混凝土桥梁常见病害与维修加固

袁 铁 权

(吉林省高等级公路建设局,长春 130000)

在我国已建成的公路桥梁中,90%以上的为混凝土桥梁.在使用过程中会出现各种各样的病害,因此，在制定桥梁安全运营保障措施和桥梁维护方案时,掌握桥梁的病害形成原因和病害状况是非常必要的[1].

1 混凝土桥梁的常见病害

根据混凝土桥梁出现的病害部位及形成原因,桥梁病害可归纳为结构性损伤和功能性损伤两类[2-3].

(1) 桥梁功能性损伤病害.桥梁功能性损伤的表现形式为材料退化引起的混凝土缺陷,如:桥面铺装破坏和渗漏水;剥落、蜂窝、露筋、钢筋锈蚀、孔洞;支座变形过大;伸缩缝断裂等病害(图1～图3).

图1 环境侵蚀导致桥梁混凝土劣化 图2 桥梁渗漏水引起混凝土白化、剥落 图3 钢筋锈蚀、混凝土胀裂剥落

(2) 桥梁结构性损伤.桥梁结构性损伤的表现形式为混凝土开裂问题,裂缝的产生原因主要是由于结构受力超过结构承载能力,导致混凝土出现弯曲、剪切裂缝,图4～图6为常见裂缝损伤形态.

图4 T梁跨中受弯裂缝 图5 板底横向裂缝 图6 箱梁腹板内壁斜剪裂缝

2 桥梁病害成因

2.1 材料退化引起的损伤

由于混凝土承受各类荷载的反复作用及特定自然环境的侵蚀作用,随着运营时间的增长,不可避免地出现各类损伤及病害,主要包括氯盐浸入腐蚀、混凝土碳化、保护层剥落、钢筋钝化膜破坏、碱集料反应病害及冻融循环破坏[4-5].

(1) 氯盐浸入腐蚀. 在寒冷地区由于通过撒盐、除雪剂的方式除冰雪,造成水、氯化物等有害物质更易于渗透到结构混凝土内部,加速混凝土的劣化.其中,混凝土内部钢筋、预应力钢筋的钝化膜被破坏是所有危害的最终表现,钢筋锈蚀到一定程度,结构必然失稳.

(2) 混凝土碳化、保护层剥落. 由于混凝土的碳化、氯离子侵蚀,与钢筋周围混凝土的氢氧化钙发生化学反应,造成其碱度降低,导致混凝土的碳化.一般情况下,新建的混凝土呈高碱性(pH值12～13),在钢筋表面形成碱性薄膜,这层膜起到了“钝化”保护作用,使钢筋避免遭受酸性介质的侵蚀.碳化作用是大气中的二氧化碳或酸雨与混凝土中的可溶性氢氧化钙和水泥中的水化物产生反应而转化为不可溶的碳酸钙,使混凝土碱性降低.当pH值降至10以下时,钝化能力消失,因此导致其钝化膜遭到破坏,当钢筋周围混凝土空隙中Cl-的浓度达到临界值时,钢筋就会发生锈蚀.

(3) 碱-骨料反应. 骨料中的活性硅和水泥中的碱骨料中含有泥性硅化物质与碱性物质混合,水、硅反应生成膨胀的胶质,吸水后造成局部膨胀和拉应力,混凝土出现裂缝,这种现象称之为碱集料反应.开裂表现为混凝土的构件表面产生树枝状、网状的不规则裂缝,并且有白色凝胶物质在裂缝处渗出,一般裂缝的长度和深度随宽度的增加而增加.判断是否为碱骨料反应而造成的破坏,一般看裂缝出现的部位在潮湿处还是干燥处,如只在潮湿处有裂缝,而干燥处没有,并伴有白色凝胶渗出,则为碱集料反应造成的.碱集料反应1～2年就会使该结构部位出现裂缝,当混凝土中每立方米含3kg碱骨料时,就有发生碱骨料反应的可能性,其决定条件在于环境的湿度,如湿度高于85%时,则极容易发生上述反应.

(4) 钢筋钝化膜破坏. 由于混凝土质量较差或保护层厚度不足,使空气中的有害气体或物质容易渗入混凝土内,使钢筋周围混凝土碱度降低,或由于氯化物浸入,钢筋周围氯离子含量较高,均可引起钢筋表面氧化膜破坏,钢筋中铁离子与侵入到混凝土中的氧气和水分发生锈蚀反应,钢筋产生锈蚀.钢筋的锈蚀因生成锈蚀产物而具有体积膨胀的效应,使混凝土产生裂缝,而混凝土中形成裂缝后,水中促进锈蚀物质更容易到达钢筋表面,从而形成一种恶性循环,导致结构破坏.

(5) 冻融循环破坏. 冻融循环破坏是反复冻融导致混凝土损伤,主要是由于冻融频繁交替导致的损伤积累及疲劳应力所致,与所处地区的年冻融循环次数、冻结降温速率、最低冻结温度、冻结时长和环境中的化学物质等因素密切相关,并且有害冻融次数越多,冻结温度越低,水饱和程度越高,温差越大,则冻融破坏越严重.这样的破坏是循序渐进的,从表面的小面积到内部的大粒径剥落,由表及里,由慢而快,破坏力极大.冻融循环破坏中有一种特殊的盐冻破坏.如在北方地区常采用撒盐的方式除冰,这种冻融循环加上盐类侵蚀的破坏速度远远大于水冻破坏速度,由于氯化物的浸入加速了混凝土表层的冻融破坏,这种破坏则比单纯的冻融破坏力大许多.

2.2 混凝土开裂病害

混凝土桥梁的开裂是桥梁损伤常见病害之一,病害发展、性能退化及结构失效均源于裂缝的发生和发展,通常情况下早期的微裂往往是后期宏观开裂的开始.裂缝在荷载或外界物理及化学因素作用下,不断产生和发展,会混凝土强度和刚度受到削弱,导致承载能力降低,严重影响结构耐久性.在复杂的结构混凝土开裂损伤原因中,有以下4点主要原因:

(1) 设计不合理和施工方法不当所引起的受力裂缝. 均布荷载或集中荷载长期通过桥面系传递应力至梁体,当荷载累积量超过其所能承受的疲劳次数时,承重部件会从底部开始产生裂缝,这种裂缝的出现,预示结构承载力可能不足或存在其他质量问题,从而在某些部位会导致结构开裂；

(2) 施工过程中出现的裂缝. 由于温度变化、混凝土收缩等因素引起的结构变形受到限制时,在结构内部就会产生自应力,当该应力达到混凝土抗拉强度极限值时,即会引起混凝土裂缝,同时，原材料质量及拌和、浇筑、振捣、养护等施工各环节质量问题,也会引起混凝土开裂；

(3) 冻胀引起的裂缝. 当混凝土中骨料空隙多、吸水性强;骨料中含泥土等杂质过多;混凝土水灰比偏大、振捣不密实;养护不力使混凝土早期受冻等,均可导致混凝土冻胀裂缝；

(4) 运营阶段超载通行.

桥梁经常出现的开裂部位如图7所示.

图7 混凝土桥梁裂缝形态

3 桥梁病害处治方法

3.1 桥梁耐久性修复

桥梁功能性损伤病害对桥梁承载能力的影响不大,但为保证桥梁运营处于良好工作状态和结构的安全性,提高工程的耐久性和使用寿命,应对对桥梁耐久性损伤进行修复.桥梁耐久性养护的工作内容包括:清除表面污垢、修补混凝土孔洞、破损、剥落、表面风化、非结构受力影响产生的裂缝、对裸露钢筋进行除锈、修复保护层、对纵横梁连接件的钢板开裂、脱焊、锈蚀进行处理等.

3.2 桥梁维修加固方法

桥梁维修加固处治方案的选择和设计,对加固工程的质量和经济性有很大影响.各种修补、加固技术各有其优缺点和适用性,方案选择应结合具体工程的特点,针对不同的桥梁损伤,结合目前桥梁加固技术、加固材料及便于施工的加固方案分析排序,综合采用各种维修加固技术措施,对各加固方案进行经济技术分析对比,并尽量考虑综合经济指标,形成优化的推荐方案,做到技术可靠,经济合理,方便施工.

目前,桥梁的加固方法主要有:增大截面和配筋加固法;锚喷混凝土加固法;粘贴碳纤维加固法;粘结预应力加固法;钢筋混凝土套箍或护套加固法;增设纵梁加固法(拓宽改建);碳纤维布加固法.其中，粘贴钢板法加固对东北地区的危旧桥改造和加固较为适宜,粘贴钢板法采用环氧树脂类粘结剂将钢板粘贴在出现裂缝的混凝土表面,从而提高结构的刚度、耐久性和极限承载能力.钢板加固法具有不破坏原有结构,施工方便,工期短等优点,在东北地区有广泛的适应性和推广价值,在桥梁工程中可用于对板桥、T梁桥、箱梁桥的梁底受拉区进行加固以增强抗弯承载能力,或者用于加固主梁的腹板以增强抗剪能力.图8～图9为粘贴钢板法桥梁修复过程.

图8 粘贴钢板过程

图9 完成粘贴钢板涂装

4 结论

混凝土桥梁因环境因素和使用条件的变化导致结构出现各种病害,进而对桥梁使用性能、耐久性及使用寿命产生影响.针对不同的桥梁病害采取针对性的养护、维修和加固措施,可有效改善桥梁工作性能、安全性能及延长桥梁的使用寿命.因此,桥梁管理部门应加强桥梁日常检查以全面掌握既有混凝土桥梁的健康状况,对桥梁结构的各种病害进行及时维护以保证桥梁的安全运营.

参 考 文 献

[1] 袁 勇.混凝土结构早期裂缝控制[M].北京:科学出版社,2004:40-43.

[2] 龙佩恒.预应力混凝土箱梁桥开裂的数值分析方法[D].上海:同济大学,2005.

[3] 龙佩恒.赣江大桥公路桥病害检测与安全评估[J].公路交通科技,2005(8):90-94.

[4] 周新刚.混凝土结构的耐久性与损伤防治[M].北京:中国建筑工业出版社,1999:48-51.

[5] 黄军生.钢筋混凝土桥梁裂缝成因综述[J].世界桥梁,2002(1):25-27.