凍土地區(qū)鋼筋混凝土橋梁病害研究

（重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院， 重慶 400074）

凍土地區(qū)鋼筋混凝土橋梁病害研究

劉仕茂

（重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院， 重慶 400074）

我國東北、華北和西部地區(qū)等凍土地區(qū)一直以來都是重點發(fā)展的區(qū)域，本文主要針對凍土地區(qū)鋼筋混凝土橋梁修建過程中出現(xiàn)的冰凍凍融引起的病害及其處治方法展開研究。根據(jù)凍土地區(qū)鋼筋混凝土橋梁存在的主要冰凍凍融問題，結(jié)合近年國內(nèi)外凍土工程的研究現(xiàn)狀，對凍土地區(qū)鋼筋混凝土橋梁基礎(chǔ)的凍脹和融沉病害提出合理的處治方法，這將有利于凍土地區(qū)鋼筋混凝土橋梁的修建，并保證其穩(wěn)定性和耐久性。

凍土地區(qū)；鋼筋混凝土橋梁；凍融病害；處治方法

0 引言

凍土是指溫度在零或者零攝氏度以下的含有冰的各種類型的巖石和土壤。在我國，東北、西部和華北地區(qū)基本上都屬于凍土區(qū)，且青藏高原、大小興安嶺和西部高山地帶屬于多年凍土區(qū)，凍土地區(qū)修建橋梁存在基礎(chǔ)的凍脹和融沉現(xiàn)象，這一現(xiàn)象是凍土地區(qū)影響橋梁穩(wěn)定性和耐久性的主要原因。

在橋梁的施工過程中，由于熱量的傳入，引起地基凍土融化下沉，從而橋梁墩臺會產(chǎn)生沉降，導(dǎo)致橋梁上部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)變形，影響橋梁的穩(wěn)定性，由于鋼筋的銹蝕，冰凍凍融對鋼筋混凝土橋梁的破壞尤為嚴重。因此，研究凍土地區(qū)鋼筋混凝土橋梁冰凍凍融病害形成機理和處治方法，對在凍土地區(qū)修建橋梁等建筑物來說有著非常重大的意義。

1 國內(nèi)外凍土工程研究現(xiàn)狀

“國際地層凍結(jié)和凍結(jié)作用”會議[1]（2000年）上，C'a111eS-PlntauX對道路凍結(jié)過程中的熱參數(shù)進行了定量計算，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)熱系數(shù)和含水率是非常重要的兩個參數(shù)，這兩個參數(shù)在氣候變化時，對流交換系數(shù)及初始穩(wěn)定狀況在路基水熱性質(zhì)中起到非常重要的作用。

西南大學(xué)[2]（2007年）研究了季節(jié)凍土凍脹和融沉與土質(zhì)、密度、含水率等性質(zhì)的關(guān)系；同年，蘭州大學(xué)利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)研究了飽和凍土和非飽和凍土水分遷移的預(yù)測模型，并取得一定成果。

2015年，中國礦業(yè)大學(xué)的博士研究生陰琪翔[3]以多年凍土區(qū)路橋過渡段為研究對象，通過室內(nèi)試樣試驗，系統(tǒng)的研究了多年凍土區(qū)凍土退化層融沉特性及融化后壓縮特性，揭示了過渡段空間變形場的演化規(guī)律。

2 凍土地區(qū)鋼筋混凝土橋梁典型病害及其機理

2.1 典型冰凍凍融病害

1）西北凍土地區(qū)混凝土橋梁凍融的主要類型[4]：梁體混凝土松動剝落、鋼筋裸露；梁體進水、開裂、甚至斷裂；鉸縫進水、掉塊；橋梁修建中有些質(zhì)量較低，造成了橋梁本身存在不足等。

2）高原凍土地區(qū)鋼筋混凝土橋梁病害的主要類型[5]：橋面出現(xiàn)波浪形的變形，橋面鋪裝層脫落；預(yù)制板梁撓曲變形較大；橋臺翼墻傾斜與斷裂；導(dǎo)流堤凍脹沉陷坍塌等。

3）西藏凍土地區(qū)混凝土橋梁病害的主要類型：橋墩受凍剝蝕破壞；混凝土表面失水、干縮；結(jié)構(gòu)物不均勻下沉，開裂破壞；墩臺基礎(chǔ)整體上抬并伴有傾斜現(xiàn)象等。

2.2 混凝土的凍融機理[6]

在凍土地區(qū)，正負溫度長期交互作用，混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)表層剝落和松散而導(dǎo)致承載力降低的現(xiàn)象，這就是混凝土的凍融。

混凝土材料的一般破壞機理[9]是指混凝土內(nèi)部微裂縫隨著混凝土內(nèi)部應(yīng)力的增加裂縫擴大化而成為相互連通的宏觀裂縫，直至混凝土整體性下降而喪失承載力的過程。在荷載作用下，微裂縫首先產(chǎn)生于骨料與砂漿的界面和砂漿內(nèi)部，隨著荷載的增加，混凝土內(nèi)部應(yīng)力增大，微裂縫不斷的延伸和擴展成為相互連通的宏觀裂縫，砂漿內(nèi)部裂縫的產(chǎn)生導(dǎo)致混凝土內(nèi)部骨料之間失去了聯(lián)結(jié)，混凝土整體性破壞并喪失承載力，最后產(chǎn)生混凝土材料的破壞。

降低混凝土澆筑時的水灰比和在澆注時加入引氣劑可以減少混凝土凍融破壞，提高混凝土的抗凍性。

2.3 鋼筋的銹蝕機理[7]

鋼筋銹蝕必備的三個條件：（1）由于鋼筋表面存在電位差，能夠形成電池的陰陽兩極；（2）鋼筋表面存在腐蝕反應(yīng)必需的水和氧氣；（3）鋼筋表面的氧化膜已破壞，鋼筋處于無保護狀態(tài)。

上述條件滿足的原因如下：首先，鋼筋不純凈和鋼筋成分不均勻，與周圍的混凝土共同發(fā)生作用時，鋼筋中會出現(xiàn)電位差而形成電極，構(gòu)成了鋼筋腐蝕的電池；其次，混凝土的不密實性能導(dǎo)致氣中游離的氧分子和水分子很容易通過混凝土微小的裂縫與孔隙附著到鋼筋表面上，提供了鋼筋銹蝕的化學(xué)反應(yīng)所必需的水和氧氣；混凝土中游離的氯離子的濃度過高和混凝土保護層碳化使保護層混凝土降低這兩個原因都能夠使鋼筋表面的氧化膜被破壞和鋼筋處于活化狀態(tài)。

鋼筋的抗銹蝕性能取決于包裹鋼筋的混凝土的耐久性能，凍融病害破壞了混凝土的耐久性，因此導(dǎo)致了鋼筋的銹蝕。

3 處治方法

3.1 設(shè)計階段[8]

正確選擇設(shè)計標準；合理確定結(jié)構(gòu)類型和橋梁形式，盡量以鋼筋混凝土板橋、T梁橋為主，不宜采用超靜定連續(xù)梁橋；設(shè)計橋梁墩臺時，應(yīng)考慮其耐久性，采用低溫、早強、耐久混凝土和墩臺護面鋼筋，增加混凝土的耐久性；設(shè)計橋梁基礎(chǔ)的過程中，盡量避免引起河床熱狀況的擾動，并注意防止融沉和凍脹作用對橋梁結(jié)構(gòu)的破壞。

擴大基礎(chǔ)和樁基礎(chǔ)是適用于凍土地區(qū)的橋梁的基礎(chǔ)形式。

3.2 施工階段[9]

做好施工組織設(shè)計；選擇合理的施工季節(jié)、施工方法；基坑開挖盡量在冬季施工，如在春夏季施工應(yīng)采取遮陽防雨措施，開挖時一定要快，避免基坑暴露時間太長而使凍土地基融化；宜采用低溫、早強、耐久的混凝土，并根據(jù)施工環(huán)境，選擇合適的入模溫度和混凝土運輸方式。

針對多年凍土地區(qū)天氣寒冷、冰凍期長的特點，凍結(jié)法施工是化不利條件為有利條件的一種施工方法。

3.3 運營階段[10]

在混凝土凍融破壞比較嚴重的部位，應(yīng)該采用噴漿修補；若發(fā)現(xiàn)梁體露筋或保護層剝落等現(xiàn)象，采用環(huán)氧材料修補或噴射高標號水泥砂漿修補；當(dāng)鋼筋混凝土的裂縫寬度大于具體要求時，應(yīng)該采用壓力灌漿法噴射環(huán)氧樹脂膠；橋梁下部結(jié)構(gòu)維修應(yīng)采用鋼筋混凝土墩臺結(jié)構(gòu)套箍或者擴大基礎(chǔ)加固法、護套加固法、支撐加固法和人工地基加固法等；進行橋面裂縫維修時，可以采用HD型高性能灌縫材料進行修補。

4 結(jié)論

通過本文的研究，得到以下主要結(jié)論：

1）位于凍土地區(qū)的橋梁建筑物發(fā)生的病害主要包括：梁體混凝土開裂、變形，墩身發(fā)生凍脹破壞，地基不均勻沉降。

2）凍土地區(qū)常年處于低溫，且晝夜溫差大，混凝土因凍脹而脫落，因溫差而變形并產(chǎn)生裂縫，鋼筋產(chǎn)生銹蝕，橋梁耐久性大大降低，結(jié)構(gòu)物因地基不均勻沉降而失穩(wěn)。

3）通過分析凍土地區(qū)鋼筋混凝土橋梁病害機理，并提出了相應(yīng)的解決方案，對我國凍土地區(qū)修建鋼筋混凝土橋梁產(chǎn)生了深遠意義。

[1]蒲元海.西北干寒地區(qū)混凝土橋梁凍融病害機理及防治技術(shù)探究[J].城市道橋與防洪，2015，10（10）

[2]嚴莉華.高寒凍土地區(qū)橋梁病害機理及處理方法研究[D].長安大學(xué).2010，6

[3]潘東宏.高寒地區(qū)提高混凝土橋梁耐久性關(guān)鍵技術(shù)研究[D].重慶交通大學(xué).2010，4

[4]韓慧利.嚴寒凍土地區(qū)高速鐵路混凝土梁橋病害成因及處治研究[D].石家莊鐵道大學(xué).2014，6

[5]陳勇.西北干寒地區(qū)常見病害對公路橋梁可靠性的影響[D].蘭州交通大學(xué).2014，5

[6]張建軍.新疆地區(qū)橋梁病害及其修繕方法研究[D]. 長安大學(xué),2010，10

TU471.4

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1007-6344（2017）08-0031-01

劉仕茂(1992–)，女，碩士研究生，主要從事橋梁結(jié)構(gòu)有限元分析方面的工作。