冻土地区钢筋混凝土桥梁病害研究

（重庆交通大学土木工程学院， 重庆 400074）

冻土地区钢筋混凝土桥梁病害研究

刘仕茂

（重庆交通大学土木工程学院， 重庆 400074）

我国东北、华北和西部地区等冻土地区一直以来都是重点发展的区域，本文主要针对冻土地区钢筋混凝土桥梁修建过程中出现的冰冻冻融引起的病害及其处治方法展开研究。根据冻土地区钢筋混凝土桥梁存在的主要冰冻冻融问题，结合近年国内外冻土工程的研究现状，对冻土地区钢筋混凝土桥梁基础的冻胀和融沉病害提出合理的处治方法，这将有利于冻土地区钢筋混凝土桥梁的修建，并保证其稳定性和耐久性。

冻土地区；钢筋混凝土桥梁；冻融病害；处治方法

0 引言

冻土是指温度在零或者零摄氏度以下的含有冰的各种类型的岩石和土壤。在我国，东北、西部和华北地区基本上都属于冻土区，且青藏高原、大小兴安岭和西部高山地带属于多年冻土区，冻土地区修建桥梁存在基础的冻胀和融沉现象，这一现象是冻土地区影响桥梁稳定性和耐久性的主要原因。

在桥梁的施工过程中，由于热量的传入，引起地基冻土融化下沉，从而桥梁墩台会产生沉降，导致桥梁上部结构出现变形，影响桥梁的稳定性，由于钢筋的锈蚀，冰冻冻融对钢筋混凝土桥梁的破坏尤为严重。因此，研究冻土地区钢筋混凝土桥梁冰冻冻融病害形成机理和处治方法，对在冻土地区修建桥梁等建筑物来说有着非常重大的意义。

1 国内外冻土工程研究现状

“国际地层冻结和冻结作用”会议[1]（2000年）上，C'a111eS-PlntauX对道路冻结过程中的热参数进行了定量计算，发现导热系数和含水率是非常重要的两个参数，这两个参数在气候变化时，对流交换系数及初始稳定状况在路基水热性质中起到非常重要的作用。

西南大学[2]（2007年）研究了季节冻土冻胀和融沉与土质、密度、含水率等性质的关系；同年，兰州大学利用神经网络研究了饱和冻土和非饱和冻土水分迁移的预测模型，并取得一定成果。

2015年，中国矿业大学的博士研究生阴琪翔[3]以多年冻土区路桥过渡段为研究对象，通过室内试样试验，系统的研究了多年冻土区冻土退化层融沉特性及融化后压缩特性，揭示了过渡段空间变形场的演化规律。

2 冻土地区钢筋混凝土桥梁典型病害及其机理

2.1 典型冰冻冻融病害

1）西北冻土地区混凝土桥梁冻融的主要类型[4]：梁体混凝土松动剥落、钢筋裸露；梁体进水、开裂、甚至断裂；铰缝进水、掉块；桥梁修建中有些质量较低，造成了桥梁本身存在不足等。

2）高原冻土地区钢筋混凝土桥梁病害的主要类型[5]：桥面出现波浪形的变形，桥面铺装层脱落；预制板梁挠曲变形较大；桥台翼墙倾斜与断裂；导流堤冻胀沉陷坍塌等。

3）西藏冻土地区混凝土桥梁病害的主要类型：桥墩受冻剥蚀破坏；混凝土表面失水、干缩；结构物不均匀下沉，开裂破坏；墩台基础整体上抬并伴有倾斜现象等。

2.2 混凝土的冻融机理[6]

在冻土地区，正负温度长期交互作用，混凝土结构出现表层剥落和松散而导致承载力降低的现象，这就是混凝土的冻融。

混凝土材料的一般破坏机理[9]是指混凝土内部微裂缝随着混凝土内部应力的增加裂缝扩大化而成为相互连通的宏观裂缝，直至混凝土整体性下降而丧失承载力的过程。在荷载作用下，微裂缝首先产生于骨料与砂浆的界面和砂浆内部，随着荷载的增加，混凝土内部应力增大，微裂缝不断的延伸和扩展成为相互连通的宏观裂缝，砂浆内部裂缝的产生导致混凝土内部骨料之间失去了联结，混凝土整体性破坏并丧失承载力，最后产生混凝土材料的破坏。

降低混凝土浇筑时的水灰比和在浇注时加入引气剂可以减少混凝土冻融破坏，提高混凝土的抗冻性。

2.3 钢筋的锈蚀机理[7]

钢筋锈蚀必备的三个条件：（1）由于钢筋表面存在电位差，能够形成电池的阴阳两极；（2）钢筋表面存在腐蚀反应必需的水和氧气；（3）钢筋表面的氧化膜已破坏，钢筋处于无保护状态。

上述条件满足的原因如下：首先，钢筋不纯净和钢筋成分不均匀，与周围的混凝土共同发生作用时，钢筋中会出现电位差而形成电极，构成了钢筋腐蚀的电池；其次，混凝土的不密实性能导致气中游离的氧分子和水分子很容易通过混凝土微小的裂缝与孔隙附着到钢筋表面上，提供了钢筋锈蚀的化学反应所必需的水和氧气；混凝土中游离的氯离子的浓度过高和混凝土保护层碳化使保护层混凝土降低这两个原因都能够使钢筋表面的氧化膜被破坏和钢筋处于活化状态。

钢筋的抗锈蚀性能取决于包裹钢筋的混凝土的耐久性能，冻融病害破坏了混凝土的耐久性，因此导致了钢筋的锈蚀。

3 处治方法

3.1 设计阶段[8]

正确选择设计标准；合理确定结构类型和桥梁形式，尽量以钢筋混凝土板桥、T梁桥为主，不宜采用超静定连续梁桥；设计桥梁墩台时，应考虑其耐久性，采用低温、早强、耐久混凝土和墩台护面钢筋，增加混凝土的耐久性；设计桥梁基础的过程中，尽量避免引起河床热状况的扰动，并注意防止融沉和冻胀作用对桥梁结构的破坏。

扩大基础和桩基础是适用于冻土地区的桥梁的基础形式。

3.2 施工阶段[9]

做好施工组织设计；选择合理的施工季节、施工方法；基坑开挖尽量在冬季施工，如在春夏季施工应采取遮阳防雨措施，开挖时一定要快，避免基坑暴露时间太长而使冻土地基融化；宜采用低温、早强、耐久的混凝土，并根据施工环境，选择合适的入模温度和混凝土运输方式。

针对多年冻土地区天气寒冷、冰冻期长的特点，冻结法施工是化不利条件为有利条件的一种施工方法。

3.3 运营阶段[10]

在混凝土冻融破坏比较严重的部位，应该采用喷浆修补；若发现梁体露筋或保护层剥落等现象，采用环氧材料修补或喷射高标号水泥砂浆修补；当钢筋混凝土的裂缝宽度大于具体要求时，应该采用压力灌浆法喷射环氧树脂胶；桥梁下部结构维修应采用钢筋混凝土墩台结构套箍或者扩大基础加固法、护套加固法、支撑加固法和人工地基加固法等；进行桥面裂缝维修时，可以采用HD型高性能灌缝材料进行修补。

4 结论

通过本文的研究，得到以下主要结论：

1）位于冻土地区的桥梁建筑物发生的病害主要包括：梁体混凝土开裂、变形，墩身发生冻胀破坏，地基不均匀沉降。

2）冻土地区常年处于低温，且昼夜温差大，混凝土因冻胀而脱落，因温差而变形并产生裂缝，钢筋产生锈蚀，桥梁耐久性大大降低，结构物因地基不均匀沉降而失稳。

3）通过分析冻土地区钢筋混凝土桥梁病害机理，并提出了相应的解决方案，对我国冻土地区修建钢筋混凝土桥梁产生了深远意义。

[1]蒲元海.西北干寒地区混凝土桥梁冻融病害机理及防治技术探究[J].城市道桥与防洪，2015，10（10）

[2]严莉华.高寒冻土地区桥梁病害机理及处理方法研究[D].长安大学.2010，6

[3]潘东宏.高寒地区提高混凝土桥梁耐久性关键技术研究[D].重庆交通大学.2010，4

[4]韩慧利.严寒冻土地区高速铁路混凝土梁桥病害成因及处治研究[D].石家庄铁道大学.2014，6

[5]陈勇.西北干寒地区常见病害对公路桥梁可靠性的影响[D].兰州交通大学.2014，5

[6]张建军.新疆地区桥梁病害及其修缮方法研究[D]. 长安大学,2010，10

TU471.4

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刘仕茂(1992–)，女，硕士研究生，主要从事桥梁结构有限元分析方面的工作。