受腐蚀钢筋混凝土桥梁结构性能分析

２００７年第９期　（总第１６３期）　黑龙江交通科技　ＨＥｌＬＯＮＧＪｌＡＮＧ　ＪｌＡＯＴＯＮＧ　ＫＥＪ　Ｎｏ．９，２００７　（Ｓｕｍ　Ｎｏ．１６３）　受腐蚀钢筋混凝土桥梁结构性能分析　郝靖秋　（黑龙江省公路工程监理咨询公司）　摘要：钢筋腐蚀是影响钢筋混凝土桥梁结构耐久性的首要因素。介绍了被腐蚀混凝土桥梁结构性能下降　的现象和原因，并对在桥梁设计和施工方面应注意的问题提出了建议。　关键词：混凝土桥梁；钢筋腐蚀；结构性能　中图分类号：Ｕ４４５．７　３　１前言　文献标识码：Ｃ　文章编号：１００８—３３８３（２００７）０９—００７１—０３　又进一步导致更剧烈的腐蚀。　３受腐蚀钢筋混凝土桥梁的结构性能　３．１　受腐蚀钢筋混凝土受弯构件的性能　混凝土桥梁是目前应用较广的桥梁结构形式，我国有超　过９ｏ％的桥梁为混凝土结构。随着桥梁结构老化和环境污　染加重，钢筋混凝土结构耐久性问题越来越引起国内外广大　钢筋腐蚀通常会改变正常配筋混凝土梁的破坏类型，完　好梁一般为弯曲破坏，而受腐蚀梁很多情况下为剪切破坏。　受腐蚀梁在钢筋屈服前，受力裂缝不明显，裂缝高度很低，一　旦出现高度较高的明显的受力裂缝，这时钢筋已经屈服，构件　研究者的关注。美国１９８４年报道，就桥梁而言，５７．５万座　钢筋混凝土桥，一半以上出现钢筋腐蚀破坏，４０％承载力不　足和必须修复与加固处理，当年的修复费为５４亿美元；１９８８　年报道，钢筋混凝土腐蚀破坏的修复费，一年要２　５００亿美　元，其中桥梁修复费为１　５５０亿美元（是这些桥初建费用的４　倍）。加拿大早期大量使用除冰盐，使钢筋混凝土桥梁等破　坏严重。欧洲、澳大利亚、海湾国家等，都有以氯盐为主的钢　即将破坏。有试验表明，钢筋腐蚀后，当压区腐蚀纵向裂缝宽　度大于２　ｉｎｎｌ时，在钢筋刚刚屈服的上部混凝土会出现被压碎　的现象，破坏形态处于超筋梁和适筋梁的界限破坏状态。而　当受拉钢筋腐蚀量大到一定程度时，构件会由适筋梁变为少　筋梁。不管是出现超筋梁的破坏还是少筋梁的破坏，结构的　筋腐蚀破坏问题，其中英国修复费为每年５０亿英镑。韩国　曾发生一系列建筑物破坏、倒塌事件，其中很多也与“盐害”　有关。在我国已经发现许多海港码头的混凝土梁、板使用不　到１０年已普遍出现顺筋锈胀开裂、剥落。北京、天津的许多　破坏形态都是从有预兆的塑性破坏变为无预兆的脆性破坏。　随着纵筋腐蚀量的增加，钢筋混凝土梁的强度和刚度都　在下降。钢筋腐蚀还增加了钢筋混凝土梁在使用荷载下的　挠度和裂缝宽度。受腐蚀梁的抗弯强度下降主要有以下原　因：钢筋腐蚀引起钢筋截面面积减小；钢筋腐蚀引起钢筋名　义屈服强度（由屈服荷载除以公称面积得到）减小；钢筋腐　蚀引起钢筋和混凝土的粘结力下降。使得破坏区段内混凝土　立交桥，因为冬天撒盐化冰雪也日益暴露出严重的钢筋腐蚀　问题，不得不斥巨资修复。　２钢筋的腐蚀机理　钢筋的腐蚀过程是一个电化学反应过程。　混凝土孔隙中水分通常以饱和的氢氧化钙溶液形式存　在，其中还含有一些氢氧化钠和氢氧化钾，ｐＨ值约为１２．５。　在这样强碱性的环境中，钢筋表面形成钝化膜，它是厚度为　２０—６０　的水化氧化物（ｎＦｅ２Ｏ　・ｍｒＩ２Ｏ），阻止钢筋进一　和钢筋的平均应变大于正常构件。不能充分地进行应力应变　重分布，进而导致钢筋与混凝土协同工作系数降低。只考虑　腐蚀后钢筋截面积减小的计算弯曲强度与相应梁的试验弯　曲强度差别较大，说明钢筋和混凝土的粘结强度降低是受腐　蚀梁抗弯强度降低的主要影响因素。由于粘结力降低使得　构件强度降低系数处于正常构件和无粘结构件之间，对受弯　构件来说，因钢筋与混凝土之间的粘结破坏而使承载能力下　降３０％一３５％。　步腐蚀。因此，施工质量良好、没有裂缝的钢筋混凝土结构，　即使处在海洋环境中，钢筋基本上也能不发生腐蚀。但是，　当由于各种原因，钢筋表面的钝化膜受到破坏，成为活化态　时，钢筋就容易腐蚀。　呈活化态的钢筋表面所进行的腐蚀反应的电化学机理　是．当钢筋表面有水分存在时，就发生铁电离的阳极反应和溶　解态氧还原的阴极反应。相互以等速度进行。其反应式如下　铁溶解的阳极反应　Ｆｅ—　ｅ＋Ｆｅ　对受腐蚀的压弯构件，大偏压构件的横向受力裂缝到达　纵向腐蚀裂缝位置后不象正常构件那样有规律地向上发展，　裂缝分布很不均匀，裂缝间距大于正常构件，受力裂缝也相　应增大。随着钢筋腐蚀量增加。开裂荷载与极限荷载的比值　略有增加，屈服荷载与极限荷载的比值比较接近，即受拉钢　筋达到屈服后受压混凝土很快达到极限压应变，构件破坏。　阴极反应　ｏ２＋２Ｈ２Ｏ＋４ｅ　ＯＨ一　说明受腐蚀构件的延性明显降低，脆性明显增加。小偏压受　钢筋腐蚀过程是阳极反应和阴极反应的组合，在钢筋表　面析出氢氧化亚铁，该化合物被溶解氧化后生成氢氧化铁　腐蚀构件的承载力和刚度均有较大的降低，在同级荷载作用　下的钢筋和混凝土的应变和侧向挠度均明显大于正常构件，　拉区混凝土裂缝发展不明显，脆性也明显增加。　３．２　受腐蚀钢筋混凝土构件的抗剪性能　Ｆｅ（ＯＨ）　，并进一步生成ｎＦｅ２０　・ｍＨ　Ｏ（红锈），一部分氧　化不完全的变成Ｆｅ　Ｏ　（黑锈），在钢筋表面形成锈层。红锈　体积可大到原来体积的四倍，黑锈体积可大到原来的二倍。　由于混凝土构件中箍筋位于纵筋外边，其保护层总是比　铁锈体积膨胀，对周围混凝土产生压力。将使混凝土沿钢筋　纵筋小，因此一般箍筋首先腐蚀，其腐蚀程度往往比纵筋严　方向开裂。进而使保护层成片脱落，而裂缝及保护层的剥落　重，特别是在箍筋与纵筋交接处。而箍筋不仅直接影响钢筋　・７ｌ・　维普资讯 http://www.cqvip.com

总第１６３期　黑龙江交通科技　第９期　混凝土构件的抗剪性能，而且受腐蚀的箍筋不能有效地约束　混凝土，从而对构件的承载力有间接影响。　３．３　受腐蚀钢筋混凝土构件中钢筋和混凝土的粘结性能　下裂缝一般不影响钢筋的腐蚀过程。与预先加载相似，承受　较高水平持续荷载的试件具有较高的腐蚀量，这是由于混凝　土中裂缝数量和大小的增加。同预先加载情形不同，持续荷　载下大部分混凝土裂缝在整个腐蚀过程中不断张开。所以，　持续加载对腐蚀发展的影响更严重。在同级荷载下，持续加　载构件的腐蚀量高于预先加载的构件。　３．５　受腐蚀钢筋混凝土结构的动力性能　受腐蚀钢筋混凝土构件性能劣化的一个主要原因就是　粘结性能的退化。有些环境下钢筋的腐蚀不是均匀腐蚀，而　是局部腐蚀，对钢筋与混凝土的粘结性能影响更大。　在模拟钢筋表面局部腐蚀的拔出试验中，极限粘结强度　在钢筋腐蚀达到某一个程度（试验给出值是１％）之前有所　增加，但随着腐蚀进一步增加，极限粘结强度不断降低直到　由于腐蚀使钢筋的截面尺寸、表面状况以及钢筋和混凝　土之间的粘结等均发生了变化，腐蚀对钢筋混凝土结构动力　可以忽略不计。在模拟钢筋表面相对均匀腐蚀的梁试验中，　极限粘结强度也在钢筋腐蚀达到某一个程度（试验给出值　是０．５％）之前有所增加，而后随着腐蚀量的增加而降低，但　降低得非常缓慢。两种试验都显示自由端的滑移值随着纵　向裂缝的开展而迅速降低，表明钢筋约束突然丧失，标志着　粘结破坏发生的临界滑移量受钢筋表面状况和约束程度的　极大影响。　极限粘结强度在钢筋腐蚀初期的增加，可以解释为腐蚀　所引起的体积膨胀使钢筋和混凝土之间的握裹力增加，从而　使钢筋和混凝土间的粘结力不但没有下降反而有所上升。　然而，在钢筋腐蚀后期开裂阶段随着腐蚀量的增加，特别是　在局部腐蚀情况下，粘结性能将会受到钢筋肋严重退化、钢　筋表面片状腐蚀、金属滑移及纵向裂缝加宽造成混凝土约束　作用降低等因素的影响，从而降低。　粘结性能退化的机理是：（１）钢筋的腐蚀产物是一层结　构疏松的氧化物，在钢筋与混凝土之间形成一层疏松隔离　层，明显地改变了钢筋与混凝土的接触表面，从而降低了钢　筋与混凝土之间的粘接作用。（２）钢筋的腐蚀产物比被腐　蚀的钢材占据更大的体积，从而对包围在钢筋周围的混凝土　产生径向膨胀力，当径向膨胀力达到一定程度时，会引起混　凝土开裂。混凝土开裂导致混凝土对钢筋的约束作用减弱。　混凝土开裂时的钢筋腐蚀量与钢筋直径、保护层厚度、混凝　土强度、钢筋种类和钢筋位置等因素有关。（３）变形钢筋腐　蚀后，钢筋变形肋将逐渐退化。在腐蚀较严重的情况下，变　形肋与混凝土之间的机械咬和作用基本消失。　３．４受腐蚀钢筋混凝土结构在使用荷载作用下的性能　钢筋混凝土构件实际上都是处于工作状态，而构件在应　力状态下的腐蚀与没有加载时有很大不同，其各方面的性能　亦有很大改变。荷载对受腐蚀钢筋混凝土构件的影响是多　方面的，加载历史和加载级别对腐蚀的发生和发展有明显影　响，并影响混凝土中钢筋的腐蚀量，而腐蚀量反过来通过强　度或刚度损失影响钢筋混凝土构件的适用性。　预先加载和持续加载对腐蚀发生的影响相似，在同样的　暴露条件下，荷载水平的增加缩短了腐蚀发生的时间。较高　的荷载水平下试件发生腐蚀较早，一般是由于加载期间混凝　土产生了裂缝。裂缝使水、氯离子等侵蚀介质易于渗透到钢　筋表面，加速了钢筋发生腐蚀。　预先加载水平高的试件比预先加载水平低的试件对腐　蚀发展的影响大。但在腐蚀初始阶段影响不明显，在后期阶　段才变得显著。其原因是，腐蚀发生后的初始阶段，由预先　加载产生的混凝土的微裂缝可能由于腐蚀产物的填充作用　减小甚至闭合，降低了侵蚀介质的进一步渗透，从而减小了　腐蚀速率。建议的临界裂缝大约是０．１～０．３　ｍｍ，在此值以　・７２・　性能（例如疲劳性能和抗震性能）的不利影响将更为严重。　１９９９年广州海印大桥使用过程中突然发生的断索事故，即　被认为是车辆疲劳荷载和钢筋腐蚀共同作用的结果。而我　国在腐蚀环境已服役多年的钢筋混凝土结构也存在着抗震　性能不断降低的隐患。　已有的试验表明，随着钢筋腐蚀量增加，钢筋混凝土构　件的滞回曲线丰满程度和滞回环面积逐渐减小，表明构件耗　能能力和延性降低。同时由于钢筋腐蚀程度的不均匀性，滞　回曲线具有明显的不对称性．从骨架曲线看，腐蚀严重的构　件承载力和刚度均降低较多，且达到极限荷载后平直段变　短，延性降低。因此钢筋腐蚀对钢筋混凝土构件反复水平荷　载作用下的恢复力性能有较大影响，在抗震设计中应予以考　虑，以保证结构在地震作用下的安全。　４提高混凝土桥梁抗腐蚀的措施　４．１原材料的选择　４．１．１水泥　水泥是水泥砂浆和混凝土的胶结材料。水泥类材料的　强度和工程性能，是通过水泥砂浆的凝结、硬化而形成。水　泥石一旦遭受腐蚀，水泥砂浆和混凝土的性能将不复存在。　由于各种水泥的矿物质组份不同，因而它们对各种腐蚀性介　质的耐蚀性就有差异。正确选用水泥品种，对保证工程的耐　久性与节约投资有重要意义。　水泥按其用途及性能要求分为三类，即通用水泥、专用　水泥和特殊水泥。　腐蚀环境中水泥品种可按表１选用。　４．１．２粗、细集料　发生碱一集料反应的必要条件是碱、活性集料和水。　粗、细集料的耐蚀性和表面性能对混凝土的耐蚀性能具有很　大影响。集料与水泥石接触的界面状态对混凝土的耐蚀性　有一定影响。　混凝土中所采用粗细集料，应保证致密，同时控制材料的　吸水率以及其他杂质的含量，确保材质状况。我国幅员辽阔，　集料种类千差万别，在不少地域均发现过活性集料。这些活　性集料共分两类，一类为碱一硅酸反应（ＡＳｒｔ），一类为碱一碳　酸盐反应（ＡＣＩｄ）。施工中要严格加强对活性集料的控制。　４．１．３拌和及养护用水　混凝土拌和及养护用水应考虑其对混凝土强度的影响。　水灰比的大小很大程度影响混凝土强度值的大小。拌和水　应检查其杂质情况，防止影响砂浆及混凝土生成时杂质影响　其耐久性。　海水中含有硫酸盐、镁盐和氯化物，除了对水泥石有腐　蚀作用外，对钢筋的腐蚀也有影响，因此在腐蚀环境中的混　凝土不宜采用海水拌制和养护。　维普资讯 http://www.cqvip.com 第９期　受腐蚀钢筋混凝土桥梁结构性能分析　总第１６３期　４．１．４外加剂　按《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》规　定，混凝土的水泥用量和水灰比的要求如表２。　表２水泥用量及水灰比　混凝土外加剂是在拌制混凝土过程中掺人，用以改善混　凝土性质的物质。　混凝土外加剂的范围很广，品种很多，我国外加剂的品　种目前已超过百种，其中包括减水剂、早强剂、加气剂、膨胀　剂、速凝剂、缓凝剂、消泡剂、阻锈剂、密实剂、抗冻剂等。　在建筑防腐工程中，外加剂的使用主要是为了提高混凝　土密实性或对钢筋的阻锈能力，从而提高混凝土结构的耐久　性。实践证明，采用加入外加剂的方法，可以在一定范围内　达到提高混凝土结构的耐腐蚀能力，是一种经济而有效的技　术措施。　腐蚀环境条件下的结构应采用密实混凝土、高密实混凝　土或特密实混凝土；混凝土的密实性用直接指标（即渗透系数　或相应的抗渗标号）表示；混凝土密实性的间接指标（即吸水　率和水灰比）是参考指标。混凝土的密实性指标见表３。　表３混凝土的密实性指标　但由于外加剂的化学组成，来自外加剂中的氯盐可能使　混凝土结构中的钢筋脱钝，给结构物带来隐患。在进行外加　剂选择时需对其中氯盐的含量进行检测，并做相关实验。　４．２防腐蚀混凝土的配合比设计　为提高混凝土的密实性和抗中性化能力，混凝土的强度　等级宜大于或等于ｃ　。受氯离子腐蚀或其他大气腐蚀时，　钢筋混凝土构件中可掺人钢筋阻锈剂。对于预应力混凝土　结构，其混凝土强度等级不小于ｃｍ后张法预应力混凝土构　件应整体制作，不得采用块体拼装的构件。　混凝土配合比的设计应按以下两种情况进行：一是按设　计要求的强度（即按正常要求的强度）进行配合比设计；二　是按密实度的要求（即按最大水灰比和最小水泥用量的要　求）进行配合比设计。但强度等级往往大于前者。腐蚀环境　中的混凝土配合比设计，必须取用上述两种情况中强度等级　的较高者。　施工现场若有条件，应按直接指标控制；若无条件时，可　按最大水灰比、最小水泥用量和设计强度双控制。　为减少水泥和混凝土中碱的含量，应尽量采用低碱水　泥。同时合理使用粉煤灰、矿渣等矿物掺和料。也是提高混　凝土抗裂和耐久性能的重要途径。　针对不同的腐蚀环境应设计不同的保护层厚度。　加强混凝土养护，控制混凝土表面裂缝，确保施工质量。　收稿日期：２ｏｏ７一ｏ５—１８　（上接第７Ｏ页）　互垂直的大塔板为主体。以原环境相连系。下面配以桥名牌　Ａ形造型。红色鱼鳞落地屋面，房屋正面白色玻璃，下面围　形成景点中心，人们的活动空间设有曲廊。曲廊的端板代替　桥梁端柱。做为“界分”的标志。小塔板相似于大塔板的延伸　与重复，曲廊前又点缀有浴女戏鱼的雕塑小品，构成一个高　低错落有致，风格协调相容的观赏活动空间。　引道栏杆采用实体圆孔栏杆，从桥外侧望去，衬以高低　错落的大小塔板，宛如船行帆移，反映出规划的总体风格。　有红色石子水刷石，门窗用茶色玻璃古铜色铝合金框，以富　有变化的立面和明显的外轮廓线，并通过色彩的相互交织。　质感的相互穿插，取得良好的感官效果，同时在总体上又与　主体风格协调。　该桥建成以后，由于桥头规划设计得当，人们争相参观　游览留念。很快成为牡丹江市一景，收到了预期的美学效果。　收稿日期：２００７—０５—２４　・引道北侧以收费管理办公室为主体，采用高９　ｍ斜交板　７３・