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钢筋混凝土桥梁“病”害加固维修对策探讨
2014-04-14  中国桥梁网 分享到:

1.  前言

  钢筋砼桥梁因其取材广泛,价格低廉,抗压强度高,又可浇注成各种形状,已成为当今世界桥梁使用最多的结构。但混凝土最主要的缺点是抗拉能力差,容易开裂,而且它是多孔性物体。一旦出现裂缝,如不及时处理,必然会受到恶化的大气环境中有害物质以及风雨的侵蚀,加之地震、疲劳、车辆超载等因素的作用,致使裂缝扩大,钢筋锈蚀,混凝土碳化剥落,承载力下降,使用寿命严重缩短,这已成了世界性的问题。

  2.  钢筋砼桥梁病害的主要成因有下述六种情况:

  2.1原设计强度标准偏低,防水和抗冻性能不强,防水砼达不到防水要求,抗渗系数偏小,砼表面保护层厚度过薄,加之选材不严,施工搅拌不均匀,振捣不实,常常存在蜂窝麻面的缺陷,因而砼的密实度较差,不利受力构造钢筋的有效保护,造成现浇砼的局部开裂(收缩裂缝,塑性变形裂缝)的发生。

  2.2温度应力促使存在缺陷的砼产生微裂缝,空气中的水汽在毛细管的作用下渗入到微裂缝中,若穿过保护层达到钢筋表面,在水与氧气的作用下形成腐蚀电池,破坏其钝化膜,导致钢筋锈蚀。在近海地区的砼桥梁,氯离子的侵入加速钢筋的锈蚀是主要成因。这是先裂后蚀的反映。另一种情况是由于砼密实度差,这种多孔性物体内存在的自由水促使钢筋先发生腐蚀,致使锈蚀的钢筋体积膨胀,势必产生膨胀应力,其力的方向必然指向混凝土较薄的保护层先行开裂,形成顺钢筋裂缝的出现,继而出现保护层的剥落,这是先蚀后裂的反映。

  2.3污染环境产生化学腐蚀,有二种情况:一是当混凝土存在裂缝时,大气中的二氧化碳CO2与在砼中的氢氧化钙Ca(OH)2会发生化学反映,生成中性的碳酸钙,使砼产生碳化作用其PH值12.5就会降低至9以下,钢筋防腐就得不到保证导致锈蚀。二是近年来由于大气环境污染产生的酸雨对砼结构的危害日趋严重,我国的酸雨覆盖面积已达到国土面积的30%以上,二氧化硫SO2和进一步氧化的三氧化硫SO3,均可使砼中性化和碳化,同样可直接促使钢筋表面产生化学腐蚀,同时产生的硫酸盐又会对砼进一步膨胀产生侵蚀作用。故酸雨地区对钢筋砼结构物的危害比碳化更严重。

  2.4冻融循环的破坏主要发生在寒冷地区的砼结构,当砼结构物有裂缝、蜂窝麻面等松散空洞缺陷时,水分侵入后,遇到冰点以下结冻产生膨胀,冰冻面约产生9%左右的膨胀应力,致使缺陷内部受压变形。而当环境温度升高之后,冰冻面受热融化又使其受到拉力,这样反复循环冻结融化,当作用于孔隙的拉应力大于砼的极限抗拉强度时,即可产生较大裂缝乃至崩裂。另外在常遭雪冻的桥面,为了防止车轮打滑,保证交通安全,常采用大量撒盐来化雪,若桥面有裂缝,盐水侵入必然会使钢筋受到氯离子破坏锈蚀,继而导致桥面上砼大面积碎裂,严重的还会扩展到梁体,若梁体有裂缝,则也将受到病害。

  2.5碱骨料反应(AAR反应),主要是砼级配的混合材料中,含碱量(氧化钠Na2O,氧化钾K2O)偏高,与骨料中的活性成分(氧化硅、碳酸盐等)发生反应产生硅酸凝胶,吸水膨胀后产生内应力,导致砼开裂,这种病害被称为砼的“癌症”。其实是可以预防的,只要在选材时严格把关,防水措施做得好,就可以避免产生此病症。

  2.6溶液性侵蚀,主要由于砼结构本身不密实,虽然有时肉眼看不到裂缝,但往往可渗水,使砼结构部位的氢氧化钙产生溶解,促使其浓度不断下降,固相中的Ca(OH)2不断被溶出,不断分解出CaO,CaO又溶于水而随水冲走,导致水泥石的结构不断破坏,PH值不断降低,孔隙率增大,必然导致钢筋锈蚀病害发生,砼表层起鼓剥离就会出现。

  3. 钢筋砼桥梁防水防腐材料选用及有关误区探讨

  综上所述6种病害的发生,均与砼的密实度和防水防腐措施不到位息息相关。看来裂缝是病根,钢筋锈蚀是恶果。犹如对一个人的病体一样,首先要通过医生的正确诊断再配以仪器检查的检验,找出病根,方能对症下药。不能头痛医头,脚痛医脚。

  当今有些设计人员力主为了防止钢筋锈蚀,在钢筋砼结构中的钢筋全部采用环氧涂层钢筋,不仅价格提高了一倍,而且其与砼间的握裹力就要损失15%~20%。究竟是利大于弊,还是弊大于利,值得商榷。众所周知,钢筋与混凝土结合的截面还不能发挥潜力,若减少钢筋与混凝土间的握裹力,当承受过大的弯矩时,对结构的受力就会带来负面的影响。

  另外,在砼表面采用有机防水材料涂层。现在有一种新型聚脲弹性材料(SPVA),不仅施工速度快,凝胶和干燥时间短,粘结附着力大于2.0MPa,不透水性为0.3MPa/30min不透水。断裂伸长率≥300%。这种新型防水材料问世后受到各方面防水工程界的青睐,尤其它施工简单,硬化速度快,具有优异的物理保护性能,较之卷材防水优点更为突出。有同行将其说成是新型万能涂装技术,我认为言之过早,且不敢苟同万能之评价。不可否认这种材料用在屋顶防水、地下室和墙面和普通行人通道等不受较大的外力或荷载影响的部位的防水功用是非常显著有效的。但迄今还未见到这种材料的防老化、防火和耐久性能的检测评定的科学数据资料。如果将其用在砼桥梁梁体的防水层中,则将是误导。因为梁体要承受较大的恒载和活载,前已述及钢筋砼容易开裂,若将这种断裂伸长率≥300%的有机防水材料外涂在砼的表面,防水效果的物理性能是没有问题的,但万一梁体出现开裂或断裂,则这种材料的延展性就会遮盖砼梁体的病害,待到隐患被发现时,钢筋砼梁体已经无可挽救修复或已造成严重祸害,后果不堪设想。故笔者建议养护管理单位切莫走入误区,选择梁体涂料时,必须慎之又慎。

  近来,对混凝土桥梁的防水防腐问题,一直是桥梁界十分关注并迫切要求解决的重要课题。目前在防水工程中所采用的涂装材料,不外乎分为有机柔性防水材料和无机刚性防水材料两大类。两类防水材料对防水工程的对象和部位的不同所起的作用也各有不同。两类材料各有利弊,有时需要根据工程的特点和性质,采取刚柔结合的防水技术方案来因地制宜解决问题。尽量做到标本兼治的效果。

  对于砼梁的病害处治,笔者认为基于梁体本身属于无机刚性体,宜采用刚性的无机防水材料—水泥基渗透结晶型防水材料(英文缩写为CCCW材料)来加固维修较妥。20世纪90年代引进的XYPEX材料,就是CCCW材料中最佳的一个品牌。中国防水代表在2007年3月访问了加拿大的XYPEX和KRYON等防水材料公司,这两家公司也是在我国生产、销售这种新型防水材料名列前茅的企业,均参加了我国的GB18445-2001<水泥基渗透结晶型防水材料>国家标准的起草。这种刚性防水材料与砼桥梁同一属性,物以类聚,其膨胀系数基本一致,不易老化,耐高、低温(-32℃~+130℃)的持续温度下,在-185℃~+1530℃间隙温度下保持其作用,耐湿、耐紫外线、耐辐射、耐氧化、耐强水压达1.3MPa。由于其具有很高的渗透能力,赖独有的活性极强的催化剂,以水为介质在砼微裂缝或孔隙中,催化未水化的水泥颗粒生成枝蔓状的结晶体,堵塞各向来水的裂缝,使砼本体达到密实,因而也就增加了抗压强度达20~29%,若干年后,因震动或其它外因产生新的细微裂缝时,一旦有水渗入,又会产生新的晶体把水堵住,所以它的这种自我修复能力是独一无二带有永久性的。由于抗渗性能极佳就可保护钢筋不被锈蚀,达到了既治标又治本的目的。

  1998年,笔者去现场参观了杭州铁路分局和北京城建设计研究院合作于1997年11月“利用XYPEX材料修补铁路钢筋混凝土梁技术”科技项目(登记号:6A19970928048 号)。目的是通过实地考察和了解这种材料对砼梁涂装后,既有裂纹不重新开裂,提高了砼梁表面砼结构的强度、密实度和抗渗能力,以延缓砼梁中砼的中性化速率,进而达到延长砼梁大修换梁的周期,提高砼梁使用的耐久性。笔者对该项目进行了长达12年跟踪观察,有关情况介绍如下,以资同仁参考。

  4.  “长牛11#桥” 利用XYPEX材料修补铁路钢筋混凝土梁技术实例

  杭州铁路分局杭州东工务段辖内长牛线11#桥。该桥始建于1959 年,原为3×16.0m,1961 年发生水害,1962 年扩建为目前的5×16.0m,梁跨均为定型图施工的钢筋混凝土π梁,见桥址照片。历史资料记载,该桥长兴方1~3 孔梁,在62 年扩建时就发现有裂纹、蜂窝、麻面等病害,运营工务养修部门曾多次采用压注砂浆、环氧树脂等法修补,但收效不佳,至试验前调查,梁体存在如下病害:

  (1)梁体裂纹严重,仅1—2 孔裂纹总长为461.99m,其中裂纹宽度≥0.3mm 的计125.66m,最宽裂纹达5 ㎜,最长裂纹的长度为11.1m。
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  (4)原修补环氧树脂已老化,壳起,有的已重新开裂。

  依长牛线11#桥1~2 孔钢筋混凝土梁的状况和XYPEX 材料的适用性、功能等提出圬工梁修补方案总体上是:1)全梁的基面处理;2)砼梁缺陷部位的修补;3)全梁喷涂或涂刷XYPEX 浓缩剂两遍;4)养护;四个步骤。

  长牛11#桥项目,有活动吊栏可利用,现场实施由七人组成作业组(其中:负责协调1人、操作4人、辅助配合2人)。

  基面处理

  本桥采用喷砂打毛基面、辅以手工铲除老化残留的环氧树脂旧皮,再以高压水冲洗的方法,以达到毛、潮、净的要求。

  毛—基面应粗糙能充分暴露砼结构的毛细通道。

  潮—基面表层结构充分润湿,毛细孔饱吸水分但表面无明水,以利材料发挥作用。

  净—基面上的污垢、有机物、木屑、铁屑及疏松物等应清理干净。

  实施情况看,喷砂法工效高,打毛效果好,对圬工梁损伤小,且劳动耗费低,操作方便。

  对圬工梁上空洞、麻面及大块剥落等缺陷的修补

  首先,将空洞处的“砼壳”、剥落处的松动碎块清除,钢筋除锈,空洞凿口(开口宽度以便于修补为宜),高压水冲洗,润湿(要求比照基面处理)。其次,清洗后在修复衔接面无明水,喷涂XYPEX浓缩剂厚0.5mm 左右。最后,喷涂层初凝后(一般约2h),再用XYPEX堵漏剂:按7:2(粉:水)修补,对于大的空洞修补可以混合1:2(XYPEX堵漏剂:小于10mm沙石)级配。

  对圬工梁裂纹修补

  实施中对宽度小于0.3 ㎜的裂纹不作特殊处理,对宽度大于0.3 ㎜的裂纹修补顺序如下:①沿裂纹凿20mm×20㎜内大外小的燕尾槽。②冲洗、湿润(修复面不得有明水)后,涂刷XYPEX浓缩剂灰浆一遍。③初凝后用XYPEX 浓缩剂半干料团、修补堵漏剂修补。

  全梁表面喷涂XYPEX 两遍

  喷涂前对梁体表面要用清水彻底洗净,达到“毛、潮、净”的要求(注意:裂纹和缺损新修补处不能用高压水直接喷射,只能用无压水喷淋达到湿润要求)。然而,再开始大面积喷涂工作。喷涂第一遍用量为0.4~0.5kg/㎡,涂层应均匀,配合比为粉:水=5:3(容积比)。两次喷涂间隔时间一般在2小时左右(即在第一遍涂层已达初凝后)。为保证涂层质量,关键环节之一是砼结构的充分润湿。为此,依据天气情况对圬工梁基面用水充分冲淋,使之保持湿润。喷涂第二遍之前,已喷涂面也应保持润湿状态。

  养护

  养护也是XYPEX 涂层质量的关键环节。当涂层初凝即用无压水喷淋养护,养护时间为3天,每天不少于3次(依据天气情况而定)。养护期间,应保持XYPEX涂层总是湿润的,如在高温季节、阳光较强烈、水分散失快的条件下施工时,应采取遮蔽措施,并增加养护次数。

  修补结果:长牛11#桥自九七年十一月修补试验结束后,对梁体现场进行了六个月观测结果为:

  (1)未发现裂纹的发生,特别是原裂纹和缺陷处。

  (2)通过室内同步试验,证明表面砼抗压、抗渗能力提高,同时提高了密实度。

  从以上情况看,使用XYPEX 对钢筋混凝土梁涂装后,依靠其能向砼内渗透产生结晶,封闭了整个梁体砼与外界的毛细孔通道,提高了表面砼结构的密实度和强度,增加了钢筋混凝土梁的砼保护层对钢筋的保护能力;同时也使表层砼本身抗腐蚀能力得以提高,可较好地解决砼中性化的问题,达到延长钢筋混凝土梁的使用寿命,提高其耐久性的目的。

  该项目于一九九八年五月组织专家进行评审鉴定:

  鉴定委员会专家测试报告、鉴定意见和专家组成如下:
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  根据当年专家鉴定意见,13年后,2010年10月笔者对长牛11#桥进行了现场回访,欣喜地发现当年既有裂纹没有重新开裂,砼梁表面没有泛黄、没有渗水起白花、没有起粉。砼结构的强度、密实度和抗渗能力完全达到预定要求。

  现场回访照片如下:
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  5.结论

  总之,长期工程实践结果是反映耐久性最直接的证据,具体情况具体分析,对砼桥梁病害的处治建议用CCCW材料来加固维修是对路的,而且施工方法简单,它是一种无毒、无味的绿色环保材料,对环境和人体不会造成任何损害,且具有耐久性与砼结构同寿命。综合费用较低。

(作者:朱海涛)
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