钢筋混凝土结构物的耐久性

钢筋混凝土结构物的耐久性

1海运大桥混凝土腐蚀现状随着建筑的老化和污染的加剧，钢筋混凝土结构的耐久性问题引起了国内外的广泛研究人员的关注。在第二届国际混凝土耐久性会议上,Mehta教授指出:“当今世界混凝土破坏原因,按递减顺序是:钢筋腐蚀、冻害、物理化学作用”,并明确地将“钢筋腐蚀”排在影响混凝土耐久性因素的首位。调查结果表明,来自海洋环境的氯盐和用于化冰雪的除冰盐,是造成钢筋腐蚀的主要原因。我国发现,许多海港码头的混凝土梁、板使用不到10年已普遍出现顺筋锈胀开裂、剥落的现象。海燕大桥位于海湾浅水区,海水潮差1.2m,潮高范围多出现在标高2.0～2.6m。桥梁全长336.32m,上部结构为11×28m简支预应力砼空心板,桥面宽为:净8.0m+2×3.0m人行道,下部结构为预应力盖梁排架桩基础。桥梁总体布置如图1。设计标准为汽-10级,1993年开工,1995年5月建成通车。近期养护中发现该桥墩柱产生大量的顺筋胀裂缝、部分混凝土剥离,随即限载通行。本文主要介绍该桥墩柱钢筋混凝土腐蚀病害的检测及加固方法。2疾病的检查2.1抗纵向裂缝型海燕大桥发生钢筋锈蚀的墩柱较多,因钢筋锈蚀,体积膨胀,使墩柱表面产生大量的纵向裂缝,甚至保护层剥落(典型病害如图2、图3)。打掉剥离的混凝土保护层,混凝土的钢筋主筋锈蚀严重,而箍筋亦锈蚀断落,基本上丧失原有作用。2.2墩柱混凝土强度检测技术由于裂缝较多处混凝土保护层空鼓或剥落,采用回弹法无损检测数据可靠性较低,故墩柱中上部混凝土强度检测采用钻芯法,同时借助超声波法检测墩柱内部混凝土质量及裂缝深度。2.2.1土芯样抗压强度钻芯法检测混凝土抗压强度依据中国建设标准化委员会《钻芯法检测混凝土强度技术规程》(CECS03:88)进行。采用进口钻芯机,混凝土芯样直径为10cm。每柱抽取2个芯样,钻芯部位分别位于墩中部及中上部。从抽取的芯样外观上看,内部混凝土比较密实,但墩柱上部取得的芯样面层普遍脱落,表明此部位混凝土表面层已破坏。从检测结果可知,芯样抗压强度最大为57.4MPa,最小为40.0MPa。考虑芯样中钢筋、混凝土的龄期、海水、试件表面平整度、摩擦对混凝土芯样抗压强度的影响,分析表明墩柱混凝土抽芯强度满足设计标准,原混凝土比较密实。2.2.2超声检测分布墩柱混凝土缺陷超声波法检测依据中国工程建设标准化协会《超声波法检测混凝土缺陷技术规程》(CECS21:90)进行,检测仪器为武汉岩海公司RS-UT01C声波检测仪。在墩柱下部、中部及上部按病害程度不同各选1m柱高进行检测。检测时,沿柱表面横竖每隔20cm×20cm画网格,网格交点为测点(图4),对墩柱进行超声波对测检测,以了解墩柱内部质量情况及裂缝的深度(表1)。一般混凝土越密实,超声波传播速度越快、波幅越大。如果超声波从发射到接收的路径上有缺陷(孔洞或裂缝),超声波将发生绕射、折射或散射,使传播时间增加,能量减弱,即造成传播速度慢,波幅变小,甚至接收不到信号。从检测数据以及结合外观检测可以看出,墩柱表面完好的部位(墩柱下部)波速较高(4km/s左右),信号较强,说明这些部位内部较密实。表面裂缝较多的部位(墩柱中部),信号较弱,甚至收不到信号,说明这些部位内部存在孔隙。结合这些部位钻芯情况可知,上述情况是由这些部位保护层开裂松脱空鼓引起的,说明混凝土裂缝为表层裂缝,表层混凝土存在多层分离现象。从超声波法测量的结果可知,在标高2.5～3.6m墩柱混凝土内部存在缺陷,结合取芯留下的钻孔可知,墩柱混凝土表层存在分层剥离现象,而且在墩柱中部情况最严重。2.3对墩柱钢筋的腐蚀程度的检测2.3.1混凝土保护检验墩柱混凝土中钢筋的锈蚀程度检测采用自然电位法进行,检测图式如图5。选取墩柱中上部高1m损坏较严重的部位进行检测,测点布置与超声波法相同,检测方法参照AST法进行。从检测数据可知,各检测墩柱数值在-200～-500mV之间,总体规律为:从下到上数值增大,裂缝较多部位电测数据大一些,数值在-350～-500mV之间;表面完好部位,电位在-200mV左右。根据现场打掉混凝土保护层,发现裂缝较多部位钢筋锈蚀严重,锈蚀产物达5mm以上,钢筋直径损失约2mm。而表面完好部位钢筋基本未锈蚀,与用自然电位法测量的结果相符。2.3.2桥底海水中主要氯类离子的含量为了进一步分析墩柱混凝土钢筋锈蚀的原因,在潮位较高时抽取桥底海水样进行分析检测,从检测结果可知,桥底海水中氯离子含量(1524mg/L)和硫酸根离子含量(227.1mg/L)明显较高,海水中的Cl-浓度大于钢筋混凝土的限定值(1200mg/L)。3检测结果及分析单位尽管海燕大桥墩柱内部混凝土强度较高,墩柱中上部混凝土仍然开裂严重,且墩柱不同部位锈蚀情况不同。在海水浪尖处的钢筋锈蚀严重,保护层剥落处的钢筋主筋和箍筋基本上被全部锈蚀,但墩柱下部钢筋锈蚀较少,仅7#墩南侧柱桩头处混凝土被淘空。墩柱裂缝主要集中在墩柱中上部,其中,3#南、6#南、7#南、8#南、8#北及9#南墩柱病害较严重。沿墩柱纵向主筋的顺筋裂缝,裂缝周围有锈迹、锈斑,说明墩柱裂缝主要是由钢筋锈蚀引起的。从碳化深度检测结果看,保护层完好部位碳化深度不大,说明碳化不是引起锈蚀的主要原因。该桥处于海洋环境中,海水氯离子含量较高,墩柱开裂主要是由于海水中氯离子侵入混凝土,使钢筋周围氯离子含量超过钢筋致锈的临界值,在一定湿度及足够的氧的作用下,引起钢筋锈蚀。锈蚀产物使钢筋体积增大而使混凝土胀裂,属典型的海水腐蚀破坏。而造成这种情况的主要因素是由于原设计混凝土保护层不足,施工时钢筋偏位导致混凝土保护层偏小,缩短了氯离子和硫酸根离子的路程,使钢筋过早锈蚀。一般而言,混凝土海工结构的侵蚀类型和严重程度取决于暴露条件,完全浸没于海水中的结构物仅容易受到化学侵蚀,但混凝土表面受侵蚀的产物(如水镁石、钙钒石及文石等)多为不溶解的,有利于堵塞细微孔道、降低渗透性,阻止海水进入混凝土内部侵蚀。飞溅区、大气区含有大量的氯离子和氧气,使混凝土内钢筋易发生腐蚀破坏。潮溅区内结构物上述两种类型破坏均发生,含有大量的氯离子和富氧为钢筋腐蚀提供了条件,波浪冲刷掉海水—水泥浆交互作用的产物增加了渗透性,导致化学侵蚀进一步深入,而且波浪的冲击作用最终导致被细微裂缝和化学侵蚀削弱的混凝土崩解,发生开裂、剥落。故潮溅区内结构物往往因受到各种物理和化学的侵蚀而损坏最严重。4锚柱钢筋混凝土抗渗性能提升尽管海燕大桥竣工仅6年,由于所处较严重的腐蚀环境,致使桥梁下部结构已经出现严重的钢筋腐蚀破坏。桥墩柱已经达到腐蚀过程的第三阶段——腐蚀破坏期,腐蚀正在加快。资料显示,暴露在海洋浪溅区中钢材的锈蚀速度为0.38mm/a(温度80%时)～0.80mm/a(湿度70%时),为了提高耐久性,保证桥墩柱的正常使用年限,必须采取措施,进行维修加固和防腐处理。原设计墩柱钢筋保护层厚度偏小(2.5cm),不能满足规范对滨海区钢筋混凝土保护层厚度的要求(5cm)。从保证桥梁设计寿命、提高结构耐久性考虑,所有墩柱均需增加钢筋保护层厚度。故采取凿除已损坏或恶化区域的表层混凝土,进行必要的钢筋除锈处理和加强,然后重新浇注混凝土,保证钢筋保护层有足够的抗渗性(厚度和密实度)(如图6)。具体措施如下:(1)盖梁底至墩桩接头以下30cm范围内,沿主筋胀裂缝开凿宽度不小于5cm的竖槽,暴露出主筋。凿除网状裂缝发育部位、已空壳部位钢筋保护层,深度不低于未破坏混凝土内0.5cm。(2)剥落部位及其它未处理部位墩柱表面混凝土进行凿毛。(3)对已锈蚀的钢筋进行除锈处理,布置钢筋笼,浇注混凝土。(4)为提高混凝土的密实性,拌制混凝土时应严格控制水灰比,最大水灰比0.50～0.55,混凝土中水泥用量350～400kg/m3,采用冶金部建筑研究总院研制的RI-103型阻锈剂(含有减水组分、减水率约16%)