【文章內(nèi)容簡介】 然而，大氣中的二氧化碳卻時刻在向混凝土的內(nèi)部擴散，與混凝土中的氫氧化鈣發(fā)生作用，生成碳酸鹽物質，從而使水泥石原有的強堿性降低， pH值下降到 ，這種現(xiàn)象就稱為混凝土的碳化（中性化）。這是混凝土中性化最常見的一種形式。 2/2/2023 45 Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU 橋梁結構常見耐久性病害現(xiàn)象 混凝土碳化的主要化學反應式為： CO2+H2O → H 2CO3 Ca(OH)2+H2CO3 → CaCO 3+2H2O 2/2/2023 46 Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU 橋梁結構常見耐久性病害現(xiàn)象 影響混凝土碳化的因素 ： 混凝土的碳化是伴隨著CO2氣體向混凝土內(nèi)部擴散，溶解于混凝土孔隙內(nèi)的水中，再與各水化產(chǎn)物發(fā)生碳化反應這樣一個復雜的物理化學過程。研究表明，混凝土的碳化速度取決于 CO2氣體的擴散速度及 CO2與混凝土成分的反應性。而 CO2氣體的擴散速度又受混凝土本身的組織密實性、 CO2氣體的濃度、環(huán)境濕度、試件的含水率等因素的影響。 2/2/2023 47 Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU 橋梁結構常見耐久性病害現(xiàn)象 所以碳化反應受混凝土內(nèi)孔溶液的組成、水化產(chǎn)物的形態(tài)等因素的影響。這些影響因素可歸結為與混凝土自身相關的內(nèi)部因素和與環(huán)境相關的外界因素。對于服役結構物來說，由于其內(nèi)部因素已經(jīng)確定，因此影響其碳化速度的主要因素是外部因素，如 CO2的濃度、環(huán)境溫度和濕度。 2/2/2023 48 Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU 橋梁結構常見耐久性病害現(xiàn)象 快速碳化試驗表明， CO2的濃度越高，且壓力越大，碳化深度越大，因為高濃度，高壓力的 CO2氣體能較快地向混凝土內(nèi)部擴散，使碳化反應迅速進行。因此，在城市交通繁忙路段處的結構物或 CO2濃度較高的工業(yè)廠房往往碳化現(xiàn)象較嚴重。 另外，碳化較易發(fā)生在潮濕的環(huán)境中，尤其是干濕交替的環(huán)境，因此南方的建筑物容易產(chǎn)生碳化現(xiàn)象，且隨著溫度的升高，混凝土的碳化加速。 2/2/2023 49 Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU 橋梁結構常見耐久性病害現(xiàn)象 (2)氯離子的侵入 混凝土中的高堿性溶液對鋼筋起保護作用，而氯離子會通過擴散和毛細作用進入混凝土內(nèi)，當溶入混凝土中的氯鹽含量達到混凝土重量的 %~%時，鋼筋開始銹蝕；當氯鹽含量超過 1%后，鋼筋的銹蝕面積將急速增加。 2/2/2023 50 Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU 橋梁結構常見耐久性病害現(xiàn)象 氯離子導致鋼筋腐蝕需要有以下條件： l)鋼筋表面鈍化膜被破壞； 2)有充足的氧的供應； 3)有適宜的濕度。 大量的工程實踐表明：干燥環(huán)境下的鋼筋不易腐蝕，潮濕或干濕交替環(huán)境下腐蝕發(fā)展較快，而長期處于海水下的結構，雖然氯離子濃度很大，但由于缺氧也不易腐蝕。 2/2/2023 51 Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU 橋梁結構常見耐久性病害現(xiàn)象 橋梁附屬設施的病害 包括伸縮縫和支座等的病害。 (l)伸縮縫 伸縮縫設臵在梁端相對薄弱的部位，受橋面溫度變化的影響和車輛荷載的作用頻繁地伸縮變形，極易損壞。伸縮縫損壞后，不僅影響行車的舒適性，而且可能造成水的下滲，進而導致橋梁主體結構和支座的腐蝕及老化。 2/2/2023 52 Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU 橋梁結構常見耐久性病害現(xiàn)象 (2)支座 活動支座應能保證上部主梁結構的自由變形 (轉動或移動等 )。當有異物填充，或鋼板支座銹蝕、螺母松動或螺栓脫落及橡膠支座出現(xiàn)老化時，上部主梁結構可能會喪失自由伸縮的能力，導致應力重新分布，可能引起開裂等病害。 2/2/2023 53 Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU 引起橋梁結構耐久性病害的因素及分析 3 引起橋梁結構耐久性病害的因素及分析 設計方面的因素 [1] 很多橋梁病害與施工質量低劣有關，但在承認施工存在問題的同時，也不可否認，在橋梁設計中還有許多可以改進的地方。許多設計人員往往只滿足于規(guī)范對結構強度計算上的安全度需要，而忽視從結構體系、結構構造、材料、結構維護以及從設計、施工到使用全過程中經(jīng)常出現(xiàn)的人為錯誤等方面去加強和保證結構的安全性、耐久性。設計方面的問題從大的方面可以簡單地歸納為： 2/2/2023 54 Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU 引起橋梁結構耐久性病害的因素及分析 (l)設計標準低 我國公路橋梁荷載標準是經(jīng)過多次修改逐步提高的，隨著交通事業(yè)的發(fā)展，既有橋梁的荷載標準不能滿足當前汽車荷載標準的要求，由此可能導致橋梁耐久性加速劣化，這種情況在世界各國都普遍存在。此外，長期以來，由于經(jīng)濟及社會條件的限制，我國規(guī)范在橋梁性能及構造細節(jié)設計方面的要求一直較低，也在客觀上影響了橋梁的耐久性。 2/2/2023 55 Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU 引起橋梁結構耐久性病害的因素及分析 (2)結構與構造細節(jié)不合理 在國內(nèi)橋梁總體設計方案的比選過程中，一般由地質條件、施工方法、經(jīng)濟指標等因素來決定方案的取舍，而很少從耐久性的角度來進行分析和評價。 例如采用預應力結構或鋼筋混凝土結構，簡支或連續(xù)，T型梁或箱梁以及跨徑比例、斷面尺寸的擬定等眾多結構與構造問題，不但影響經(jīng)濟性，對橋梁的耐久性能也有很大影響；評價指標的缺失，可能導致中選方案的結構耐久性能不足，為運營后橋梁出現(xiàn)病害埋下了病根。有的結構整體性和延性不足，冗余性小；有的計算圖式和受力路徑不明確，造成局部受力過大；有的混凝土強度等級過低、保護層厚度過小、鋼筋直徑過細、構件截面過??；這些都會削弱結構耐久性，增加橋梁的病害。 2/2/2023 56 Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU 引起橋梁結構耐久性病害的因素及分析 吳海軍總結的混凝土橋梁耐久性設計原則與構造措施 [10]： 1)力線平滑、應力均勻流暢的原則； 2)結構應保證整體性、連續(xù)性和冗余性； 3)結構應具有可檢性、可修性和可替換性； 4)結構應具有良好的防水能力； 5)結構設計應保證可施工性。 2/2/2023 57 Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU 引起橋梁結構耐久性病害的因素及分析 (3)計算的因素 l)在橋梁設計和計算過程中，未充分考慮混凝土徐變、收縮及溫度應力等非荷載因素的影響； 2)在進行結構有限元分析時，過度強調局部性單元劃分的精細化，對結構邊界約束、銜接條件和傳力路徑等全局性問題認識不夠； 3)就施工方法、施工順序和施工荷載對結構成橋性能的影響重視不夠； 4)在構件的特殊部位，如構件的角隅處、預應力鋼筋的錨固處，在局部應力傳遞與分布的影響下，會出現(xiàn)應力突變，由于計算手段和理論的局限，往往出現(xiàn)構造配筋布臵不足或不當?shù)膯栴}。 2/2/2023 58 Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU 引起橋梁結構耐久性病害的因素及分析 施工和管理的因素 [1] (l)施工質量低 大量的橋梁在遠沒有達到預期使用壽命時，出現(xiàn)了影響正常使用的病害與劣化。特別是一些橋梁在只使用了幾年、甚至剛建成不久就出現(xiàn)嚴重的耐久性不足的問題，這與施工質量低下有重要關系，典型的問題有鋼筋保護層不足及目前廣泛存在于施工現(xiàn)場的嚴重的構件開裂問題。這些施工上的缺陷雖然短期不會對橋梁的正常使用產(chǎn)生明顯的影響，但卻會對結構的長期耐久性產(chǎn)生非常不利的危害。 2/2/2023 59 Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU 引起橋梁結構耐久性病害的因素及分析 主要問題有： l)材料質量控制的問題； 2)預應力材料防護問題； 3)壓漿不及時或操作不合理； 4)張拉力不足，張拉程序不合理； 5)錨頭防護不夠； 6)施工縫處理不當?shù)取? 2/2/2023 60 Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU 引起橋梁結構耐久性病害的因素及分析 (2)管理制度欠完善 l)只注重建設初期的成本，而忽視橋梁從規(guī)劃、建設到運營、破壞整個壽命周期的總體成本。國內(nèi)橋梁工程招投標中經(jīng)常是報價越低，得分越高，中標的希望越大。 2)對工期的不合理要求。 3)工程移交方式不夠合理。 2/2/2023 61 Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU 引起橋梁結構耐久性病害的因素及分析 使用的因素 (l)汽車超載運行 [1] 汽車超載主要有三種情況：其一是早期修建的老橋超齡負載運營；其二是橋梁通行的車流量超過原設計預期；其三是車輛違規(guī)超載。前兩種產(chǎn)生的原因主要是設計荷載的變化和交通量的增加所導致；后者是車輛使用者違法超載營運，后兩種超載現(xiàn)象在我國公路交通運輸中較為普遍。 2/2/2023 62 Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU 引起橋梁結構耐久性病害的因素及分析 一方面，橋梁的超載使用可能引發(fā)疲勞問題。超載會使橋梁疲勞應力幅度加大、損傷加劇，甚至會出現(xiàn)一些由超載引發(fā)的結構破壞事故。另一方面，由于超載造成的橋梁內(nèi)部損傷不能恢復，將使橋梁在此后正常荷載下的工作狀態(tài)發(fā)生變化，從而可能危害橋梁的安全性和耐久性。 2/2/2023 63 Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU 引起橋梁結構耐久性病害的因素及分析 例如，預應力混凝土橋梁一直被認為具有足夠的耐久性，但在汽車超載作用下，可能發(fā)生開裂；裂縫即使在荷載卸除后能夠閉合，但由于結構內(nèi)部已經(jīng)受到損傷，構件的開裂彎矩降低、剛度下降；于是在正常使用荷載作用下，本來不該開裂的結構產(chǎn)生裂縫或本來較小的裂縫成為超出規(guī)范允許的裂縫或產(chǎn)生較大的變形 [吳海軍， 2023]。這些都會對結構長期的使用性能和耐久性產(chǎn)生不利的影響。因此，除了交管部門要加強管理外，也需要對超載帶來的后果進行研究、分析。 2/2/2023 64 Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU 引起橋梁結構耐久性病害的因素及分析 (2)其他因素 其他對橋梁造成的危害的因素包