混凝土橋梁病害診治與修復加固
2011-07-01 來源：畢業(yè)論文網(wǎng)
1. 前言
混凝土橋梁是我國交通基礎設施中的重要組成部分。但長期以來,工程界對混凝土橋梁的病害問題未能給予足夠的重視。人們普遍認為,廣泛分布于鐵路、公路的大量混凝土橋梁可以長期服役,無需維護。然而隨著使用時間的推移,尤其是隨著各種重型車輛、工程用重型運輸車的不斷出現(xiàn),公路橋梁負荷日趨加重,加之舊橋部分老化、破損或受原設計標準的限制,不少混凝土橋梁由于耐久性不足最終導致結構失效,有相當數(shù)量的混凝土橋梁損壞嚴重,或處于超期運營狀態(tài)。若不重視橋梁病害的診治,不采取有效的修復加固措施,任其發(fā)展,必將對橋梁安全性構成威脅。
2. 混凝土橋梁病害診治技術
混凝土橋梁病害診治技術即檢測評估技術,借助各種現(xiàn)場檢測設備,對混凝土結構進行由表及里的檢查,再結合必要的實驗室分析,給出混凝土結構的“體檢”結果。主要內容有:裂縫調查及原因分析,混凝土強度測試、鋼筋銹蝕狀況檢測、混凝土中性化狀況測試、劣化混凝土巖相及化學分析、混凝土表層滲透性等?，F(xiàn)分述如下:
（1）裂縫調查及原因分析。混凝土裂縫最容易成為水分滲入導致鋼筋銹蝕的通道。對裂縫的調查是現(xiàn)場檢查的重點內容之一,主要包括裂縫位置、長度、走向、形狀、寬度、深度等,還應設法了解結構開裂時間、發(fā)展過程。
除直接觀察外,可以使用儀器確定裂縫的寬度及深度。如帶光源的刻度放大鏡能準確量出裂縫寬度,熟練的操作者可用超聲儀檢測裂縫的深度。
根據(jù)上述情況,首先把裂縫分為受力裂縫、非受力裂縫兩大類。對前者,可根據(jù)相應的規(guī)范進行處理;對后者,大多與結構耐久性有關,即使現(xiàn)在對承載能力沒有影響,但必須考慮對結構長期使用過程中與外界接觸時的交互影響。引起非受力裂縫的原因較多,可從材料、施工、使用與環(huán)境等方面加以考慮。一些常見的此類裂縫有:塑性混凝土階段開裂,溫度裂縫,收縮裂縫,鋼筋銹蝕導致開裂等。
（2）混凝土強度測試。有關混凝土強度現(xiàn)場測試的方法較多。無損檢測法有超聲法、回彈法及超聲-回彈綜合法等。這些方法往往與取芯法破型試驗直接得到的強度值綜合起來,作為所測結構混凝土強度的判斷。
（3）鋼筋銹蝕狀況檢測。由于混凝土內埋置鋼筋的銹蝕,混凝土開裂導致的構件承載力不足引起的結構耐久年限降低這個問題,是影響混凝土橋梁耐久性最主要因素之一。引發(fā)橋梁混凝土內鋼筋銹蝕的主要原因有二:一是混凝土碳化,二是CL-侵蝕。尤其是建造于跨海、海岸或臨海的鋼筋混凝土及預應力混凝土橋梁,由于環(huán)境介質中的氯離子侵蝕,容易導致鋼筋銹蝕、保護層脫落,進而影響橋梁整體耐久性和安全性,在世界范圍內此類現(xiàn)象屢見不鮮。
（4）混凝土中性化狀況測試。正常狀態(tài)下,混凝土的高堿性是鋼筋最好的保護措施,但當遇到酸侵蝕時,混凝土將失去堿性,保護層下的鋼筋也將脫鈍。最常見的情況是因空氣中的二氧化碳引起的碳化。目前檢測碳化深度常用酚酞的酒精溶液的顯色試驗。
此外,可用鋼筋定位儀測試鋼筋的保護層厚度,若碳化深度已達鋼筋表面,常導致鋼筋銹蝕。
（5）劣化混凝土巖相及化學分析。通過巖相分析可觀察混凝土內部裂隙情況、骨料巖相結構等。特別是對判斷是否存在堿-骨料反應具有重要意義。
化學分析可給出混凝土自表面向內部的CL-離子分布曲線、K?2O及Na?2O含量分布曲線、SO42-含量分布等。這些結果對判斷混凝土病害的深層原因十分有用。例如當混凝土中CL?-含量超標,或使用環(huán)境中有CL?-侵蝕,則極易引起鋼筋脫鈍,發(fā)生嚴重銹蝕。
（6）混凝土表層滲透性測試?；炷恋哪途眯栽谙喈敵潭壬先Q于其自身滲透性的好壞,因為外界有害物質,如鹽、堿、SO42-皆會滲入混凝土內部導致一系列病害,所以混凝土表層的滲透性構成了其耐久性的第一道防線。
在實驗室有許多種方法檢測混凝土的滲透性,如用水做滲透時有穩(wěn)態(tài)流動法和滲透深度法。還有CL擴散系數(shù)來評價混凝土滲透性的,但上述方法均不便于直接用于現(xiàn)場檢測。為此,國家工業(yè)建筑診斷與改造工程技術研究中心進行了現(xiàn)場專用的GGT滲透性測試儀和GWT滲水性測試儀。
GGT（Germann’s Gaspermeability Test）測試儀可對已完工的混凝土結構進行CO 滲透,檢測表面層的孔隙率?；炷帘韺拥臐B透性與其空隙相關,其值可通過傳感器測的壓力及參數(shù)曲線確定。
GWT（Germann’s Waterpermeability Test）測試儀在使用中,通過在混凝土表面施加水壓力,用水的滲透性來評價被檢測表面的深水特性。并可檢測接頭處的防水性,或用混凝土表面設置防水保護層前后進行表面檢測。
3. 混凝土橋梁耐久性修復及防護技術
當混凝土橋出現(xiàn)病害后,先對病害的程度進行評估,若危及承載能力,則需進行加固處理;
若目前尚未對承載能力構成威脅,為防止病害進一步發(fā)展,必須進行耐久性修復和維護。
3.1 裂縫修補?？紤]結構防水性、耐水性要求進行裂縫修補的準則,主要根據(jù)裂縫寬度極限并綜合考慮裂縫深度、型式以及結構使用環(huán)境進行確定。
裂縫修補的方法主要有:表面處理法、注入法、充填法及其它法。修補材料主要有樹脂類材料和水泥基材料兩類。國內已有多個廠家生產注漿材料和灌縫機具。國家工業(yè)建筑診斷與改造工程技術研究中心引進的發(fā)泡環(huán)氧樹脂灌縫材料,利用樹脂膨脹產生的壓力自動灌縫,凝結后樹脂可隨裂縫變化而改變形狀,特別適用于灌注“活縫”。
3.2 鋼筋銹蝕損壞修復。傳統(tǒng)上對鋼筋銹蝕引起的開裂、起鼓等采取的是“打補丁”的方法,即局部鑿除
的混凝土,露出銹蝕鋼筋,除銹后抹上水泥砂漿。我們在實際工程中多次發(fā)現(xiàn)這種修復方法失效,給補丁四周的混凝土帶來嚴重的銹蝕問題,特別是有氯離子浸蝕的環(huán)境,此種情況屢見不鮮。究竟原因,是修補區(qū)域鄰近會形成新的陽極區(qū),其中的鋼筋腐蝕后可能會將原修好的區(qū)域脹裂。
近來,國外開發(fā)了一種新的修復技術,在結構表面涂上一層遷移型有機阻銹劑,它可以通過混凝土遷移到鋼筋表面,取代氯離子,使鋼筋再鈍化。也可結合傳統(tǒng)的局部修補技術,在鑿開局部混凝土后,直接涂覆于混凝土基面,依靠其分子的遷移作用,使修補處鋼筋背面和附近區(qū)域的鋼筋再鈍化,從而顯著提高保護效果。此種有機阻銹劑在美國有Cortec公司的MCI系列產品,在國內已經(jīng)使用;在歐洲有意大利TECNOCHEM公司開發(fā)的Mucis系列阻銹劑及含此類阻銹劑的修復砂漿,在歐洲多座橋梁的耐久性修復中表現(xiàn)良好。
3.3 堿-骨料反應病害的修復。 堿-骨料反應是混凝土內部的堿（K?2O及Na?2O）與活性骨料在水分供應充足的條件下發(fā)生的反應,反應產物為堿-硅凝膠,遇水膨脹,引起混凝土嚴重開裂。在素混凝土中,多為網(wǎng)狀裂縫;有鋼筋約束時,常表現(xiàn)為順筋開裂。一般采取隔絕外界水源的辦法予以解決。用硅烷涂層處理混凝土表面,使混凝土表面憎水,同時混凝土內部水蒸氣又可向外散發(fā),可在短期內降低混凝土內部濕度,從而顯著延緩堿-硅反應的發(fā)生。但對大體積混凝土,因混凝土內部的濕度可保持很長時間,這種方法不太合適。
3.4 混凝土表面防護技術?；炷帘砻娣雷o技術是提高混凝土耐久性的措施之一?；炷猎S多許多耐久性病害,其破壞機制各不相同且作用機理復雜,但破壞程度都與混凝土的物質傳輸能力有關,受混凝土滲透性影響很大。表面防護處理,能改變混凝土結構面層的性質,顯著提高耐久性。
4. 混凝土橋梁常用加固技術
4.1 橋面補強層加固法。 當采用這種方法時,須將原橋面鋪裝全部鑿除或鑿毛,然后加鋪一定厚度的補強層,以增大主梁有效高度及改善橋梁荷載橫向分布能力,從而提高單梁承載能力或橋梁結構整體承載能力。
4.2 增大截面與配筋加固法。增大截面與配筋加固法,是通過構件截面面積或配筋率以提高鋼筋混凝土梁的強度、剛度、穩(wěn)定性的加固方法。該方法一般采用在梁底面或側面加大尺寸,增配主筋,以提高主梁截面的有效高度,從而達到提高橋梁承載能力的目的。在施工質量可靠的情況下,該技術的加固效果是比較理想的,并且?guī)缀醪恍枰笃陴B(yǎng)護。然而,由于增大截面法在施工過程中全部的作業(yè)需要在梁底進行,施工難度較大,且施工質量難以控制。
4.3 體外預應力加固法。體外張拉預應力束加固法,是加固效果最明顯而施工工藝最為復雜的加固方法。該方法的有點是,可在不增加橋梁自重的前提下,有效增加加固厚主梁的抗彎剛度并大幅度提高主梁的承載能力,從而降低了墩臺基礎的加固量。同時,在合理安排施工流程的情況下,該方法可最大限度地減少對橋上交通的影響,甚至可以在有限開放交通的情況下,組織施工。但是該方法最大的缺點是加固后體外預應力束容易腐蝕。
4.4 粘貼鋼板加固法。粘貼鋼板加固法,是用粘接劑和錨栓將鋼板粘貼錨固于混凝土結構受拉面或其它薄弱部位,使鋼板與加固混凝土結構形成整體,以達到提高結構承載能力的目的。該方法具有基本不改變原結構的尺寸,施工簡單,技術可靠,短期加固效果好,且工藝成熟等優(yōu)點。然而,由于粘貼鋼板加固后均須進行必要的表面防護,如環(huán)氧砂漿或水泥砂漿保護層,鋼板的銹蝕程度較難估計,降低了加固構件的可靠性,增加了加固橋梁的后期養(yǎng)護費用。
4.5 改變結構受力體系加固法。改變受力體系,是通過改變橋梁結構受力體系達到提高結構整體承載能力的目的,是一種變被動為主動的加固方法。該方法須對原結構的受力狀況進行仔細的現(xiàn)場調查與分析,并對轉換后的橋梁結構進行可靠的受力分析,最終確定橋梁結構承載能力的提高幅度是否滿足規(guī)定交通荷載等級的需要。該加固方法的技術關鍵是如何有效降低橋梁各控制截面的計算內力。該技術的難點在于相鄰梁端負彎矩區(qū)的處理問題。
4.6 增設主梁加固法。這種方法投資較大,且存在一個新舊橋梁的銜接問題,在車輛荷載作用下,橋面鋪裝層往往出現(xiàn)沿銜接面方向的通縫,一般很難根治,須對橋面鋪裝進行反復的修補,不但增加了后期養(yǎng)護的費用,也影響了行車的平穩(wěn)性。
4.7 錨噴混凝土加固法。錨噴混凝土加固法,是從隧道施工中轉化而來的加工方法,主要用于因支點截面尺寸小而導致的抗剪強度不足的混凝土梁的加固維修。在確保新舊混凝土粘結質量可靠的前提下,錨噴混凝土加固可明顯增大主梁剛度,有效提高結構的耐久性,而后期幾乎不需要養(yǎng)護費用。
4.8 增加橫向聯(lián)系加固法。該方法是通過增設橋梁橫向聯(lián)系,以改善上部結構的荷載橫向分布規(guī)律,從而達到提高結構整體承載能力的加固方法。一般用于無內橫梁或少于內橫梁的T形截面及工字形截面梁式橋,工程上常在相鄰主梁間增設現(xiàn)澆混凝土橫梁或鋼梁來提高橫向抗彎剛度。該技術的缺點是會對原結構造成一定程度的損傷,對于配筋為復雜的區(qū)域或構件,不宜采用該方法加固設計,以免增加加固后的安全隱患。
4.9 粘貼碳纖維布加固法。粘貼碳纖維片是幾年興起的新型結構加固技術。碳纖維增強復合材料上一種性能優(yōu)良的混凝土結構加固材料,它具有強度高、密度小、耐腐蝕、抗疲勞等優(yōu)點。該技術是將碳纖維這種高性能纖維應用于土木工程,利用樹脂類材料把碳纖維布或板材粘貼于混凝土結構或構件表面,形成復合材料,通過碳纖維布與結構的協(xié)同工作,達到對結構補強加固及改善受力性能的目的。該方法施工方便,對原結構無損傷且施工質量易于保證,幾乎無需后期維修養(yǎng)護。同時,從美觀角度,碳纖維復合材料加固層厚度很薄,基本不改變原結構的設計尺寸,適用于對景觀要求較高地區(qū)的橋梁。
5. 結束語
橋梁檢測與加固技術的應用,不但能起到確保橋梁安全運營、延長橋梁使用壽命的作用,同時通過早期橋梁病害的發(fā)現(xiàn),及時對病害進行處治和結構加固,以保證橋梁具有可靠的承載能力和正常使用能力。
參考文獻
[1] 交通部（JTGD60-2004）公路橋涵設計通用規(guī)范。北京 人民交通出版社,2004
[2] 交通部 公路舊橋承載能力鑒定方法（試行）。北京人民交通出版社,1997
[3] 交通部（JTGH11-2004）公路橋涵養(yǎng)護規(guī)范。北京人民交通出版社,2004
[文章編號]1006-7619（2010）06-08-525
[作者簡介] 李大中（1969.11-）,男,1992年7月畢業(yè)于北京建筑工程學院土木工程系道橋專業(yè),本科,工學士學位。工作單位是河南省新鄉(xiāng)市高等級公路管理處,工程師,長期從事公路工程施工、養(yǎng)護工作。
