桥梁耐久性的影响因素及控制措施

崔巍

摘 要：连四海，路通八方，桥梁的兴建与畅通，促进了人类社会的文化和经济生活的繁荣与发展。但是桥梁一旦发生倒塌事故，就会带来巨大的损失和灾难。因此，政府和民众都对桥梁安全非常重视，近年来桥梁结构的耐久性问题日益被人们所重视，该文论述了桥梁结构耐久性的内涵，综述了国内外桥梁结构耐久性问题的影响因素，并提出了相关对策措施。以期引起人们对此问题的高度重视，促进我国桥梁建设事业的发展。

关键词：桥梁结构 耐久性 影响因素 对策措施

中图分类号：U441 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）12（a）-0088-02

混凝土是一种耐久性能良好的建筑材料，因而忽视了桥梁结构耐久性问题，造成了桥梁结构耐久性研究的相对滞后。因此，钢筋混凝土结构耐久性问题是一个十分重要也是迫切需要加以解决的问题，通过开展对钢筋混凝土结构耐久性的研究，一方面能对已有的建筑结构物进行科学的耐久性评定和剩余寿命预测，以选择对其正确的处理方法；另一方面可对新建项目进行耐久性设计，揭示影响结构寿命的内部与外部因素，从而提高工程的设计水平和施工质量。因此，它既有服务于服役结构的现实意义，又有指导待建结构进行耐久性设计的理论意义，同时，对于丰富和发展钢筋混凝土结构可靠度理论也具有一定的理论价值。

1 桥梁耐久性影响因素

1.1 设计上的影响

在我国现行钢筋混凝土桥梁结构规范中主要考虑的是荷载作用下结构安全性与适用性的需要，并未能充分考虑结构耐久性要求，而且在具体的条文中也没有充分体现出来。因此在以往的乃至现在的桥梁结构设计中普遍存在着重强度设计而轻耐久性设计的现象。如在沿海城市和地区修建的桥梁未能充分考虑水土中盐类侵蚀和大气中的盐雾作用，北方修建的桥梁没有考虑可能遭受的除冰盐外的侵蚀。京津地区的城市立交桥由于冬天撒冰盐及冰冻作用，使用十几年后就出现问题，需限载、大修或拆除。跨海大桥浪溅区构件仍旧改用不耐氯盐侵蚀的混凝土和较簿的保护层厚度，公路桥面板的混凝土保护层厚度有的仅为2 cm。这些做法在国外的通用标准中是不许可的，但并不违反我国规范的规定。因此可能就导致混凝土桥梁结构在设计的时候就存在了缺陷或者薄弱环节，那么混凝土桥梁结构的耐久性不足就是必然会出现的。

1.2 材料方面的影响

1.2.1 碱一骨料反应

碱骨料反应是混凝土组成中水泥、外加剂、掺合料或拌和水中的可溶性碱溶于混凝土孔隙中，与骨料中能与碱反应的活性成分在混凝土硬化后逐渐发生的一种化学反应。反应生成物碱硅凝胶有吸水膨胀的特性，在有水分存在的条件下，膨胀使混凝土产生内应力，导致混凝土开裂、剥落和膨胀疏松，称为碱骨料反应损伤。碱骨料反应损伤产生须具备三个条件，即要有足够的碱份、碱活性骨料和水。混凝土发生碱一集料反应破坏表现为：外观上主要是表面裂缝、变形和渗出物，而内部特征主要有内部凝胶、反应环、活性碱一集料、内部裂缝、碱含量等。混凝土结构一旦发生碱一集料反应出现裂缝后，会加速混凝土的其他破坏，如空气、水、二氧化碳等侵入，会使混凝土碳化和钢筋锈蚀速度加快[4]。

1.2.2 碳化反应

所谓混凝土的碳化是指空气中二氧化碳与水泥石中的碱性物质相互作用，使其成分、组织和性能发生变化，使用机能下降的一种很复杂的物理化学过程。

影响结构耐久性的因素很多，其中混凝土碳化是一个重要的因素。通常情况下，早期混凝土具有很高的碱性，其pH值一般大于12.5，在这样高的碱性环境中埋置的钢筋容易发生钝化作用，使得钢筋表面产生一层钝化膜，能够阻止混凝土中钢筋的锈蚀。但当有二氧化碳和水汽从混凝土表面通过孔隙进入混凝土内部时，和混凝土材料中的碱性物质中和，从而导致了混凝土的pH值的降低。当混凝土完全碳化后，就出现pH<1这种情况，在这种环境下，混凝土中埋置钢筋表面的钝化膜被逐渐破坏，在其它条件具备的情况下，钢筋就会发生锈蚀。钢筋锈蚀又将导致混凝土保护层开裂、钢筋与混凝土之间粘结力破坏、钢筋受力截面减少、结构耐久性能降低等一系列不良后果。

1.2.3 钢筋的腐蚀

钢筋锈蚀是造成桥梁结构耐久性损伤的最主要原因。根据其产生原因可分为：（1）钢筋在外部介质作用下发生电化反应，逐步生成氢氧化铁即铁锈，体积增大使混凝土产生顺筋裂缝，便于腐蚀介质渗入钢筋，加快结构的损坏；（2）氯离子对钢筋表面钝化膜有特殊的破坏作用，当混凝土中氯含量超过标准时钢筋会锈蚀，当混凝土开裂后，便形成恶性循环；（3）钢筋在拉应力和腐蚀性介质共同作用下形成脆性断裂，这种破坏可在较低拉应力和微弱介质作用下产生破坏；（4）钢筋的氢脆现象。钢筋锈蚀的直接后果是钢筋的有效截面面积减少，不均匀锈蚀导致钢筋表面凸凹不平，产生应力集中现象，使钢筋的强度降低、脆性增大、延性变差，导致构件承载能力降低。

1.3 施工方面的原因

国内外多座桥梁的突然破坏与倒塌，已使工程界对桥梁安全性问题倍加关注。一般的看法认为当前的工程事故主要是野蛮施工和管理腐败所导致。对于短期内发生的诸如突然破坏与倒塌，多是由于施工质量没有达到规范和设计要求，典型的问题包括材料强度不足和施工工艺不合格等；也有个别桥梁存在诸如偷工减料、以次充好等严重的管理问题，更是对桥梁安全造成致命的损害。大多数桥梁在使用期间出现了病害与劣化，离预期的使用年限还相差很远，就已经无法正常使用了，施工质量低下是导致这一结果的罪魁祸首，典型的问题有钢筋保护层不足及目前广泛存在于施工现场严重的构件开裂问题（主要原因包括：水泥选用、混凝土配合比、振捣、养护不当及预应力施加不合理等）。这些施工上的缺陷虽然短期不会对桥梁的正常使用产生明显的影响，但却会对结构的长期耐久性产生非常不利的危害。

2 提高桥梁结构耐久性的措施

2.1 完善混凝土结构的耐久性设计endprint

（1）详细勘察结构所处的环境条件，从中确定主导破坏因素（如大气和雨雪造成混凝土干缩循环和冻融循环作用、地表水或地下水中的侵蚀性介质影响等），实现考虑环境条件的建筑结构设计。

（2）严格遵守设计规范的要求，结构布置力求简单，合理布置排水及各种结构缝；构件截面应设计成利于潮气散发的形状，恶劣环境应慎用薄肋型构件。对于结构中使用环境较差的构件，宜设计成便于检测、维护和更换的构件；对变形缝、施工缝、预应力钢筋的锚固端等易遭侵蚀的薄弱关键部位采取专门的措施。

（3）合理选择混凝土和钢筋品种。对于暴露在侵蚀性环境中的结构构件，宜采用有利于提高结构耐久性的高性能混凝土和钢纤维混凝土等；针对钢筋的腐蚀可采用对混凝土进行表面处理宜采用耐腐蚀钢筋；混凝土中掺加钢筋阻锈剂、阴极保护技术、电化学驱氯和电化学再碱化等措施。

（4）合理确定保护层厚度。保护层厚度小，既满足不了钢筋的有效锚固，也对钢筋起不到任何保护作用；保护层厚度过大，有可能会导致裂缝宽度增大，而且还有可能造成不必要的浪费。

（5）根据概念设计理论，按结构几何尺寸与荷载可以合理预防和控制的裂缝。保证结构截面尺寸具有足够的配筋率，控制垂直于主筋方向裂缝；合理选择钢筋直径和混凝土保护层厚度，控制平行于主筋方向的顺筋裂缝。

（6）受重复荷载的结构构件应进行疲劳验算和磨损验算，并根据具体情况合理控制裂缝。

2.2 施工对耐久性能的保证

施工是保证混凝土质量的关键，是结构耐久性设计的组成部分，大量关于耐久性的调查报告都表明很多结构耐久性低下并造成结构损伤的现象都是由于施工造成的缺陷引起的。因此，应切实做到以下几点[5]。

（1）提高施工质量、施工技术工艺水平，完善施工管理工作，强化对施工过程的监督、检查，严格按照混凝土结构验收规范要求进行施工。

（2）施工时的砂、石、水泥、钢筋必须符合质量要求，外加剂必须试验合格后方可使用。不定期对搅拌时间及混凝土拌合物的稠度、含气量、水灰比、水泥含量及均匀性等进行测量，混凝土配合比要随时跟着适时测定砂、石的含水率进行及时调整。

（3）浇筑混凝土时，振捣工序会直接影响到混凝土的成品质量。混凝土保护层的厚度及钢筋位置要确保准确性，但前提是混凝土适宜入膜后；振捣时间、振捣工具、振捣方式和顺序，要根据混凝土的标号进行选择。

（4）混凝土要在合理的养护下才能正常硬化并产生足够强度。养护措施要确保是在浇筑完成后12 h内进行，才可控制混凝土表面裂缝；且浇水养护不得少于7 d。气温过低时，须采用保温措施。对不同水泥品种、外加剂、掺料、龄期的混凝土，合理地选用潮湿养护、水养护和养护剂养护方法，以取得良好的养护效果。

2.3 提高常规混凝土的品质

由于我国还是一个发展中国家，地域广阔，经济发展很不平衡，因此常规混凝土仍广泛应用。因此应依据使用条件对混凝土的各项性能指标及结构构造提出具体要求。如水灰比的控制要求、混凝土的抗冻性、抗渗性能要求、保护层厚度要求、裂缝控制要求、设计使用寿命期间受到的氯离子侵害的保护措施。并在施工期间，严格控制原材料质量和生产程序，从而减少混凝土性能上的变异，提高混凝土的品质——整体质量，以确保桥梁结构的安全度和提高耐久性。

3 结论

桥梁安全性和耐久性不足已成为迫切需要解决的问题，要积极借鉴国外成功的经验和做法，除了加强施工质量管理外，要从桥梁设计理念和结构体系和构造的角度做好耐久性的设计。合理的选择原材料品种、较好的配合比设计、引入适当的外掺剂、精确的结构设计、先进的施工技术、超载的有效控制以及及时到位的维修养护，同时需要研究疲劳和超载对于桥梁结构耐久性的影响都能有效提高桥梁结构耐久性。

参考文献

[1] 中华人民共和国行业标准.桥梁设计荷载标准[S].北京：中国建筑工业出版社，1998.

[2] 中国土木工程学会.中国土木工程学会第九届年会论文集.工程安全及耐久性[M].北京：中国水利水电出版社，2000.

[3] 第十四届全国桥梁学术会议论文集.上海：同济大学出版社，2000.

[4] 第十五届全国桥梁学术会议论文集.上海：同济大学出版社，2002.

[5] 孔祥威.桥梁耐久性的原因与建议[J].河南机电高等专科学校学报，2006（6）.endprint