旱区环境下砼桥梁碳化问题分析

2016-10-28 07:57黄建平

公路与汽运 2016年1期

关键词：旱区保护层碳化

黄建平

（湖南路桥建设集团有限责任公司，湖南　长沙　410004）

旱区环境下砼桥梁碳化问题分析

黄建平

（湖南路桥建设集团有限责任公司，湖南长沙410004）

针对中国西北旱区环境的桥梁工程砼碳化问题，从影响因素角度进行分析，提出了用于旱区环境的砼碳化深度研究方法；经过大量试验测量，阐明了碳化深度计算模型的可行性，说明了保护层厚度与砼强度对碳化深度的影响。

桥梁；碳化；旱区环境；保护层厚度；砼强度

钢筋砼在大气环境作用下，随着工作年限的增长会慢慢老化，耐久性受损。旱区桥梁工程耐久性降低的主要原因是结构的保护层砼逐渐发生碳化。若碳化现象严重，则保护层砼会发生锈蚀开裂，严重影响桥梁工程的正常使用，需进行维修才可继续投入使用。

1　旱区砼碳化特点及要因

1.1大气环境影响因素

桥梁保护层碳化是一个缓慢的物理化学作用过程，影响碳化速度的因素主要是现场的环境温度与湿度等条件。环境温度与碳化系数间的关系如下：

式中：KT1、KT2分别表示T1与T2两种大气环境下的碳化系数。

湿度环境对砼碳化的影响公式为：

式中：kRH1、kRH2分别表示RH 1与RH 2两种湿度环境下的碳化速度。

根据式（2），碳化速度与现场环境的相对湿度大小关系密切。当相对湿度小时，碳化速度快。中国西北地区空气干燥，部分地区的温度、湿度见表1。

表1　西北旱区部分地区的年均温度和湿度

大气环境的温度与湿度之间相关性强，考虑到

式中：T为现场的年平均温度（℃）；RH为现场环境的年均湿度（％）。

根据式（3），在年均温度与年均湿度均较小的情况下，干旱地区的砼碳化速度更快。

1.2砼材料性能影响

抗压能力能综合反映砼的物理性能，通常情况下，砼抗压强度越高，抗碳化能力越强。利用酚酞酒精溶液测得的大量实际工程砼碳化深度数据，通过线性回归分析，得到抗压强度与碳化系数之间的关系如下：

式中：kf表示由强度控制的砼碳化系数；fcu，k表示砼的抗压强度标准值（MPa）。

根据中国20世纪80年代工业厂房的吊车梁检测数据，钻芯法测得C15砼碳化深度为70 mm。干旱地区暴露于空气中的钢筋锈蚀速度远比潮湿地区钢筋锈蚀速度慢，但砼保护层发生碳化后，暴露在空气中的钢筋锈蚀速度将大大增快。温度与湿度对砼碳化速度的综合影响，将两个系数综合考虑，引入一个新的变量，即环境因子，其计算公式如下：

2　旱区桥梁砼碳化规律

2.1碳化深度的检测评价

旱区环境下评价暴露于空气中的砼结构耐久性的重要指标是砼的碳化深度。碳化深度的现场测量方法主要有两种，即彩虹与酚酞试剂法，两种测量方法的结果较为接近，在此选择价格相对便宜的酚酞试剂法。

（1）选择构件。在利用碳化深度修正砼的强度时，抽取的试件数量大于10个，需大于同类构件总数的30％。

（2）测区布置。构件测量区域的布置主要根据实际构件的尺寸、材料特性及环境确定，一般位于两个互相垂直的侧面，数量为3～5个。测量区域一般应包括构件有代表性的部位。

（3）钻孔。各个测量区域布置3个测孔，将其平均值作为该区域的测量结果代表值。在碳化深度小时，可选择较小孔径的测量孔；当碳化深度大时，可选择直径较大的测量孔。

（4）清孔。不要用水来清理测量孔中的粉末与碎屑，而应采用高压空气清理剩余垃圾和碎屑。

（5）测量碳化深度。将浓度1％的酚酞试剂喷于孔壁内侧边缘，若碳化部位与未碳化部位的界限清晰明了，可直接采用深度测量工具来测量，取平均值作为测量孔的碳化深度值。

2.2旱区桥梁砼碳化深度评价

国内外已有不少预测砼碳化深度的计算公式，但均存在一定的局限性，实际应用中误差大。为分析干旱地区桥梁工程砼的碳化特性，选择湿度环境差异小的砼进行检测。首先利用无损检测法测量砼抗压强度，再在腹板上钻孔并清洗干净，喷洒浓度为1％的检测试剂，根据颜色判断碳化深度。检测结果见表2。

根据表1，在梁体砼强度低时，保护层砼的碳化系数较大，随着强度的增大，碳化系数下降，基本符合抛物线规律（见图1）。

将表1中数据进行回归分析，得到砼强度与碳化系数k的关系［见式（5）]和碳化深度x与年限t的关系［见式（6）]：

根据表1，受桥梁工程建造环境与场地环境的限制，检测得到的砼强度与桥梁跨度关系较大，一般随着跨度的增大，砼强度也增大。在砼强度低时，测量得到的碳化深度数据离散性较大。砼强度越高，碳化深度越小，碳化系数明显下降。

3　旱区桥梁砼碳化寿命的可靠度分析

根据检测结果，碳化深度的测量结果随机性大，这主要是由于施工环境、施工质量、养护条件等导致砼保护层本身质量具有一定的随机性。

3.1砼碳化深度可靠度分析

经分析，碳化耐久性失效概率为：

可靠度指标为：

根据可靠度设计标准要求，结构正常使用情况下的可靠度指标不宜小于1～1.5，需考虑结构的技术状况及社会因素。

3.2桥梁砼碳化寿命评估

为了验证碳化深度随机模型，以某三跨连续拱桥为例，通过对保护层厚度、碳化深度的检测，分析评价桥梁剩余使用寿命。

表2　旱区桥梁保护层砼碳化深度检测结果

图1　砼强度与碳化系数的关系

拱桥由拱肋、梁、柱及横撑组成，进行钻芯法测量修正后的结果见表3。

表3　钻芯法修正的砼强度测量结果MPa

对构件保护层进行检测，检测结果服从正态分布。建立碳化耐久性年限方程，根据桥梁重要性，可将碳化可靠度指标取为0.5，即碳化概率为30％。实测得到的桥梁碳化耐久性剩余年限见表4～6，动态可靠度指标与年限的关系见图2～4。

根据测量结果，构件截面小的立柱受环境影响更大，保护层质量相对更差，碳化剩余寿命短。梁与主拱的体积大，支模、浇筑、养护条件好，砼密实性好，剩余寿命长，能满足功能使用要求。采用可靠度分析方法，可解决测量数据离散问题，有助于正确预测砼碳化寿命。

4　结语

该文就处于干旱环境中桥梁工程砼的碳化问题，对影响砼碳化的主要因素进行了分析，结合干旱地区桥梁工程的砼强度与碳化测量，提出了适合于干旱地区对桥梁砼进行碳化预测的系数。通过实际测量，验证了碳化深度预测模型的有效性。运用可靠度分析方法进行分析，结果表明保护层厚度与强度对碳化深度的影响显著，在工程设计中要特别注意保护层厚度与砼强度的控制。