鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)物的耐久性

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)物的耐久性

1海運大橋混凝土腐蝕現(xiàn)狀隨著建筑的老化和污染的加劇，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性問題引起了國內(nèi)外的廣泛研究人員的關(guān)注。在第二屆國際混凝土耐久性會議上,Mehta教授指出:“當(dāng)今世界混凝土破壞原因,按遞減順序是:鋼筋腐蝕、凍害、物理化學(xué)作用”,并明確地將“鋼筋腐蝕”排在影響混凝土耐久性因素的首位。調(diào)查結(jié)果表明,來自海洋環(huán)境的氯鹽和用于化冰雪的除冰鹽,是造成鋼筋腐蝕的主要原因。我國發(fā)現(xiàn),許多海港碼頭的混凝土梁、板使用不到10年已普遍出現(xiàn)順筋銹脹開裂、剝落的現(xiàn)象。海燕大橋位于海灣淺水區(qū),海水潮差1.2m,潮高范圍多出現(xiàn)在標(biāo)高2.0～2.6m。橋梁全長336.32m,上部結(jié)構(gòu)為11×28m簡支預(yù)應(yīng)力砼空心板,橋面寬為:凈8.0m+2×3.0m人行道,下部結(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力蓋梁排架樁基礎(chǔ)。橋梁總體布置如圖1。設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為汽-10級,1993年開工,1995年5月建成通車。近期養(yǎng)護(hù)中發(fā)現(xiàn)該橋墩柱產(chǎn)生大量的順筋脹裂縫、部分混凝土剝離,隨即限載通行。本文主要介紹該橋墩柱鋼筋混凝土腐蝕病害的檢測及加固方法。2疾病的檢查2.1抗縱向裂縫型海燕大橋發(fā)生鋼筋銹蝕的墩柱較多,因鋼筋銹蝕,體積膨脹,使墩柱表面產(chǎn)生大量的縱向裂縫,甚至保護(hù)層剝落(典型病害如圖2、圖3)。打掉剝離的混凝土保護(hù)層,混凝土的鋼筋主筋銹蝕嚴(yán)重,而箍筋亦銹蝕斷落,基本上喪失原有作用。2.2墩柱混凝土強(qiáng)度檢測技術(shù)由于裂縫較多處混凝土保護(hù)層空鼓或剝落,采用回彈法無損檢測數(shù)據(jù)可靠性較低,故墩柱中上部混凝土強(qiáng)度檢測采用鉆芯法,同時借助超聲波法檢測墩柱內(nèi)部混凝土質(zhì)量及裂縫深度。2.2.1土芯樣抗壓強(qiáng)度鉆芯法檢測混凝土抗壓強(qiáng)度依據(jù)中國建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化委員會《鉆芯法檢測混凝土強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》(CECS03:88)進(jìn)行。采用進(jìn)口鉆芯機(jī),混凝土芯樣直徑為10cm。每柱抽取2個芯樣,鉆芯部位分別位于墩中部及中上部。從抽取的芯樣外觀上看,內(nèi)部混凝土比較密實,但墩柱上部取得的芯樣面層普遍脫落,表明此部位混凝土表面層已破壞。從檢測結(jié)果可知,芯樣抗壓強(qiáng)度最大為57.4MPa,最小為40.0MPa?？紤]芯樣中鋼筋、混凝土的齡期、海水、試件表面平整度、摩擦對混凝土芯樣抗壓強(qiáng)度的影響,分析表明墩柱混凝土抽芯強(qiáng)度滿足設(shè)計標(biāo)準(zhǔn),原混凝土比較密實。2.2.2超聲檢測分布墩柱混凝土缺陷超聲波法檢測依據(jù)中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會《超聲波法檢測混凝土缺陷技術(shù)規(guī)程》(CECS21:90)進(jìn)行,檢測儀器為武漢巖海公司RS-UT01C聲波檢測儀。在墩柱下部、中部及上部按病害程度不同各選1m柱高進(jìn)行檢測。檢測時,沿柱表面橫豎每隔20cm×20cm畫網(wǎng)格,網(wǎng)格交點為測點(圖4),對墩柱進(jìn)行超聲波對測檢測,以了解墩柱內(nèi)部質(zhì)量情況及裂縫的深度(表1)。一般混凝土越密實,超聲波傳播速度越快、波幅越大。如果超聲波從發(fā)射到接收的路徑上有缺陷(孔洞或裂縫),超聲波將發(fā)生繞射、折射或散射,使傳播時間增加,能量減弱,即造成傳播速度慢,波幅變小,甚至接收不到信號。從檢測數(shù)據(jù)以及結(jié)合外觀檢測可以看出,墩柱表面完好的部位(墩柱下部)波速較高(4km/s左右),信號較強(qiáng),說明這些部位內(nèi)部較密實。表面裂縫較多的部位(墩柱中部),信號較弱,甚至收不到信號,說明這些部位內(nèi)部存在孔隙。結(jié)合這些部位鉆芯情況可知,上述情況是由這些部位保護(hù)層開裂松脫空鼓引起的,說明混凝土裂縫為表層裂縫,表層混凝土存在多層分離現(xiàn)象。從超聲波法測量的結(jié)果可知,在標(biāo)高2.5～3.6m墩柱混凝土內(nèi)部存在缺陷,結(jié)合取芯留下的鉆孔可知,墩柱混凝土表層存在分層剝離現(xiàn)象,而且在墩柱中部情況最嚴(yán)重。2.3對墩柱鋼筋的腐蝕程度的檢測2.3.1混凝土保護(hù)檢驗墩柱混凝土中鋼筋的銹蝕程度檢測采用自然電位法進(jìn)行,檢測圖式如圖5。選取墩柱中上部高1m損壞較嚴(yán)重的部位進(jìn)行檢測,測點布置與超聲波法相同,檢測方法參照AST法進(jìn)行。從檢測數(shù)據(jù)可知,各檢測墩柱數(shù)值在-200～-500mV之間,總體規(guī)律為:從下到上數(shù)值增大,裂縫較多部位電測數(shù)據(jù)大一些,數(shù)值在-350～-500mV之間;表面完好部位,電位在-200mV左右。根據(jù)現(xiàn)場打掉混凝土保護(hù)層,發(fā)現(xiàn)裂縫較多部位鋼筋銹蝕嚴(yán)重,銹蝕產(chǎn)物達(dá)5mm以上,鋼筋直徑損失約2mm。而表面完好部位鋼筋基本未銹蝕,與用自然電位法測量的結(jié)果相符。2.3.2橋底海水中主要氯類離子的含量為了進(jìn)一步分析墩柱混凝土鋼筋銹蝕的原因,在潮位較高時抽取橋底海水樣進(jìn)行分析檢測,從檢測結(jié)果可知,橋底海水中氯離子含量(1524mg/L)和硫酸根離子含量(227.1mg/L)明顯較高,海水中的Cl-濃度大于鋼筋混凝土的限定值(1200mg/L)。3檢測結(jié)果及分析單位盡管海燕大橋墩柱內(nèi)部混凝土強(qiáng)度較高,墩柱中上部混凝土仍然開裂嚴(yán)重,且墩柱不同部位銹蝕情況不同。在海水浪尖處的鋼筋銹蝕嚴(yán)重,保護(hù)層剝落處的鋼筋主筋和箍筋基本上被全部銹蝕,但墩柱下部鋼筋銹蝕較少,僅7#墩南側(cè)柱樁頭處混凝土被淘空。墩柱裂縫主要集中在墩柱中上部,其中,3#南、6#南、7#南、8#南、8#北及9#南墩柱病害較嚴(yán)重。沿墩柱縱向主筋的順筋裂縫,裂縫周圍有銹跡、銹斑,說明墩柱裂縫主要是由鋼筋銹蝕引起的。從碳化深度檢測結(jié)果看,保護(hù)層完好部位碳化深度不大,說明碳化不是引起銹蝕的主要原因。該橋處于海洋環(huán)境中,海水氯離子含量較高,墩柱開裂主要是由于海水中氯離子侵入混凝土,使鋼筋周圍氯離子含量超過鋼筋致銹的臨界值,在一定濕度及足夠的氧的作用下,引起鋼筋銹蝕。銹蝕產(chǎn)物使鋼筋體積增大而使混凝土脹裂,屬典型的海水腐蝕破壞。而造成這種情況的主要因素是由于原設(shè)計混凝土保護(hù)層不足,施工時鋼筋偏位導(dǎo)致混凝土保護(hù)層偏小,縮短了氯離子和硫酸根離子的路程,使鋼筋過早銹蝕。一般而言,混凝土海工結(jié)構(gòu)的侵蝕類型和嚴(yán)重程度取決于暴露條件,完全浸沒于海水中的結(jié)構(gòu)物僅容易受到化學(xué)侵蝕,但混凝土表面受侵蝕的產(chǎn)物(如水鎂石、鈣釩石及文石等)多為不溶解的,有利于堵塞細(xì)微孔道、降低滲透性,阻止海水進(jìn)入混凝土內(nèi)部侵蝕。飛濺區(qū)、大氣區(qū)含有大量的氯離子和氧氣,使混凝土內(nèi)鋼筋易發(fā)生腐蝕破壞。潮濺區(qū)內(nèi)結(jié)構(gòu)物上述兩種類型破壞均發(fā)生,含有大量的氯離子和富氧為鋼筋腐蝕提供了條件,波浪沖刷掉海水—水泥漿交互作用的產(chǎn)物增加了滲透性,導(dǎo)致化學(xué)侵蝕進(jìn)一步深入,而且波浪的沖擊作用最終導(dǎo)致被細(xì)微裂縫和化學(xué)侵蝕削弱的混凝土崩解,發(fā)生開裂、剝落。故潮濺區(qū)內(nèi)結(jié)構(gòu)物往往因受到各種物理和化學(xué)的侵蝕而損壞最嚴(yán)重。4錨柱鋼筋混凝土抗?jié)B性能提升盡管海燕大橋竣工僅6年,由于所處較嚴(yán)重的腐蝕環(huán)境,致使橋梁下部結(jié)構(gòu)已經(jīng)出現(xiàn)嚴(yán)重的鋼筋腐蝕破壞。橋墩柱已經(jīng)達(dá)到腐蝕過程的第三階段——腐蝕破壞期,腐蝕正在加快。資料顯示,暴露在海洋浪濺區(qū)中鋼材的銹蝕速度為0.38mm/a(溫度80%時)～0.80mm/a(濕度70%時),為了提高耐久性,保證橋墩柱的正常使用年限,必須采取措施,進(jìn)行維修加固和防腐處理。原設(shè)計墩柱鋼筋保護(hù)層厚度偏小(2.5cm),不能滿足規(guī)范對濱海區(qū)鋼筋混凝土保護(hù)層厚度的要求(5cm)。從保證橋梁設(shè)計壽命、提高結(jié)構(gòu)耐久性考慮,所有墩柱均需增加鋼筋保護(hù)層厚度。故采取鑿除已損壞或惡化區(qū)域的表層混凝土,進(jìn)行必要的鋼筋除銹處理和加強(qiáng),然后重新澆注混凝土,保證鋼筋保護(hù)層有足夠的抗?jié)B性(厚度和密實度)(如圖6)。具體措施如下:(1)蓋梁底至墩樁接頭以下30cm范圍內(nèi),沿主筋脹裂縫開鑿寬度不小于5cm的豎槽,暴露出主筋。鑿除網(wǎng)狀裂縫發(fā)育部位、已空殼部位鋼筋保護(hù)層,深度不低于未破壞混凝土內(nèi)0.5cm。(2)剝落部位及其它未處理部位墩柱表面混凝土進(jìn)行鑿毛。(3)對已銹蝕的鋼筋進(jìn)行除銹處理,布置鋼筋籠,澆注混凝土。(4)為提高混凝土的密實性,拌制混凝土?xí)r應(yīng)嚴(yán)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總院研制的RI-103型阻銹劑(含有減水組分、減水率約16%)