高速铁路桥涵施工与维护——桥跨结构的养护维修2

高速铁路桥涵施工与维护高速铁路桥涵施工与维护Chap15 Chap15 桥跨结构的养护维修桥跨结构的养护维修20182018年年1212月月2121日日PPT模板： PPT课件： 550亿美元。概述混凝土病害对桥梁的危害性概述钢筋混凝土的构成构成化学成分力学特性混凝土病害类别开裂锈蚀表面缺陷化学侵蚀表面磨损结构、温度、收缩、锈胀、碱集 料、冻融碳化Cl-蜂窝、麻面、孔洞、露筋、层析等机械磨耗、冲磨、空蚀溶出性侵蚀、溶解性侵蚀、膨胀性侵蚀概述混凝土表面缺陷蜂窝蜂窝破损破损表面缺陷表面缺陷麻面麻面孔洞孔洞夹层夹层露筋露筋蜂窝麻面麻面孔洞孔洞露筋露筋缝隙隙夹层缺棱掉角缺棱掉角概述表面缺陷图例蜂窝：混凝土搅拌不均匀；砼离析麻面：振捣不实，气泡未排出；模板隔离剂失效孔洞：砼浇注不畅通，振捣不足；落入木板等外物露筋：钢筋垫块未放或变位；钢筋移位缝隙夹层：落入外物；接缝处理不当缺棱掉角：边角未保护好，脱模时被粘掉概述混凝土表面病害产生的原因2混凝土开裂混凝土开裂裂缝是混凝土结构最为常见的缺陷。通常所说的裂缝是指宽度在0.030.05mm以上的宏观裂缝。混凝土裂缝成因：混凝土内存在过大的拉应力（或拉变形）。由于混凝土发生体积变化时受到约束或者是由于荷载作用。混凝土裂缝拉应力是开裂的必要条件。结构中主拉应力达到混凝土的抗拉强度时，并不立即产生裂缝，而是当拉应变达到极限拉应变tu时才出现裂缝。硬化后的混凝土极限拉应变tu约为15010-6，即10m长的构件，产生1.5mm的很小受拉变形即会产生裂缝。由于混凝土材料的不均匀性，裂缝首先从强度最低处出现。砼裂缝混凝土开裂的具体成因砼裂缝混凝土裂缝分类结构结构裂缝裂缝非结非结构裂构裂缝缝弯曲裂缝弯曲裂缝收缩裂缝收缩裂缝剪切裂缝剪切裂缝温度裂缝温度裂缝锈胀裂缝锈胀裂缝碱集料裂缝碱集料裂缝冻融裂缝冻融裂缝收缩 是指在混凝土凝结初期或硬化过程中，混凝土在不受力情况下出现的体积缩小现象较大的收缩会导致收缩裂缝开裂本质：混凝土自由收缩受到约束砼裂缝收缩裂缝混凝土组成：粗集料、细集料、掺和料水泥水水化水泥凝胶体水泥石混凝土收缩实为水泥石收缩，有4种机理：砼裂缝混凝土收缩裂缝分类塑性收缩化学收缩物理收缩碳化收缩塑性收缩：又称沉缩，水泥凝结阶段由于表面失水而产生的收缩，夏季路面多见化学收缩：又称水化收缩，水泥水化过程中，固相体积增加，但水泥水体系的绝对体积减小的现象，水化后体积缩减79%物理收缩：水泥硬化后，由于失水发生的可逆收缩碳化收缩：CO2与混凝土中水化产物反应导致的收缩砼裂缝混凝土收缩机理砼裂缝混凝土收缩的影响因素水泥品种与用量集料形状与含量构件尺寸与形状使用环境养护条件深度浅，一般不超过保护层厚度环境干燥裂缝不连续，龟裂或以0.31.0m间隔等间距排列形状为枣核状出现时间早，往往在结构建成的头一年出现砼裂缝收缩裂缝的特点混凝土中钢筋锈蚀后，由于锈皮会吸湿产生化学反应而膨胀，其体积将增大24倍，从而胀裂混凝土保护层。锈胀导致的开裂一般是顺筋的，当怀疑锈胀导致开裂时，应分析是先裂后锈还是先锈后裂。砼裂缝锈胀裂缝砼裂缝锈蚀开裂示意开裂锈蚀膨胀砼裂缝碱集料裂缝 碱集料反应(Alkali-Aggregate Reaction)是指混凝土中的碱碱与具有碱活性的集料集料间发生的膨膨胀胀性反应，由于极难修复，被冠以混凝土之癌癌砼裂纹碱集料反应过量的碱潮湿环境碱活性集料碱集料反应的条件类型提出者反应特点说明碱硅酸反应(ASR)1940年美国的Standon混凝土中的碱和集料中的活性SiO2矿物发生反应，会生成碱性硅酸盐凝胶，该凝胶吸水膨胀(体积可增大3倍)，从而在内部产生较大的膨胀压和渗透压，致使开裂产生。是迄今为止对工程损坏最多、分布最广、研究最多的一种碱集料反应类型。其特点是混凝土表面有无序的网状裂缝；集料边界有反应环、反应边；孔隙中有硅酸钠（钾）凝胶。目前，对碱集料反应的类型有两种不同的认识，一种认为碱集料反应分为碱-硅酸反应和碱碳酸盐反应两种，另一种认为除前面两种反应类型，碱-硅酸盐反应也是碱集料反应的一种，我国学者唐明述对此进行了深入的研究，认为碱硅酸盐反应实质上仍属碱硅酸反应。碱碳酸盐反应(ACR)1957年Swenson水泥中的碱和泥质白云岩、石灰岩集料发生“去白云石化”反应，进而产生的一种膨胀破坏反应。其反应产生的微细裂缝及大裂缝膨胀等外部特点与ASR大体一致，裂缝呈花纹形或地图形，但在混凝土的孔隙和反应集料的边界等处没有凝胶存在，而是碳酸钙、氢氧化钙。活性混合材料对膨胀抑制效果很差。碱硅酸盐反应1965年Gillott碱和某些层状硅酸盐集料反应，层状硅酸盐的层间距离可增大，从而产生膨胀，使得混凝土开裂碱硅酸盐反应的特点是：膨胀缓慢且不停顿进行，几乎看不到反应环，凝胶体渗出也很少；混凝土强度发生显著变化，抗拉强度约降低30%50%，因而导致混凝土产生裂缝。砼裂缝碱集料反应分类一般发生在浇筑23年后往往导致结构整体的位移或变形在不受约束的部位形成网状裂纹网状裂纹，在钢筋约束大的区域则顺筋开裂顺筋开裂可能析出透明或淡黄色凝胶凝胶，在吸收Ca、Al、S后颜色变暗多发生在潮湿潮湿的位置砼裂缝碱集料裂缝特征混凝土在饱水状态下因冻融循环产生的破坏称为冻融破坏，破坏作用主要表现为冻胀开裂和表面剥蚀两个方面。砼裂缝冻融裂缝冻胀开裂表面剥蚀平均气泡间距引气剂可以降低间距临界水饱和度最低温度低于-10时易于冻融破损降温速度水灰比(大意味着气泡多)水泥强度砼裂缝混凝土抗冻性影响因素弯曲裂缝(正截面裂缝)所谓正截面裂缝是指垂直于构件轴线的截面在正弯矩或负弯矩作用下产生的裂缝，这类裂缝一般垂直于构件轴线方向剪切裂缝(斜截面裂缝)在梁端的剪力作用下，当主拉应变超过混凝土极限拉应变，即产生斜截面裂缝，对于箱梁，在扭矩作用下，也会产生斜截面裂缝。砼裂缝结构裂缝分类：浅层裂缝、深层裂缝、贯通裂缝成因：水化热、约束条件、温度陡降、混凝土收缩预防措施：控制温度（埋设水管、分层浇筑、防陡降温）改善约束（合理分缝）砼裂缝混凝土温度裂缝表面温度裂缝走向无规律，大出现在施工期梁板类温度裂缝多平行于短边深层裂缝或贯穿裂缝多平行于短边，多发生在浇筑后23个月或更长时间缝宽随温度变化明显，冬季较宽，夏季较细砼裂缝温度裂缝的特征3钢筋锈蚀钢筋锈蚀钢筋锈蚀 混凝土的碳化环境中的酸性液体或气体侵入混凝土中，与水泥石中的碱性物质发生反应，使混凝土中pH值下降的过程称为混凝土的中性化。其中大气环境中CO2所引起的中性化过程称为混凝土的碳化。钢筋的钝化 混凝土水化后，残留的Ca(OH)2使混凝土内部呈现碱性环境，并在钢筋表面形成一层致密的氧化膜，称为钝化膜，可以起防蚀作用生成CaCO3等固体物质堵塞在毛孔中，提高了混凝土的密实度，使结构强度略有增加，且减弱了后续CO2的扩散。pH值降低，导致钢筋脱钝而锈蚀钢筋锈蚀 碳化对混凝土结构的影响CO2钢筋表面脱钝、生锈钢筋表面脱钝、生锈钢筋锈蚀 混凝土碳化的影响因素其他因素：覆盖层 应力状态 施工质量材料因素：水灰比 水泥品种和用量 集料品种和粒径 外掺加剂 养护方法和龄期 混凝土强度环境因素：相对湿度 CO2浓度 温度Cl-的离子半径小，活性大，容易吸附在位错区、晶界区等钝化膜有缺陷处。Cl-有很强的穿透钝化膜的能力，在氧化层内部形成易溶的FeCl2，使钝化膜溶解。钢筋锈蚀 Cl-对钝化膜的破坏作用Cl-/OH-=0.6 内部自由氯盐浓度临界值Cl-/OH-=3.0 环境自由氯盐浓度临界值钢筋表面存在电位差钢筋表面钝化膜被破坏，处于活性状态钢筋表面有电化学反应和离子扩散所需要的水和氧气钢筋锈蚀 钢筋腐蚀发生的条件钢筋锈蚀 钢筋锈蚀对结构的影响pH值温度Cl-浓度混凝土电阻抗水灰比钢筋锈蚀 钢筋锈蚀的影响因素空隙水饱和度和相对湿度养护龄期保护层厚度水泥品种和掺合料4化学侵蚀化学侵蚀化学侵蚀混凝土的化学侵蚀可分为三类：p由于某些物质溶解、流失，使混凝土强度降低的溶出溶出性侵蚀；p由于某些物质与介质发生化学反应，生产易溶解溶解的产物；p由于某些物质与介质发生化学反应，生产膨胀膨胀性产物。必要条件：含钙少的软水环境压力流动水化学侵蚀 溶出性侵蚀 Ca(OH)2是维持水化硅酸钙和水化铝酸钙稳定性的重要条件，Ca(OH)2的溶出使水化硅酸钙和水化铝酸钙失去稳定性而水解溶出，使混凝土强度降低。酸侵蚀环境水的pH值低于6.5时就会对混凝土造成酸侵蚀。弱酸侵蚀，主要指CO2含量多时形成Ca(HCO3)2溶解强酸侵蚀，主要指HCl、H2SO4与醋酸、甲酸、乳酸等对混凝土产生的侵蚀碱侵蚀NaOH、KOH与水化硅酸钙和水化铝酸钙反应，生成胶结性差，易于析出的产物。化学侵蚀 溶解性侵蚀机理C3A的水化产物水化铝酸钙及水化单硫酸钙与硫酸盐反应生成钙矾石，体积膨胀影响因素硫酸盐浓度、混凝土的渗透性、C3A和Ca(OH)2的含量特征初期表面发白，损坏从棱角处开始，接着裂缝开展，表层剥落化学侵蚀 膨胀性侵蚀石膏腐蚀硫酸盐与熟石灰反应，生产石膏石膏沉淀，体积2钙矾石腐蚀C3A的水化产物与石膏反应生产钙矾石钙矾石钙硅石腐蚀Ca(OH)2和CaCO3和SiO2和石膏在低温下反应硫酸镁对水化硅酸钙腐蚀化学侵蚀 膨胀性侵蚀类别硫酸盐结晶腐蚀钙矾石结晶特征：表面发白，损坏从棱角开始，接着裂缝开展，表层剥落，混凝土成一种易碎甚至松散的状态混凝土强度第一阶段：密实度增加，孔隙率减少，强度增加第二阶段：强度不断降低化学侵蚀 硫酸盐侵蚀的特征提高混凝土的质量和抗渗性(减水剂)限制水泥中 C3A 矿物含量5中低热水泥抗硫酸盐水泥 掺加火山灰质矿物外加剂15%偏高岭土35%磨细矿渣6%硅灰 20%低钙粉煤灰表面涂层保护化学侵蚀 防止硫酸盐侵蚀的措施5表面磨蚀表面磨蚀表面磨蚀机械磨蚀路面、跑道等受到轮胎反复摩擦和冲击，使表面的砂浆和骨料先后剥落冲蚀夹在高速水流中的砂石颗粒冲击混凝土表面，造成混凝土的剥落空蚀高速水流速度或方向改变时，与水工结构物在边界处分离，形成空穴。这一空穴在泯灭过程中对混凝土结构产生冲击作用。表面磨蚀 影响磨蚀的因素混凝土的强度粗集料的品种和性能细集料与砂率水泥和掺合料养护方法和质量混凝土桥梁的养护混凝土桥梁的养护PPT模板： PPT课件： 录录1 非荷载裂缝 1.1 混凝土收缩裂缝 1.1.1 收缩引起的裂缝种类 1.1.2 影响混凝土收缩裂缝的主要因素 1.2 钢筋锈蚀引起的裂缝 1.3 骨料膨胀引起的裂缝 1.3.1 碱骨料反应 1.4 大体积混凝土水化热引起的裂缝 1.5 地基础变形引起的裂缝 1.6 冻胀引起的裂缝 1.7 施工材料质量引起的裂缝 1.8 施工工艺质量引起的裂缝2 荷载引起的裂缝 2.1 直接应力裂缝 2.2 次应力裂缝 2.3 荷载裂缝特征 2.4 温度变化引起的裂缝砼桥梁的耐久性及常见病害成因分析砼桥梁的耐久性及常见病害成因分析 大量的工程实践和理论分析表明，几乎所有的混凝土构件均是带裂缝工作的，只是有些裂缝很细，但有些裂缝在使用荷载或外界物理、化学因素的作用下，不断产生和扩展，使混凝土的强度和刚度受到削弱，严重时甚至发生垮塌事故，必须加以控制。我国现行公路、铁路、建筑、水利等部门设计规范均采用限制构件裂缝宽度的办法来保障混凝土结构的正常使用。1 非荷载裂缝非荷载裂缝 1.1 1.1 混凝土收缩裂缝混凝土收缩裂缝混凝土收缩实为多孔结构的水泥石收缩，有三种类型引起：化学收缩水化过程中体积缩小 物理收缩毛细孔的自由水蒸发、干燥引起体积缩小 碳化收缩空气中CO2与混凝土中Ca(OH)2发生化学反应，产生CaCO3析出水分蒸发，促使体积缩小。1.1.1 收缩引起的裂缝种类 在实际工程中，混凝土因收缩所引起的裂缝是最常见的。在混凝土收缩种类中，塑性收缩和缩水收缩（干缩）是发生混凝土体积变形的主要原因，另外还有自生收缩和炭化收缩。当混凝土的自由收缩受到约束时，如超静定结构的约束（无铰拱）、钢筋的阻碍、大体积、新旧混凝土结合（如在岩石上浇筑混凝土、承台与墩台身混凝土龄期及水灰比不一致、桥面现浇混凝土与结构顶面混凝土、湿接头混凝土龄期及水