橋梁混凝土抗凍性能分析和防護(hù)措施

王曉黎

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，西安 710043)

1 概述

隨著我國(guó)基礎(chǔ)建設(shè)的快速發(fā)展,混凝土工程耐久性問(wèn)題也越來(lái)越受到重視,這是由于它直接影響到工程的使用壽命和安全性,關(guān)切到工程的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。尤其近幾年來(lái),鐵路、公路工程快速發(fā)展,對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展承擔(dān)著重要的服務(wù)角色,因此混凝土的耐久性顯得格外重要。而混凝土的耐久性又是眾多因素影響的復(fù)雜系統(tǒng),如混凝土的碳化、抗侵蝕性、抗凍融性以及堿骨料反應(yīng)等。在我國(guó)寒冷地區(qū),從以往的過(guò)程調(diào)查中發(fā)現(xiàn),混凝土不同程度的發(fā)生凍融剝蝕病害,削弱了混凝土結(jié)構(gòu)尺寸,給工程的耐久性和安全帶來(lái)隱患。

對(duì)寒冷地區(qū)部分橋梁墩臺(tái)的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，跨越河流的水中墩在冬季積冰面處混凝土出現(xiàn)剝蝕現(xiàn)象，即墩臺(tái)混凝土向陽(yáng)面冰水面附近20 cm左右表層混凝土有局部脫落現(xiàn)象。尤其是嚴(yán)寒地區(qū)水中墩施工完1～2年后就會(huì)出現(xiàn)混凝土剝蝕(圖1)。為此寒冷地區(qū)的混凝土工程在設(shè)計(jì)中,應(yīng)考慮混凝土的抗凍性。

圖1 橋墩剝蝕現(xiàn)象照片

2 橋墩混凝土剝蝕狀況及認(rèn)識(shí)

根據(jù)調(diào)查的具體數(shù)字統(tǒng)計(jì)出,發(fā)生剝蝕的橋墩占跨河橋梁橋墩總數(shù)的20%?；炷羷兾g的橋梁工點(diǎn)絕大部分出現(xiàn)在橋墩積冰面處,向陽(yáng)面比陰面剝蝕程度嚴(yán)重。橋墩混凝土剝蝕的范圍及深度各工點(diǎn)也不盡相同,大部分深度2～3 mm,個(gè)別橋墩深度達(dá)到10 mm。

對(duì)河水水樣進(jìn)行了水質(zhì)分析,按照《鐵路混凝土與砌體工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》中環(huán)境水對(duì)混凝土侵蝕性的判定,河水均無(wú)侵蝕?；炷帘砻鎰兾g與環(huán)境水的腐蝕性關(guān)系不大。經(jīng)過(guò)初步調(diào)查以及調(diào)研國(guó)內(nèi)外有關(guān)混凝土剝蝕的資料,經(jīng)初步分析,造成混凝土表層剝蝕的主要原因是該部分混凝土凍融交換劇烈所致。但是導(dǎo)致混凝土剝蝕發(fā)生與設(shè)計(jì)、施工中的各種條件,比如早期受凍(即混凝土在未達(dá)到臨界抗凍強(qiáng)度而受凍)、水膠比過(guò)大、混凝土含氣量不夠、未能按照不同部位的要求配制混凝土等因素有關(guān)系。

綜上所述,混凝土表面剝蝕從橋墩結(jié)構(gòu)本身力學(xué)性能上講,結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等方面可以滿足受力要求,但是從工程長(zhǎng)期耐久性上看,將影響結(jié)構(gòu)的耐久性,對(duì)于已出現(xiàn)的橋墩混凝土剝蝕問(wèn)題應(yīng)及時(shí)采取補(bǔ)救措施,防止混凝土進(jìn)一步凍融破壞。因此應(yīng)采取可靠措施對(duì)混凝土剝蝕進(jìn)行整治,以確保橋梁工程的耐久性。

3 國(guó)內(nèi)外混凝土抗凍性研究及現(xiàn)狀

混凝土建筑物所處環(huán)境凡是有正負(fù)溫交替、混凝土內(nèi)部含有較多水的情況,混凝土都會(huì)發(fā)生凍融循環(huán),以至疲勞破壞。為此,國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者在混凝土凍融性能上,從宏觀到亞微觀(氣泡參數(shù)等)均作了大量的研究,制訂了混凝土建筑物在不同環(huán)境運(yùn)行條件下的抗凍耐久性設(shè)計(jì)要求。美國(guó)、日本等國(guó)在混凝土抗凍性設(shè)計(jì)上,實(shí)行了統(tǒng)一模式制,即無(wú)論環(huán)境條件如何,混凝土耐久性的要求就是300次凍融循環(huán),相對(duì)耐久性指數(shù)>80%。歐洲和我國(guó)等都是根據(jù)建筑物所處的環(huán)境條件設(shè)立不同抗凍等級(jí)的設(shè)計(jì)要求。

半個(gè)世紀(jì)的實(shí)踐表明,我國(guó)混凝土整體耐久性偏低,現(xiàn)有的抗凍等級(jí)不能滿足混凝土結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期耐久安全運(yùn)行的要求,混凝土工程中凡是出現(xiàn)正負(fù)溫交替的地區(qū),均存在有混凝土的凍融破壞問(wèn)題,而且以東北、華北、西北地區(qū)較為嚴(yán)重。工程類(lèi)別中又以水工、港工、路橋較為突出。因此,如何從整體上提高我國(guó)建筑物混凝土的抗凍安全性,已成為迫切需要解決的問(wèn)題。

3.1 混凝土凍融破壞原因

研究混凝土凍融破壞原因很重要,只有充分了解引起混凝土凍融破壞的原因,才能正確選擇混凝土的抗凍措施。混凝土凍融破壞的主要原因有。

(1)水、負(fù)溫、凍融循環(huán)是混凝土凍融破壞的首要原因

眾所周知,有了負(fù)溫、水才能產(chǎn)生冰凍。在負(fù)溫條件下混凝土內(nèi)部孔隙水凍結(jié),在正溫下水融化,一凍一融,使混凝土遭到破壞。形成凍融的條件有兩種,一是氣溫正負(fù)交替；另一種是冬季水位漲落,使混凝土表面出現(xiàn)凍融。反復(fù)凍融循環(huán)次數(shù)越多、越頻繁,混凝土再生能力的恢復(fù)期越短,則混凝土的凍融破壞越嚴(yán)重。而且負(fù)溫和凍融循環(huán)次數(shù)比較起來(lái),后者影響較大,因?yàn)榧词箿囟群艿?但冰凍了后不融化或很少融化,破壞作用次數(shù)減少,危害相對(duì)輕；反之若凍融次數(shù)多,則破壞嚴(yán)重。

(2)混凝土干濕狀態(tài)的影響

水完全結(jié)冰后可產(chǎn)生9%的體積膨脹,如果混凝土孔隙中完全充滿水,這么大的膨脹足以使混凝土開(kāi)裂破壞。理論上當(dāng)混凝土中的孔隙飽水度小于91%時(shí),混凝土就不會(huì)受凍破壞。所以混凝土是干是濕,其干濕程度、飽和狀態(tài)對(duì)混凝土的凍融破壞影響很大。

(3)施工質(zhì)量

施工質(zhì)量對(duì)混凝土抗凍性起決定性的影響,許多在室內(nèi)試驗(yàn)達(dá)到要求的混凝土,現(xiàn)場(chǎng)施工卻常常滿足不了要求,施工質(zhì)量越差,問(wèn)題越嚴(yán)重。

3.2 影響混凝土抗凍性的主要因素

混凝土的抗凍性與氣泡間距、凍結(jié)溫度、凍融速率、孔隙中水的含量、材料的滲透系數(shù)以及抵抗破壞的能力等因素有關(guān)。主要影響因素是水灰比、含氣量、平均氣泡間距、摻和料、施工質(zhì)量等。

(1)混凝土的水灰比

混凝土的水灰比愈大,其毛細(xì)管越多,吸水率越大,其在凍融過(guò)程中產(chǎn)生的膨脹壓力和滲透壓力也越大,其抗凍性亦越差。

(2)混凝土的含氣量

混凝土中摻用引氣劑,其所產(chǎn)生的無(wú)數(shù)微小和互不連續(xù)的氣泡具有緩解凍融過(guò)程中產(chǎn)生膨脹壓力和滲透壓力的作用,由于混凝土中有無(wú)數(shù)不連續(xù)的小氣泡,使混凝土中孔隙飽水度難以達(dá)到91%,因而混凝土具有較高的抗凍性。

(3)摻和料對(duì)混凝土抗凍性的影響

目前許多工程都采用諸如粉煤灰、硅粉、磨細(xì)礦碴粉等混合材料,研究表明,采用優(yōu)質(zhì)粉煤灰,并維持一定含氣量可以提高抗凍性。摻硅粉的混凝土顯著改變了孔結(jié)構(gòu),使混凝土結(jié)構(gòu)致密,有利于改善氣泡參數(shù)提高混凝土抗凍性。

3.3 混凝土抗凍性措施

從大量的資料中了解到混凝土抗凍國(guó)內(nèi)外主要采取調(diào)制高性能混凝土來(lái)滿足環(huán)境造成的混凝土劣化。在抗凍性方面,根據(jù)環(huán)境設(shè)定混凝土抗凍指標(biāo)、水膠比、含氣量、氣泡間距、摻和料等以抵消環(huán)境對(duì)混凝土的劣化。

4 嚴(yán)寒地區(qū)鐵路橋梁混凝土耐久性設(shè)計(jì)

在惡劣的自然環(huán)境下建設(shè)鐵路工程,混凝土材料面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。在設(shè)計(jì)前期,對(duì)混凝土首先考慮從耐久性入手,研制高性能混凝土。

考慮惡劣的自然環(huán)境多方面影響因素,混凝土必須具有七方面高性能的耐久性指標(biāo),首先混凝土的抗凍融循環(huán)性能應(yīng)不小于300次。然后從抗?jié)B性、護(hù)筋性、抗氯離子滲透性、抗裂性、耐腐蝕性、抗堿-骨料反應(yīng)性能、耐風(fēng)蝕性能,并在原材料、配合比、混凝土的拌制、養(yǎng)護(hù)等方面控制質(zhì)量,而且根據(jù)不同的結(jié)構(gòu),以及同一結(jié)構(gòu)不同部位的混凝土配合比均應(yīng)有不同的要求,特別在水位變動(dòng)區(qū)混凝土的最大水膠比、最小膠凝材料用量等項(xiàng)要求。

外加劑宜選用具有早強(qiáng)、減水、防凍、引氣、能細(xì)化孔結(jié)構(gòu)等功能的復(fù)合型產(chǎn)品,不宜選用液體類(lèi)產(chǎn)品。

養(yǎng)護(hù)：應(yīng)嚴(yán)格控制混凝土的養(yǎng)護(hù)溫度不低于混凝土外加劑規(guī)定的最低適用溫度。當(dāng)養(yǎng)護(hù)溫度低于0 ℃時(shí),應(yīng)采取臨時(shí)保溫措施,直至混凝土的強(qiáng)度達(dá)到臨界抗凍強(qiáng)度。

5 防止混凝土剝蝕設(shè)計(jì)方案

通過(guò)國(guó)內(nèi)公路、水工等工程對(duì)混凝土剝蝕的研究和處理措施的調(diào)研,無(wú)論采取何種方法,都是對(duì)已損壞的混凝土表面進(jìn)行修補(bǔ)或補(bǔ)強(qiáng)。因此,對(duì)剝蝕的墩身進(jìn)行修補(bǔ)或采取隔離措施使冰(水)不直接與墩身接觸,即可保證橋墩表面不再繼續(xù)發(fā)生剝蝕。

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)資料的研究和方案比較,提出工藝可行,現(xiàn)場(chǎng)操作方便,且技術(shù)較為成熟,安全可靠的方案。

外包高抗凍性混凝土和鋼板：采取在橋墩上外包高性能C30混凝土,外包鋼板。鋼板厚5 mm(采用耐候鋼板)。防腐措施采用液態(tài)環(huán)氧樹(shù)脂涂抹2 mm厚或IC531防護(hù)體系。具體方案見(jiàn)圖2。

圖2 外包高抗凍性混凝土和鋼板(單位：cm)

施工要求：混凝土耐久性好,抗凍性強(qiáng),抗?jié)B性能強(qiáng),密實(shí)度好?？箖鲂詽M足F300以上,耐久性指數(shù)DF大于85%,最小膠凝材料用量450 kg/m3,水灰比0.35,含氣量6%,氣泡間距小于300 μm。

注意混凝土保溫、保濕,特別要保證混凝土的臨界抗凍強(qiáng)度,以避免混凝土早期受凍。

6 結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)隨著我國(guó)工程建設(shè)在嚴(yán)寒地區(qū)橋梁混凝土所處的自然環(huán)境惡劣,出現(xiàn)了不少病害,人們對(duì)混凝土的凍融剝蝕現(xiàn)象,有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí),基本掌握了混凝土凍融剝蝕原因和影響因素,提出了混凝土耐久性設(shè)計(jì),并制定了相應(yīng)規(guī)范。但是，在實(shí)踐中單從混凝土材料上提高了要求,還不能夠?qū)σ恍O端的情況徹底消除,為此還必須采取工程措施進(jìn)行防止,方能達(dá)到好的效果,因此對(duì)混凝土冰水交接面上下采取工程措施,并在今年多條鐵路線橋梁工程中得到應(yīng)用。

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