天津?yàn)I海地區(qū)橋梁混凝土耐久性劣化模式研究

□文/王春陽 李志國

天津?yàn)I海地區(qū)橋梁混凝土耐久性劣化模式研究

□文/王春陽 李志國

混凝土耐久性設(shè)計(jì)方法研究正在醞釀和摸索過程中。天津地處渤海沿岸，是我國重要的北方港口城市，混凝土工程耐久性問題會影響工程質(zhì)量和使用壽命，進(jìn)而影響整個城市和地區(qū)地發(fā)展。文章在調(diào)查研究基礎(chǔ)上，結(jié)合國內(nèi)外關(guān)于混凝土耐久性設(shè)計(jì)的研究成果，參照CCES01—2004《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)與施工指南》和DB/T 29—165—006《天津市鋼筋混凝土橋梁耐久性設(shè)計(jì)規(guī)程》并根據(jù)天津?yàn)I海地區(qū)的地理氣候條件，提出了天津地區(qū)混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕現(xiàn)狀以及環(huán)境特點(diǎn)，分析總結(jié)了不同的混凝土耐久性劣化模式。

耐久性；濱海地區(qū)；橋梁；混凝土；劣化

天津?yàn)I海地區(qū)平均海拔≤5 m，地下水埋深≤2 m，地下、環(huán)境水中各種鹽類含量較高；海風(fēng)海水海浪及土壤和地下水環(huán)境常常對橋梁鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重的侵蝕。由于天津?yàn)I海地區(qū)地處北方，有雨雪和除冰鹽凍害環(huán)境。故天津?yàn)I海地區(qū)是我國鋼筋混凝土耐久性環(huán)境因素最復(fù)雜地區(qū)。

本項(xiàng)研究是針對天津?yàn)I海地區(qū)的環(huán)境類型，結(jié)合渤海沿岸地區(qū)公路橋梁工程建設(shè)項(xiàng)目，開展濱海地區(qū)腐蝕環(huán)境調(diào)研，區(qū)分腐蝕類別，確定腐蝕等級，為進(jìn)行耐久性設(shè)計(jì)，提出天津?yàn)I海地區(qū)橋梁混凝土的腐蝕模式并對天津?yàn)I海地區(qū)橋梁混凝土耐久性設(shè)計(jì)提出建議。

1　天津?yàn)I海地區(qū)氣候環(huán)境及凍融次數(shù)

從文獻(xiàn)［1］和香港天文臺的氣象數(shù)據(jù)，得到天津和其他城市的氣象資料，見表1。

表1　天津及其他城市的氣象資料

續(xù)表1

從表1可以看出，天津有5個月的平均最低氣溫低于-5℃。采用香港天文臺30 a數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，天津月均最低氣溫低于-3℃，月均最高氣溫高于3℃有3～5月，屬寒冷地區(qū)。依此本文認(rèn)為天津?yàn)I海地區(qū)工程結(jié)構(gòu)表面的年理論“正負(fù)溫循環(huán)次數(shù)”約為105次/a，而不采用文獻(xiàn)［2］和［3］的假定。同理，“正負(fù)溫循環(huán)”沈陽地區(qū)95次/a，哈爾濱地區(qū)85次/a。

但考慮到實(shí)際工程中，混凝土內(nèi)毛細(xì)孔水產(chǎn)生“有效凍結(jié)破壞作用溫度”在-10～-15℃；混凝土內(nèi)毛細(xì)孔水融化，混凝土表面溫度至少要達(dá)到5～8℃，而且要有足夠的時間（t≥3～5 h），才能保證混凝土表面30～50 mm范圍內(nèi)的混凝土毛細(xì)孔水融化。同時，進(jìn)行混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)，必須考慮混凝土凍融循環(huán)中最低凍結(jié)溫度。因此本文建議：當(dāng)考慮100 a設(shè)計(jì)使用壽命時，可取天津地區(qū)混凝土凍融循環(huán)次數(shù)為3次/a，沈陽地區(qū)混凝土凍融循環(huán)次數(shù)為3.5次/a，哈爾濱地區(qū)混凝土凍融循環(huán)次數(shù)為4.0次/a，青藏高原地區(qū)混凝土凍融循環(huán)次數(shù)為4.5次/a并依此按“快凍法的循環(huán)次數(shù)”進(jìn)行抗凍耐久性設(shè)計(jì)。

2　天津?yàn)I海地區(qū)的水土環(huán)境

本研究按JTJ 064—1998《公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》和GB/T50123—1999《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，對天津?yàn)I海地區(qū)進(jìn)行了調(diào)查研究，結(jié)果見表2和表3，文獻(xiàn)的數(shù)據(jù)見表4［3］。

表2　天津?yàn)I海地區(qū)（塘沽）地下水質(zhì)調(diào)研結(jié)果mg/L

表3　天津?yàn)I海地區(qū)（漢沽）地下水質(zhì)調(diào)研結(jié)果mg/L

表4　天津?yàn)I海地區(qū)地下水質(zhì)調(diào)研結(jié)果［1］mg/L

表2-表4表明，［SO42-］≤4 000 mg/L；［Cl-］≤60 000 mg/L；［Mg2+］≤4 000 mg/L；可見天津?yàn)I海地區(qū)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)均存在復(fù)合鹽類腐蝕環(huán)境。漢沽地區(qū)地下水的氯離子侵蝕基本為D級；塘沽地區(qū)地下水的離子侵蝕濃度普遍高于漢沽地區(qū)，作用等級應(yīng)為E級［4］。

3　天津?yàn)I海地區(qū)橋梁工程混凝土材料及結(jié)構(gòu)破壞狀況

對天津?yàn)I海、秦皇島、黃驊、山東東營等環(huán)渤海地區(qū)橋梁工程進(jìn)行不連續(xù)考察。發(fā)現(xiàn)橋梁工程混凝土耐久性破壞的普遍性：

1）破壞最為顯著的是20 a齡期以上的混凝土橋梁工程，鋼筋銹蝕導(dǎo)致混凝土砂漿保護(hù)層開裂、脫落現(xiàn)象較為普遍；

2）有部分鹽池、鹽堿地等工程環(huán)境中的混凝土構(gòu)件，有明顯的鹽結(jié)晶破壞和鹽腐蝕破壞現(xiàn)象，如天津開發(fā)區(qū)及天津?yàn)I海地區(qū)的水泥混凝土電桿的腐蝕破壞；

3）與水接觸的部分，有受凍剝落的跡象，但不是十分明顯；鹽池中與水接觸的部分有十分嚴(yán)重的剝落、碎裂式的破壞；分析認(rèn)為應(yīng)屬鹽結(jié)晶、鹽腐蝕、鹽凍復(fù)合型破壞；

4）在橋梁接縫處或橋面滲漏處，明顯看出由于上部滲漏導(dǎo)致的腐蝕。分析認(rèn)為是除冰鹽造成的鹽結(jié)晶、鹽腐蝕、鹽凍破壞。

4　天津?yàn)I海地區(qū)橋梁混凝土耐久性劣化模式

對于天津?yàn)I海地區(qū)的橋梁工程而言，其所處的耐久性環(huán)境基本符合以下3種類型。

1）模式1：淡水海水凍融和鹽凍環(huán)境。

2）模式2：鹽結(jié)晶破壞和鹽腐蝕環(huán)境。

3）模式3：海風(fēng)、海浪和海水鋼銹環(huán)境。

橋梁結(jié)構(gòu)耐久性劣化模式，按文獻(xiàn)［4］分類見圖1。

圖1　橋梁混凝土的耐久性破壞

4.1凍融和鹽凍引起的混凝土破壞模式

天津?yàn)I海地區(qū)的橋梁工程環(huán)境中也存在淡水海水凍融和鹽凍破壞模式（模式1）。這種環(huán)境，對橋梁工程中的混凝土?xí)斐蓛鋈谘h(huán)和鹽凍型的損傷破壞。

4.1.1凍融循環(huán)

當(dāng)混凝土與淡、海水接觸時，混凝土中毛細(xì)孔可快速吸水飽和。在負(fù)溫條件下，由于混凝土中毛細(xì)孔水結(jié)冰，體積增大9%，將激起靜水壓力，導(dǎo)致毛細(xì)孔脹裂。凍結(jié)-融化反復(fù)作用造成的混凝土凍融循環(huán)的破壞模式。

混凝土受凍破壞的原理中水分結(jié)冰膨脹和相伴的水分遷移，受到滲透壓的作用和影響。當(dāng)水分中含有鹽份時，水分的遷移和擴(kuò)散加劇。凍融循環(huán)破壞作用會顯著被惡化。

混凝土凍融循環(huán)造成的損傷破壞，主要取決于混凝土的飽水程度、凍融循環(huán)次數(shù)、最低凍結(jié)溫度等。通過摻加引氣劑、減小水灰比、提高混凝土強(qiáng)度等級，可改善混凝土抗凍性。

根據(jù)天津港灣研究所、東北勘測設(shè)計(jì)研究院、哈爾濱低溫所和哈爾濱建筑工程學(xué)院早期內(nèi)部研究資料，天津?yàn)I海地區(qū)年“最大正負(fù)溫循環(huán)次數(shù)”為105次/a。比哈爾濱的年正負(fù)溫次數(shù)（85次/a）高，但天津最低負(fù)溫t≥-15℃，哈爾濱負(fù)溫t≤-30℃，故凍融損傷程度不如哈爾濱嚴(yán)酷。

4.1.2鹽凍作用

鹽凍作用是指在負(fù)溫條件下鹽水對混凝土的凍融破壞作用。通常情況下，氯鹽對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕主要是通過鋼筋銹蝕形成的；而鹽凍作用是氯鹽對混凝土本體形成的凍融損傷作用。

對于橋梁工程而言，鹽凍作用通常是由于冬季雨雪天噴灑化冰鹽水造成的，當(dāng)?shù)叵滤新入x子含量較高時，也可能造成鹽凍破壞。鹽凍破壞和普通的混凝土凍融破壞在原理上并沒有本質(zhì)的區(qū)別，破壞的形態(tài)也相同，但鹽凍作用更為嚴(yán)酷，因?yàn)槁入x子的存在加速了凍融破壞的進(jìn)程?？梢哉J(rèn)為鹽凍破壞是混凝土凍融破壞的一種特殊形式。凍融伴隨著鹽的作用，混凝土破壞的進(jìn)程將大大加速：

1）鹽水增大了毛細(xì)孔中水的飽和程度，飽和程度越高，冰脹壓力越大；

2）鹽水中水分凍結(jié)后，鹽分自身結(jié)晶將產(chǎn)生結(jié)晶壓力；

3）鹽使冰雪融化時吸收大量的熱，使冰雪覆蓋下的混凝土的溫度劇烈下降，造成“冷沖擊”，導(dǎo)致更加嚴(yán)酷的凍融作用。

鹽凍作用的強(qiáng)烈程度同樣受到鹽水濃度的影響，如果以NaCl為鹽凍介質(zhì)，當(dāng)其濃度為4%時，能較大幅度地增大混凝土中孔隙的飽水程度，卻不能使水的冰點(diǎn)有大幅度下降，此時混凝土的鹽凍損傷作用最為強(qiáng)烈。

在天津?yàn)I海地區(qū)的大量調(diào)查結(jié)果表明［5］，如果橋面防水功能不良，由于橋面水下滲，泄水孔外壁縫隙下沿、梁的翼板下沿、腹板水流經(jīng)處以及蓋梁頂部等處，經(jīng)常處于潮濕狀態(tài)，為除冰鹽結(jié)晶及鹽凍破壞提供了條件。

4.2鹽結(jié)晶及硫酸鹽、鎂鹽腐蝕引起的混凝土破壞模式

天津?yàn)I海地區(qū)的橋梁工程環(huán)境中也存在“鹽結(jié)晶及硫酸鹽、鎂鹽腐蝕破壞模式”（模式3）。這種環(huán)境，對橋梁工程中的混凝土?xí)斐甥}結(jié)晶和鹽腐蝕型的破壞。

4.2.1鹽結(jié)晶

總結(jié)長期工程考察經(jīng)驗(yàn)，天津?yàn)I海地區(qū)大量存在鹽結(jié)晶破壞現(xiàn)象。這種鹽結(jié)晶作用，是材料中毛細(xì)孔的吸提作用，使鹽溶液被提升。普通混凝土毛細(xì)孔水吸提高度約300～600 mm；燒結(jié)粘土磚（實(shí)心紅磚）吸提約800～1 500 mm；天津市區(qū)的青磚墻體吸提高度約1 200～1 600 mm，極個別情況可達(dá)到2 500 mm。

被毛細(xì)孔吸提的鹽溶液，當(dāng)空氣濕度發(fā)生變化時，其中的水分會向環(huán)境中蒸發(fā)，使得毛細(xì)孔中的鹽溶液被濃縮。當(dāng)毛細(xì)孔中水分進(jìn)一步蒸發(fā)后，毛細(xì)孔中會產(chǎn)生鹽結(jié)晶現(xiàn)象。

4.2.2硫酸鹽腐蝕

硫酸鹽腐蝕混凝土的過程比較復(fù)雜，但總體上看，主要由硫酸鹽和Ca（OH）2反應(yīng)生成石膏（硫酸鈣）的過程以及石膏和水化鋁酸鈣反應(yīng)生成水化硫鋁酸鈣（AFt）生成的過程兩部分構(gòu)成，其中又包含了許多次生的過程。

無論是石膏還是高硫型硫鋁酸鈣的生成都會產(chǎn)生體積膨脹。初期生成的石膏將很快轉(zhuǎn)化為硫鋁酸鈣，發(fā)生體積膨脹。當(dāng)SO42-含量較高時，石膏生成后不能迅速和水化鋁酸鈣反應(yīng)，就形成硫鋁酸鈣和石膏混合腐蝕。生成二水石膏和鈣礬石后的體積分別增大1.24倍和1.5倍，隨著石膏和鈣礬石的不斷形成，在內(nèi)部可產(chǎn)生高達(dá)240 MPa的巨大膨脹壓，足以造成混凝土的開裂。

混凝土發(fā)生硫酸鹽腐蝕破壞表現(xiàn)的特征初期為表面發(fā)白，損害從棱角處開始，隨后裂縫開展并造成混凝土表面剝落，最終使混凝土表面成為一種易碎，甚至松散的狀態(tài)。硫酸鹽腐蝕的速度隨其溶液的濃度增大而加快。

美國建筑法規(guī)對不同硫酸鹽濃度下混凝土受腐蝕程度的分類如下：

1）土壤中硫酸鹽含量＜0.1%或水中SO42-濃度＜150 mg/L時，可認(rèn)為對混凝土沒有腐蝕作用；

2）土壤中硫酸鹽含量在0.1%～0.2%或水中SO42-含量為150～1 500 mg/L時，為中等腐蝕；

3）土壤中硫酸鹽含量在0.2%～2%或水中SO42-含量為1 500～10 000 mg/L時，為嚴(yán)重腐蝕；

4）土壤硫酸鹽含量超過2%或水中SO42-含量超過10 000 mg/L時，為非常嚴(yán)重腐蝕。

4.2.3鎂鹽腐蝕

當(dāng)硫酸鹽以硫酸鎂的形式存在時，不僅和水化鋁酸鈣發(fā)生反應(yīng)，還能和水化硅酸鈣發(fā)生反應(yīng)，造成更加嚴(yán)重的腐蝕作用。

這一反應(yīng)能進(jìn)行得很完全，不斷地促使水化硅酸鈣分解。CaSO4·2H2O和Mg（OH）2可同時造成膨脹破壞，故鎂鹽腐蝕，屬于比較嚴(yán)重的雙重腐蝕。

4.2.4復(fù)鹽及鹽漬作用

天津?yàn)I海地區(qū)的地質(zhì)層系海泥長期淤積形成，富含多種鹽離子，屬于鹽堿土水環(huán)境。硫酸鹽腐蝕、鎂鹽腐蝕、氯鹽腐蝕會交互作用。不僅如此，對于某些低洼區(qū)域，甚至?xí)嬖谟捎谒萏幩终舭l(fā)，導(dǎo)致的鹽水濃縮現(xiàn)象。這種現(xiàn)象，如同曬鹽一樣的原理，故土壤中或土壤地下水中的各類鹽及離子濃度，高得出奇?？辈鞓O易發(fā)現(xiàn)，在旱季由于水分蒸發(fā)，土壤中鹽份可以通過毛細(xì)孔上升，留在地表；而存水處的水分蒸發(fā)，又使鹽濃縮結(jié)晶。從而在地表產(chǎn)生白色鹽霜或鹽殼，表層土中SO42-濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于6 000 mg/L。

綜上述，天津?yàn)I海地區(qū)高鹽含量，存在鹽結(jié)晶及硫酸鹽、鎂鹽、氯鹽等腐蝕作用；鹽結(jié)晶及硫酸鹽、鎂鹽以及氯鹽的綜合作用，會使鋼筋混凝土遭受嚴(yán)重破壞。

4.3氯鹽引起的鋼筋銹蝕破壞模式

天津?yàn)I海地區(qū)的橋梁工程環(huán)境為“風(fēng)、海浪和海水鋼銹環(huán)境”模式3。這種環(huán)境中的鹽霧、鹽溶液或鹽結(jié)晶等氣、液和固體介質(zhì)中存在的氯鹽，大氣中的氧氣和潮濕的水汽，對橋梁鋼筋混凝土?xí)斐筛g型的破壞。

通常情況下混凝土中，堿度較高（ph≥12.5），鋼筋處于鈍化狀態(tài)，表面FeO層能有效阻止銹蝕繼續(xù)發(fā)生，反應(yīng)完成式（1）后停止。

混凝土結(jié)構(gòu)若處在模式3的環(huán)境下，Cl-在混凝土中運(yùn)動的驅(qū)動力主要有以下3種：

1）Cl-濃度差引起的擴(kuò)散作用；

2）水壓力差引起的滲透作用；

3）特殊條件下電勢差引起的遷移作用。

當(dāng)鋼筋周圍混凝土孔隙溶液中Cl-含量達(dá)到一定濃度時，Cl-就會與鋼筋表面的鈍化膜作用，使FeO中的Fe2+被激活，從而使鋼筋鈍化膜破壞，使鐵與氧、水繼續(xù)反應(yīng)，生成鐵銹。即在高堿度下，也能完成式（2）～（4）

生成的鐵銹Fe（OH）33H2O比原有被腐蝕鐵的體積增大6倍以上。這種銹蝕從點(diǎn)開始，逐步擴(kuò)展，最終形成大片的銹蝕，導(dǎo)致混凝土砂漿保護(hù)層開裂、剝落。

對天津地區(qū)橋梁結(jié)構(gòu)所處環(huán)境的分析可知，冬季化冰鹽環(huán)境是影響橋梁結(jié)構(gòu)耐久性的主要因素之一。由于橋面鋪裝層易損，防水功能下降，橋面水通過泄水孔縫隙、地袱與橋面間縫隙下滲，化冰鹽水將對梁的翼板、腹板，以及帽梁產(chǎn)生腐蝕。關(guān)于天津?yàn)I海地區(qū)受化冰鹽作用造成橋梁混凝土Cl-含量變化情況，本研究曾做過相關(guān)調(diào)查［4］，結(jié)果表明泄水孔附近混凝土中Cl-含量明顯高于其他部位并且Cl-沿保護(hù)層厚度由表及里呈遞減分布，這種現(xiàn)象顯然是化冰鹽水從橋面沿孔下滲造成的。

5　小結(jié)

1）天津?yàn)I海地區(qū)的淡水海水凍融和鹽凍環(huán)境對混凝土的破壞有以下3種作用形式：

（1）淡水對混凝土結(jié)構(gòu)的凍融循環(huán)（Ⅱ）；

（2）海水對混凝土的凍融循環(huán)（Ⅳ）；

（3）除冰鹽對混凝土的鹽凍作用（Ⅳ）。

2）天津?yàn)I海地區(qū)的鹽結(jié)晶破壞和鹽腐蝕環(huán)境對混凝土的破壞作用由以下4種作用構(gòu)成：

（1）靠毛細(xì)孔吸提產(chǎn)生的鹽結(jié)晶作用（V3）；

（2）海水浪濺作用產(chǎn)生的鹽結(jié)晶作用（V3）；

（3）除冰鹽滲透產(chǎn)生的鹽結(jié)晶作用（V3）；

（4）較高的含鹽量在混凝土內(nèi)部靠近表面處形成的結(jié)晶和聚集作用（Ⅴ3）。

3）天津?yàn)I海地區(qū)的海風(fēng)、海浪和海水鋼銹環(huán)境對混凝土的破壞作用由以下6種作用構(gòu)成：

（1）海水、地下水、除冰鹽滲透作用產(chǎn)生的砂漿保護(hù)層鹽類腐蝕作用（Ⅴ1）；

（2）氯鹽對混凝土中鋼筋的腐蝕作用（Ⅲ）；

（3）海水中SO42-、Mg2+的對水泥混凝土水化產(chǎn)物的化學(xué)腐蝕作用（Ⅴ1）；

（4）寒冷季節(jié)的凍融循環(huán)作用（Ⅱ）；

（5）浪濺區(qū)反復(fù)的干濕循環(huán)作用（Ⅴ3）；

（6）海浪和漂浮物的機(jī)械磨損和沖擊疲勞作用。

4）參照文獻(xiàn)［4］，天津?yàn)I海地區(qū)橋梁混凝土耐久性環(huán)境及作用等級見表4。

表4　天津?yàn)I海地區(qū)橋梁混凝土耐久性環(huán)境及等級

6　結(jié)論

對天津?yàn)I海地區(qū)的鋼筋混凝土橋梁工程，應(yīng)根據(jù)破壞模式考慮施工因素，按結(jié)構(gòu)部位進(jìn)行耐久性設(shè)計(jì)：即在橋面防水得到保證的前提下，將橋梁結(jié)構(gòu)分成上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)。上部結(jié)構(gòu)按Ⅲ-F進(jìn)行設(shè)計(jì)；下部結(jié)構(gòu)按Ⅱ-D、Ⅳ-E、V3-F進(jìn)行設(shè)計(jì)。

［1］劉蔭藩，古鳳才，王金明，等.天津沿海地區(qū)鋼筋混凝土電桿腐蝕原因探討及防腐研究［J］.化學(xué)工業(yè)與工程，1999，（1）：17-20.

［2］李曄，姚祖康，孫旭毅，等.鋪面水泥混凝土凍融環(huán)境量化研究［J］.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2004，32（10）：1408-1412.

［3］李金玉，鄧正剛，曹建國，等.混凝土抗凍性的定量化設(shè)計(jì)［A］.重點(diǎn)工程混凝土耐久性的研究與工程應(yīng)用［C］.2000.

［4］CCES01—2004，混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)與施工指南［S］.

［5］王春陽.基于劣化模式和結(jié)構(gòu)部位的橋梁混凝土耐久性設(shè)計(jì)及應(yīng)用研究.［D］.天津：天津大學(xué)，2007.

□李志國/天津大學(xué)建筑工程學(xué)院土木系。

U444

C

1008-3197（2016）02-70-04

2015-10-19

王春陽/男，1975年出生，高級工程師，天津市交通設(shè)施養(yǎng)護(hù)管理中心，從事工程材料研究工作。

□DOI編碼：10.3969/j.issn.1008-3197.2016.02.024