专项技术分析报告

关于桥头跳车、桥梁钢筋锈蚀的技术分析报告 引言：近五年来，我主要从事桥梁工程的施工与维修养护工作。我所工作的伟恒市政工程公司承接了中山城区的桥梁巡查、维修、养护项目。在桥梁工程施工、维修、养护工作的实践中我发现：“桥头跳车、桥梁钢筋锈蚀是桥梁工程的通病，也是施工中质量控制的难点问题、更是后期常常需要维修养护的地方”。也常看到网络上、电视上报道引桥下沉和桥面裂缝的事件。桥梁的兴建与畅通, 促进了人类社会的文化和经济生活的繁荣与发展、特别是珠江三角洲，因河流较多，大桥、小桥、涵洞比比皆是。但是桥梁一旦发生事故,就会带来巨大的损失和灾难。因此,政府和民众都对桥梁安全非常重视。当前交通量猛增, 运输车辆的载重量加大情况下, 公路运输对公路桥梁的通过能力和承载能力的要求越来越高, 而一些旧桥老化, 破损现象日趋严重, 许多旧桥难以适应日益增长的交通量需求。桥头跳车与桥梁钢筋锈蚀、桥面裂缝，给桥梁的使用寿命，交通安全都带来较严重的影响。根据我的工作实践经验、结合掌握的理论知识，对桥梁通病产生桥头跳车、桥梁钢筋锈蚀的原因进行具体分析, 确定导致通病产生的根源, 在研究养护维修措施时,做到有的放矢、从设计、施工、使用、养护入手，预防与治理相结合。 一 桥头跳车桥头产生跳车的主要原因是桥头与路基的沉降差所致，它与地基条件、填筑材料、施工机械设备以及施工工艺等诸多因素有关。 减少桥头跳车的措施（一）地基预压处理。预压处理就是在拟建桥台处，先填土预压，待地基强度提高到一定程度后，挖去填土，再建造结构物。有时为了加速地基固结下沉，在填筑路堤时，还可预先把土填得比设计高度高一些，或加宽填土宽度，待沉降稳定后再挖除超填部分。这种预压或超载预压的方法，可以说是处理软弱地基最有效、最经济的方法，它不仅可以解决桥头的跳车问题，而且可以解决台后填土的不均匀沉降问题。以某工程为例，经过一年的预压周期，路基压实度和路基工后沉降均满足设计要求。在地基预压处理中，采取了以下预防措施，确保工程质量。1、分级加载控制标准。路堤中心线地面沉降速率不大于1.0cm昼夜，坡脚水平位移速率不大于0.4cm昼夜。若超过这一数值则立即停止填筑，直到沉降及位移速率小于控制标准方可继续施工。2 、超载卸载控制标准及路槽开挖时间的确定。超载填土路堤的预压期大于设计规定时间且路堤中心线地面连续3个月沉降速率小于0.8cm月方可卸除超载，继而进行路槽开挖。3、在预压期内不应在路堤上做任何工程，只允许添加由于沉降而引起的附加填土。当路堤中心点沉降大于20cm后，必须及时补偿填土至设计所要求的超载预压高程。4、 路堤堆载施工前应做好排水沟、集水井等施工排水措施，保证基底干燥，并设置永久性平面和高程控制基点。5、 路堤填土前须清除地表杂草、树根、农作物等。如遇水田挖沟疏干，挖除表层淤泥、腐植土等。挖除原地面20cm耕植土后按4.05.0的坡度构筑路拱，路拱采用符合规范要求的粘性土，压实度大于90。6、 超载土方顶面应保持4.0的横坡以利于排水；设计路面为单向横坡的超高路堤路段，超载土方顶面应保持与设计路面同样坡度的单向横坡。7、 路堤与桥台衔接部位。路堤与桥台前预压填土应同步填筑与碾压，分层碾压厚度控制在15cm，压实度满足规范要求。8、 基底放宽和施工坡度。为保证堆载预压结束后路堤削坡成型，路堤正常填筑时适当的边坡坡底加宽量和相应的施工坡度。（二）地基加固处理。地基加固处理是最有效的防治桥台跳车的方法之一，尤其是软弱地基。由于地基加固的费用占总投资的比重很大（约三分之一以上），所以，要认真选取经济、有效的加固方案。对正常压实的软粘土而言，首先应考虑采用排水固结措施，如插塑料排水板等方法，通过设置来改善地基的排水条件，缩短排水途径，使地基承受附加荷载后，排水固结过程大大加快，进而使地基强度得以提高。这种方法既经济又有效。如果属于软弱地基，除了常规的排水固结措施外，更多的是采用搅拌桩、挤密桩、静压PC管桩等深层复合地基法来提高土的强度与稳定性，使桥头路基尽量连续平稳过渡。（三） 合理使用填筑材料。由于土的内摩擦角较小，加之压实质量的影响，所填路基的压缩沉降般较大。因此，桥台后的回填应选用摩擦角大、强度高、透水性好的填料，如砂砾、砾石、连续级配碎、石灰稳定土等，并且压实速度快，加载后能在短期内完成变形。在我工作中所参与的高等级公路工程中，后台填土曾采用轻质填料，常用的材料为粉煤灰，其目的就是减少填方容重，减轻填方土体对地基的压力，从而达到减少地表以下土层排水固结产生的沉降。对粉煤灰的原材料质量要应从以下两个方面加以控制。1、 粉煤灰的级配要符合要求。细粒过多，材料的摩擦角会减少，影响压实度；反之细粒过少，粗颗粒易压碎，压实成型困难。根据实践经验，粉煤灰的粒径含量宜大于45%，粉煤灰的烧失量宜小于12%.2、 控制好粉煤灰的含水量。一般常用的是湿排灰和调湿灰，其含水量较大，直接上路摊铺压实，无法达到规定的压实度。因此，到运至工地的粉煤灰一定要求在场地上堆高沥水，以降低含水量，然后再上路摊铺压实。（四）提高填筑材料的压实度影响路基压实效果的主要因素有含水量、碾压层的厚度、压实机械的类型和功能、碾压遍数以及地基的强度等。1、 首先要调整填筑材料的含水量，由击实试验所得的击实曲线图有一峰值，此处的干容重为最大，称为最干容重，与之对应的含水量则称为最佳含水量。只有在最佳含水量的情况下压实效果最好。同时其压实的土水稳定性最好。所以对含水量过大的土，可采用翻松晾晒或均匀掺入石灰来降低含水量；对含水量过小的土，则洒水湿润后再进行压实。2、 其次，压实机械对一定含水量填筑材料的压实状态有很大影响。填土分层的压实厚度、压实遍数和压实机械类型、土的种类和压实度要求有关，应通过试验来确定。一般2030t的中型振动压路机应碾压34遍，每层压实厚度不超过20cm.3、 此外，压路机行驶速度也大有讲究，既不过慢也不过快，各种压路机械的最大速度不宜超过4kmh.碾压开始宜慢速，随着土层的逐步密实，速度逐步提高。压实时的单位压力不应超过土的强度级限，否则土体将会遭到破坏。开始时土体较疏松，强度低，故宜先轻压，随着土体密实度的增加，再逐步提高压强。4、 另外，路堤施工时边缘及台背往往压实度不到，仍处于松散状态，故两侧可采取多填适当宽度，压实工作完成后再按设计宽度和坡度予以刷齐整平。台背处用小型夯实机人工夯实。（五）正确设置土工合成材料由于土工格栅具有抗拉强度的特点，而无纺针刺类土工布具有排水效果较好的特点。因此，在每座桥头接坡宜使用土工布和土工格栅。合理设置土工合成材料，既可以减少路堤填筑后的地基不均匀沉降，又可以提高地基承载能力，同时也不影响排水。1、 土工布的质量控制。规范要求土工布的单位面积质量为300gm：500gm，强度按用途分类为3个等级。考虑到土工布的不同材料和工艺，其力学性能存在差异较大的情况，要求土工布单位面积质量不小于400gm2，其纵向抗拉强度不小于20kmm，满足握持强度1100N，撕裂强度 400N，刺破强度400N，CBR顶破强度2750N的土工布，要求采用聚脂长丝针刺型。只有这样，土工布才能起到明显的隔离层作用。2、 考虑到土工布的排水效果与土工布的厚度有密切关系，选用的土工布太薄，透水能力就低。为此，要求选用克数较大的土工布，最好为400gm500gm。3、 土工格栅主要起加筋作用，如果格栅强度不足，起不到调整应力分布作用；若设计荷载较大，单靠一二层土工格栅不足以达到设计强度；土工格栅要与填料紧密咬合在一起才有显著效果，若压实不足，则加筋作用不明显；如果格栅锚固长度不足，产生滑动也会出现强度降低现象。针对上述可能出现的问题，应采取以下措施：选择抗拉强度大的格栅材料；增加格栅层数，至少铺设三层；提高格栅之间填料的压实度，确保土工格栅与填料紧密咬合；采用反包法以增大锚固力。（六）搭板的施工搭板的施工如果是刚性路面配筋要合理，宜小直径小间距配置，且注意板块间设施工缝，缝处于板块的中央，要设置拉杆和传力杆、按同等级的混凝土路面强度设计。二 桥梁结构钢筋锈蚀桥梁结构钢筋的锈蚀可以说是“常发病”和“多发病”，是桥梁病害产生的根源之一，其实，如果采取一定的设计和施工、养护措施，很多桥梁结构钢筋的锈蚀是可以克服和控制的。为了进一步加强对混凝土桥梁结构钢筋的锈蚀与防治的认识，尽量避免工程中出现钢筋锈蚀，本文对混凝土桥梁结构钢筋锈蚀产生的原因和防治作一些粗浅的分析、论述、总结。找出控制桥梁结构钢筋的锈蚀与防治的可行办法，达到防范于未然的作用。（一）钢筋锈蚀的机理解析在钢筋混凝土结构中，钢筋处于水泥水化时生成的强碱介质里（PH值1214之间）。钢筋在这种介质中，表面会形成钝化膜，可以抑制钢筋的腐蚀过程。在一般情况下，钢筋受到周围混凝土的保护，并不会产生锈蚀，但如果混凝土密实性不足，或保护层太薄以至受到破坏，或混凝土中加入了超量的食盐、氯化钙等外加剂，再有一定的外力作用，钢筋周围的钝化膜将遭到局部的破坏而发生锈蚀。钢筋在水、氧具备的条件下，产生了电化学反应，在阳极，铁释放电子；在阴极，水中的溶解氧吸收来自阳极的电子而生成氢氧根离子，这样电子由阳极流向阴极，产生了腐蚀电流，在钢筋表面生成氢氧化亚铁薄膜，并与水氧结合，生成氢氧化铁，即铁锈。（二）钢筋锈蚀的原因1 混凝土密实性不足和保护层太薄或遭到破坏。在通常状况下，在密实而完好的混凝土中，只有当空气相对湿度接近80；或者在干湿交替的状况下，才会使钢筋生锈。当混凝土的密实性不足，其空隙率过高，里面的组织不均匀时，空气中的二氧化碳就容易渗入混凝土的内部而引起中性化，也就是平常所说的碳化，导致混凝土的碱性降低，对钢筋的保护作用减弱，使得钢筋受到锈蚀。钢筋的主要成份是铁，铁在常温下是很容易氧化，在高温或在潮湿的环境中就更明显了，钢筋被包裹在混凝土构件中形成钝化保护膜，不与外界接触相对还是比较安全。当钢筋有足够厚度的保护层时，钢筋受到保护就不容易生锈，但是如果钢筋保护层过小，也就是钢筋过分靠近受拉区一侧，一方面容易造成钢筋露筋或钢筋受力时表面混凝土剥落，另一方面随着时间的推移，表面的混凝土将逐渐炭化，在使用期间，混凝土的炭化深度很容易达到钢筋的范围，同样使钢筋周围失去碱性，钝化膜局部破坏，用不了多久，钢筋外混凝土就失去保护作用，从而导致钢筋锈蚀，断面减小，强度降低，钢筋与混凝土之间失去粘结力，构件整体性受到破坏，严重时还会导致整个结构体系破坏。钢筋保护层过大，超过了所要求的极限，也是会影响其质量的，保护层相当于素混凝土，会导致干缩开裂，其后果和钢筋保护层过小是一样的，影响其耐久性。我国新修订的JTG-D62-2004公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范中，对钢筋的最小保护层厚度规定中，随着使用环境条件的劣化，混凝土保护层厚度也在增加。混凝土的密实度影响着混凝土的渗透性，渗透性高的混凝土更容易发生锈蚀。保护层遭到破坏而引起钢筋锈蚀在桥梁工程中是比较常见的，钢筋混凝土在施工或使用过程中会出现如：蜂窝、掉角、剥离露筋、裂缝等各种表层缺陷。由于这些缺陷的存在，使钢筋直接暴露在外界条件之下，在露天、潮湿环境和干湿状态交替的情况下，失去保护的钢筋锈蚀速度将加快。2、 环境条件 环境对钢筋锈蚀的影响主要有以下几个方面：温度、湿度、二氧化碳的浓度、氧气的浓度以及侵蚀性介质的浓度。海洋环境、大气中的酸性气体以及潮湿环境等都是使钢筋锈蚀的原因。处于海洋中的钢筋混凝土结构物，其水上部位尤其是受到浪花溅湿而吸收大气中含有盐份的水气，在水分蒸发以后，使盐份不断积聚，提高了混凝土的导电性质和周围氯离子的浓度,促使钢筋的钝化膜遭到破坏，加剧了钢筋锈蚀的速度。在工业发达地区施工，工业区的大气中含有酸性气体，同样能被混凝土所吸收与氢氧化钙相结合，混凝土的碱性下降，混凝土失去了所固有的碱性，对钢筋来说不再起钝化作用，当混凝土处在潮湿的环境下，钢筋的锈蚀自然会发生。3、 钢筋混凝土桥梁构件产生了裂缝，将会加速钢筋锈蚀的进程。处在水、氧、二氧化碳或氯离子等环境中的介质混凝土，如果出现裂缝并且超过一定的界限时，这些介质就会通过裂缝到达裂缝处的钢筋表面。如果是二氧化碳侵入，将使得钢筋周围的混凝土炭化，碱性降低，钢筋失去保护。如果氯离子侵入并且达到一定的浓度后，钢筋的钝化膜遭到破坏，在水、氧具备的条件下，钢筋都有可能引起锈蚀。4、 使用碱度过低的水泥,极易引发钢筋锈蚀。水泥水化的高碱度能使钢筋表面形成一种钝化膜，具有耐腐蚀的贵金属性能，是保护钢筋抗锈蚀的基础条件之一，低碱度的水泥则无此作用，如果在无高碱度水泥的情况下，不得不采用低碱度水泥时，应该采取钢筋防腐蚀的技术措施，不然，就会引发钢筋锈蚀。5、 碱-骨料反应，外加剂、掺合物的使用引起钢筋锈蚀。碱骨料反应是指水泥中的碱性氧化物与骨料中的活性二氧化硅发生化学反应，在骨料表面生成复杂的碱-硅酸凝胶，其吸水后会产生很大的体积膨胀（体积可增大3倍以上），从而导致混凝土产生膨胀开裂而破坏，最后使钢筋外露遭到锈蚀。混凝土施工时，掺入含有氯盐的外加剂、海砂，施工用水含氯盐及掺合物等引起钢筋锈蚀。从以上可以看出，钢筋锈蚀的原因是多方面的，但其主要的原因是混凝土的密实性不够和钢筋保护层不足或遭到破坏造成的，裂缝对钢筋锈蚀起着促进作用。（三）钢筋锈蚀对钢筋混凝土桥梁结构的影响1 锈蚀后钢筋的力学性能 。锈蚀钢筋抗拉力的降低直接影响构件的承载能力，严重时可能造成结构提前失效甚至倒塌。沿钢筋长度发生均匀锈蚀时，钢筋的失重率近似等于钢筋的截面面积损失率，钢筋所能抵抗的极限拉力的降低与钢筋截面面积锈损率基本成正比，此时，可以简单地用锈损钢筋的实际截面面积乘以未锈钢筋的极限抗拉强度获得锈蚀钢筋的极限抗拉能力。但是，由于混凝土材料的不均匀性，使用环境的不稳定性，钢筋各部位受力程度的不同等因素，实际上混凝土中的钢筋锈蚀很少有均匀锈蚀的情况，通常钢筋截面面积损失率大于重量损失率，而且随着钢筋锈蚀的发展，锈蚀的不均匀性和离散性增大，重量损失率与截面面积损失率的差异也越大。因此，钢筋极限抗拉能力的下降，除钢筋截面的锈损，有效截面面积减小外，还有一个因素：锈损钢筋的表面凹凸不平，受力以后缺口处产生应力集中，使锈蚀钢筋的屈服强度和极限强度降低；且锈损越严重，应力集中引起的强度降低越多。2、 钢筋锈蚀引起体积膨胀。钢筋锈蚀引起体积膨胀，从而使得混凝土产生剥离、开裂、破坏了混凝土的受力性能，降低了材料的耐久性能，影响了桥梁的使用寿命。3、 钢筋锈蚀削弱了钢筋的受力断面。特别是高强钢丝的表面积大而断面小，锈蚀对受力来说危害性很大。钢筋截面的减小与混凝土剥离或开裂有着一定的关系。4、 钢筋锈蚀容易引起混凝土裂缝。铁锈层及其引起的混凝土裂缝，削弱了钢筋和混凝土的共同作用。随着钢筋锈蚀量的增加，纵向内裂缝向混凝土表面发展，直到混凝土保护层开裂产生顺筋方向的锈胀裂缝，甚至保护层剥落，严重影响钢筋混凝土桥梁的正常使用。5、 钢筋锈蚀后，钢筋与混凝土之间的粘结锚固性能降低。有的试验研究表明，锈蚀钢筋混凝土主梁抗弯承载力试验值，小于只考虑锈蚀后钢筋截面积减小、屈服强度降低计算得到的抗弯承载力值，说明钢筋和混凝土的粘结强度降低也是锈蚀钢筋混凝土梁抗弯承载力降低的主要影响因素之一。 钢筋与混凝土的粘结是一种复杂的相互作用，通过它来传递二者之间的应力，协调变形，因此钢筋与混凝土之间粘结锚固性能是保证钢筋与混凝土两种不同材料共同工作的基本前提。从以上可以看出，钢筋锈蚀是一个复杂、逐渐变化的电化学过程，使混凝土的构件力学性能退化，从而降低结构的可靠度，桥梁的使用寿命缩短，桥梁遭到严重的破坏。（四）桥梁结构钢筋锈蚀预防的对策1、 工程设计阶段按要求控制混凝土构件的裂缝宽度。混凝土的裂缝宽度超过规范规定的数值，混凝土结构的耐久性会受到影响，钢筋被锈蚀，过宽的裂缝影响结构外观，还会引起人们心理上的不安。JTG-D62-2004公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范中根据环境条件的不同，对裂缝宽度作了限值规定：如下：a、钢筋混凝土构件类和类环境：0.20mm； 类和类环境：0.15mm；b、采用精轧螺纹钢筋的预应力混凝土构件类和类环境：0.20mm； 类和类环境：0.15mm；c、类和类环境：0.10mm；类和类环境不得进行带裂缝的B类构件设计。混凝土构件的裂缝宽度在设计阶段其计算的钢筋混凝土构件和B类预应力混凝土构件在正常使用极限状态下的裂缝宽度不应超出以上规定。2、 要严格掌握规范要求，采用足够的保护层厚度。普通钢筋和预应力直线形钢筋的最小保护层厚度（钢筋外缘或管道外缘至混凝土表面的距离）当设计无要求时不能小于钢筋公称直径，后张法构件预应力直线形钢筋不应小于其管道直径的1/2，且要符合规范规定。3、 提高混凝土的密实性。一般的方法是严格控制水灰比，使其不超过规范规定的最大值。桥梁混凝土结构，为保证混凝土的密实性和耐久性，JTJ041-2000公路桥涵施工技术规范中对混凝土的最大水灰比和最小水泥用量做了规定，在配合比设计过程中水灰比要符合规范要求，施工中要严格按照设计中的配合比进行施工，不允许改变它。4、 在混凝土中加入适量的混合材料。在混凝土中掺入适量的粉煤灰、火山灰、粒化高炉矿渣等细集料，通过试验确定其掺入量，其可代替水泥的用量，提高其混凝土的和易性，在施工过程中，要适当延长混凝土的拌和时间，混凝土拌和物应拌和均匀，颜色要一致，避免出现离析和泌水现象。5、 在混凝土中加入适量的外加剂。在混凝土中加入外加剂，可以改善混凝土的和易性，减小水灰比，节约水泥用量。但所选用的外加剂其质量除应符合现行混凝土外加剂GB8076的规定外还应满足以下规定：在钢筋混凝土中不得掺用氯化钙、氯化钠等氯盐；在温暖或严寒地区、无侵蚀性物质影响与土直接接触的钢筋混凝土构件，其氯离子含量不应该超过水泥用量的0.3%，在严寒和海水区域、受侵蚀性环境影响和使用除冰盐的桥涵，其氯离子含量不应该超过水泥用量的0.15%；无筋混凝土的氯化钙或氯化钠掺量不应该超过水泥用量的3%；掺入加气剂的混凝土的含气量为3.5%5.5%。6、 混凝土的振捣要到位。浇注混凝土时，除了极少数的塑性混凝土可以用人工捣实外，宜采用振动器振实。使用插入式振动器时，移动间距不能超过振动器半径的1.5倍，插入下层的混凝土在50100mm之间，对每一振动部位，要振动到该部位的混凝土密实为止，特别是钢筋密集部位或结构断面复杂部位，尽量使模板内的空气排除干净，避免出现空洞现象，保护层混凝土不要漏振，振捣不实等，以防出现钢筋的骨架移动，露筋现象出现。混凝土密实的标志是混凝土停止下沉，不再冒出气泡，表面呈现平坦、泛浆。7、 加强混凝土的养护。结构混凝土在浇注完成以后，待收浆后要及时覆盖和洒水养护，覆盖时不得损伤和污染混凝土的表面，混凝土表面有模板覆盖时，在养护期间，应该使模板保持湿润状态，当气温低于5时，不能向混凝土面上洒水，应该采取覆盖保温。混凝土在浇注后应避免强烈的风吹日晒，这样会使得混凝土表面急剧收缩从而出现象网一样形状的裂纹。一般情况下，混凝土在浇注后14天才可以减少养护的频率。8、 合理选用水泥品种。选用水泥时，应注意其特性对其混凝土结构强度、耐久性和使用条件是否有不利影响。在施工中，合理选用水泥的品种至关重要，不宜采用掺入大量混合材料的水泥，因为这些水泥的碱性太低。在高湿环境、永远在水下、受海水、矿物水、工业废水等侵蚀的混凝土，优先选用矿渣水泥、粉煤灰水泥、火山灰水泥；大体积的混凝土优先选用矿渣水泥、粉煤灰水泥、火山灰水泥；在普通环境中的混凝土优先选用普通硅酸盐水泥。9、 配制混凝土的粗细集料及拌和水要控制严格。桥梁结构混凝土用的细集