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&影响混凝土桥梁耐久性问题分析与处治措施
　　摘要：混凝土桥梁开裂是工程中比较常见的病害，文章分析了混凝土桥梁裂缝形成的原因，提出预防桥梁混凝土裂缝的措施。
　　关键词：桥梁,混凝土,耐久性,裂缝
　　混凝土结构以其整体性好、耐久性好、可塑性强、维修费用少等优点广泛使用。一些发达国家的混凝土桥使用了三四十年后，纷纷进入老化期。人们始料不及的是混凝土材料在不利的环境、运用条件下，出现了一系列影响结构耐久性的物理、化学现象，如结构混凝土的碳化、保护层剥落、裂缝的 发展 、钢筋锈蚀、渗透冻融破坏、混凝土集料的化学腐蚀等等。混凝土结构的耐久性问题已成为结构工程师们不容忽视的一个问题。
　　1、裂缝对混凝土桥梁耐久性的危害
　　人们普遍认为，影响混凝土桥梁耐久性的一些主要原因，按主次顺序，依次为：钢筋的腐蚀、循环性冷冻与融化环境、碱硅反应和硫酸盐侵袭。上述每一项的膨胀开裂的机制中都牵扯到了水。不仅如此，水还是侵蚀性离子进入混凝土内部的主要载体。裂缝及其宽度对混凝土桥梁耐久起着直挂重要的作用，裂缝宽度大, 结构耐久性失效的可能性也大。裂缝宽度达某一值时, 结构的耐久性不能满足要求。同时，钢筋并不能消除或削减混凝土的收缩裂缝，它只是把一些大的裂缝变成细纹和微裂。然而，恰恰是那些肉眼看不见也无法测量的细纹和微裂才构成潜在通道，最终为离子从混凝土表面运动到钢筋建立了必要的通道，从而加速了混凝土桥梁的耐久性损失。
　　无论对预应力混凝土结构或钢筋混凝土结构来说，裂缝及其宽度对力筋腐蚀都有影响，且宽度不同其影响程度也不同。首先，裂缝加快了腐蚀的发生。在早期，裂缝宽度对力筋腐蚀影响较大，因为力筋去钝化的时间取决于裂缝的宽度，然而腐蚀一旦开始，其影响程度大大降低。这时，腐蚀速度取决于未开裂处混凝土保护层的质量和渗透性，混凝土保护层的质量越好，渗透性越小，氧气及水分的供给量也越少，腐蚀速度越慢，随着碳化进程的深入，毛细孔将逐渐被堵塞，使混凝土渗透性逐步降低，腐蚀速度也随之下降。
　　2裂缝产生的原因
　　2.1 0.1～1 mm的裂缝主要起因于包括霜冻作用、湿度梯度在内的温度梯度，结构超荷载，以及一些化学因素，如钢筋腐蚀、碱骨料反应等。早期裂缝一般是由于冷却或干燥引发的收缩应变造成的。当刚刚硬化的混凝土裸露在周围温度湿度中，它不仅会产生热收缩应变还有干燥收缩应变。哪种收缩应变会占主导地位，取决于环境温度和湿度，该混凝土构件的大小，混凝土自身温度，混凝土配料的性能以及混凝土的配比。
　　硬化混凝土在约束状态下收缩应变会产生弹性拉应力。这种弹性拉应力的第一个近似值可以被认为是弹性模量和应变的结果。当引起的拉应力超过抗拉强度，材料会出现裂缝。可是由于材料共有的粘弹性性能(徐变)，有些应力就释放出来。只有残余应力(应力经过徐变有所释放之后)决定是否会发生裂缝。
　　2.2 导致混凝土裂缝行为的主要因素有：干燥收缩、徐变、弹性模量，以及抗拉强度。很明显，随着水泥比例的增加，混凝土的伸长率(抗裂性)就要降低，因为干燥收缩都提高了。与此同时，强度的增加有可能增加弹性模量，降低徐变系数，从而对混凝土的伸长率产生负面影响，这也是早强混凝土一般比中度或低强度混凝土更易于裂缝。当然，早强混凝土的结构裂缝是可以通过使用足量的钢筋而得以控制，但是如上文所述，这种作法无助于混凝土耐久性问题。
　　3裂缝的控制与预防
　　3.1混凝土原材料的选用
　　1)采用低水化热的水泥。由于矿物成分及掺加混合材料数量不同，水泥的水化热差异较大。铝酸三钙和硅酸三钙含量高的，水化热较高;混合材料掺量多的水泥水
　　化热较低。为减小水泥水化热，降低混凝土绝热温升和混凝土内部温度，从而减小内外温差，应选用低水化热的水泥产品。
　　2)掺粉煤灰。可以用适量粉煤灰取代一部分水泥以削减水化热产生的高温峰值。混凝土中掺用粉煤灰后，可提高混凝土的抗渗性、耐久性，减少收缩，降低胶凝材料体系的水化热，提高混凝土的抗拉强度，抑制碱集料反应，减少新拌混凝土的泌水等。
　　3)骨料的选用。应优先选用热膨胀系数小、含泥量低的骨料，并强调骨料的连续级配，条件许可时，应尽可能使用粒径大的骨料。之所以这样，因为一方面骨料本身的强度就远大于水泥胶体，另一方面，采用连续级配的骨料，可以提高骨料在混凝土中的所占体积，能大幅度降低水泥用量，从而间接地降低水化热。
　　3.2施工措施
　　1)浇筑方案。在混凝土施工过程中，为了有效降低混凝土的内外温差，常采用分块浇筑。分块浇筑又可分为分层浇筑法和分段跳仓浇筑法两种。分层浇筑法目前有全面分层法、分段分层法、斜面分层法3种浇注方案。
　　在时间允许的条件下，可将混凝土结构采用分层多次浇注，施工层之间按施工缝处理，即薄层浇筑技术，它可以使混凝土内部的水化热得以充分地散发，应该注意的是分层浇筑的间歇时间。目前水工混凝土中遵循的原则是薄层短间歇，对施工缝的处理要求十分严格;而在桥梁混凝土施工中，由于体积相对较小，多采用一次性整体浇筑和全面分层多次浇筑。
　　2)振捣工艺。采用二次振捣技术，即是浇灌后的混凝土，在振动界限以前，给予二次振捣，改善混凝土强度，提高抗裂性，能排除混凝土因泌水在粗骨料、水平钢筋下部生成的水分和孔隙，提高混凝土与钢筋的握裹力，防止因混凝土沉落而出现的裂缝，以减小内部微裂，增加混凝土密实度，从而可使混凝土抗压强度提高10-20%左右。
　　3.3混凝土养护
　　刚浇筑的混凝土、强度低、抵抗变形能力小，如遇到不利的温湿度条件，其表面容易发生有害的冷缩和干缩裂缝。保温的目的是减小混凝土表面与内部温差及表面混凝土温度梯度，防止表面裂缝的发生。
　　混凝土表面压平后，先在混凝土表面洒水，再覆盖一层塑料薄膜，然后在塑料薄膜上覆盖保温材料进行养护，保温材料夜间要覆盖严密，防止混凝土暴露，中午气温较高时可以揭开保温材料适当散热。底层塑料布下预设补水软管，补水软管间距6-8m,沿管长度方向每100mm开5mm水孔，根据底板表面湿润情况向管内注水，养护过程设专人负责。
　　参考文献：
　　[1]黄洁，李周波，张松.混凝土结构的耐久性措施[J].腐蚀与防护，2005
　　[2]黄军生.钢筋混凝土桥梁裂缝成因综述，世界桥梁，2002.
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文档介绍：
当前国外混凝土耐久性问题及其预防措施综述王智黄煜镔王绍东(重庆建筑大学材料科学与工程系)〔提要〕导致混凝土结构性能劣化的最普通、最严重的原因是***化物侵蚀引起的锈蚀,其次是冻融侵蚀、硫酸盐侵蚀、碳化锈蚀、碱集料反应和延缓钙矾石生成。本文讨论了混凝土性能劣化的原因、症状、发生和可能的结果,以及预防措施及其原理,以期作为正确设计和使用混凝土材料的依据。〔关键词〕混凝土耐久性问题预防措施综述。11引言混凝土性能劣化的发生通常是因设计和施工失误而引起的,如在法国以造价来分析建筑物失效的结果表明:43%的建筑物失效是因设计失误,43%是施工失误,6%是材料使用失误和8%是维护失误引起的。其它国家的情况大致与此相似,这种问题可以归结于多种原因,包括过分强调减小工程造价而忽略工程的长期造价;人们对混凝土性能劣化过程的认识水平有待提高,本文讨论混凝土因***化物侵蚀和碳化引起钢筋锈蚀、冻融侵蚀、硫酸盐侵蚀、碱集料反应和延缓钙矾石生成而导致性能劣化的原因、发生率和可能的后果,以及预防措施及其原理。混凝土材料一旦出现失效或性能劣化人们总想知道:(1)产生原因;(2)严重程度;(3)可能的后果;(4)修复或获得一个经济使用寿命的措施;(5)预防措施。正确地分析判断混凝土结构性能劣化的原因极为重要。如果分析判断错误,将可能导致对现有结构不恰当的修复和采取不适当预防措施。导致混凝土可视裂纹的原因有许多,如塑性收缩、塑性沉降、结构荷载、热收缩、干缩、冻融侵蚀、钢筋锈蚀、硫酸盐侵蚀、碱集料反应和延缓钙矾石生成。混凝土出现初始裂纹的时间可作为判断裂纹原因的参考:塑性裂纹大约在浇注后几到10小时出现,热裂纹大约在浇注后2到10天出现,干缩裂纹出现在接近1年龄期时,冻融循环引起的裂纹大约在1年或在10至20年之间,钢筋锈蚀引起的裂纹在8年或更晚出现,碱集料反应引起裂纹的出现通常在2—20年,。延缓钙矾石生成引起的裂纹通常出现在1~10年。21***化物侵蚀导致的锈蚀211研究概况混凝土中的高碱性溶液对混凝土中的钢筋起保护作用。高的碱度可以使钢筋表面形成一层厚度为(2-6)×10-3μm惰性的水化氧化铁薄膜(γFe2O3·nH2O),该惰性薄膜可以阻止钢筋的锈蚀(阳极溶解)。通常,钢筋表面的氧化铁薄膜的破坏有两种原因:一是因混凝土碳化而引起钢筋混凝土保护层的pH值降低,二是***离子和氧离子作用而破坏惰性氧化铁薄膜。***化物侵蚀所形成的锈蚀产物将导致混凝土的开裂和钢筋增强效果的失效,特别在气温高的海洋结构中***化物侵蚀引起锈蚀的发生非常迅速。据估计英国混凝土结构因钢筋腐蚀而产生的年维修费大约为5×108英镑,美国仅混凝土桥的维修费就达5×1010美元/年。这些问题大都与混凝土质量欠佳,保护层不够,梁的连接失误,桥面板防水层的缺乏和预应力后张通道灌浆不良相关。***离子可以通过以下途径进入混凝土:(1)作为混凝土的组分,(2)通过扩散作用,(3)在干湿条件下通过毛细管吸入,(4)在水压头的作用下渗透。基于实验室研究通常认为***离子是依据扩散作用进入混凝土,因而认为***化物侵蚀引起锈蚀的可能性与***离子的浓度有关,而就***化物侵蚀引起锈蚀本身的研究则相对较少。为了减少***化物侵入混凝土、延长混凝土初始腐蚀的时间,有必要采用低水胶比使其毛细孔互不连通,孔越多和抗渗性越差的混凝土,其被腐蚀的初始时间就越短。***化物锈蚀钢筋的临界值大小取决于以下因素:●孔隙溶液的pH值———随pH增加而提高;●胶凝材料中的C3A,C4AF含量———随C3A,C4AF含量增加而提高;●混凝土所用胶凝材料的种类———可以上下波动;●水胶比———随水胶比的增加而降低。钢筋与混凝土界面中游离***化物达到临界水平的时间取决于:●水胶比———随水胶比增加缩短;·25·●孔隙溶液的pH值———随增加而延长;●胶凝材料中的C3A,C4AF含量———随C3A,C4AF含量增加而延长;●混凝土所用胶凝材料的种类———因为混凝土保持饱和状态,其抗***化物锈蚀能力依次为:抗硫酸盐水泥和波特兰水泥、粉煤灰和硅灰水泥、矿渣水泥;●养护时间———随增加而延长;●混凝土保护层———随增加而延长。在国际上虽然无人正式提出,但是最新的水泥化学理论暗示了这样一个原理:混凝土的一系列耐久性问题,包括硫酸盐侵蚀、碳化、***离子渗透与固化、钢筋锈蚀等,都与AFm家族的水化物的生成与转化有一定的关系。AFm家族的水化物全都具有类似于Ca(OH)2晶体的层状结构特征,并且可以写成这样的通式〔Ca2(Al,Fe)(OH)6〕·X·nH2O,其中X表示一个单价阴离子或半个双价阴离子。很多种类的阴离子可以作为X,但是在水泥化学中最为重要的是OH-、SO42-、CO32-、Cl-。这样,当混凝土遭受硫酸盐侵蚀,碳化和***离子侵蚀时,分别涉及到相对应的水化物的生成和转化问题。这三种AFm水化物的稳定性不同且生成顺序的优先性不同,即:3CaO·Al2O3·CaSO4·12H2O最为稳定和优先生成,其次是3CaO·Al2O3·Ca2CO3·12H2O,最后是3CaO·Al2O3·CaCl2·10H2O。这一原理的提出解释了众多的实验现象和规律,其中有些是以前未能得到合理解释的,举例如下:11在***离子侵蚀的过程中,有一部分***离子将参入3CaO·Al2O3·CaCl2·10H2O的生成过程,即这部分***离子被AFm相“固化”,被固化的***离子对钢筋锈蚀无害,并且能延缓***离子的渗透过程。由于SO42-型AFm最为稳定且优先生成,这个过程消耗了体系中的Al2O3,故过高的硫酸盐含量将降低混凝土的固化***离子的能力。21碳化过程能够将Cl-型AFm转化为CO32-型AFm,此过程释放出***离子故加速了***离子渗透和钢筋锈蚀的过程。硫酸盐侵蚀过程与碳化过程类似,只是程度更为强烈。这样当人们研究***离子在混凝土中的固化与渗透时,就涉及到一个有效Al2O3含量的问题,只有当Al2O3与S042-和CO32-反应后剩余的那部分Al2O3才能起到固化***离子的作用。212预防***化物锈蚀的措施除了采用低水胶比、增大混凝土保护层厚度和选择合适的胶凝材料外,通常还采用其它一些方法预防在混凝土设计寿命范围内***化物锈蚀引起的性能劣化:●在钢筋表面涂刷环氧树脂。虽然涂刷环氧树脂钢筋的造价是普通钢筋的两倍,但在美国被广泛应用,在英国也被接受和采用。●非铁增强纤维。在德国和日本人造纤维被应用在非常恶劣的化学环境中,人造纤维多是碳纤维、玻璃纤维或抗碱有机纤维,其造价为普通钢筋的四倍。●采用外加剂减小混凝土的渗透性。可分为:聚合树脂分散剂,孔阻塞防水剂和塑化剂及超塑化剂三类。●亚***钙腐蚀抑制剂。据报道亚***钙腐蚀抑制剂的使用可以通过提高***离子产生腐蚀的临界值来稳定钢筋表面的氧化物保护膜,该方法易于使用且造价合理。●涂层。只要涂层耐久并应用恰当,在钢筋表面涂层是非常有效的。●表层防水剂,如硅烷类和有机高分子硅醚齐聚物类表层防水剂。●控制渗透模板(CPF1
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