桥梁混凝土抗冻性能分析和防护措施

王晓黎

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043)

1 概述

随着我国基础建设的快速发展,混凝土工程耐久性问题也越来越受到重视,这是由于它直接影响到工程的使用寿命和安全性,关切到工程的经济和社会效益。尤其近几年来,铁路、公路工程快速发展,对社会经济的发展承担着重要的服务角色,因此混凝土的耐久性显得格外重要。而混凝土的耐久性又是众多因素影响的复杂系统,如混凝土的碳化、抗侵蚀性、抗冻融性以及碱骨料反应等。在我国寒冷地区,从以往的过程调查中发现,混凝土不同程度的发生冻融剥蚀病害,削弱了混凝土结构尺寸,给工程的耐久性和安全带来隐患。

对寒冷地区部分桥梁墩台的调查发现，跨越河流的水中墩在冬季积冰面处混凝土出现剥蚀现象，即墩台混凝土向阳面冰水面附近20 cm左右表层混凝土有局部脱落现象。尤其是严寒地区水中墩施工完1～2年后就会出现混凝土剥蚀(图1)。为此寒冷地区的混凝土工程在设计中,应考虑混凝土的抗冻性。

图1 桥墩剥蚀现象照片

2 桥墩混凝土剥蚀状况及认识

根据调查的具体数字统计出,发生剥蚀的桥墩占跨河桥梁桥墩总数的20%。混凝土剥蚀的桥梁工点绝大部分出现在桥墩积冰面处,向阳面比阴面剥蚀程度严重。桥墩混凝土剥蚀的范围及深度各工点也不尽相同,大部分深度2～3 mm,个别桥墩深度达到10 mm。

对河水水样进行了水质分析,按照《铁路混凝土与砌体工程施工质量验收标准》中环境水对混凝土侵蚀性的判定,河水均无侵蚀。混凝土表面剥蚀与环境水的腐蚀性关系不大。经过初步调查以及调研国内外有关混凝土剥蚀的资料,经初步分析,造成混凝土表层剥蚀的主要原因是该部分混凝土冻融交换剧烈所致。但是导致混凝土剥蚀发生与设计、施工中的各种条件,比如早期受冻(即混凝土在未达到临界抗冻强度而受冻)、水胶比过大、混凝土含气量不够、未能按照不同部位的要求配制混凝土等因素有关系。

综上所述,混凝土表面剥蚀从桥墩结构本身力学性能上讲,结构强度等方面可以满足受力要求,但是从工程长期耐久性上看,将影响结构的耐久性,对于已出现的桥墩混凝土剥蚀问题应及时采取补救措施,防止混凝土进一步冻融破坏。因此应采取可靠措施对混凝土剥蚀进行整治,以确保桥梁工程的耐久性。

3 国内外混凝土抗冻性研究及现状

混凝土建筑物所处环境凡是有正负温交替、混凝土内部含有较多水的情况,混凝土都会发生冻融循环,以至疲劳破坏。为此,国内外众多学者在混凝土冻融性能上,从宏观到亚微观(气泡参数等)均作了大量的研究,制订了混凝土建筑物在不同环境运行条件下的抗冻耐久性设计要求。美国、日本等国在混凝土抗冻性设计上,实行了统一模式制,即无论环境条件如何,混凝土耐久性的要求就是300次冻融循环,相对耐久性指数>80%。欧洲和我国等都是根据建筑物所处的环境条件设立不同抗冻等级的设计要求。

半个世纪的实践表明,我国混凝土整体耐久性偏低,现有的抗冻等级不能满足混凝土结构长期耐久安全运行的要求,混凝土工程中凡是出现正负温交替的地区,均存在有混凝土的冻融破坏问题,而且以东北、华北、西北地区较为严重。工程类别中又以水工、港工、路桥较为突出。因此,如何从整体上提高我国建筑物混凝土的抗冻安全性,已成为迫切需要解决的问题。

3.1 混凝土冻融破坏原因

研究混凝土冻融破坏原因很重要,只有充分了解引起混凝土冻融破坏的原因,才能正确选择混凝土的抗冻措施。混凝土冻融破坏的主要原因有。

(1)水、负温、冻融循环是混凝土冻融破坏的首要原因

众所周知,有了负温、水才能产生冰冻。在负温条件下混凝土内部孔隙水冻结,在正温下水融化,一冻一融,使混凝土遭到破坏。形成冻融的条件有两种,一是气温正负交替；另一种是冬季水位涨落,使混凝土表面出现冻融。反复冻融循环次数越多、越频繁,混凝土再生能力的恢复期越短,则混凝土的冻融破坏越严重。而且负温和冻融循环次数比较起来,后者影响较大,因为即使温度很低,但冰冻了后不融化或很少融化,破坏作用次数减少,危害相对轻；反之若冻融次数多,则破坏严重。

(2)混凝土干湿状态的影响

水完全结冰后可产生9%的体积膨胀,如果混凝土孔隙中完全充满水,这么大的膨胀足以使混凝土开裂破坏。理论上当混凝土中的孔隙饱水度小于91%时,混凝土就不会受冻破坏。所以混凝土是干是湿,其干湿程度、饱和状态对混凝土的冻融破坏影响很大。

(3)施工质量

施工质量对混凝土抗冻性起决定性的影响,许多在室内试验达到要求的混凝土,现场施工却常常满足不了要求,施工质量越差,问题越严重。

3.2 影响混凝土抗冻性的主要因素

混凝土的抗冻性与气泡间距、冻结温度、冻融速率、孔隙中水的含量、材料的渗透系数以及抵抗破坏的能力等因素有关。主要影响因素是水灰比、含气量、平均气泡间距、掺和料、施工质量等。

(1)混凝土的水灰比

混凝土的水灰比愈大,其毛细管越多,吸水率越大,其在冻融过程中产生的膨胀压力和渗透压力也越大,其抗冻性亦越差。

(2)混凝土的含气量

混凝土中掺用引气剂,其所产生的无数微小和互不连续的气泡具有缓解冻融过程中产生膨胀压力和渗透压力的作用,由于混凝土中有无数不连续的小气泡,使混凝土中孔隙饱水度难以达到91%,因而混凝土具有较高的抗冻性。

(3)掺和料对混凝土抗冻性的影响

目前许多工程都采用诸如粉煤灰、硅粉、磨细矿碴粉等混合材料,研究表明,采用优质粉煤灰,并维持一定含气量可以提高抗冻性。掺硅粉的混凝土显著改变了孔结构,使混凝土结构致密,有利于改善气泡参数提高混凝土抗冻性。

3.3 混凝土抗冻性措施

从大量的资料中了解到混凝土抗冻国内外主要采取调制高性能混凝土来满足环境造成的混凝土劣化。在抗冻性方面,根据环境设定混凝土抗冻指标、水胶比、含气量、气泡间距、掺和料等以抵消环境对混凝土的劣化。

4 严寒地区铁路桥梁混凝土耐久性设计

在恶劣的自然环境下建设铁路工程,混凝土材料面临着严峻的挑战。在设计前期,对混凝土首先考虑从耐久性入手,研制高性能混凝土。

考虑恶劣的自然环境多方面影响因素,混凝土必须具有七方面高性能的耐久性指标,首先混凝土的抗冻融循环性能应不小于300次。然后从抗渗性、护筋性、抗氯离子渗透性、抗裂性、耐腐蚀性、抗碱-骨料反应性能、耐风蚀性能,并在原材料、配合比、混凝土的拌制、养护等方面控制质量,而且根据不同的结构,以及同一结构不同部位的混凝土配合比均应有不同的要求,特别在水位变动区混凝土的最大水胶比、最小胶凝材料用量等项要求。

外加剂宜选用具有早强、减水、防冻、引气、能细化孔结构等功能的复合型产品,不宜选用液体类产品。

养护：应严格控制混凝土的养护温度不低于混凝土外加剂规定的最低适用温度。当养护温度低于0 ℃时,应采取临时保温措施,直至混凝土的强度达到临界抗冻强度。

5 防止混凝土剥蚀设计方案

通过国内公路、水工等工程对混凝土剥蚀的研究和处理措施的调研,无论采取何种方法,都是对已损坏的混凝土表面进行修补或补强。因此,对剥蚀的墩身进行修补或采取隔离措施使冰(水)不直接与墩身接触,即可保证桥墩表面不再继续发生剥蚀。

通过对国内资料的研究和方案比较,提出工艺可行,现场操作方便,且技术较为成熟,安全可靠的方案。

外包高抗冻性混凝土和钢板：采取在桥墩上外包高性能C30混凝土,外包钢板。钢板厚5 mm(采用耐候钢板)。防腐措施采用液态环氧树脂涂抹2 mm厚或IC531防护体系。具体方案见图2。

图2 外包高抗冻性混凝土和钢板(单位：cm)

施工要求：混凝土耐久性好,抗冻性强,抗渗性能强,密实度好。抗冻性满足F300以上,耐久性指数DF大于85%,最小胶凝材料用量450 kg/m3,水灰比0.35,含气量6%,气泡间距小于300 μm。

注意混凝土保温、保湿,特别要保证混凝土的临界抗冻强度,以避免混凝土早期受冻。

6 结语

近年来随着我国工程建设在严寒地区桥梁混凝土所处的自然环境恶劣,出现了不少病害,人们对混凝土的冻融剥蚀现象,有了进一步的认识,基本掌握了混凝土冻融剥蚀原因和影响因素,提出了混凝土耐久性设计,并制定了相应规范。但是，在实践中单从混凝土材料上提高了要求,还不能够对一些极端的情况彻底消除,为此还必须采取工程措施进行防止,方能达到好的效果,因此对混凝土冰水交接面上下采取工程措施,并在今年多条铁路线桥梁工程中得到应用。

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