摘 要 通过对桥梁耐久性影响因素分析,认为钢筋腐蚀对桥梁耐久性影响最大。通过对钢筋腐蚀影响因数和腐蚀机理分析,提出预防钢筋腐蚀对策。
关键词 桥梁耐久性钢筋腐蚀病害腐蚀病害预防对策
1 桥梁耐久性与影响因素
所谓耐久性,本人有两种理解,一是理论耐久性,二是实际耐久性。理论耐久性按《公路工程混凝土结构防腐技术规范》解释是指“结构在预期作用和预定的维护条件,能在规定期限内维持其设计性能要求的能力”;实际耐久性是指结构对气候作用、化学侵蚀、物理作用或任何破坏过程的抵抗能力。一般来讲,在正常设计(满足强度、刚度、稳定性和使用功能等要求) 、正常施工(严格依照规范和设计进行) 、正常使用(规定荷载等)和正常养护(不使用化冰盐)的条件下,桥梁理论耐久性是有保障的。然而暴露在野外环境的桥梁,受到各种水侵腐蚀、冻融破坏、正常和非正常荷载的作用,加之设计、施工的不当,其生存时间很难同我们想象的设计寿命挂钩,其实际耐久性远远小于理论耐久性。
影响桥梁耐久性的因素十分复杂,不考虑洪水、地震、超载及船舶的撞击,主要取决于以下四方面因素:
①混凝土材料、钢材的自身特性;
②桥梁结构的设计与施工质量;
③桥梁结构所处的环境;
④桥梁结构的使用条件与防护措施。
其中混凝土材料、钢材的自身特性和钢筋混凝土桥梁的设计与施工质量是决定桥梁耐久性的内因。混凝土是由水泥、水、粗集料和某些外加剂,经过搅拌、浇注、振捣和养护硬化等过程而形成的人工复合材料。混凝土的材料组成,如水灰比、水泥品种和用量、集料的种类与级配等都直接影响桥梁的耐久性。混凝土的缺陷(例如裂缝、气泡、孔穴等)都会造成水分和侵蚀性物质渗入混凝土内部,与混凝土发生物理化学作用,腐蚀结构的钢筋,影响桥梁的耐久性。
桥梁所处环境条件和防护措施是影响桥梁耐久性的外因。外界环境对钢筋混凝土桥梁的破坏是环境因素对混凝土结构物理化学作用的结果。环境因素引起的钢筋混凝土桥梁损伤或破坏主要有:
①混凝土炭化;
②氯离子侵蚀;
③碱- 集料反映;
④冻融循环破坏;
⑤钢筋腐蚀。
在影响钢筋混凝土桥梁耐久性的诸多因素中,钢筋的腐蚀危害最大,当钢筋腐蚀后其有效截面积会不断减小,就使得结构的承载能力迅速下降,并不可恢复,严重时还会出现钢筋断裂。当结构的剩余承载能力低于作用荷载时,桥梁结构就有可能发生破坏。所以由钢筋腐蚀而引起的桥梁耐久性问题已成为一个非常突出的灾害性问题。
2 钢筋腐蚀病害成因
混凝土对钢筋的保护体现在两个方面:即物理保护和化学保护。物理保护是指阻断保护,即混凝土保护层隔断了钢筋与空气、水和腐蚀环境的直接接触;化学保护是指钝化保护,水泥在水化过程中生成大量的氢氧化钙,使混凝土内部的空隙中充满了饱和的氢氧化钙溶液,其ph值为12～13,在这样高的碱性环境中埋置的钢筋容易发生钝化作用,使钢筋表面生成一层难溶的三氧化二铁( Fe2O3 )和四氧化三铁( Fe3O4 ) ,通常称为钝化膜,能够阻止混凝土中的钢筋的腐蚀。埋置于无氯、未碳化混凝土中的钢筋可以永远不生锈。
造成钢筋锈蚀的原因是多方面的,如周围介质的侵蚀,钢材的材质差,混凝土保护层的性能影响等。具体原因如下:
①混凝土不密实或有裂缝
这往往是造成钢筋锈蚀的主要原因。尤其当水泥用量不当和浇捣不良,或者在混凝土浇注中产生漏筋、蜂窝、麻面等缺陷,或者造成干缩或温差开裂、受到过载开裂、意外冲撞破损等等,使钢筋直接暴露在环境中,失去了混凝土的保护,都给水(汽) 、氧和其他侵蚀介质的渗透创造了有利条件,多种侵蚀介质容易达到钢筋表面,从而加速钢筋的锈蚀。
②混凝土的碳化
混凝土中的钢筋锈蚀的主要原因之一是“碳化”。空气中的二氧化碳气体,逐渐中和混凝土的水泥水化物,把结硬的水泥浆中的氢氧化碳转化为碳酸钙,使混凝土失去碱性而变成中性化。这种现象称为“碳化”。当碳化深度达到超过钢筋保护层时,使表层混凝土丧失碱性环境,其ph值低于10,
对钢筋不再起钝化作用,从而破坏钢筋的钝化膜,使钢筋失去保护的屏障。进而大气中的有害气体侵入混凝土,就会使钢筋遭到锈蚀而生锈。处于干燥环境下的混凝土碳化速度缓慢,具有良好保护层的钢筋混凝土结构一般不会发生钢筋腐蚀;而处于潮湿的或有侵蚀介质的环境中,混凝土将加速碳化,一般当ph值大于10时,钢筋腐蚀速度较小,当ph值小于4时钢筋腐蚀速度急剧增加。
③掺入或侵入氯盐
氯离子对钢筋钝化膜的破坏作用最强,氯盐通过混凝土中的毛细孔或微裂缝渗入到钢筋的表面,直接攻击钝化膜,当钢筋表面的氯离子量超过临界值,钢筋保护膜遭到破坏,如果能供给氧气和水,就会造成钢筋局部发生腐蚀,较典型的是含盐环境,如化冰盐、海洋环境、含盐地下水等,并且其渗透深度很可能超过钢筋的深度。因此氯盐是威胁桥梁耐久性最危险的化学物质,且对钝化膜产生局部性的破坏,使钢筋表面产生点状坑蚀。
3 钢筋腐蚀机理分析
3. 1 混凝土碳化引起的钢筋腐蚀
前已指出,混凝土碳化的实质是混凝土的中性化,当有二氧化碳和水气侵入混凝土内部,与混凝土中的碱性物质中和,导致混凝土的ph值降低,造成全部或部分钢筋表面钝化膜的破坏。由于钢材材质和表面的非均质性,在钢筋表面的不同部位总会出现较大的电位差,形成阳极和阴极。因此,在潮湿环境下,由于氧气和水的参与,钢筋就可以发生电化学反应。
在阳极的反映为:Fe→Fe2 + + 2e在阴极的反映为:2H2O +O2 + 2e- →4 (OH) -阳极、阴极生成的铁离子和氢氧根离子结合生成氢氧化铁:Fe2 + + 2 (OH) - →Fe (OH) 24Fe (OH) 2 +O2 +H2O→4Fe (OH) 3
在氧气和水的共同作用下,发生上述电化学反应,使钢筋表面的铁不断失去电子而溶于水,钢筋逐渐被腐蚀,反应生成的氢氧化二铁( Fe (OH) 2 )进一步氧化形成铁锈Fe (OH) 3 ·3H2O,铁锈体积膨胀,将引起混凝土开裂。
3. 2 氯离子侵入引起的钢筋腐蚀
氯离子是极强的去钝化剂,氯离子进入混凝土,到达钢筋表面,并吸附于局部钝化膜处时,可使该处的ph值迅速降低,破坏钢筋表面的钝化膜,引起钢筋腐蚀。
氯离子Cl- 和氢氧根离子OH- 争夺腐蚀产生的Fe2 + ,形成绿锈FeCl·4H2O,绿锈从钢筋的阳极向含氧较高的混凝土空隙迁移,分解为Fe (OH) 2(褐锈) 。褐锈沉积于阳极周围,同时放出氢离子H+和氯离子Cl- ,它们又回到阳极区,使阳极区附近的孔隙液局部酸化,氯离子Cl- 再带出更多的Fe2 + 。氯离子虽然不构成腐蚀产物,在腐蚀反应中也不消耗,但腐蚀的中间产物对腐蚀反映起催化作用,反应式为:
Fe2 + + 2Cl- + 4H2O→FeCl2 ·4H2O
FeCl2 ·4H2O→Fe (OH) 2 ↓ +2Cl- +H+ +2H2O
如果在大面积的钢筋表面上具有高浓度的氯离子,则氯离子所引起的腐蚀可能是均匀腐蚀。但是由于混凝土局部缺陷常造成钢筋局部表面氯离子浓度增加,引起钢筋局部腐蚀,形成腐蚀坑。腐蚀坑相当于一个缺口,在钢筋受拉时引起应力分布不均匀,造成应力集中,可导致钢筋的断裂。
4 桥梁腐蚀病害预防对策
钢筋腐蚀与混凝土的碳化、氯离子侵蚀以及水分和氧的存在条件是分不开的,而提供这种条件的通道,一个是毛细孔道,另一个是混凝土裂缝,其中裂缝对钢筋的腐蚀影响更大,混凝土开裂后,钢筋的腐蚀速度将大大加快。因此,桥梁的防腐应从两方面入手,一是提高钢筋的混凝土保护层质量,阻止氯离子和水分对混凝土的侵蚀,延长混凝土的碳化时间,进而防止钢筋锈蚀;二是注重桥梁防水和防氯离子侵蚀。
4. 1 提高混凝土保护层质量
(1) 加大混凝土保护层厚度。
(2) 提高混凝土密实度。模板质量要好,支撑牢固,混凝土不跑浆;混凝土振捣要到位,避免出现蜂窝、孔洞;掺入优质粉煤灰,改变混凝土内部孔隙结构,提高混凝土密实度,同时增加对氯离子扩散的阻力。
(3) 采取措施,控制混凝土有害裂缝。一是防止混凝土碱集料反应引起混凝土裂缝,比如选择含碱量低的水泥( ≯0. 6% ) ,不使用碱活性的集料,不使用含碱或含碱量低的化学外加剂等;二是防止集料膨胀反应引起的混凝土开裂,对集料生产、运输、堆放及搅拌等工序进行科学管理,防止将含氧化镁或硫酸盐的膨胀集料或生石灰碎块混入集料中;三是防止因温度变化引起混凝土开裂,合理设置、安装桥梁伸缩缝与支座,加强桥梁养护,及时清理伸缩缝中杂物;四是尽量采用预应力结构;五是应用设计允许的最小水泥用量和能满足和易性要求的最小用水量,不要用过大的坍落度,均匀浇筑混凝土,并及时对混凝土进行养护,施工现场的材料堆放要合理,避免施工超载。
4. 2 控制氯离子含量
混凝土中氯离子含量对钢筋腐蚀的影响极大,一般情况下,钢筋混凝土中氯盐掺量应少于水泥重量的1% ,掺氯盐的混凝土必须振捣密实,且不宜采用蒸汽养护。
4. 3 提高桥梁防水功能
钢筋锈蚀主要是因混凝土保护层碳化和氯化物侵蚀,这两种腐蚀现象都是以水为载体进行。应该说桥梁防水是桥梁结构防腐的第一道屏障。大量的桥梁检测资料表明,由于桥面防水层的过早破坏,加上桥面排水不畅,水从桥面渗入到桥面板下的梁、墩台等部位,加速了桥梁结构混凝土的碳化和混凝土内钢筋的腐蚀。为此:
(1) 应选择好的防水层,精心铺设。防水涂层与其上的沥青混凝土铺装层要具有相融性,二者之间的粘结力要不低于沥青混凝土铺装层与水泥混凝土桥面板之间的粘结力;要具有良好的抗渗性能,在经受沥青混凝土的热碾压后,其抗渗性应大于0. 3MPa;要具有良好的耐久性,并能适应桥梁动荷载抗压、抗拉的特性。
(2) 桥面防水设计中,建议除选择具有良好的抗渗、抗剪、抗拉的防水层外,把水泥混凝土铺装设计为防水混凝土或在其表面涂抹抗渗剂以达到自防水效果,即柔性防水和刚性防水相结合。桥面铺装施工时,除严格控制压实度外,应严格控制平整度和横坡度。确保泻水口位置、标高准确,泻水口不被沥青混凝土铺装堵塞,以保证桥面水能迅速排除。
(3) 加强简支梁端封头混凝土及铰缝施工质量控制,避免梁头和铰缝渗水。
通过对大量的旧桥检测和加固施工,发现在空心板封头处,由于混凝土开裂,厚度过薄等原因,水从伸缩缝等部位沿着封头的微小裂缝逐渐进入空心板内部,并很难排除来,长期侵蚀梁体混凝土和钢筋。因此应注重封头混凝土施工质量,确保混凝土密实,也可对混凝土进行防水处理。在铰缝处,由于连接比较薄弱,加上施工质量较差,许多桥梁在使用早期就出现铰缝开裂,桥面铺装层沿铰缝纵向开裂,桥面防水层开裂,铰缝处严重渗水,板的翼缘混凝土碳化最为严重,部分钢筋开始锈蚀。因此,从设计上要采取措施,加强铰缝连接,避免单板受力,从而保证桥面防水层整体性不被破坏。
参考文献
1 桥梁病害诊断与改造加固设计. 张树仁、王宗林. 人民交通出版社. 2006
2 混凝土技术. 刘秉京. 人民交通出版社. 2004
