钢筋混凝土梁锈蚀病害耐久性修复技术论文

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1、钢筋混凝土梁锈蚀病害耐久性修复技术论文钢筋混凝土桥梁病害的主要成因及 修补加固范例摘 要：过去钢筋混凝土桥梁结构由于受各种因素（设计理念、 施工质量、材料性能、养护管理）的缺陷以及环境恶化的影响所 造成的病害，产生了各种各样的腐蚀问题和安全隐患。本文主要 从出现病害主要成因方面进行重点分析，提出一些对策建议，并 同时介绍了若干国内桥梁通过使用新的修补材料和先进的工艺 修复加固。一9范例，以供参考。关键词：钢筋混凝土桥梁结构混凝土病害分析XYPEX修： 1-ho固1前言交通运输与国计民生息息相关，而桥梁则是 交通命脉的咽喉。据2 0世纪末统计，我国的铁路桥梁约有3 7 0。多座，桥梁总长近2 4

2、00km，公路桥梁约有近28万 座，桥梁总长近10 300km。其中大部分的桥梁为钢筋混 凝土（含预应力梁）结构，约占桥梁总数的9 0%以上。解放后 尤其是改革开放以来我国的桥梁建设发展速度蒸蒸日上，方兴未 艾，有力地促进了国民经济的高速发展，而且桥梁的设计、施工 技术水平不断得到提高和发展，尤其是在长江中已竣工通车的数 十座特大桥和最近已在长三角地区修建竣工通车的东海超长跨 海特大桥和即将竣工的杭州湾大桥的技术水平已达国际的领先 地位：在大好形势下，我们还必须保持清醒的头脑。据2 0世纪 末统计显示，公、铁路混凝土桥梁的失格率达到了 2 0%左右， 有的已成了危桥，还在负荷运营，报载桥垮、车

3、毁、人亡的恶性 事故报导，已屡见不藓。进入21世纪以来，此问题已引起工程 界特别是桥梁界的严重关切，由中国科协工程联合会、中国铁道 学会、中国公路学会、中国土木工程协会相继联合举办了 “2 0 0 3年桥梁病害诊治论坛”；同年12月中国腐蚀与防护学会防 腐蚀工程专业委员会在广西北海市召开了 “ 2 0 0 3年全国水 工、桥梁结构防腐蚀技术交流会”，2 0 0 4年由中国交通部公 路运输文摘桥梁杂志和中国科协工程联合会共同在海南省海 口市举办了 “桥梁耐久性研讨会”所有这些重要的全国会议 的与会专家、学者针对我国目前桥梁存在的病害提出了各自的精 辟见解和对策建议，通过调查研究发现了设计、施工、

4、管理体制、 养护加固等方面存在的人为问题、缺陷、环境恶化、交通量剧增、 超载严重等客观0 ，】5）8因素对桥梁带来的危害等一系 列原因，进行了分析和诊断，认为必须刻不容缓地认真对待和处 理，对此已基本取得了共识，那就是必须对原来一些传统的设计 理念和模式进行更新，既要重视结构的强度（防破坏），也要重 视整体刚度（防变形）整体稳定度（防位移）和耐久性措施，对 施工质量的保证措施必须要有严格且便于执行的工艺；对桥梁的 养护管理必须加强健康监测及时组织有经验的技术人员通过先 进可靠的检测设施对桥梁进行了正确的诊断分析，做到对症下“药”，在此基础上分清轻重缓急，采用先进的技术、工艺和产 品进行维修和加

5、固，做到未雨绸缪，确保运输安全和延长使用寿命。2我国钢筋混凝土桥梁病害的主要成因及对策建议(1)早期设计的钢筋混凝土桥梁，混凝土标号偏低，防水和抗冻性能 不强，一般抗渗标号只有8S12左右，加上施工时选材不 严，搅拌不均匀，振捣不密实，往往存在蜂窝麻血及微裂缝的缺 陷，有的桥体过于强求轻巧薄型以致钢筋保护层过薄，多在1 。2 0mm。 (2)温度应力促使存在缺陷的混凝土产生微 裂缝，防水涂料达不到防水作用时，空气中的水汽在毛细管引力 的作用下渗入到微裂缝中，若到达钢筋表面，在水与氧的作用下 形成腐蚀电池破坏其钝化膜，导致钢筋锈蚀。在近海地区的混凝 土桥梁，氯离子的侵入导致钢筋锈蚀的主要原因。钢

6、筋锈蚀后， 必然出现体积膨胀，膨胀量为原体积的45倍，这样势必对混 凝土产生很大的膨胀应力，加上保护层较薄，促使钢筋锈蚀部位 的混凝土开始起裂，形成沿钢筋裂缝，即顺筋裂缝，继而出现保 护层的脱落。(3)环境化学腐蚀，有两种情况：一是当混凝 土存在缺陷时，大气中的CO。与混凝土中的Ca(OH)z起 化学反应，生成中性的碳酸钙(碳化作用)，即：C02+Ca(OH)2.CaC0 3+ H2 0而在潮湿和高浓度的CO z环境中，COz在水中能够融解CaCO。生成溶于水的碳酸 氢钙Ca(HCOs)z，它随着水沿毛细管或微裂缝到达混凝 土表面又可发生分解，析出CaCOs。即：C02+H20 + CaC03

7、Ca(HC03)2 Ca(HC03)2C aC03+C02+H20混凝土发生碳化溶蚀后，其pH值 可降低至9以下，钢筋的防腐得不到保证，促使钢筋表面钝化膜 遭到破坏，在氧和水作用下氧化锈蚀。即：4Fe-F2H2 0+302,4F琶(OH)第二种情况是近年来大气环境 污染产生的酸雨对混凝土结构的危害日趋严重，我国的酸雨覆盖 面已达到国土的3 0%以上，SOz和进一步氧化的SO。均可 以使混凝土中性化和酸化，同样可直接促使钢筋的电化学腐蚀， 同时产生的硫酸盐又会对混凝土进一步膨胀产生侵蚀作用。故在 酸雨地区SO。与酸雨对钢筋混凝土结构物的危害比碳化更为严 重。腐蚀过程化学反应如下：2S03+02+

8、2H20-2 H2S 0 4 2H2S04+Ca(OH)2，CaS042 H20 3CaO-A1203+3(CaS04-2H20) +26H203CaOA12033CAS0432H 20由于生成物带有大量的结晶水，因此其体积要比原来的体 积大得多，产生膨胀，促使混凝土裂坏。在潮湿的空气中SOz 与Fe发生化学反应：S 0 2 + 0 2 +Fe_+FeS04 4 FeS04 1 0 2 + 6H2 04FeO (OH)+4H2 S04 )51 9最终反应产物除氧化铁之外，还有硫酸。硫 酸于是能分解更多的铁，进一步促使铁锈形成。(4)冻融循 环对混凝土产生的物理破坏作用，当混凝土结构有裂隙时，水

9、分 侵人后，遇冰点以下低温时结冻产生膨胀，孔隙受压变形，当环 境温度升高后，冰冻面受热融化反过来又使孔隙受到拉应力，这 样反复冻结、融化，当作用于孔隙的拉应力大于混凝土的极限抗 拉强度时，即可使混凝土孔隙扩大成裂缝仍至崩裂。尤其在北方 地区的桥梁桥面，在冬季为了交通安全大量撒盐来促使化雪降低 冰点，于是盐水渗入混凝土缝隙内，导致桥面混凝土内的钢筋受 到氯离子破坏，锈蚀愈演愈烈，不仅促使桥面上的铺装层大面积 碎裂，仍至逐渐扩展到梁体，若梁体顶面有裂隙，也将导致病害 的加深。（5）碱一集料反应（AAR ）其特点是反应缓慢， 但持续时间长。混凝土结构产生的AAR破坏，一般要在一年以 上，有时甚至达2

10、0-30年。一旦发生这种破坏将很难补救。 其成因主要是由于混凝土所配好的各种混合料中的含碱（Naz 。或KzO ）量偏高，与集料中的活性成分（氧化硅、碳酸盐等） 发生反应生成硅酸凝胶，碱硅酸凝胶吸水膨胀后产生内应力，导 致混凝土开裂。显然，AAR反应的发生需要三个条件，即碱量 高、集料中含有活性成分、有水渗入。三者缺一不可，故般是 可以预防的。（6）溶液性侵蚀，主要是环境介质水溶液对防 水构造不合理、防水质量不可靠，从而出现经常性渗漏的混凝土 结构部位的Ca（OH）：产生溶解，促使其浓度不断下降，固 相中Ca（OH）。不断被溶出，于是在混凝土中与Ca（OH） z浓度有关的水化生成物的稳定度遭到

11、破坏，造成这些水化物不 断分解出CaO, CaO又溶于水随水冲走，水泥石的结构不断 破坏，从而导致混凝土的pH值降低，孔隙率增大，钢筋锈蚀病 害发生，混凝土表面层起鼓剥离现象就会出现。综上所述，六 种病害产生的主要成因均与混凝土结构的密实度与防水效果息息相关。目前提出的对策措施从下面几点考虑：一是提高混凝土的密实 度，宜采用高性能混凝土，掺硅粉、粉煤灰、矿渣等超细矿物掺 合料，并与适当的外加剂相结合，最大限度提高混凝土的密实 度，提高其抗渗标号；二是采用水化热较低的水泥品种并调整好 配合比；三是适当增加混凝土对钢筋的保护层厚度；四是采用具 有永久性的混凝土表面防护涂层材料。 在这里提供一个信息

12、，大众科技报著名记者邵斌同志于2 0 0 3年9月2 1日在该 报的头版和四版上，较详细荟萃了专家的意见和建议，推荐了X YPEX（赛柏斯）这种刚性无机渗透结晶防水材料。其所含化 学物质对水有很强的亲和力，以灰浆的形式涂刷或喷涂到混凝土 表面后，充塞到混凝土的微孔和毛细管道中，催化未完成水化的 水泥颗粒，生成枝蔓状的晶体填塞细小的渗漏水通道，从而提高 了混凝土的密实度和达到特住的防水效果。XYPEXS在我国 多座桥梁、桥面防水和耐久性加固中应用，取得了较好的效果， 国家建设部在2 0 0 1年、2 0 0 4年和2 0 0 7年三次将其作 为科技成果推广指南项目向全国推荐并出具证书。兹将在国内

13、、 外用XYPEX材料修复加固的桥梁实例简介如下。8经实践 检验的几座桥梁病害修复加固的范例 上海铁路局杭州分局杭州 工务段所管辖的长牛线近长兴线的6号、7号、10号、11号 桥和南京分局芜湖工务段管辖芜铜线繁昌县城附近的10号桥 等都是2 0世纪5 0年昧后陆续修建的钢筋混凝土桥梁，由于施 工质量较差，原设计的混凝土标号偏低，以及使用环境恶化等因 素1520综合的影响，梁体混凝土的弱点不断暴露出来，尤 其是裂纹的增多，混凝土碳化的弊端不断出现，混凝土表面的钢 筋保护层碎裂剥落，钢筋裸露锈蚀越来越严重（图1）。曾按照 传统的环氧图1树脂砂浆作为修补的材料，同时用环氧树脂浆 液进行表面封闭。从物

14、理角度来看，这种靠薄膜包裹的做法一时 确能起到防水作用，但这种有机材料在紫外线的作用下，受氧化 和温度影响较大，容易产生老化和龟裂剥离，且对混凝土结构本 身内部得不到补强作用和耐久性效果，不仅施工有毒性，且操作 工艺复杂，因此否定了这种治标不治本的修补方法。最后杭州铁 路分局和北京市城建设计研究院合作于1997年11月对长 牛线11号桥1号、2号梁体用XYPEX材料进行修补试验。 经鉴定委员会专家测试报告结果认为：“原有裂纹通过XYPE X涂料已封闭，未发生重新开裂、剥落掉皮现象，与未经修补的 梁形成鲜明对比，梁体表面完整，达到预期效果。实践证明XY PEX材料用于混凝土结构的破损修补其性能优

15、越，施工工艺设 备简单，能够满足修补质量要求，经过工程考验，质量可靠，效 果明显，拓宽了应用领域。这种材料不仅可用于静载作用下的防 水工程，而且可应用于动载作用下铁路桥梁结构的修复。对传统 的修复方法有所创新，居国内领先水平，并达到国际先进水平。XYPEX产品属无机材料，可称为绿色材料，应用地域广 阔，具有显著的经济效益和社会效益”同时，提出进一步对 修补的桥梁在正常运行状态下进行观察和资料积累的建议。据 此，按要求进行长达两年半的观察，并于2 0 0 0年4月又请有 关专家进行了认真的复查，经修复的梁体情况良好。为此，对长 牛线11号桥的剩余3、4、5孔以及该线的1。号、7号、6 号桥和位于

16、南京分局芜湖工务段管内的芜铜线10号桥，都利用 XYPEX材料和工艺进行了修补工作。经过观察分析，其结果 和长牛线11号桥的第1、2孔的效果相同。事隔8年后的2 0 0 5年5月有关专家又去复查，所有修补过的桥梁完好状况令人 满意。由此证明，XYPEX用于补强、防水和对混凝土密实度 的加强和保护效果都是良好的，在反复动载的冲击作用下，抗疲 性能也是良好的。“利用XYPEX材料修补铁路钢筋混凝土梁 技术”这个项目早已获得上海市2 0 0 1年优秀发明选拔赛的二 等奖，目前已用于国内桥梁桥面防水获得较佳效果的有北京八达 岭高速公路上的东老峪1号、2号、3号桥。在完成后近五年内， 没有任何渗漏及锈水现象出现，也未见桥面有裂缝产生，颇得业 主和运营养护管理单位好评。江西九江湖1：3大桥业主、设计 及施工单位从该桥的重要性、耐久性及工程质量的可靠性考虑， 决定在主桥面的隔离带、施工缝及拉索锚头部位采用XYPEX 防水、防腐及预防微裂缝的产生，完全达到了预想的目的，涂刷 过的部位，无