钢筋混凝土桥梁病害与养护毕业论文.doc
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1、一、绪论有路就有桥,在铁路、公路,城市、农村道路以及水利建设中,为了跨越各种障碍,必须修建各种类型的桥梁的涵洞。可以说桥梁是交通的咽喉,是交通设施的重要组成部分。据统计,在现在的交通建设中桥梁长度占整个交通线长度的比例越来越大,有的交通线上桥梁占总线长度甚至达到80%以上,比如现在兴建的高速铁路线。钢筋混凝土桥梁是我国交通基础设施中的重要组成部分。改革开放以来,我国钢筋混凝土桥梁建设以令世人惊叹的规模和速度迅速发展,取得了巨大的成就。今天,在祖国的江、河、山谷和海上,不同类型不同跨径的钢筋混凝土桥梁,千姿百态,在祖国大地上编织成一幅壮丽多姿的交通运输网。这一切都标志着我国桥梁建设技术总体上进入
2、国际先进水平。我国在桥梁建设中取得的成就是有目共睹的,但在某些方面还存在一些问题。在已经运营的线路上,有些桥梁却未达到其使用寿命而过早地出现各种病害,一些建成工程已暴露出了较严重的耐久性问题,使用寿命远低于设计寿命标准。位于京广线正线上的某百孔大桥,1976年交付使用,1995年在预应力梁体上发现了沿预应力筋的裂缝,此后病害在不断发展,到2000年又观察发现在预应力梁体上出现裂缝,并有发展趋向,同时又发现第52孔曲线内梁的腹板箍筋和一束预应力钢丝锈断。经诊断查明其病害根源在于梁体本身的碱-硅反应和外界氯盐侵蚀。为彻底消除隐患,最终花了近两个半月的时间在2002年底进行换梁大修,耗资数千万元。桥
3、梁是生命线工程的重要环节,若因耐久性不足而过早进行大修或更换,不仅耗资巨大,给政府构成沉重的财政负担,还由于交通的临时中断而引发更多的社会、经济问题。所以研究桥梁混凝土结构耐久性,以及桥梁病害发生的原因和处理,保养防治措施技术等,具有重要意义。二、病害分析和整治钢筋混凝土桥梁是我国交通基础设施中的重要组成部分。改革开放以来,我国钢筋混凝土桥梁建设以令世人惊叹的规模和速度迅速发展,取得了巨大的成就。今天,在祖国的江、河、山谷和海上,不同类型不同跨径的钢筋混凝土桥梁,千姿百态,在祖国大地上编织成一幅壮丽多姿的交通运输网。这一切都标志着我国桥梁建设技术总体上进入国际先进水平。桥梁混凝土和钢筋混凝土结
4、构的使用寿命一般为50年,但是从现实情况来看,桥梁在建造和使用的过程中受到各种有害化学物质的侵蚀,并承受车辆,风、雨、雪、冻融、地震、疲劳、超载以及人为因素等外来作用,许多桥梁过早出现各种各样的缺陷和病害,甚至尚未建成时,就出现严重的工程缺陷,或者刚投入使用就不得不进行维修。引起桥梁混凝土病害是一个复杂的问题,不考虑洪水、地震、超载及船舶的撞击,主要取决于以下方面因素:2.1混凝土的性能劣化混凝土性能的劣化是指在使用过程中,混凝土受到周围环境的物理、化学、生物的作用,混凝土内的某些成分发生反应变性,溶解析出等,造成混凝土性能下降。混凝土的劣化不仅直接降低混凝土的性能,更主要的是它对混凝土中的钢
5、筋失去保护作业。引起混凝土性能劣化是一个复杂的问题,往往是由几种破坏组成。例如:化学腐蚀可以导致结构的破坏,而同时又有冰冻发生,对混凝土的破坏程度就远远大于两者的代数相加。所以探求处理病害的处理措施应该全面的从共性上去解决。一般来说混凝土的侵蚀,碳化与混凝土的强度无关,而与混凝土的密实度,空隙特征和外界环境相关。混凝土结构的裂缝和毛细孔,是各种有害介质进行侵蚀的通道,如何致力于提高钢筋混凝土的密实度,切断与有害介质侵入的通道(即便是水和气体也会对钢筋混凝土具有一定的侵害性),对遏制混凝土桥梁各种各样病害的发生,提高结构的抗侵蚀能力和桥梁的使用寿命有着重要的意义。2.1.1混凝土劣化处理措施(1
6、)选用适当的补强混凝土或砂浆被侵蚀松动的混凝土,胶结构已经遭到破坏,表面失了原有的强度和承载能力。早进行处理时,应剔除松动的混凝土,采用适当的混凝土或砂浆补强。侵蚀严重的应考虑增大原来结构的尺度,降低混凝土表面的拉应力,抑制裂缝的发生,增加结构的承载能力。(2)混凝土表面涂保护层处于恶劣环境下的混凝土桥梁,应在混凝土表面增加设防保护层。在海洋及近海的环境下,经过对多种混凝土表面防护层进行实验,表面采用防护层保护的混凝土试件在探测深度范围内氯离子的侵入量比无涂层的低7倍以上,氯离子的含量值基本接近混凝土原有的初始浓度。钢筋混凝土的结构设计按允许有缝设计考虑的,在正常使用状态下是存在微小裂缝的,所
7、以表面防护层采用渗透结晶型混凝土防水材料,其具有遇湿固化能力,不仅可以在混凝土表面形成一道防水屏障,而且其对混凝土的渗透性强,渗入混凝土中后,其活性物质可以与混凝土中的物质进一步反应生产凝胶,堵塞已存在于混凝土中的空虚、裂缝及毛细孔,以增加基层混凝土的密实度,阻止了水和各种侵蚀性介质的渗入,当混凝土出现新的裂缝有水渗入时在混凝土内部未反应的涂层颗粒还可以与混凝土中的物质继续反应生成新的凝胶,对较小的裂缝可以实现自身的修复。(3)提高混凝土的密实度 一般病害的发生是以水为载体,通过裂缝或孔道到达混凝土内部和钢筋位置,而且裂缝越大,侵蚀的速度就越快。实验表明,桥梁结构要达到百年的使用寿命,裂缝必须
8、控制在0.15mm以内。病害处理应包括改善结构混凝土的裂缝,可以通过埋设注浆嘴进行高压注浆的方法进行填塞封堵;对于贯通的毛细孔,可以采用新型的参透结晶型材料通过毛细孔进入混凝土内部,与混凝土本身的某些物质发生反应,生产凝胶,堵塞毛细孔,提高混凝土的密实度,增加抗渗性,从而提高混凝土的抗侵蚀能力和使用寿命。(4)增加混凝土保护层的厚度 在混凝土耐久性规范中,规定了最小保护层厚度,较原来的钢筋混凝土规范有了很大提高。这是一条防止混凝土被侵蚀的重要手段,可以将延长有害物质到达钢筋的时间,延缓了钢筋的侵蚀,使钢筋混凝土的有效寿命得到提高。在恶劣的环境下,侵蚀很容易达到钢筋位置,引起钢筋锈蚀和混凝土裂缝
9、的进一步发展。所以对于侵蚀严重的结构应考虑适当增加混凝土保护层的厚度,补强的混凝土净保护层厚度满足规范要求。(5)裂缝修补的具体方法表面处理法,在微裂缝的表面涂抹填料及防水材料,以提高其防水性和耐久性。对于宽度发生变化的裂缝,要设法使用有伸缩性的材料。 注浆法,在裂缝中注入树脂或水泥类材料,以提高其防水性及耐久性。主要注浆材料是环氧树脂,多采用低压低速注入法。环氧树脂注入法与钢钉并用,可以增强裂缝部位的整体性,是一种防止裂缝继续发展的好办法。充填法,这是一种适合于修补较宽裂缝的方法,具体做法是沿裂缝凿一条深槽,然后在槽内嵌补各种粘结材料,如水泥砂浆、环氧砂浆、膨胀水泥砂浆、环氧树脂硅、沥青及各
10、种化学补强剂等。 表面喷涂法,喷浆修补是一种在经凿毛处理的裂缝表面,喷射一层密实而且粘度高的水泥砂浆保护层,来封闭裂缝的修补方法。喷浆前,需要把结构表面的剥离部分除去,再用水冲洗清洁,并在开始喷浆之前把基层湿润,然后再开始喷浆 粘结钢板封闭法,当钢筋硂构件产生主拉应力裂缝时,可对裂缝先进行处理之后,再在裂缝处粘结钢板,并用膨胀螺栓对钢板加压。钢板粘结方向应和裂缝方向垂直。 2.2钢筋的锈蚀 钢筋的锈蚀过程是一个电化学反应的过程,主要是因为钢筋表明的钝化膜破坏而引起钢筋锈蚀。钢筋的锈蚀除了受自身性能的影响外,与混凝土的性能和外界环境有密切的关系。在大气区当裂缝达到0.3mm时钢筋已经开始腐蚀。钢
11、筋生锈后,使其本身有效截面缩小,生成的氧化铁体积比原来膨胀好几倍,使保护层的混凝土开裂,使有害物质更容易进入混凝土内部,加速了对钢筋混凝土的腐蚀。随着时间的不断推延,许多水下混凝土构件中的钢筋逐渐被渗水而发生锈蚀,从而导致其构件的耐久性降低,结构安全性也降低.因此,引起的工程损坏事例不断发生,由此带来的工程损失及处理费用也迅速增加,这也引起了建筑工程界和路桥部门的高度重视。其中,水下混凝土结构中钢筋的锈蚀较为普遍,特别是沿海地区的闸、涵、桥、防护堤及盐湖地区的水下混凝土较为严重,据资料显示,施工质量较差的混凝土构件,因为钢筋的锈蚀,正常使用几年后,就会产生顺筋胀裂,从而导致结构破坏,以致钢筋混
12、凝土的失效。2.2.1水下混凝土结构中钢筋锈蚀的原因 混凝土在水化作用时,水泥中氯化钙生成氢氧化钙,使混凝土中含有大量的氢氧根离子,使PH值一般可达到12.5-13.5,钢筋在这样的高碱环境中,表面容易生成一层钝化膜,研究结果表明,这种钝化膜能阻止钢筋的锈蚀,只有这层钝化膜遭到破坏,钢筋开始锈蚀。 (1)混凝土碳化引起钢筋锈蚀 因为混凝土硬化后,表面混凝土遇到空气中二氧化碳的作用,使氢氯化钙慢慢经过化学反应变成碳酸钙,使之碱性降低,碳化到钢筋表面时,使钝化膜遭到破坏,钢筋就开始腐蚀,众所周知,大气是二氧化碳的主要来源,大气中通常含0.2%-0.3%的二氧化碳,而且只要有大气存在的地方,就必然存
13、在二氧化碳,而水下混凝土结构也有不少部分存在于二氧化碳环境中,对于普通的硅酸盐而言,水化产生的氢氧化钙可达到整个水化产物的10%-15%,它作为水泥水化产物之一,一方面,它是混凝土高碱度的提供源和保证者,对保护钢筋起着十分重要的作用;另一方面,它又是混凝土中最不稳定的成分之一,很容易与环境中的酸性介质发生中和反应,使混凝土碳化,并逐步延伸钢筋,使钢筋开始锈蚀。 (2)氯离子引起的钢筋锈蚀 氯离子侵蚀,氯离子对国家钝化膜的破坏作用最强,氯盐通过混凝土中的毛细孔或微裂缝渗入到钢筋的表明,直接攻击钝化膜,当钢筋表明的氯离子超过临界值,钢筋保护膜遭到破坏,如果能供给氧气和水,就会造成钢筋局部发生腐蚀。
14、较典型的是含盐环境,如化冰盐,海洋环境,并且其渗透度很可能超过钢筋的深度。因此氯盐是威胁桥梁耐久性最危险的化学物质,且对钝化膜产生局部性的破坏,使钢筋表明产生点状的坑蚀。水下混凝土中,氯离子进行混凝土通常有两种途径:其一是“掺入如含有氯盐的外加剂,使用海砂,施工用水含氯盐,在含盐环境中搅拌,浇筑混凝土时,其二是”渗入“环境中的氯盐通常通过混凝土的宏观、微观缺陷,渗入到混凝土中并达到钢筋表面,直接或间接破坏混凝土的包裹作用及钢筋钝化的高碱度两种屏障,使之发生锈蚀继而锈蚀产物体积膨胀,使混凝土保护层开裂与脱落4在海洋环境中的水下混凝土结构大都是这种情况。氯离子引起钢筋锈蚀可以从以下几个方面分析:(
15、3)破坏钝化膜 混凝土属于碱性材料,其孔隙溶液的PH值为12-142,因而对钢筋具有较好的保护作用,有利于钢筋表面形成保护钢筋的钝化膜,但这种钝化膜只有在高碱环境中才是稳定的。如果周围环境PH值降到11.8时,钝化膜就开始变得不稳定,当PH值继续降到9.88时,钝化膜就开始变得难以生存或逐渐破坏,使得进入混凝土中的氯离子吸附于钝化膜处,并使钝化膜的PH值迅速降低,逐步酸化,从而使得钝化膜被破坏。 (4)形成腐蚀电流 无论混凝土碳化还是氯离子侵蚀,都可以引起钢筋部分锈蚀,在钝化膜破坏处有腐蚀电流产生,在钝化膜破坏还与未破坏区这间存在电位差,有宏电流产生,但微电流要比宏电流大得多。又因为氯离子的存
16、在大大降低了混凝土的电阻率,并且氯离子和铁离子的结合可以形成易容于水的氯化铁,从而加速了腐蚀产物向外的扩散过程,并由于宏观腐蚀电流在钝化膜破坏区边边缘最大,使得靠近钝化区的边缘的局部钝化膜破坏较快,这种现象称为局部锈蚀钢筋的“边缘效应”。(5)氯离子导电作用 正是由于混凝土结构中氯离子的存在,大大降低了阴、阳极之间的欧姆电阻,强化了离子通路,提高了腐蚀电流的效率,从而加速了钢筋的电化学腐蚀过程,氯离子对混凝土中钢筋锈蚀更严重更快速5.而氯化物是钢筋的一种活化剂,它能置换钝化膜的氧而使钢筋发生溃烂性腐蚀,而氯盐是高吸湿性的盐,它能吸收空气中的水分变成液体,从而使氯离子从扩散作用变成渗透作用,达到
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