基于原位測試的現(xiàn)役鐵路混凝土橋梁耐久性評估

楊 炯

(中國鐵路上海局集團有限公司,上海 200071)

引言

鐵路橋梁在服役期間不僅承受列車的動力荷載,也會遭受腐蝕環(huán)境的侵蝕。碳化是混凝土結構在一般大氣環(huán)境中最為常見的耐久性問題,是造成混凝土結構內部鋼筋銹蝕的主要原因之一[1]。碳化對于混凝土材料本身性能的影響不大,甚至會因為碳酸鈣的生成使其內部孔隙細化,密實度增加[2]。然而,當碳化深度接近鋼筋表面時,碳化所引起的堿性降低會使得鋼筋表面的鈍化膜發(fā)生破壞,鋼筋銹蝕便會容易發(fā)生,從而造成鋼筋力學性能下降、鋼筋與混凝土間的黏結性能劣化,以及銹脹開裂等一系列問題,對混凝土結構的使用壽命產生巨大威脅[3]。

對于鐵路橋梁混凝土的耐久性研究,許多學者考慮不同的侵蝕因素,建立相關的耐久性預測模型,如基于試驗數(shù)據(jù)擬合得到的經驗模型、基于耐久性理論得到的數(shù)值模型等?？紤]碳化影響的鐵路橋梁剩余使用壽命預測的研究中,王春芬等均采用碳化壽命準則對各鐵路橋的剩余壽命進行預測[4-5]。考慮碳化引誘的鋼筋銹蝕對橋梁承載力和使用壽命的影響的研究中,李軍等認為,鋼筋銹蝕率影響鋼筋混凝土梁的破壞形態(tài)。當銹蝕率大于5%時,鋼筋混凝土梁的破壞由剪切破壞轉化為彎曲破壞,而10%的鋼筋銹蝕率是鋼筋混凝土梁承載力急速下降的轉折點[6];姜超等發(fā)現(xiàn),受拉區(qū)縱筋銹蝕率的增加會使鋼筋混凝土梁的正截面受彎承載力近似呈多段線性降低,當鋼筋銹蝕率接近80%時,承載力水平降至與相同條件下素混凝土梁相近[7]。

以某鐵路特大橋為研究對象,對其預應力混凝土梁進行原位檢測,通過分析其回彈強度、保護層厚度及碳化深度分布,評估其橋梁結構的服役狀態(tài)。然后,利用原位測試數(shù)據(jù),基于臨界鋼筋銹蝕率準則,對該橋梁不同部位的耐久性壽命進行預測,以期為鐵路橋梁的運營維護提供可靠依據(jù)。

1 工程概況

某鐵路特大橋全長1 325.8 m,孔跨布置為56-16 m預應力鋼筋混凝土T梁+12-32 m預應力鋼筋混凝土T梁,設計速度為120 km/h。該橋地處江蘇徐州地區(qū),建成于1990年,該地區(qū)20年來的平均溫度為15 ℃,平均相對濕度為69%。其橋墩為雙柱式墩,混凝土方樁基礎,墩身于2009年采用增設橫板方案進行加固。該梁所使用的混凝土相當于C38,預應力筋為7φ5 mm的鋼絞線,直徑為15 mm,截面積為142.99 mm2,設計抗拉強度為1 440 MPa,采用先張法張拉。目前,該大橋部分橋墩墩身及梁體混凝土保護層發(fā)生不同程度破損和鋼筋銹蝕的情況,2020～2021年已對部分普通鋼筋混凝土T形梁體進行圬工涂裝罩面大修。

2 測試方法

為了評估現(xiàn)役鐵路混凝土橋梁的耐久性狀態(tài),首先選取10片預應力混凝土梁對其進行原位測試,此次原位檢測以無損測試為主,微損測試為輔。測試的指標包括混凝土回彈強度,混凝土保護層厚度以及碳化深度。混凝土強度遵循GB/T 50784—2013[8]和JGJ/T 23—2011[9],采用超聲-回彈儀現(xiàn)場檢測;混凝土保護層厚度遵循JGJ-T 152—2008[10]和GB/T 50784—2013,采用鋼筋掃描儀進行無損檢測,并以少量的破損檢測作為輔助;碳化深度測試遵循GB/T 51355—2019[11],采用濃度為1%～2%的酚酞酒精溶液進行測試,測量結果精確至0.1 mm。

分別在每片梁翼緣板底、腹板以及梁底3個區(qū)域選取若干點進行測試。截面位置有3處,即支座處、1/4跨和跨中。每個測區(qū)的測點數(shù)為3個。對于需要鉆孔或取芯的測點,測孔呈“品”字形排列,孔距應大于2倍孔徑,原位測試測點布置見圖1。

圖1 原位測試測點布置(單位：mm)Fig.1 Layout of in-situ testing points

3 原位測試結果

3.1 混凝土性能

利用回彈儀測得的預應力混凝土梁的強度頻率分布見圖2,回彈儀型號為HT-225A,測量精度為0.1 MPa。預應力混凝土梁服役32年后的抗壓強度見圖2。

圖2 預應力混凝土梁服役32年后抗壓強度Fig.2 Compressive strength of prestressed concrete beams after 32 years of service

由圖2可知,近90%測點的強度在37.5～39.5 MPa范圍內變化,55%以上測點的回彈強度在39.5 MPa左右,略高于所使用的混凝土立方體抗壓強度標準值38 MPa。這說明所檢測的預應力混凝土梁,在服役32年后,仍保有較高的混凝土強度值,具有較好的服役狀態(tài)。預應力的使用不僅能提高混凝土梁的整體抗彎承載力,降低其開裂的風險,也會在一定程度上抑制混凝土的碳化問題[12]。

3.2 保護層厚度

預應力混凝土梁保護層厚度頻率分布見圖3。基于Shapiro-Wilk來檢測所測得的預應力混凝土梁的保護層厚度是否呈現(xiàn)正態(tài)分布,檢測結果見表1。由表1可知,3個區(qū)域的保護層厚度樣本數(shù)據(jù)的顯著性均大于0.05,即符合正態(tài)分布假設。另外,利用GaussAmp曲線方程對混凝土保護層厚度的分布進行了擬合,有

表1 Shapiro-Wilk正態(tài)分布檢驗

圖3 預應力混凝土梁保護層厚度頻率分布Fig.3 Frequency distribution of protective layer thickness for prestressed concrete beams

(1)

式中,y為變量x的頻率;y0為偏移量;A為幅值;xc為變量均值;w為標準差。

由圖3可知,預應力混凝土梁上不同部位的保護層厚度各不相同,翼緣板底和腹板的保護層厚度相近,平均值在35 mm左右,均大于梁底的平均保護層厚度值(24.87 mm)。受施工工藝的影響,翼緣板底和腹板處的實際保護層厚度均大于該橋梁的設計保護層厚度(25 mm);梁底的實際平均保護層厚度接近設計保護層厚度(25 mm)。

3.3 碳化深度

預應力混凝土梁翼緣板底、腹板以及梁底3個區(qū)域的碳化深度頻率分布見圖4。使用Shapiro-Wilk來確定所測得的預應力混凝土梁的碳化深度是否呈現(xiàn)正態(tài)分布,檢測結果見表1。由表1可知,3個區(qū)域內的樣本數(shù)據(jù)顯著性均小于0.05,即可認為該樣本不符合正態(tài)分布假設。不同部位所測得碳化深度數(shù)據(jù)見圖5。相較于支座處,1/4跨以及跨中處的碳化深度值略高;3個部位的混凝土碳化深度均值差距不大;翼緣板底和腹板的碳化深度稍小,均值在10 mm以下,分別為9.67 mm和9.99 mm;梁底的碳化深度稍大,均值為10.66 mm,推測為梁底在長期的車輛荷載作用下易發(fā)生彎曲疲勞裂縫,這會促進二氧化碳的傳輸速率和碳化深度的增加[13]。與預應力混凝土不同部位的實際保護層厚度相比,大部分測點碳化深度均值明顯更小,這歸因于預應力的施加,增加混凝土的抗彎承載力,降低裂縫發(fā)生的概率,從而減緩外界二氧化碳向混凝土內部的傳輸。但需要注意的是,腹板和梁底部分區(qū)域已經出現(xiàn)碳化深度接近甚至大于保護層厚度的情況。另外,相較于翼緣和腹板,由于梁底的實際保護層厚度較小,此處內部鋼筋發(fā)生銹蝕的概率較大。

圖4 預應力混凝土梁碳化深度頻率分布Fig.4 Frequency distribution of carbonation depth in prestressed concrete beams

圖5 預應力混凝土梁不同部位實測碳化深度均值Fig.5 Mean measured carbonation depth in different parts of prestressed concrete beams

4 在役鐵路橋梁的耐久性壽命預測

從上述原位測試結果可以看出,預應力混凝土橋梁上已經出現(xiàn)不同程度的碳化問題。國內外大量的混凝土碳化研究表明,混凝土的碳化過程遵循Fick第一擴散定律,且碳化深度與碳化時間的平方根成正比[14],碳化系數(shù)取決于混凝土強度、環(huán)境溫度和相對濕度、二氧化碳濃度、受力狀態(tài)以及凍融損傷等因素[11],有

(2)

k=3klkckskFTkco2T1/4RH1.5(1-RH)(58/fcu-0.76)

(3)

式中,x為混凝土碳化深度;k為碳化系數(shù);t為服役時間;kl為位置影響系數(shù),構件角區(qū)取1.4,非角區(qū)取1.0;kc為澆筑面影響系數(shù),取1.2;ks為應力狀態(tài)影響系數(shù),受壓區(qū)取1.0,受拉區(qū)取1.1;kFT為凍融損傷影響系數(shù),取1.0～2.6;T為環(huán)境溫度;RH為環(huán)境相對濕度;kCO2為二氧化碳濃度系數(shù);fcu為混凝土立方體抗壓強度。

基于該鐵路橋梁所處的環(huán)境確定碳化模型中的二氧化碳濃度系數(shù),依據(jù)規(guī)范GB/T 51355—2019,取1.4。預應力混凝土梁翼緣底板、腹板和梁底的抗壓強度均值分別取38.80,37.33,38.70 MPa。由于試驗橋梁地處中國北方,該橋梁會受到凍融循環(huán)的侵蝕。分析該系數(shù)對碳化深度發(fā)展的影響,并基于原位測試的碳化深度結果,從而確定適用于該鐵路預應力混凝土橋梁合理的凍融損傷影響系數(shù)值。不同取值的凍融損傷影響系數(shù)下,預應力混凝土梁各部位碳化深度隨時間的變化曲線見圖6。

圖6 預應力混凝土各部位碳化深度隨時間變化曲線Fig.6 Time variation curve of carbonation depth in various parts of prestressed concrete

由圖6可知,對于翼緣板底和梁底,最佳的凍融損傷影響系數(shù)kFT取值為1.6,對于腹板,kFT最佳取值為1.4?；跇蛄旱陌踩钥紤],全橋范圍內的凍融損傷影響系數(shù)均取為1.6。因此,該預應力混凝土梁翼緣板底、腹板及梁底區(qū)域的碳化系數(shù)k分別為1.73、2.00和1.92。

研究表明[15-20],當混凝土內部鋼筋發(fā)生開始銹蝕時,仍存在部分未碳化的區(qū)域,即碳化深度達到(c-x0)時,內部鋼筋就會發(fā)生銹蝕。根據(jù)相關計算公式,有

(4)

(5)

式中,Dk為相關于混凝土碳化系數(shù)和保護層厚度的系數(shù);mef為碳化環(huán)境因子,基于該鐵路橋梁所處的環(huán)境條件,取4.0;c為混凝土的保護層厚度?；谏鲜龉娇芍?碳化作用下,混凝土內部開始銹蝕的時間、銹蝕深度計算及鋼筋銹蝕率計算公式為

(6)

p(t)=0.011 6α(t-ti)icorr(t)

(7)

icorr(t)=32.1(1-W/C)-1.64(t-ti)-0.29/c

(8)

(9)

(10)

式中,p(t) 為鋼筋銹蝕深度;α為最大銹蝕深度和平均銹蝕深度之比,由于碳化作用下的鋼筋銹蝕可視為均勻銹蝕,此處α取1.0;icorr為鋼筋腐蝕電流密度,其隨時間變化,且與混凝土材料性質與保護層厚度c相關;W/C為混凝土水灰比,可根據(jù)混凝土的抗壓強度fc估算;Rs為鋼筋銹蝕率;As為鋼筋截面積。預應力混凝土梁翼緣板底、腹板及梁底3個部位處鋼筋腐蝕電池密度、鋼筋銹蝕深度以及鋼筋銹蝕率隨碳化(服役)時間的變化曲線見圖7、圖8。經計算,3個部位的鋼筋分別將在49.5,44.6,29.5年時開始發(fā)生銹蝕。因此,對于該服役32年的預應力梁,梁底鋼筋已經發(fā)生銹蝕的概率很大。

圖7 預應力混凝土各部位鋼筋銹蝕時變曲線Fig.7 Time varying curves of steel corrosion in various parts of prestressed concrete

圖8 預應力混凝土各部位鋼筋銹蝕率Fig.8 Corrosion rate of steel bars in various parts of prestressed concrete

由圖8可知,鋼筋銹蝕率隨碳化時間呈非線性增長趨勢。李進洲對預應力梁在不同鋼筋銹蝕率下的疲勞壽命進行研究,發(fā)現(xiàn)7%的鋼筋銹蝕率為預應力梁疲勞破壞的臨界銹蝕率。由于鐵路橋梁在服役期間主要遭受疲勞荷載。因此,在對預應力梁的壽命預測中,以臨界鋼筋銹蝕率7%作為壽命預測準則,預應力梁3個部位(即翼緣板底、腹板和梁底)分別在60.0,54.1,35.8年達到臨界狀態(tài)。由于該預應力混凝土梁已經服役32年,故建議對該預應力混凝土梁底部進行及時加固和維護。

根據(jù)現(xiàn)場破損結果,梁體內部鋼筋已經出現(xiàn)銹蝕情況,見圖9。另外,根據(jù)現(xiàn)場原位觀測,橋梁底部部分區(qū)域已經出現(xiàn)沿縱筋方向的裂縫,且出現(xiàn)銹跡,少量區(qū)域已經出現(xiàn)嚴重的銹脹開裂、保護層脫落以及露筋的情況,見圖10。

圖9 原位破損探測鋼筋銹蝕Fig.9 In situ damage detection of steel bar corrosion

圖10 梁底部分區(qū)域鋼筋銹蝕情況Fig.10 Corrosion of Reinforcement in the Bottom Area of the Beam

5 結論

基于原位測試,對若干片預應力鋼筋混凝土梁進行耐久性評估,檢測指標包括混凝土回彈強度、混凝土保護層厚度以及碳化深度,并對測試數(shù)據(jù)進行分析。基于原位測試數(shù)據(jù)和現(xiàn)有的碳化模型和鋼筋銹蝕模型,對預應力混凝土梁不同部位的鋼筋銹蝕起始時間以及銹蝕率進行分析,并對其使用壽命進行預測,得到的主要結論如下。

(1)服役32年的預應力混凝土梁具有較高的混凝土回彈強度,均值38.5 MPa。不同部位的實際保護層厚度差別較大,相較于翼緣板底和腹板,梁底的實際保護層厚度較低。梁體不同部位的碳化深度差距不大,均在10.0 mm左右。但由于梁底較小的保護層厚度,此處發(fā)生鋼筋銹蝕的概率較大。

(2)基于原位測試的碳化深度數(shù)據(jù),得出適用于該預應力梁碳化模型的凍融損傷影響系數(shù);基于鋼筋銹蝕模型,預應力梁翼緣板底、腹板及梁底3個部位鋼筋分別將在49.5,44.6,29.5年時開始發(fā)生銹蝕。

(3)基于7%的臨界鋼筋銹蝕率準則,該試驗預應力梁3個部位(翼緣板底、腹板和梁底)分別在60.0,54.1,35.8年達到臨界鋼筋銹蝕率,故建議對該預應力混凝土梁底部進行及時的加固和維護。