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钢筋混凝土桥梁病害调查及维护研究
来源:粘钢胶生产厂家 时间:2017-04-18 15:04:20
1 引言
随着我国国民经济的不断增强,交通运输业迅猛发展,公路运输以其方便快捷的优点,在与铁路、航空、河道、海运的运输的竞争中,其地位和作用不断提高,公路是陆路运输发展的基础,良好的路况才能为汽车提供安全、快速的行驶条件。桥梁更是确保公路运输畅通的咽喉,其承载能力和通行能力是沟通全线的关键。
然而在各种环境因素作用下,桥梁老化、破损、承载力下降问题越来越严重。美国上世纪80年代初的调查结果显示,全国共有566000座公路桥,在调查报告中叙述了514000座桥梁,其中40%以上桥梁都有不同程度的损坏,98000座桥梁结构强度降低,只能停止或限载运行,102000座桥梁行车道太窄,桥下净空不够或承载力不足,每年维修费用答2000亿美圆,美国技术评估委员会确认,为维持一座桥,40年内总的修复费用,已经相当于4座桥的初建费用,英国英格兰岛中环线快车道上的11座高架桥,建造费用2800万英镑(1972年),由于冬天撒盐除冰,两年后就发现钢筋锈蚀,混凝土开裂,年年维修,到1989年累计维修费用达4500万英镑,为造价的1.6倍。瑞典是个小国,每年用于桥梁修复上的投资达2800万美圆之多[1][2][3]。
近年来,在欧洲、美洲、澳大利亚、日本等16个国家对混凝土桥梁调查表明,由于混凝土耐久性的问题,因而修复或更新的费用往往为当年造价的4倍或6倍,总费用达数千亿美元。我国最近这方面的报道也时有所见,例如北京西直门立交桥使用才19年,因其混凝土严重剥蚀和钢筋锈蚀,不得不于1999年重建[4]。
一个长寿命的结构并没有使用期限,只要在适当的时候采取必要的修补和维护,桥梁就可以长期保持所有的使用功能。一般而言,混凝土桥梁的预期寿命为75-100年,但只有精心设计和施工,并在运营期间仔细检查与维护才能实现,桥梁的养护维修经验表明,病害越早发现,及时整治,所需费用越少,也越有利于改善结构的耐久性。
2 钢筋混凝土桥梁病害调查
钢筋混凝土结构是一个耐久性结构,即使是设计、施工、选材非常良好的结构,也会随服役时间的延长,各种因素的影响混凝土结构还会出现各种各样的病害,如:渗漏、磨损、剥蚀、开裂、分层、剥落等。如果混凝土材料或施工质量不好或设计上缺陷,都会加速病害发生的速度。病害产生的原因很多,主要有设计、选材、施工存在缺陷;超负荷使用;冻融破坏、有害化学物质侵蚀、埋置钢筋锈蚀;碱骨料反应等。这些病害轻者影响结构正常使用,缩短结构服役时间,重者将危及使用安全[5]。
钢筋锈蚀[7][9]:锈蚀是金属铁发生氧化的电化学过程,生成氧化铁,由于氧化铁的体积比金属铁大,导致混凝土开裂,由于开裂又使水、二氧化碳更易进入混凝土内部,从而加速钢筋锈蚀的速度。再则碳化反应导致混凝土PH值下降,引发钢筋锈蚀,加剧氯离子渗入,而导致锈蚀。
冻融破坏:由于冻融循环使混凝土中的水结冰膨胀而产生张力,从而导致结构开裂,尤其在向阳面受冻融影响所产生的裂缝比背阳面更为突出。
碱骨料反应[6]:主要指水化水泥中的碱性物质与骨料中可反应的化学成份之间的化学反应:碱——碳反应和碱——硅反应,其结果在水泥骨料表面发生膨胀性断裂,导致混凝土结构开裂。
腐蚀性介质的侵蚀[8]。主要是酸性气体(如二氧化硫、二氧化碳等)引起混凝土的中性化以及氯盐、硫酸盐等造成混凝土结构的破坏,加速钢筋锈蚀。
为便于实施对现有桥梁进行维护、加固和补强,进行全面的调查,分析病害产生原因,制定合理的维护补强措施,势在必行。为此我们对天津市区及周边地区桥梁进行调查、勘测,发现具有普遍性的病害如下。
 梁端头局部破损;
T型梁间纵向接缝反硷,翼板下混凝土疏松掉块,部分区域混凝土大面积剥落,钢筋外露锈蚀;
桥面排水管周围反硷、混凝土破损严重;
横向拉结肋梁金属连接件锈蚀;
沿T型梁腹板下沿纵向劈裂。
制定合理措施,对其进行治理,延长其耐久性已刻不容缓。
3 桥梁病害治理措施
提高钢筋混凝土的耐久性是一项涉及面广泛的系统工程,归纳起来就是“防”与“治”,“防”主要指设计、选材、施工中采取防腐措施,“治”就是治理病害,以往的构筑物对安全性考虑很充分,但对耐久性考虑不足。对现有桥梁而言,要对有缺陷的构件采取病害治理同时,对尚未出现明显缺陷的构件进行防护,以防患于未燃。
大量的事实证明,如果混凝土结构完全不可穿透或完全不渗水,则那些病害,包括钢筋锈蚀、碱骨料反应和冻融破坏根本就不会发生。
维修材料的选择与正确使用是混凝土桥梁结构维修的基础,而正确使用密封剂和涂装材料可以大大延长维修周期,提高混凝土的耐久性。
涂装材料的选择要注意以下关键指标:
l 耐久性
l 水汽透过性
l 抗水和盐的渗透性
l 抗二氧化碳渗透性
l 桥联裂缝的能力
基于此,我们对桥梁修补材料进行广泛调研,决定采用刚性防水材料辅以柔性防水材料,选用材料简介如下:
FP阻锈剂,一种双组份混凝土加强筋阻锈材料,含有MCI(迁移型锈蚀抑制剂)成分,能有效地抑制混凝土中加强筋锈蚀现象的产生。
亚克力增强剂,一种特殊的丙烯酸聚合物改性材料,专门用于改善硅酸盐水泥、砂浆、硅酸盐水泥基防水材料的物理性能。
UP2000结构修补剂,一种经聚合物改性的水泥基快干、不下垂的结构修补材料。
“优止水”高效防水剂,是一种可呼吸的水泥基高强度防水材料,能渗入墙体的微孔和缝隙中,堵塞这些过水通道并与墙体结合为一体,同时在墙体表面形成附着力极强的密实、坚硬涂层,进一步起到防水作用,还能保证墙体的呼吸,使墙体内的潮气可以正常地散发出来。
“水盾”防水胶,一种高分子聚合物改性沥青防水材料。
“立止水”,以硅酸盐水泥和硅砂为载体,由多种化学物质组成的干粉状材料,遇水后迅速膨胀并变硬,与墙体形成一体堵住漏洞。
柔性“优止水”高效防水剂,一种柔韧性良好的可呼吸水泥基防水材料,主要防水性能与“优止水”相同。
根据以上桥梁病害问题,我们逐一做出病害的原因分析,并针对病害产生的原因,制定了维修加固的措施,取得了良好效果。
3.1梁端头局部破损
3.1.1病害原因:
梁头由于填缝材料老化或建桥时根本没使用填缝材料,使雨水渗漏导致钢筋锈蚀后体积膨胀,对钢筋周围混凝土结构产生张力导致开裂破损,开裂后雨水和化冰盐更容易进入混凝土裂缝从而加快了钢筋的锈蚀过程和受冻融破坏的程度,使得病害更加严重。另外,由于梁与梁之间有一定的空隙,坚硬的石子可能落入缝内,夏天混凝土受热膨胀空隙变小,石子易将梁端挤碎,也会造成局部破损。
3.1.2维修方案:
拆除原有伸缩缝的填充材料,按图2的新构造详图进行施工。
具体施工方法如下:
A.基层处理
将伸缩缝两边各宽约40㎝范围内的铺装层混凝土凿除并用高压水枪清洗干净,按每平米1.5公斤的用量涂刷两遍优止水(第一遍每平米涂1公斤,第二遍每平米涂0.5公斤)。调正原预埋螺栓锚筋及露出的桥面钢筋。
B.伸缩缝做防水处理作法:
a 用小扁凿凿除旧的填缝料,用钢丝刷清理缝壁,并清理干净缝内尘土。
b 用水盾防水胶底漆涂刷缝壁。
c 在缝的两侧路面上各撒一层石粉(或用石灰水涂刷),防止灌填接缝材料时污染路面。凿挖或钻成埋置螺栓用的锚筋孔,并预先埋好锚筋。锚筋孔的直径应比锚筋大5mm,锚筋必须埋设牢固,在孔内灌注调和好的立止水,使其不易拔出。
d 缝的下部可填 25mm-30mm高的泡沫塑料嵌条。
e 用水盾防水胶面漆灌缝,缝顶部须留有5mm膨胀空间。
注意事项:
预埋的螺栓必须位置正确,牢固,并涂刷FP阻锈剂两道。
安装橡胶板伸缩缝,使橡胶板平正,坚实。
按图2浇筑铺装层经硅粉外加剂改性的高强混凝土,混凝土标号应比原有路面混凝土的标号高一个等级。为维持通车,可分半幅桥面进行,也可在伸缩缝上架设跨缝设施。
3.2 T型梁间纵向接缝反硷,翼板下混凝土表层疏松、掉块,部份区域混凝土大面积剥落,钢筋外露锈蚀。
3.2.1病害原因:
由于桥面两片梁纵向接缝处渗水或雨水沿T型边梁外侧流淌渗入混凝土结构内引起钢筋锈蚀,导致混凝土结构开裂、破碎,钢筋外露,开裂后雨水和化冰盐更容易进入结构内,反过来加快了钢筋的锈蚀过程和受冻融破坏的程度,使得病害更加严重,造成翼板下缘大面积破损。碱骨料反应也是病害原因之一,碱骨料反应的结果使水泥骨料表面发生膨胀,导致混凝土结构开裂破碎,加快了钢筋锈蚀,而水的渗漏是碱骨料反应的必要因素和促进因素。
3.2.2维修方案:
T型梁间接缝处的裂缝应采取防治结合的原则进行治理,根据桥面铺装层破损情况选择修复方法:
a彻底修复:
全面清理T型梁接缝处的铺装层,清洗干净按如下做法修铺。
i.  T型梁间的缝隙用立止水封堵;
ii. 在缝隙上涂刷两道宽度为20cm柔性优止水,并加设增强纤维网,涂层总厚度应不小于1.6毫米;
iii.在其它结构层表面按每平米1.5公斤的量分两遍涂刷优止水并养护24小时;
iv. 在优止水涂层表面按每升4平米的量涂刷水盾底漆;
按每升1平米的量分两道涂刷水盾面漆,然后用细沙作保护层;进行桥面铺装。桥面下缝隙修补见下述局部修复。
b.局部修复:
将T梁伸缩缝隙处破损的混凝土彻底凿除,露出混凝土新鲜表面。钢筋锈蚀处用钢刷除锈剂后涂刷两道FP阻锈剂。在新鲜的混凝土表面用UP2000进行修补。边梁外侧及梁体破损的修补方法:解决排水以疏通为主,使桥面排水通畅,采取相应的构造修补措施。
c.有序排水防止雨水沿桥边梁外侧自由外溢。具体构造图4:
d.T型梁局部破损处按局部修复方式进行修复。
3.3 桥面排水管周围反碱,混凝土破碎严重。
3.3.1 病害原因:

由于排水管外径与混凝土接触面受管材和混凝土热胀冷缩系数不同等因素影响,使其在接触面形成缝隙,造成渗水,破坏了周围的混凝土结构。另外由于常年雨水和气中的二氧化碳等有害化学成分的侵蚀,造成混凝土结构破坏使排水管周围的破损日益加重。
3.3.2维修方案:
a.桥面与排水管间的缝隙修补:
  沿管的圆周开2 cm×2cm的槽;
  用水盾面漆填充管口周围所开的槽,但注意不要全部填满,留出1cm高的空间。
b.用清水把立止水调和成腻子状,填充管口周围槽的剩余的空间;
c.排水管周围混凝土破损处修补方法见前述局部混凝土破损修复方法。
3.4 横向拉结肋梁金属连接件锈蚀.
3.4.1病害原因:
由于雨水影响导致金属连接件锈蚀,使其体积增大并导致混凝土开裂。而开裂又使得水、二氧化碳和化冰盐更容易进入到混凝土结构内部,加速了钢结构的锈蚀过程。
3.4.2 维修方案:
 A.以除锈为主,首先凿除破碎处,将暴露锈蚀的钢筋和金属连接件用钢刷彻底清理表面,涂刷两道FP阻锈剂作除锈处理。
 B.然后用UP2000结构修补剂修补破损处。
3.5 沿T型梁腹板下沿纵向劈裂.
3.5.1病害原因:
 受力钢筋因雨水渗透、化冰盐侵入和空气中的二氧化碳和其它有害化学物质的侵蚀等多种因素引起锈蚀,导致梁下部混凝土钢筋覆盖层)开裂破碎,钢筋暴露。混凝土受损后,雨水、化冰盐等更容易进入混凝土内部,进一步加重病害的发生。
3.5.2维修方案:
A.凿除全部破损和松动的混凝土,将暴露锈蚀的受力钢筋用钢刷彻底清理干净,涂刷两道FP阻锈剂作除锈处理。
B.用UP2000结构修补剂修补破损处。
4桥梁表面保护涂装
桥梁病害处维修工作完成后,在整个桥梁表面使用防水密封剂和涂装材料有很多意义。首先,可以减少混凝土中电解液的含量,减少被修补区域(阴极)和未修补区域(阳极)间的电位差,从而降低锈蚀速度。事实证明,影响桥梁混凝土结构的水主要来源于降雨,因此对钢筋混凝土桥梁进行防水是降低钢筋锈蚀速度的基本手段。其次,保护密封剂和涂装材料还可以减少氧气的渗透,减缓混凝土炭化反应的进程。第三,保护密封剂和涂装材料能有效地抵御化冰盐、空气中的二氧化碳和其它有害化学物质对混凝土结构的侵蚀,延缓各类病害发生发展的速度。总之,仅仅对病害处进行维修而不采取必要的保护措施对整个结构进行保护,不能彻底地解决混凝土的病害问题,例如八里台立交桥维修后不到一年时间,已有多处钢筋锈蚀而造成混凝土开裂。要想延长混凝土桥梁的使用寿命,延长维修周期,节省维修成本,必要的保护措施是必不可少的。
在保护钢筋混凝土桥梁方面,聚合物改性水泥基材料ADEX涂装体系表现出卓越的性能。
ADEX柔性水泥涂装体系由N型(NIVELEX)底涂材料、玻璃纤维增强网、R型(REVIFLEX)面涂材料组成,它具有良好的弹性和可弯曲性能,与混凝土基层的兼容性良好、耐摩擦性优异,同时成本不高,是混凝土结构保护的首选材料。
5 结论
桥梁维护是一项系统工程,首先要进行系统的病害调查,弄清混凝土病害的真正状况,在对病害产生的原因进行正确诊断分析的基础上,配合科学合理的设计和维修材料的选择及正确使用。严格按照施工程序控制施工质量,可大大延长维修周期,提高混凝土的耐久性,延长桥梁的使用寿命。
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