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鋼筋混凝土橋梁病害加固維修對策探討

發布時間：2014-08-06

1. 前言
鋼筋砼橋梁因其取材廣泛，價格低廉，抗壓強度高，又可澆注成各種形狀，已成為當今世界橋梁使用最多的結構。但混凝土最主要的缺點是抗拉能力差，容易開裂，而且它是多孔性物體。一旦出現裂縫，如不及時處理，必然會受到惡化的大氣環境中有害物質以及風雨的侵蝕，加之地震、疲勞、車輛超載等因素的作用，致使裂縫擴大，鋼筋銹蝕，混凝土碳化剝落，承載力下降，使用壽命嚴重縮短，這已成了世界性的問題。
2.鋼筋砼橋梁病害的主要成因有下述六種情況：
2.1原設計強度標準偏低，防水和抗凍性能不強，防水砼達不到防水要求，抗滲系數偏小，砼表面保護層厚度過薄，加之選材不嚴，施工攪拌不均勻，振搗不實，常常存在蜂窩麻面的缺陷，因而砼的密實度較差，不利受力構造鋼筋的有效保護，造成現澆砼的局部開裂（收縮裂縫，塑性變形裂縫）的發生。
2.2溫度應力促使存在缺陷的砼產生微裂縫，空氣中的水汽在毛細管的作用下滲入到微裂縫中，若穿過保護層達到鋼筋表面，在水與氧氣的作用下形成腐蝕電池，破壞其鈍化膜，導致鋼筋銹蝕。在近海地區的砼橋梁，氯離子的侵入加速鋼筋的銹蝕是主要成因。這是先裂后蝕的反映。另一種情況是由于砼密實度差，這種多孔性物體內存在的自由水促使鋼筋先發生腐蝕，致使銹蝕的鋼筋體積膨脹，勢必產生膨脹應力，其力的方向必然指向混凝土較薄的保護層先行開裂，形成順鋼筋裂縫的出現，繼而出現保護層的剝落，這是先蝕后裂的反映。
2.3污染環境產生化學腐蝕，有二種情況：一是當混凝土存在裂縫時，大氣中的二氧化碳CO2與在砼中的氫氧化鈣Ca（OH）2會發生化學反映，生成中性的碳酸鈣，使砼產生碳化作用其PH值12.5就會降低至9以下，鋼筋防腐就得不到保證導致銹蝕。二是近年來由于大氣環境污染產生的酸雨對砼結構的危害日趨嚴重，我國的酸雨覆蓋面積已達到國土面積的30%以上，二氧化硫SO2和進一步氧化的三氧化硫SO3,均可使砼中性化和碳化，同樣可直接促使鋼筋表面產生化學腐蝕，同時產生的硫酸鹽又會對砼進一步膨脹產生侵蝕作用。故酸雨地區對鋼筋砼結構物的危害比碳化更嚴重。
2.4凍融循環的破壞主要發生在寒冷地區的砼結構，當砼結構物有裂縫、蜂窩麻面等松散空洞缺陷時，水分侵入后，遇到冰點以下結凍產生膨脹，冰凍面約產生9%左右的膨脹應力，致使缺陷內部受壓變形。而當環境溫度升高之后，冰凍面受熱融化又使其受到拉力，這樣反復循環凍結融化，當作用于孔隙的拉應力大于砼的極限抗拉強度時，即可產生較大裂縫乃至崩裂。另外在常遭雪凍的橋面，為了防止車輪打滑，保證交通安全，常采用大量撒鹽來化雪，若橋面有裂縫，鹽水侵入必然會使鋼筋受到氯離子破壞銹蝕，繼而導致橋面上砼大面積碎裂，嚴重的還會擴展到梁體，若梁體有裂縫，則也將受到病害。
2.5堿骨料反應（AAR反應），主要是砼級配的混合材料中，含堿量（氧化鈉Na2O，氧化鉀K2O）偏高，與骨料中的活性成分（氧化硅、碳酸鹽等）發生反應產生硅酸凝膠，吸水膨脹后產生內應力，導致砼開裂，這種病害被稱為砼的“癌癥”。其實是可以預防的，只要在選材時嚴格把關，防水措施做得好，就可以避免產生此病癥。
2.6溶液性侵蝕，主要由于砼結構本身不密實，雖然有時肉眼看不到裂縫，但往往可滲水，使砼結構部位的氫氧化鈣產生溶解，促使其濃度不斷下降，固相中的Ca（OH）2不斷被溶出，不斷分解出CaO，CaO又溶于水而隨水沖走，導致水泥石的結構不斷破壞，PH值不斷降低，孔隙率增大，必然導致鋼筋銹蝕病害發生，砼表層起鼓剝離就會出現。
3.鋼筋砼橋梁防水防腐材料選用及有關誤區探討
綜上所述6種病害的發生，均與砼的密實度和防水防腐措施不到位息息相關。看來裂縫是病根，鋼筋銹蝕是惡果。猶如對一個人的病體一樣，首先要通過醫生的正確診斷再配以儀器檢查的檢驗，找出病根，方能對癥下藥。不能頭痛醫頭，腳痛醫腳。
當今有些設計人員力主為了防止鋼筋銹蝕，在鋼筋砼結構中的鋼筋全部采用環氧涂層鋼筋，不僅價格提高了一倍，而且其與砼間的握裹力就要損失15%~20%。究竟是利大于弊，還是弊大于利，值得商榷。眾所周知，鋼筋與混凝土結合的截面還不能發揮潛力，若減少鋼筋與混凝土間的握裹力，當承受過大的彎矩時，對結構的受力就會帶來負面的影響。
另外，在砼表面采用有機防水材料涂層。現在有一種新型聚脲彈性材料（SPVA），不僅施工速度快，凝膠和干燥時間短，粘結附著力大于2.0MPa，不透水性為0.3MPa/30min不透水。斷裂伸長率≥300%。這種新型防水材料問世后受到各方面防水工程界的青睞，尤其它施工簡單，硬化速度快，具有優異的物理保護性能，較之卷材防水優點更為突出。有同行將其說成是新型萬能涂裝技術，我認為言之過早，且不敢茍同萬能之評價。不可否認這種材料用在屋頂防水、地下室和墻面和普通行人通道等不受較大的外力或荷載影響的部位的防水功用是非常顯著有效的。但迄今還未見到這種材料的防老化、防火和耐久性能的檢測評定的科學數據資料。如果將其用在砼橋梁梁體的防水層中，則將是誤導。因為梁體要承受較大的恒載和活載，前已述及鋼筋砼容易開裂，若將這種斷裂伸長率≥300%的有機防水材料外涂在砼的表面，防水效果的物理性能是沒有問題的，但萬一梁體出現開裂或斷裂，則這種材料的延展性就會遮蓋砼梁體的病害，待到隱患被發現時，鋼筋砼梁體已經無可挽救修復或已造成嚴重禍害，后果不堪設想。故筆者建議養護管理單位切莫走入誤區，選擇梁體涂料時，必須慎之又慎。
近來，對混凝土橋梁的防水防腐問題，一直是橋梁界十分關注并迫切要求解決的重要課題。目前在防水工程中所采用的涂裝材料，不外乎分為有機柔性防水材料和無機剛性防水材料兩大類。兩類防水材料對防水工程的對象和部位的不同所起的作用也各有不同。兩類材料各有利弊，有時需要根據工程的特點和性質，采取剛柔結合的防水技術方案來因地制宜解決問題。盡量做到標本兼治的效果。
對于砼梁的病害處治，筆者認為基于梁體本身屬于無機剛性體，宜采用剛性的無機防水材料—水泥基滲透結晶型防水材料（英文縮寫為CCCW材料）來加固維修較妥。20世紀90年代引進的XYPEX材料，就是CCCW材料中最佳的一個品牌。中國防水代表在2007年3月訪問了加拿大的XYPEX和KRYON等防水材料公司，這兩家公司也是在我國生產、銷售這種新型防水材料名列前茅的企業，均參加了我國的GB18445-2001<水泥基滲透結晶型防水材料>國家標準的起草。這種剛性防水材料與砼橋梁同一屬性，物以類聚，其膨脹系數基本一致，不易老化，耐高、低溫（-32℃~+130℃）的持續溫度下，在-185℃～+1530℃間隙溫度下保持其作用，耐濕、耐紫外線、耐輻射、耐氧化、耐強水壓達1.3MPa。由于其具有很高的滲透能力，賴獨有的活性極強的催化劑，以水為介質在砼微裂縫或孔隙中，催化未水化的水泥顆粒生成枝蔓狀的結晶體，堵塞各向來水的裂縫，使砼本體達到密實，因而也就增加了抗壓強度達20~29%，若干年后，因震動或其它外因產生新的細微裂縫時，一旦有水滲入，又會產生新的晶體把水堵住，所以它的這種自我修復能力是獨一無二帶有永久性的。由于抗滲性能極佳就可保護鋼筋不被銹蝕，達到了既治標又治本的目的。
1998年，筆者去現場參觀了杭州鐵路分局和北京城建設計研究院合作于1997年11月“利用XYPEX材料修補鐵路鋼筋混凝土梁技術”科技項目（登記號：6A19970928048 號）。目的是通過實地考察和了解這種材料對砼梁涂裝后，既有裂紋不重新開裂，提高了砼梁表面砼結構的強度、密實度和抗滲能力，以延緩砼梁中砼的中性化速率，進而達到延長砼梁大修換梁的周期，提高砼梁使用的耐久性。筆者對該項目進行了長達12年跟蹤觀察，有關情況介紹如下，以資同仁參考。
4.“長牛11#橋” 利用XYPEX材料修補鐵路鋼筋混凝土梁技術實例
杭州鐵路分局杭州東工務段轄內長牛線11#橋。該橋始建于1959 年，原為3×16.0m，1961 年發生水害，1962 年擴建為目前的5×16.0m，梁跨均為定型圖施工的鋼筋混凝土π梁，見橋址照片。歷史資料記載，該橋長興方1～3 孔梁，在62 年擴建時就發現有裂紋、蜂窩、麻面等病害，運營工務養修部門曾多次采用壓注砂漿、環氧樹脂等法修補，但收效不佳，至試驗前調查，梁體存在如下病害：
（1）梁體裂紋嚴重，僅1—2 孔裂紋總長為461.99m，其中裂紋寬度≥0.3mm 的計125.66m，最寬裂紋達5 ?，最長裂紋的長度為11.1m。
（4）原修補環氧樹脂已老化，殼起，有的已重新開裂。
依長牛線11#橋1～2 孔鋼筋混凝土梁的狀況和XYPEX 材料的適用性、功能等提出圬工梁修補方案總體上是：1）全梁的基面處理；2）砼梁缺陷部位的修補；3）全梁噴涂或涂刷XYPEX 濃縮劑兩遍；4）養護；四個步驟。
長牛11#橋項目，有活動吊欄可利用，現場實施由七人組成作業組（其中：負責協調1人、操作4人、輔助配合2人）。
基面處理
本橋采用噴砂打毛基面、輔以手工鏟除老化殘留的環氧樹脂舊皮，再以高壓水沖洗的方法，以達到毛、潮、凈的要求。
毛—基面應粗糙能充分暴露砼結構的毛細通道。
潮—基面表層結構充分潤濕，毛細孔飽吸水分但表面無明水，以利材料發揮作用。
凈—基面上的污垢、有機物、木屑、鐵屑及疏松物等應清理干凈。
實施情況看，噴砂法工效高，打毛效果好，對圬工梁損傷小，且勞動耗費低，操作方便。
對圬工梁上空洞、麻面及大塊剝落等缺陷的修補
首先，將空洞處的“砼殼”、剝落處的松動碎塊清除，鋼筋除銹，空洞鑿口（開口寬度以便于修補為宜），高壓水沖洗，潤濕（要求比照基面處理）。其次，清洗后在修復銜接面無明水，噴涂XYPEX濃縮劑厚0.5mm 左右。最后，噴涂層初凝后（一般約2h），再用XYPEX堵漏劑：按7:2（粉：水）修補，對于大的空洞修補可以混合1:2（XYPEX堵漏劑：小于10mm沙石）級配。
對圬工梁裂紋修補
實施中對寬度小于0.3 ?的裂紋不作特殊處理，對寬度大于0.3 ?的裂紋修補順序如下：①沿裂紋鑿20mm×20?內大外小的燕尾槽。②沖洗、濕潤（修復面不得有明水）后，涂刷XYPEX濃縮劑灰漿一遍。③初凝后用XYPEX 濃縮劑半干料團、修補堵漏劑修補。
全梁表面噴涂XYPEX 兩遍
噴涂前對梁體表面要用清水徹底洗凈，達到“毛、潮、凈”的要求（注意：裂紋和缺損新修補處不能用高壓水直接噴射，只能用無壓水噴淋達到濕潤要求）。然而，再開始大面積噴涂工作。噴涂第一遍用量為0.4～0.5kg/?，涂層應均勻，配合比為粉：水=5:3（容積比）。兩次噴涂間隔時間一般在2小時左右（即在第一遍涂層已達初凝后）。為保證涂層質量，關鍵環節之一是砼結構的充分潤濕。為此，依據天氣情況對圬工梁基面用水充分沖淋，使之保持濕潤。噴涂第二遍之前，已噴涂面也應保持潤濕狀態。
養護
養護也是XYPEX 涂層質量的關鍵環節。當涂層初凝即用無壓水噴淋養護，養護時間為3天，每天不少于3次（依據天氣情況而定）。養護期間，應保持XYPEX涂層總是濕潤的，如在高溫季節、陽光較強烈、水分散失快的條件下施工時，應采取遮蔽措施，并增加養護次數。
修補結果：長牛11#橋自九七年十一月修補試驗結束后，對梁體現場進行了六個月觀測結果為：
（1）未發現裂紋的發生，特別是原裂紋和缺陷處。
（2）通過室內同步試驗，證明表面砼抗壓、抗滲能力提高，同時提高了密實度。
從以上情況看，使用XYPEX 對鋼筋混凝土梁涂裝后，依靠其能向砼內滲透產生結晶，封閉了整個梁體砼與外界的毛細孔通道，提高了表面砼結構的密實度和強度，增加了鋼筋混凝土梁的砼保護層對鋼筋的保護能力；同時也使表層砼本身抗腐蝕能力得以提高，可較好地解決砼中性化的問題，達到延長鋼筋混凝土梁的使用壽命，提高其耐久性的目的。
5.結論
總之，長期工程實踐結果是反映耐久性最直接的證據，具體情況具體分析，對砼橋梁病害的處治建議用CCCW材料來加固維修是對路的，而且施工方法簡單，它是一種無毒、無味的綠色環保材料，對環境和人體不會造成任何損害，且具有耐久性與砼結構同壽命。綜合費用較低。

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