混凝土橋梁水害原因分析與處理

段艷菊

(大連市市政設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司 116011)

引言

橋梁作為交通路網(wǎng)中的重要節(jié)點(diǎn)，被廣泛地用于工程建設(shè)中，而其中混凝土橋梁最為普遍。隨著時(shí)間的推移，橋梁病害逐漸顯現(xiàn)。對(duì)現(xiàn)狀橋梁病害加以分析，找準(zhǔn)病因，對(duì)于病害的處理、橋梁養(yǎng)護(hù)以及對(duì)今后橋梁設(shè)計(jì)施工都有很大的借鑒意義。通過對(duì)大連市一些舊橋的現(xiàn)狀調(diào)查發(fā)現(xiàn)，危害最大、最常見的就是水損害。在長期水害作用下，橋梁表觀性狀、強(qiáng)度甚至內(nèi)部鋼筋都會(huì)產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的破壞，直接決定著混凝土構(gòu)件長期耐久性。

目前，混凝土橋梁水害問題研究多偏向于修補(bǔ)材料的開發(fā)和利用，而為了更好地對(duì)混凝土橋梁進(jìn)行維護(hù)和維修，更應(yīng)該系統(tǒng)地了解橋梁水害的特點(diǎn)及水害易發(fā)生位置和水侵害的方式，找準(zhǔn)原因才能更好地應(yīng)用于實(shí)際工作。

1 混凝土橋梁水害原因分析

1.1 水對(duì)橋梁混凝土結(jié)構(gòu)損害

要分析水對(duì)橋梁的危害，先要了解水是如何對(duì)橋梁產(chǎn)生損害的，水一般情況下先是起到搬運(yùn)作用，有害物質(zhì)如CO2、 O2或其他酸性氣體、氯化物等借助水分滲入到混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部，滲入深度往往取決于混凝土的密實(shí)度。一般認(rèn)為混凝土的孔隙率越大，水分越容易滲入，如果結(jié)構(gòu)表面出現(xiàn)裂縫，不論何種原因產(chǎn)生的裂縫，都會(huì)加劇水分的進(jìn)入，而且裂縫越寬越深，水分穿透距離越長。水將有害物質(zhì)運(yùn)輸?shù)交炷羶?nèi)部后，又和有害物質(zhì)發(fā)生物理或化學(xué)作用進(jìn)而對(duì)結(jié)構(gòu)造成破壞，其主要表現(xiàn)有[1]：混凝土碳化、氯離子侵蝕、堿集料反應(yīng)、凍融破壞和鋼筋腐蝕等。

1.2 易發(fā)生水害的位置

水的來源不同，水害發(fā)生的位置和侵害方式也有所不同。對(duì)橋梁造成損害的水的來源主要為降水、流水以及環(huán)境中的水汽等。

(1)降水造成的水害易發(fā)生的位置和侵害方式

1)橋面系[2,3]

橋梁作為開放式的構(gòu)筑物，不可避免與自然界接觸。降水直接作用位置為橋面，理想狀態(tài)下的大部分降水經(jīng)由橋面排水系統(tǒng)排至橋下或順橋面縱坡流至兩端道路，少部分降水雖停留或暫時(shí)滲入到瀝青鋪裝層下，最終也會(huì)蒸發(fā)變成氣體，不會(huì)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)造成很大影響。

然而，通過對(duì)現(xiàn)狀橋梁調(diào)查發(fā)現(xiàn)，橋梁排水設(shè)施設(shè)置不足、泄水孔堵塞、排水管損壞等，都會(huì)導(dǎo)致降水無法及時(shí)排出而滯留在橋面。在這種情況下，瀝青鋪裝層和水泥鋪裝層間的防水層若存在缺陷或破損，會(huì)導(dǎo)致水繼續(xù)下滲至水泥混凝土鋪裝層甚至橋梁結(jié)構(gòu)頂面，導(dǎo)致水泥混凝土鋪裝層發(fā)生坑槽、斷裂、破碎等病害，最終損害橋梁上部結(jié)構(gòu)主體。

2)下部結(jié)構(gòu)墩臺(tái)表面[3]

伸縮縫位置橡膠止水帶因堵塞或老化等原因失去止水能力，伸縮縫漏水后降水順伸縮縫下流至墩臺(tái)結(jié)構(gòu)，對(duì)下部結(jié)構(gòu)墩臺(tái)造成損害。

3)防撞護(hù)欄內(nèi)側(cè)

防撞護(hù)欄內(nèi)側(cè)通常是橋面橫坡最低點(diǎn)，橋面降水順橫坡流至防撞護(hù)欄內(nèi)側(cè)，然后順縱坡流至泄水孔或兩端道路進(jìn)而排出橋外。在此過程中，水在護(hù)欄內(nèi)側(cè)停留時(shí)間相對(duì)較長，尤其對(duì)根部影響較大。在北方冬季由于融雪鹽的使用，護(hù)欄內(nèi)側(cè)根部損壞現(xiàn)象比較普遍。

4)泄水管周邊混凝土[2,3]

目前，排水管多采用PVC或HDPE管材，一部分預(yù)埋在靠近防撞護(hù)欄內(nèi)側(cè)的混凝土梁內(nèi)部。由于管材和混凝土無法緊密結(jié)合，二者間的細(xì)小縫隙使橋面水緩慢滲入梁體，對(duì)梁體混凝土造成損害。

5)伸縮縫附近混凝土[2,3]

伸縮縫的安裝方法一般為：在攤鋪瀝青混凝土鋪裝面層后再切割出伸縮縫槽，之后澆筑槽內(nèi)纖維混凝土來固定伸縮裝置。埋在鋪裝層內(nèi)的防水層在伸縮縫槽壁的端頭較難處理，橋面水通過瀝青層下滲至防水層，再順伸縮縫槽壁與后澆筑的混凝土間的縫隙流入防水層底，繼而腐蝕梁體。

(2)流水造成的水害易發(fā)生的位置主要為處于水位變動(dòng)區(qū)的墩臺(tái)。由于流水的沖擊以及水中有害物質(zhì)的侵蝕造成墩臺(tái)保護(hù)層剝落、鋼筋銹蝕等。

(3)環(huán)境中的水汽是環(huán)境中的有害物質(zhì)對(duì)混凝土橋梁結(jié)構(gòu)侵蝕的催化劑或搬運(yùn)工，在腐蝕環(huán)境下，這種危害遍布于橋梁的全部外表面。

2 混凝土橋梁水害處理

在處理已發(fā)生水害的混凝土橋梁之前，首先要查明水害的性質(zhì)以及病害程度，以判斷病害是否已經(jīng)危及結(jié)構(gòu)安全、有沒有維修的價(jià)值等。如水害性質(zhì)為被稱為混凝土橋梁癌癥的堿骨料反應(yīng)，那么病害的發(fā)展是無法控制的，則橋梁已無維修的必要；如果病害已危及結(jié)構(gòu)安全，而且結(jié)構(gòu)年代久遠(yuǎn)，結(jié)構(gòu)形式落后，維修后依舊需要限載，無法滿足道路通行要求，也無維修必要；或者維修成本較高，甚至接近拆除新建費(fèi)用，同樣也無維修的必要。

對(duì)經(jīng)初步判斷后可以維修的橋梁，根據(jù)水害的性質(zhì)有針對(duì)性地進(jìn)行處理并預(yù)防病害的再次發(fā)生。對(duì)于水害造成的結(jié)構(gòu)混凝土剝落、鋼筋銹蝕等問題，首先將松散、剝離損壞的混凝土鑿除，對(duì)銹蝕鋼筋進(jìn)行除塵、除銹及阻銹處理，然后進(jìn)行結(jié)構(gòu)補(bǔ)全，材料根據(jù)病害位置的面積和深度可選擇結(jié)構(gòu)膠、環(huán)氧灌漿料、自密實(shí)混凝土、聚合物改性水泥砂漿等材料[4]。而對(duì)于如何排水、防水等問題，下面將結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，給出建議的處理和防治方法。

2.1 降水造成的水害的處理和防治方法

大連市部分受水損害的橋梁實(shí)例見表1及圖1～圖5。

表1 大連市部分受水損害的橋梁實(shí)例Tab.1 Examples of water-invaded bridges in Dalian

續(xù) 表

圖1 疏港東橋水害照片F(xiàn)ig.1 Water disaster in Shugang East Bridge

圖2 解放廣場橋水害照片F(xiàn)ig.2 Water disaster in Jiefang Square Bridge

圖3 五一橋水害照片F(xiàn)ig.3 Water disaster in Wuyi bridge

圖4 山巒橋水害照片F(xiàn)ig.4 Water disaster in Shanluan Bridge

圖5 東北路3號(hào)橋水害照片F(xiàn)ig.5 Water disaster in the third bridge on Dongbei Road

從以上工程實(shí)例可以看出，降水造成的水害多為橋面防水層缺陷、伸縮縫防水失效、防撞護(hù)欄內(nèi)側(cè)腐蝕問題、排水管周邊滲水問題以及排水設(shè)施不足等問題，其處理及防治方法如下：

(1)橋面防水層缺陷：破除瀝青鋪裝，重建橋面防水層，恢復(fù)瀝青鋪裝，如疏港東橋采用此方式處理。若水泥鋪裝層已發(fā)生破損，破損部位應(yīng)清除后再澆筑高強(qiáng)度等級(jí)的微膨脹纖維混凝土的方式重建，如山巒橋和五一橋同時(shí)對(duì)水泥鋪裝層進(jìn)行了修復(fù)。

(2)伸縮縫問題：恢復(fù)伸縮縫功能。對(duì)伸縮縫進(jìn)行清理；老化的止水帶進(jìn)行更換，更換的止水帶橋梁邊緣位置可考慮加設(shè)豎直的排水管[5]，將止水帶上少量的積水引出橋外，如疏港東橋；若伸縮縫已損壞或失效，則需同型號(hào)更換，如解放廣場立交橋、五一橋和東北路3號(hào)橋。另外，因伸縮縫是敞開式結(jié)構(gòu)，其橡膠止水帶上方易因灰塵、雜物堵塞等原因?qū)е孪鹉z止水帶破損、老化，最終導(dǎo)致伸縮縫處滲水腐蝕梁體、墩臺(tái)等，建議在橡膠止水帶上方填充具有彈性的聚氨酯材料[6]，不僅不影響伸縮縫的變形功能，而且可有效防止灰塵雜物等的侵入，延長其使用壽命，此方法近幾年在大連新建橋梁建設(shè)中開始推廣，并取得較好的效果，如圖6所示。

圖6 聚氨酯填充伸縮縫Fig.6 Expansion joint filled with polyurethane

(3)防撞護(hù)欄內(nèi)側(cè)腐蝕問題：推薦在護(hù)欄內(nèi)側(cè)根部加設(shè)花崗巖邊石[7]，利用花崗巖堅(jiān)硬耐腐蝕的特點(diǎn)，保護(hù)防撞墻根部避免再次被降水、融雪鹽等腐蝕和車輛撞擊的損傷，提高安全性能；而且修補(bǔ)后的防撞墻外形美觀，可以讓舊橋煥然一新，此方法在疏港東橋和東北路3號(hào)橋的維修改造中進(jìn)行了應(yīng)用，效果良好，如圖7所示。解放廣場立交橋因行車道寬度的限制，沒有空間加設(shè)花崗巖邊石，利用了結(jié)構(gòu)修補(bǔ)膠與混凝土粘結(jié)力好、防水、耐腐蝕的材料特性，大量使用結(jié)構(gòu)修補(bǔ)膠對(duì)根部進(jìn)行修復(fù)，效果尚可。

圖7 防撞墻根部加設(shè)花崗巖邊石Fig.7 Root of percussion wall with Granite curb

(4)泄水管周邊滲水問題：對(duì)于舊橋泄水管周邊滲水處理，可先將水篦、集水漏斗拆除，再用聚氨酯灌漿材料填充排水管與混凝土間縫隙，然后采用防水土工布沿泄水管四周鋪貼在混凝土鋪裝層上，并涂刷一層防水涂料，涂料范圍需大于防水土工布且與橋面防水層重疊，最后安裝集水漏斗和水篦。疏港東橋采用此種方式處理，如圖8所示。

圖8 泄水管周邊滲水處理示意Fig.8 Illustration of water seepage treatment around drain pipe

(5)橋梁排水設(shè)施其他問題：對(duì)于排水設(shè)施設(shè)置不足的，增設(shè)排水裝置；對(duì)于泄水孔堵塞的，疏通泄水孔并加強(qiáng)日常養(yǎng)護(hù)；對(duì)于排水管損壞的，及時(shí)更換損壞的排水管。

2.2 流水造成的水害的處理和防治方法

對(duì)于單純由于流水的沖擊而造成墩臺(tái)保護(hù)層剝落、鋼筋銹蝕等，可以考慮先用前述方法恢復(fù)墩臺(tái)截面，然后再采取增設(shè)導(dǎo)流設(shè)施或抗沖刷設(shè)施來降低流水沖擊對(duì)墩臺(tái)的影響。

而若水中存在對(duì)混凝土有強(qiáng)腐蝕性的有害物質(zhì)時(shí)，則只對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行恢復(fù)是不夠的，還需考慮防腐蝕措施。對(duì)于較為纖細(xì)的墩柱結(jié)構(gòu)，可以考慮采用水下玻纖套筒加固系統(tǒng)，此技術(shù)目前在世界范圍內(nèi)已有很多應(yīng)用，如國內(nèi)衢州市常山縣下界首大橋、溫州淺門大橋和窄門大橋、濟(jì)南玉符河大橋、遼陽小北河橋、沈陽市濱水路橋(圖9)等，國際上美國切薩克海灣大橋、佩勒姆灣鐵路橋等，實(shí)踐證明此方法是一種經(jīng)濟(jì)、高效和長期維護(hù)的解決方法。

圖9 沈陽市濱水路橋水下玻纖套筒加固Fig.9 Underwater glass fiber sleeve strengthening of Binshui Road Bridge in Shenyang city

對(duì)于壁式墩結(jié)構(gòu)，可以考慮增大保護(hù)層的方式增強(qiáng)其耐久性，具體可考慮使用高強(qiáng)度等級(jí)高性能、耐久性能好的混凝土、環(huán)氧灌漿料、聚合物改性防水砂漿等材料。

2.3 環(huán)境中水汽造成的水害的處理和防治方法

對(duì)于腐蝕環(huán)境中水汽的危害處理方式，主要考慮增強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)密實(shí)性、隔絕水汽等，對(duì)于鋼筋銹蝕可能性大的還需考慮鋼筋的阻銹保護(hù)問題。

既有混凝土結(jié)構(gòu)的密實(shí)度已無法改變，建議采用水泥滲透結(jié)晶型防水材料[1]，這種材料與水作用后，材料中含有的活性化學(xué)物質(zhì)，以水為載體，向混凝土微孔及毛細(xì)管中滲透，催化混凝土內(nèi)未完全水化的成分，再次發(fā)生水化作用，形成不溶于水的枝蔓狀結(jié)晶，充塞混凝土的微孔及毛細(xì)管道，使混凝土致密，達(dá)到長久性防水、保護(hù)鋼筋和增強(qiáng)混凝土強(qiáng)度的效果。

隔絕水汽主要是利用涂刷防腐蝕涂料[8,9]來實(shí)現(xiàn)，通過涂料封閉外表面，阻止氯離子、水和氧氣等腐蝕介質(zhì)的進(jìn)入，從而增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的耐久性能。涂料通常由封閉底漆+中間漆+面漆組成，相關(guān)規(guī)范[8]規(guī)定了在不同的腐蝕環(huán)境下，推薦使用的涂層結(jié)構(gòu)和厚度。大連市近年來對(duì)全市大中型既有和新建混凝土橋梁的外表面進(jìn)行防腐涂刷，橋梁耐久性得到很大提升。

既有混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)鋼筋的阻銹防銹，是一種事后補(bǔ)救措施[4]。根據(jù)實(shí)際情況，若鋼筋的混凝土保護(hù)層已剝落，可考慮在補(bǔ)全結(jié)構(gòu)的材料中摻入阻銹劑；若鋼筋保護(hù)層尚存，可考慮使用噴涂型的阻銹劑，利用材料的滲透性、密封性和濾除有害物質(zhì)的功能，當(dāng)其滲透到混凝土內(nèi)部鋼筋表面后，形成分子膜保護(hù)層起到鋼筋阻銹功能。

硅烷浸漬利用硅烷活性物質(zhì)的滲透性，并與混凝土基材中的堿性物質(zhì)作用，生成數(shù)毫米到十幾毫米的憎水薄膜，提高混凝土表面防水抗?jié)B能力。硅烷浸漬不改變混凝土表面外觀，對(duì)外觀沒有要求的部位可以考慮選用此方法。疏港東橋維修時(shí)采用了涂刷噴涂型阻銹劑加硅烷浸漬的方法，增強(qiáng)耐久性能。

3 結(jié)語

橋梁是永久性的建筑物，一旦建成即進(jìn)入維修養(yǎng)護(hù)期。本文對(duì)大連市現(xiàn)有橋梁的調(diào)查分析得出，橋梁病害往往都是結(jié)構(gòu)耐久性方面的問題，其中以水害問題最為突出。本文就水害的作用機(jī)理、常見水害位置及原因進(jìn)行分析，并針對(duì)性地給出處理的方法，實(shí)踐證明這些方法可有效提高橋梁結(jié)構(gòu)耐久性，供相關(guān)設(shè)計(jì)、施工、養(yǎng)護(hù)部門借鑒。