥梁,由于当时采用的设计规范混凝土保护层厚度较小(混凝土保护层厚度不得小于30 mm,也不宜大于50 mm,但板的高度小于300 mm时,保护层厚度可减为20 mm,箍筋的保护层厚度不得小于15mm) ,这些混凝土桥梁受当时施工质量的影响,钢筋的保护层厚度经常不足,梁体某些箍筋的保护层厚度有的仅数毫米,从而造成梁体混凝土提前锈胀开裂。
对铁路某干线区段混凝土桥梁实测结果表明,保护层厚度基本服从正态分布,现场抽样检测246组钢筋混凝土梁主筋保护层厚度,平均值27．7 mm,均方差3．57 mm,检测数据稍小于设计值。在今后的设计中,如按保护层厚度概率分布的某一百分位数确定保护层厚度的有效值[ 4 ] ,设保护层厚度的平均值为a,均方差为σ,则具有85%保证率的保护层有效厚度可表示为
ae = a – 1．037σ (5)
如桥梁使用寿命按100年考虑,为避免钢筋锈蚀,利用实测数据回归公式( 4)和保护层有效厚度表达式,建议西北地区未掺加外加剂的铁路桥梁普通钢筋混凝土的保护层厚度数值见表3。
3．2 桥梁的防排水要求
由于铁路桥梁道碴槽的槽形构造特点,当道碴槽内的道碴清筛不彻底,如果结构排水处理不当,大气降水结束后,部分水体在槽内会积聚一段时间,造成泄水孔病害,见图2。当水体流经混凝土保护层时,干燥的混凝土通过渗透和毛细管效应吸取大量的水分,并影响到附近约50 cm的范围,使该区域混凝土的含水量迅速增加,混凝土电阻大幅下降,钢筋电化学腐蚀所需的水环境得到满足。桥梁混凝土表面由于荷载、温差效应、收缩、环境侵蚀造成的微裂纹,特别是毛细管尺度上的微裂纹,具有很强的保持水分的能力,使得桥上排水在保护层滞留时间增加,延长了钢筋电化学反应的时间。自然环境下保护层浸润和大气干燥的交替进行,混凝土内部不会达到完全饱水和非常干燥,必然加剧钢筋锈蚀速度,即便该区域附近的碳化深度未到钢筋表面,受降水浸渍影响,也将发生严重的锈胀开裂,见图3。
对碳化深度较大的梁底混凝土进行破型检查发现,在没有雨水侵蚀的地方,钢筋一般未出现锈蚀现象或仅有微量的浮锈,桥梁钢筋锈蚀主要集中在有雨水流经的梁间缝、梁底、腹板、梁端等区域。因此,应做好泄水管周围的防渗,加长泄水管长度,改善梁端和梁间缝排水设计,避免道碴槽积水在梁体表面漫流。
以上分析可见,为保证桥梁的耐久性,减少因大气环境侵蚀造成的钢筋锈蚀病害带来的巨额修补费用,对目标使用寿命为100年以上的桥梁,在今后的桥梁设计中,应根据干旱地区的气候环境特点,采用C35以上钢筋混凝土,或在混凝土中掺加外加剂,以增加混凝土的密实度和抗侵蚀性能,同时加强桥梁的防、排水设计,并做好维修养护工作。
4 结论
现场调查和检测数据表明,保护层混凝土强度与碳化深度明显相关。为避免后期巨额维修、加固费用,保证桥梁的使用寿命,针对目前规定的保护层厚度,西北地区铁路混凝土桥梁设计应采用C35 以上的普通硅酸盐混凝土而且钢筋保护层厚度(包括构造钢筋等)不得小于15 mm,并充分重视桥梁的防排水设计。
在材料试验的基础上,使用外加剂可增加保护层混凝土的抗侵蚀性能。
参考文献:
[1] 朱安民. 混凝土碳化与钢筋混凝土耐久性[J ]. 混凝土, 1992 (6) : 1822.
[2] 牛荻涛. 混凝土结构耐久性与寿命预测[M ]. 北京: 科学出版社, 2003.
[3] 铁建设[2005 ]157号,铁路混凝土结构耐久性设计暂行规定[S].
[4] 张建荣,黄鼎业. 混凝土保护层的设计及构造建议[ J ]. 同济大学学报, 2000, 28 (6) : 64．645.
