關(guān)于松花江大橋凍融碳化規(guī)律的試驗(yàn)研究與其養(yǎng)護(hù)對策

1、關(guān)于松花江大橋凍融碳化規(guī)律的試驗(yàn)研究與其養(yǎng)護(hù)關(guān)于松花江大橋凍融碳化規(guī)律的試驗(yàn)研究與其養(yǎng)護(hù)對策對策大型橋梁工程是國家社會經(jīng)濟(jì)的重要基礎(chǔ)設(shè)施，是關(guān)乎國計民生的生命線工程，其安全、持久運(yùn)營對于社會可持續(xù)發(fā)展有著重要的作用。在我國東北、華北和西北地區(qū)的水利大壩，尤其是東北嚴(yán)寒地區(qū)的混凝土結(jié)構(gòu)物，幾乎 100%的工程局部或大面積地遭受不同程度的凍融破壞，如豐滿壩、云峰壩、參窩壩等，有的工程在施工過程中或竣工后不久即發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重的凍害。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，混凝土凍融破壞不僅在“三北”地區(qū)存在，而且在長江以北黃河以南的中部地區(qū)，混凝土結(jié)構(gòu)物的凍融破壞現(xiàn)象也廣泛存在。由此可見，混凝土的抗凍性是混凝土耐久性中最重要的問題之

2、一?；炷羶鋈谘h(huán)產(chǎn)生的破壞作用主要有凍脹開裂和表面剝蝕兩個方面，水在混凝土毛細(xì)孔中結(jié)冰造成的凍脹開裂使混凝土的彈性模量、抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度等力學(xué)性能嚴(yán)重下降，危害結(jié)構(gòu)物的安全性。國道主干線哈爾濱繞城高速東北段松花江大橋全長 2 324.92 m，其中主橋長 595 m引橋長 1 729.92 m。大橋位于東北寒冷地區(qū)，易受凍融循環(huán)作用的影響，因此，對松花江大橋凍融碳化規(guī)律進(jìn)行研究，在此基礎(chǔ)上提出大橋后期使用過程中的維護(hù)及修復(fù)措施是十分有意義的。1 松花江大橋工程概況及所處環(huán)境1.1 松花江大橋工程概況國道主干線哈爾濱繞城高速公路東北段秦家一東風(fēng)高速公路松花江大橋位于哈爾濱市東北部距市區(qū) 5

3、km 處的主河道內(nèi)，大橋全長 2 324.92 m，其中主橋長595 m，引橋長 1729.92 m（北引橋橋長 1365.28 m，南引橋橋長 364.64 m）。主橋采用 138 m 大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁結(jié)構(gòu)。主梁箱梁采用單箱單室，主跨墩頂高度 7.7 m，跨中高度為 3.0 m，其間的梁高在縱橋向按 1.65 次拋物線變化，曲線長度為 61 m。箱梁底板寬 6.6 m，頂板寬 13.5 m，每個 T 構(gòu)包括 21種節(jié)段，每節(jié)箱梁底按直線變化，箱梁懸澆長度為 2.54.0 m，合攏段長度中跨為 2m邊跨為 1.5 m邊跨現(xiàn)澆段長度為 20 m。箱梁施加縱、橫、豎向預(yù)應(yīng)力。引橋采用 40

4、 m 預(yù)應(yīng)力混凝土簡支 T 梁結(jié)構(gòu)，橋面連續(xù)。T 梁中心梁高為2.3 m，梁肋間距為 2.25 m。半幅橋梁上部橫斷面由 6 片 T 梁組成。橋面鋪裝總厚度 170 mm其中鋼纖維水泥混凝土厚度 80 mm，瀝青混凝土厚度 90 mm。主橋 4 個主墩均采用鋼筋混凝土實(shí)體墩，墩身采用上、下行分離式，承臺為整體式，每個承臺下設(shè) 16 根直徑為 2m 的鉆孔灌注樁，樁長分為 70 m 和 75 m 兩種：主、引橋過渡墩為實(shí)體墩，上設(shè)蓋梁，采用分離式承臺，每個承臺下設(shè) 4根直徑為 2m 的鉆孑 L 灌注樁，樁長為 53 m。引橋橋墩在墩高小于 11 m 時采用1.6 m 鋼筋混凝土雙柱式墩身，1.8

5、 m 鋼筋混凝土鉆孑 L 灌注樁基礎(chǔ)；在墩高大于 11 m 時采用1.8 m 鋼筋混凝土雙柱式墩身，2.0 m 鋼筋混凝土鉆孑L 灌注樁基礎(chǔ)：橋臺均為鋼筋混凝土肋板橋臺，1.2 m 鋼筋混凝土鉆孑 L 灌注樁基礎(chǔ)。全橋共計鉆孑 L 灌注樁 268 根，預(yù)制安裝 40 mT 梁 516 片。1.2 環(huán)境概況東北地區(qū)是我國緯度位置最高的區(qū)域，它北面與北半球的“寒極”維爾霍揚(yáng)斯克一奧伊米亞康所在的東西伯利亞為鄰，從北冰洋來的寒潮，經(jīng)常侵入，致使氣溫驟降。西面是高達(dá)千米的蒙古高原，西伯利亞極地大陸氣團(tuán)也常以高屋建瓴之勢，直襲東北地區(qū)，因而本地區(qū)冬季氣溫較同緯度大陸低 10 以上。松花江大橋所處地區(qū)冬季

6、漫長、嚴(yán)寒，1 月平均氣溫為-31-10，冬季長達(dá) 6 個月以上：夏季短促涼爽，7 月平均氣溫低于 25；年氣溫差為 3050，年平均氣溫日較差為 1016：西部偏于干燥，東部偏于濕潤，年均相對濕度為 50%70%：冰凍期長，凍土深，積雪厚，年降雪日數(shù)一般為 5060d。在這樣的環(huán)境下，大橋?qū)㈤L期遭受凍融、來自大氣中二氧化碳和氯鹽侵蝕（冬季在橋面上使用除冰鹽時）的共同作用，從而導(dǎo)致構(gòu)件承載能力下降，結(jié)構(gòu)的安全性能降低，同時也將嚴(yán)重影響大橋的使用功能。2 松花江大橋混凝土凍融規(guī)律試驗(yàn)2.1 混凝土凍融后的碳化規(guī)律試驗(yàn)松花江大橋水位變動區(qū)主橋橋墩與江水接觸頻繁，混凝土飽水程度較高，易受凍融循環(huán)作用

7、的影響，此外，該部位的混凝土還與空氣接觸，將發(fā)生混凝土碳化。因此，針對大橋水位變動區(qū)主橋橋墩混凝土進(jìn)行了凍融后的碳化試驗(yàn)研究是十分必要的。試驗(yàn)?zāi)康氖茄芯克蛔儎訁^(qū)主橋橋墩混凝土遭受不同凍融循環(huán)次數(shù)后的碳化規(guī)律。2.1.1 試驗(yàn)裝置混凝土凍融后的碳化規(guī)律研究試驗(yàn)裝置如下：一是 KDR-V9 型凍融循環(huán)試驗(yàn)箱。二是 CCB-70 型碳化試驗(yàn)箱，其溫度調(diào)節(jié)范圍為 0100；濕度調(diào)節(jié)范圍為30%98%。本次試驗(yàn)條件為：溫度(20+5)；濕度 70%+5%；二氧化碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%+3%。三是試塊劈裂的壓力試驗(yàn)機(jī)和千分尺、二氧化碳鋼瓶、導(dǎo)管等。2.1.2 試驗(yàn)方法凍融試驗(yàn)參照 GBJ 82-85 普通混凝

8、土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法進(jìn)行，4 組試件的凍融循環(huán)次數(shù)分別為 0，50，100，150 次。碳化試驗(yàn)同樣參照 GBJ 82-85 普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法進(jìn)行。將凍融循環(huán)至預(yù)定次數(shù)的試件放置于溫度為 60的烘箱中烘干 48 h，保留成型時的兩個側(cè)面，其余各表面均用石蠟密封，然后放人碳化箱。碳化箱內(nèi)的環(huán)境條件為溫度(205)；濕度70%+5%：二氧化碳質(zhì)量分?jǐn)?shù) 20%+3%。測試時，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 1%的酚酞乙醇指示劑噴于斷裂面，從試件表面到混凝土變色邊界，每邊測量 9 個位置的碳化深度，取其算術(shù)平均值作為試件的碳化深度值。分別測定 7d，14 d，28 d，56 d的碳化深度，測

9、試值精確值 0.01 mm，2.1.3 試驗(yàn)結(jié)果及其分析主橋橋墩混凝土碳化深度變化規(guī)律見圖 1。試驗(yàn)結(jié)果表明，混凝土碳化受凍融循環(huán)作用的影響較為明顯，隨著凍融次數(shù)的增加，混凝土碳化深度不斷增大。由圖 1 可以看出，當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)大于 100 次后，混凝土碳化深度的增長幅度明顯加大。2.2 混凝土凍融損傷規(guī)律試驗(yàn)2.2.1 試驗(yàn)裝置混凝土凍融損傷試驗(yàn)?zāi)康氖菫榱搜芯看髽蛑饕獦?gòu)件混凝土的凍融破壞規(guī)律。其試驗(yàn)裝置：一是凍融箱，采用 KDR-V9 型凍融循環(huán)試驗(yàn)箱；二是混凝土動彈儀，采用 DT-12W 型動彈儀，量程 20 kg 電子稱。2.2.2 試驗(yàn)方法試驗(yàn)方法參照普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方

10、法對大橋主橋箱梁、主橋橋墩、引橋 T 梁、引橋橋墩的混凝土試件進(jìn)行了快速凍融試驗(yàn)。凍融過程中+試驗(yàn)箱內(nèi)液體溫度在控制在-2020，混凝土試件中心溫度控制在(-17+2)(82)，分別測試凍融循環(huán)次數(shù)為 5，10，15，20，50，75，100，125，150 次時混凝土的動彈模量，抗壓強(qiáng)度以及質(zhì)量。當(dāng)某一組混凝土試件的相對動彈模量下降到 60%以下，或凍融循環(huán)次數(shù)大于 300 次，即可停止該組試驗(yàn)。2.2.3 試驗(yàn)結(jié)果及其分析試件的動彈模量及混凝土抗壓強(qiáng)度隨凍融次數(shù)的變化規(guī)律見第 77 頁圖 2、圖3。試驗(yàn)過程中，隨凍融次數(shù)的增加，主橋橋墩和引橋橋墩的混凝土試件表面水泥砂漿剝落較為嚴(yán)重：由第

11、77 頁圖 2 可見，除水位變動區(qū)主橋橋墩部分的試件外，其他試件均有一動彈性模量急劇下降段，表明在此階段試件內(nèi)部凍融損傷發(fā)展極為迅速，呈現(xiàn)“脆性”特征；水位變動區(qū)主橋橋墩混凝土試件的動彈性模量一直保持平穩(wěn)下降的趨勢。其原因在于水位變動區(qū)主橋橋墩混凝土引氣量較高，小氣泡的引入增加了混凝土抵抗凍融損傷的能力，使混凝土的破壞呈現(xiàn)“延性”的特征。由圖 3 可見，試件混凝土抗壓強(qiáng)度表現(xiàn)出一定的波動性，這是由于試件表面水泥砂漿剝落，造成了受力面的不均勻變化，但抗壓強(qiáng)度的總體變化呈明顯下降趨勢。從試驗(yàn)過程中觀察，大部分試件的破壞來自于試件的斷裂。3 大橋混凝土結(jié)構(gòu)凍融壽命預(yù)測混凝土發(fā)生的凍害劣化現(xiàn)象可以分為

12、內(nèi)部劣化、剝蝕和崩裂 3 種類型。凍融壽命準(zhǔn)則是以混凝土動彈性模量損失達(dá)到 40%或質(zhì)量損失達(dá)到 5%從而導(dǎo)致混凝土構(gòu)件內(nèi)部劣化或表面剝落嚴(yán)重作為混凝土結(jié)構(gòu)壽命的判定依據(jù)。針對大橋凍融壽命預(yù)測，采用室內(nèi)快速試驗(yàn)與室外自然暴露試驗(yàn)相結(jié)合的方法，通過研究混凝土凍融室內(nèi)外關(guān)系對大橋的凍融壽命進(jìn)行預(yù)測。凍融試驗(yàn)以混凝土動彈模量損失率及抗壓強(qiáng)度損失率表征構(gòu)件混凝土的損傷情況式中，G 為動彈模量損失率，Go 為初始動彈模量，Gn 為凍融循環(huán) n 次時的動彈模量。松花江大橋室外暴露試驗(yàn)于 2008 年-2009 年在哈爾濱進(jìn)行，在進(jìn)行混凝土試塊抗壓強(qiáng)度測試時發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過一年的凍融循環(huán)作用，混凝土試塊表面存在不

13、同程度的剝落現(xiàn)象，由此造成試塊受壓面積減小，抗壓強(qiáng)度測試值偏低，抗壓強(qiáng)度損失率偏大。室外試驗(yàn)結(jié)果見表 1。通過查閱相關(guān)有關(guān)文獻(xiàn)資料可知，混凝土動彈性模量能夠更為真實(shí)和敏感的反映混凝土內(nèi)部受凍融破壞的情況，因此，本文采用混凝土動彈模量損失率作為衡量混凝土凍融損傷的指標(biāo)。對室內(nèi)外凍融試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，室外自然暴露條件下混凝土動彈模量損失率均小于且接近室內(nèi)快速凍融循環(huán) 5 次后的動彈模量損失率，而室外半浸泡條件下混凝土動彈模量損失率小于且接近室內(nèi)快速凍融循環(huán) 10 次后的動彈模量損失率，室外全浸泡條件下混凝土動彈模量損失率小于且接近室內(nèi)快速凍融循環(huán) 20 次后的動彈模量損失率，因此以快速凍融循

14、環(huán)次數(shù)來推算室外環(huán)境中的混凝土凍融耐久年限，結(jié)果見第 78 頁表 2。目前，國內(nèi)外研究對于實(shí)際工程中混凝土結(jié)構(gòu)的凍融耐久性失效標(biāo)準(zhǔn)存在異議，而且尚未建立新的凍融耐久性失效標(biāo)準(zhǔn)，因此，此次研究依然參照現(xiàn)行規(guī)范，以混凝土動彈模量損失達(dá)到 40%作為判別混凝土構(gòu)件凍融耐久年限的依據(jù)。由于快速凍融試驗(yàn)的結(jié)冰速率和飽水程度比現(xiàn)場環(huán)境苛刻，因此構(gòu)件的實(shí)際凍融耐久年限要大于預(yù)測值。當(dāng)大橋混凝土構(gòu)件達(dá)到凍融耐久年限時，混凝土構(gòu)件將會出現(xiàn)較為明顯的表面剝落及內(nèi)部劣化現(xiàn)象，屆時，為了保證大橋的正常使用及安全運(yùn)營，需要采取相應(yīng)的維修及加固措施。4 大橋使用及維護(hù)建議哈爾濱繞城高速東北段松花江大橋是哈爾濱地區(qū)的重要交

15、通樞紐，建成通車后，將在城市交通體系中發(fā)揮重要的作用。如何確保橋梁始終安全暢通，提高通行能力，最大限度地實(shí)現(xiàn)和延長橋梁的使用壽命成為工程建設(shè)人員高度關(guān)注的問題。為保證橋梁始終安全暢通，提高通行能力，有計劃地改善橋梁運(yùn)營狀態(tài)，確保其抗強(qiáng)風(fēng)、抗地震、抗潮水和抗洪水能力，最大限度地實(shí)現(xiàn)和延長橋梁的使用壽命，需要對大橋進(jìn)行定期的檢查和科學(xué)的維護(hù)。1)大橋日常檢查，為評定橋梁使用功能、搜集結(jié)構(gòu)技術(shù)狀態(tài)的動態(tài)數(shù)據(jù)、制定科學(xué)的管理養(yǎng)護(hù)計劃，需要定期對大橋主體結(jié)構(gòu)及其附屬構(gòu)造物的技術(shù)狀況進(jìn)行全面檢查。檢查內(nèi)容包括：外觀整潔，有無損壞、老化變色、開裂、起皮、剝落、銹跡等現(xiàn)場：橋面鋪裝是否平整，有無裂縫、局部坑槽，積水、沉陷、波浪、碎邊；混凝土橋面是否有剝離、滲漏，鋼筋是否露筋、銹蝕，灌縫料是否老化、損壞，橋頭有無跳車；觀察橋梁結(jié)構(gòu)有無異常變形，