海域混凝土橋梁腐蝕及劣化機(jī)理研究

白 杜 娟

(陜西凱達(dá)公路橋梁工程建設(shè)有限公司，陜西 西安 710068)

1 概述

近年來(lái)，我國(guó)交通事業(yè)不斷發(fā)展，隨著人民生活水平的提高，對(duì)交通方式的要求也進(jìn)一步增強(qiáng)?？绾蛄鹤鳛檫B接兩岸的最佳方式，例如港珠澳大橋、杭州灣大橋等也相繼落成，并將進(jìn)一步發(fā)展。然而，由于鋼筋混凝土本身的特性，在海洋環(huán)境中，其結(jié)構(gòu)耐久性容易降低，受海洋環(huán)境中氯離子的影響，鋼筋易被侵蝕，進(jìn)而形成惡性循環(huán)，結(jié)構(gòu)耐久性不斷下降。

鋼筋銹蝕對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的影響是普遍的，而且一旦發(fā)生，受劣化區(qū)域隱蔽的影響，結(jié)構(gòu)往往難以維修，鋼筋混凝土耐久性將加速降低。對(duì)于沿海地區(qū)、跨海區(qū)域混凝土橋梁結(jié)構(gòu)，氯離子含量充足，氯離子一旦到達(dá)鋼筋并濃度增加到一定程度，將會(huì)對(duì)鋼筋表層的鈍化膜造成損害，進(jìn)而鋼筋發(fā)生銹蝕，橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生劣化，嚴(yán)重時(shí)將影響橋梁結(jié)構(gòu)正常使用，大大降低橋梁結(jié)構(gòu)的使用壽命。因此，在橋梁設(shè)計(jì)及日常養(yǎng)護(hù)過(guò)程中，沿海地區(qū)、跨海區(qū)域橋梁結(jié)構(gòu)腐蝕問(wèn)題成為橋梁工作者無(wú)法回避的一個(gè)問(wèn)題。對(duì)海域混凝土橋梁腐蝕及劣化機(jī)理進(jìn)行研究，進(jìn)而指導(dǎo)橋梁結(jié)構(gòu)的安全性能評(píng)估與病害治理，具有非常重要的理論價(jià)值和指導(dǎo)意義。

2 海域環(huán)境下鋼筋混凝土的腐蝕機(jī)理研究

2.1 海域混凝土橋梁腐蝕現(xiàn)狀

本文以福建地區(qū)沿海大量的橋梁為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)其調(diào)查分析發(fā)現(xiàn)，腐蝕最嚴(yán)重部位在設(shè)計(jì)高水位以上1.0 m至設(shè)計(jì)高水位以下0.5 m的區(qū)段。而終年在水下的部位腐蝕損壞較少，其他部位介于二者之間。

海域環(huán)境水下水域?qū)掗?，受潮汐影響水位落差較小，以溪尾特大橋?yàn)槔?，?duì)其下部結(jié)構(gòu)進(jìn)行水下腐蝕性檢測(cè)，如圖1所示。9號(hào) 墩右幅1號(hào)樁的立柱在福鼎方向與右側(cè)轉(zhuǎn)角處，樁帽往上破損，長(zhǎng)約為15 cm，高約為10 cm，深約為3 cm；在福鼎方向與左側(cè)轉(zhuǎn)角處，樁帽往上破損，長(zhǎng)約為40 cm，高約為10 cm，深約為20 cm；立柱在寧德方向與右側(cè)轉(zhuǎn)角處，樁帽往上破損，長(zhǎng)約為25 cm，高約為15 cm，深約為10 cm。

2.2 海域環(huán)境下鋼筋混凝土的腐蝕機(jī)理

混凝土耐久性受多種因素的影響，海域環(huán)境中，影響鋼筋混凝土橋梁耐久性主要因素為鋼筋銹蝕，海域混凝土構(gòu)件長(zhǎng)期處于潮濕環(huán)境中，該環(huán)境對(duì)氯離子自由擴(kuò)散及傳播具有促進(jìn)作用，氯離子一旦侵蝕鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，該病害將難以治理，并將加速結(jié)構(gòu)耐久性的破壞。

假定混凝土為均勻構(gòu)件，氯離子的擴(kuò)散為一維擴(kuò)散，則有：

(1)

其中，t為時(shí)間；C為距混凝土表面x處的氯離子濃度；D為氯離子擴(kuò)散系數(shù)；x為距混凝土表面的距離。

當(dāng)t=0，x>0時(shí)，C=0；當(dāng)x=0，t>0時(shí)，C=Cs?？芍鲜龇匠痰慕鉃椋?/p>

(2)

其中，Cs為氯離子濃度，等于混凝土構(gòu)件在暴露環(huán)境介質(zhì)的氯離子濃度；erf為誤差函數(shù)。

氯離子擴(kuò)散系數(shù)是反映混凝土耐久性的重要指標(biāo)。通過(guò)測(cè)量不同工作時(shí)間的擴(kuò)散系數(shù)，可以建立擴(kuò)散系數(shù)與時(shí)間之間的關(guān)系，從而可以預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的未來(lái)服務(wù)時(shí)間。因此，菲克第二定律中的擴(kuò)散系數(shù)實(shí)際上是當(dāng)結(jié)構(gòu)從開始暴露到檢測(cè)時(shí)擴(kuò)散系數(shù)的平均值。它是有效的擴(kuò)散系數(shù)，隨時(shí)間變化。

3 海域環(huán)境中鋼筋混凝土構(gòu)件劣化研究

3.1 銹蝕鋼筋性能退化研究

鋼筋表面與氣體或其他物質(zhì)接觸將發(fā)生化學(xué)作用，之后鋼筋發(fā)生銹蝕現(xiàn)象，該現(xiàn)象為化學(xué)腐蝕，此時(shí)，腐蝕僅作用在構(gòu)件表面，未發(fā)生電子之間的移動(dòng)，腐蝕區(qū)域較小。然而，當(dāng)鋼筋表面處于潮濕空氣，或者是溶液環(huán)境中，鋼筋銹蝕將大大加快，該銹蝕屬于電化學(xué)銹蝕，在此過(guò)程中，電子將發(fā)生運(yùn)動(dòng)，如圖2所示。

鋼筋發(fā)生銹蝕后，其屈服荷載降低，直接影響到橋梁結(jié)構(gòu)承載力，通過(guò)理論計(jì)算，鋼筋的銹蝕率分別為0%，5%，10%，15%，20%時(shí)，其荷載—位移曲線如圖3所示。

可以看出：隨著銹蝕率的增大，鋼筋的屈服荷載迅速下降，二者呈線性關(guān)系。

3.2 劣化構(gòu)件力學(xué)性能

為了研究銹蝕構(gòu)件剛度演化規(guī)律，進(jìn)而確切的掌握已銹蝕鋼筋混凝土構(gòu)件的力學(xué)性能指標(biāo)，試驗(yàn)制作了15根混凝土短柱試件，編號(hào)為G1～G15，構(gòu)件截面尺寸b×h×l=180 mm×220 mm×1 300 mm，混凝土保護(hù)層厚度G1～G10為20 mm，G11～G15壓區(qū)為35 mm，拉區(qū)為40 mm；縱筋全截面配筋螺紋鋼4φ12對(duì)稱布置，箍筋采用圓鋼φ6，柱身中段箍筋間距為100 mm，搭接區(qū)段為50 mm。

為了模擬已銹蝕鋼筋混凝土構(gòu)件，對(duì)構(gòu)件進(jìn)行加速銹蝕，加速試驗(yàn)采用半干法通電加速銹蝕，在環(huán)境濕度方面，本次試驗(yàn)擬采用室溫20 ℃環(huán)境，將覆蓋用濕沙在5%的NaCl溶液中浸泡，試驗(yàn)中提取6%濕度的含鹽濕沙覆蓋在試件的試驗(yàn)區(qū)域，在濕沙上面再蓋上5%鹽水濕潤(rùn)的半干棉布。15根試驗(yàn)柱的銹蝕情況如表1所示。

表1 試件柱銹蝕情況

根據(jù)荷載試驗(yàn)結(jié)果，繪制15根試驗(yàn)柱的荷載—撓度曲線，如圖4，圖5所示。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，構(gòu)件的破壞形態(tài)及荷載—撓度曲線可知：

1)構(gòu)件破壞之前，當(dāng)鋼筋銹蝕率低于6%時(shí)，作用相同的荷載，偏心受壓構(gòu)件變形差異較??；構(gòu)件破壞之前，當(dāng)鋼筋銹蝕率高于6%時(shí)，作用相同的荷載，偏心受壓構(gòu)件變形差異較大，并隨著銹蝕率的增大，變形較大；

2)當(dāng)鋼筋混凝土構(gòu)件銹蝕率相同時(shí)，偏心距增大，結(jié)構(gòu)剛度變化較為明顯；當(dāng)加載儀加載點(diǎn)一致時(shí)，隨著銹蝕率增加，鋼筋混凝土構(gòu)件屈服中點(diǎn)撓度較?。?/p>

3)通過(guò)G2,G3鋼筋混凝土構(gòu)件受壓試驗(yàn)可知，構(gòu)件受壓區(qū)域鋼筋銹蝕率對(duì)結(jié)構(gòu)抗彎剛度影響較小。

4 結(jié)語(yǔ)

1)海域環(huán)境下鋼筋混凝土構(gòu)件銹蝕最嚴(yán)重的區(qū)域發(fā)生在設(shè)計(jì)高水位以下0.5 m及以上1.0 m之間的區(qū)段；

2)隨著銹蝕率的增大，鋼筋的屈服荷載迅速下降，二者呈線性關(guān)系；

3)銹蝕率高于6%時(shí)，構(gòu)件的抗彎剛度退化顯著，相較于受拉區(qū)鋼筋混凝土構(gòu)件，受壓區(qū)主筋的銹蝕對(duì)構(gòu)件的抗彎剛度影響較小。