寒冷地区公路混凝土桥梁病害养护及修复技术研究

戴鹏飞

(辽宁省高速公路运营管理有限责任公司 沈阳市 110003)

0 引言

社会经济的快速发展，离不开公路的建设。随着国民经济的发展和人民生活水平的提高，人们对公路的需求也与日俱增，我国的公路建设事业快速发展，公路总长度迅速增长。桥梁是公路中不可或缺的一部分，混凝土结构桥梁本身具有施工方便、价格低廉的优点，广泛应用于我国的中小型河谷和各种水利工程中。但是由于混凝土结构桥梁的设计、施工工艺、原材料质量以及服役环境的影响，混凝土桥梁很容易出现老化、裂缝、破损等破坏现象，尤其在寒冷地区，混凝土结构桥梁受到严寒气候的影响，还会出现冻融破坏，导致混凝土承载能力急剧下降，形成危桥，严重影响行车安全，对混凝土结构桥梁进行定期的养护和修复工作的重要性不容忽视。

1 寒冷地区混凝土桥梁病害类型分析

1.1 冻融破坏

混凝土在严寒地区最常出现的病害是冻融破坏。这种病害会使混凝土结构产生变形，甚至损坏构件，严重影响混凝土结构桥梁的使用。我国有很大一部分疆土位于寒冷地区，冬季极低的气温会对混凝土结构桥梁带来极大的安全隐患。

混凝土内部具有多孔结构，外界水能从混凝土表面缝隙进入混凝土内部，填充在毛细孔里，形成饱水状态。寒冷地区气温在0℃以下时，混凝土在饱水状态下，内部水结冰产生体积膨胀，迫使过冷水发生迁移，混凝土内部结构遭到严重破坏。

当冻融破坏过大时，混凝土结构桥梁的桥面及一些构件会产生变形，甚至损坏。比如桥梁上部结构的伸缩缝，秋冬季节的雨水、降雪，会使其产生积水，积水不及时排除，冬季气温骤降，积水处混凝土在长期冻融循环作用下会出现裂缝，并且水分进入混凝土内部，会使钢筋发生锈蚀。当混凝土结构桥梁部分部位的混凝土失去作用时，桥梁的截面有效尺寸和受力形式等都发生变化，影响桥梁承载力，难以维持使用功能。

混凝土结构桥梁的冻融破坏会对桥梁使用的功能性和安全性带来极大的影响，应对其进行定期的养护与维修，保证桥梁的安全使用。

1.2 盐冻破坏

盐冻破坏是寒冷地区混凝土结构桥梁最常出现，也是对混凝土危害最大的病害。冬季降雪量大，为了确保公路的正常使用，通常会用融雪盐进行快速消雪，融雪盐中含有大量的氯离子，在冻融循坏的作用下，加速氯离子进入混凝土内部，混凝土内部盐浓度上升，使混凝土内部毛细孔的吸水能力增强，导致饱水度升高，混凝土内部更容易产生膨胀压力和水压力，从而加剧混凝土的冻融破坏，对混凝土桥梁造成更大的破坏。

2 桥梁上部结构的修复措施

桥梁的主要结构包含桥面铺装和承重体系，其中桥面体系是最容易在冬季受到冻融破坏和盐冻破坏的部位，桥面伸缩缝、桥面排水系统及桥面铺装的维修是非常重要的。

2.1 桥面伸缩缝

伸缩缝位于梁两端的薄弱位置，直接承受车辆荷载的作用，并且暴露在大自然之中，非常容易受到环境的影响，在冬季降雪时，融雪剂的使用让其暴露在氯离子浓度较大的盐环境之中，因此常出现严重的冻融破坏。所以，要对桥梁的伸缩缝定期进行养护和维修，伸缩缝的破坏主要表现在伸缩缝过渡区锚固混凝土结构的破坏，要根据损坏程度考虑是否对其进行更换，目前快速更换伸缩缝锚固混凝土方法的相关研究比较少，技术不够成熟，所以对于损坏的伸缩缝混凝土，一般选用合适的快速修补材料对其进行修复。寒冷地区的伸缩缝混凝土快速修补材料的选用，要考虑到修补材料的抗冻性和抗氯离子侵蚀性能，并且修补材料本身要具有快硬早强的特点。冯琦用矿渣、粉煤灰、水玻璃和NaOH为主要原料制备地聚合物基修补砂浆，并通过纤维和有机聚合物对修补材料的性能进行改性，通过试验研究发现地聚合物基修补砂浆的力学性能和工作性都能满足快速修补材料的要求，其快硬早强、耐久性强的性能能够满足修补之后快速开放交通的要求[1]。

2.2 泄水孔

在混凝土结构桥梁的设计中，排水问题一直是重中之重。在寒冷地区，桥梁的排水系统一旦损坏，桥面积水不能及时排出，结冰之后不仅会对行车带来很大的安全隐患，还会加剧混凝土的冻融破坏，所以对泄水孔的修复养护是桥梁养护工作中极为重要的一环。

目前，在桥梁工程中常见的泄水孔主要有两种，分别是PVC泄水管和铸铁泄水管，目前使用更为广泛的是铸铁泄水管。泄水孔由于设计、施工、腐蚀等原因，在长年累月的使用中，会出现堵塞、老化等损坏。寒冷地区冬季降雪量大，为了保证公路的通畅，会使用大量融雪剂进行除雪，融雪剂里大量的氯离子会加速泄水孔所在位置混凝土的侵蚀，从而使泄水孔严重腐蚀、堵塞，使得泄水孔渗漏水，失去排水功能。对于泄水孔的修复，需要找出泄水孔出现问题的根源所在，根据损坏程度，考虑是否更换泄水孔。张顺农提出泄水孔的渗漏损坏，分为一般渗漏、中等渗漏及严重渗漏三个阶段，并分别提出了修复方法，修复方法的关键点在于对泄水孔所处位置的混凝土涂抹防水材料[2]。

泄水孔的修复中，泄水管的修复也是很重要的一环，对于锈蚀比较严重的泄水管，可以更换耐腐蚀能力和抗老化能力优异的PVC泄水管，对于受损较轻的泄水管，在泄水管外露部分涂上防腐涂料，保护其免受腐蚀。

2.3 防撞墙

防撞墙是桥梁工程中的重要附属结构，它是保证桥梁行车安全最主要的构件。防撞墙结构本身保护层比较薄，极容易受到自然环境的影响，冻融循环、盐冻腐蚀、氯离子侵蚀以及大气碳化等都会对其带来很大的损害，在寒冷地区服役的混凝土桥梁，长时间暴露在严寒环境下，冻融循环、融雪剂的大量使用所造成的盐冻腐蚀会导致防撞墙表面开裂、钢筋锈蚀甚至混凝土表面脱落，严重威胁行车安全。

经研究发现，严寒地区混凝土桥梁中防撞墙产生破坏的主要原因是气温变化大，混凝土内部不断地进行着冻融循环，融雪剂的使用加速了冻融循环，导致其混凝土内部结构损坏严重，钢筋也会因为氯离子的不断渗入而锈蚀。所以对防撞墙的修复和养护工作，首先应该清除其表面腐蚀层，然后用聚合物砂浆对其进行填抹，填抹完成后考虑提高其混凝土耐久性，阻止病害继续发展。提高防护墙耐久性的主要方法是对其进行防腐涂料的涂刷，杨奇对适用于寒冷地区的六种常用防腐涂层体系进行了研究，设置对比试验，分别研究6种涂层体系对混凝土耐久性的影响规律，得出结论：溶剂型环氧-氟碳体系、水性环氧-聚氨酯体系以及聚脲体系能有效提高混凝土的抗冻性能，混凝土结构采取涂刷防腐涂层的防护措施，可明显降低氯离子腐蚀环境对混凝土结构产生的破坏[3]。

3 不同防腐涂层体系对混凝土耐久性的影响

要保证混凝土结构桥梁的长期安全使用，不仅要从修复入手，在施工的时候，对混凝土结构涂抹防腐涂层是目前非常有效的方法。在寒冷地区，在混凝土表面涂抹防腐涂层尤为重要，防腐涂层能有效防止盐离子和水分进入混凝土结构内部，从而起到提高混凝土耐久性的作用。选取了几种不同防腐涂层体系，研究其对混凝土抗冻性和抗氯离子侵蚀性能的影响。

3.1 原材料

(1) 水泥：选用P.O42. 5级普通硅酸盐水泥。

(2) 矿物掺合料：选用粉煤灰作为矿物掺合料，粉煤灰氧化物组成见表1。

表1 粉煤灰氧化物组成

(3) 细骨料：筛选粒径为0.1～4.5mm的天然河砂作为细骨料。

(4) 粗骨料：筛选粒径为4.5～20mm的碎石作为粗骨料。

(5) 水：用自来水用作混凝土拌和用水。

(6) 防腐涂层体系：通过查阅资料，选取如表2所示三种防腐涂层体系作对比试验。

表2 防腐涂层体系

3.2 试验方法

参照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》，混凝土抗冻性试验采用“快冻法”进行研究，抗氯离子侵蚀性采用“氯离子电迁移快速试验(RCM)”方法，通过测定氯离子在混凝土中非稳态迁移系数来确定混凝土抗氯离子侵蚀性能。

根据快冻法试验要求，制备强度等级为C30的混凝土试块，抗冻性试验试块大小为“100mm×100mm×400mm”的棱形试块。

根据RCM法试验要求，制备Φ100mm±1mm，高度为50mm±2mm的混凝土圆柱体试件，养护24h后拆模。

在混凝土表面涂抹三种体系的防腐涂层，并设不涂防腐涂料的试块做对比试验。

3.3 试验结果

3.3.1防腐涂层对混凝土抗冻性的影响

对未涂抹和涂抹了三种不同体系防腐涂层的混凝土试块进行冻融循环试验，如图1、图2所示，未涂抹涂层的混凝土试块在经过300次冻融破坏之后，质量和动弹性模量都有严重的损失，三种不同体系的防腐涂层均对混凝土的抗冻性有一定的提高。从图中可以看出，涂抹涂层体系1、3的混凝土试块冻融循环次数达到300次之后，动弹性模量及质量损失比无涂层的混凝土试块小得多，涂抹体系2的混凝土试块冻融循环次数达到500次之后，动弹性模量及质量才开始有明显损失。由此可见，涂抹防腐涂层会对混凝土的抗冻性有较大提升，其中“溶剂型环氧-溶剂型环氧-氟碳面漆”涂层体系对混凝土抗冻性提升最为明显。

图1 混凝土试件动弹性模量变化曲线

图2 混凝土试件质量变化曲线

3.3.2防腐涂层对混凝土抗氯离子侵蚀性能的影响

如表3、图3所示，未涂抹防腐涂层的混凝土试块的氯离子扩散系数相较于涂抹了防腐涂层的试块大很多，无涂层的混凝土试块的氯离子扩散系数达到了15.81×10-12m2/s。涂抹了涂层体系3的混凝土试块氯离子扩散系数最小，只有0.81×10-12m2/s,涂抹涂层体系1、2的混凝土试块较体系3高，在0.9×10-12～0.95×10-12m2/s之间。涂层体系3由于其底漆是水性环氧，可参与混凝土内部的反应，形成防护网结构，所以对混凝土的抗氯离子侵蚀性能提升是三种体系中最好的[3]。

表3 不同防腐涂层体系混凝土氯离子扩散系数

图3 混凝土试件氯离子扩散系数

4 结论

在寒冷地区服役的混凝土结构桥梁受到来自环境的不良因素影响比较大，更容易产生结构破坏，冻融循环、盐冻腐蚀、冻胀等病害都会对桥梁的使用带来较大的安全隐患。针对于寒冷地区的病害特征进行分析，对混凝土结构桥梁的各个部位提出针对性的修复措施，对路面、伸缩缝、防撞墙及墩台的混凝土腐蚀产生的裂缝进行修补时，选择强度、工作性能都较为优秀的修补材料或注浆材料，在修复之后对混凝土表面涂抹性能优异的防腐涂层，通过试验研究，防腐涂层能有效提高混凝土的抗冻性能和抗腐蚀性能，是保护寒冷地区混凝土结构桥梁的有效途径。