混凝土橋梁病害診治與修復(fù)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(chǔ)設(shè)施中的重要組成部分。但長期以來,工程界對(duì)混凝土橋梁的病害問題未能給予足夠的重視。人們普遍認(rèn)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(hù)。然而隨著使用時(shí)間的推移,尤其是隨著各種重型車輛、工程用重型運(yùn)輸車的不斷出現(xiàn),公路橋梁負(fù)荷日趨加重,加之舊橋部分老化、破損或受原設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的限制,不少混凝土橋梁由于耐久性不足最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效,有相當(dāng)數(shù)量的混凝土橋梁損壞嚴(yán)重,或處于超期運(yùn)營狀態(tài)。若不重視橋梁病害的診治,不采取有效的修復(fù)加固措施,任其發(fā)展,必將對(duì)橋梁安全性構(gòu)成威脅。
2. 混凝土橋梁病害診治技術(shù)
混凝土橋梁病害診治技術(shù)即檢測(cè)評(píng)估技術(shù),借助各種現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)設(shè)備,對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行由表及里的檢查,再結(jié)合必要的實(shí)驗(yàn)室分析,給出混凝土結(jié)構(gòu)的“體檢”結(jié)果。主要內(nèi)容有:裂縫調(diào)查及原因分析,混凝土強(qiáng)度測(cè)試、鋼筋銹蝕狀況檢測(cè)、混凝土中性化狀況測(cè)試、劣化混凝土巖相及化學(xué)分析、混凝土表層滲透性等。現(xiàn)分述如下:
（1）裂縫調(diào)查及原因分析。混凝土裂縫最容易成為水分滲入導(dǎo)致鋼筋銹蝕的通道。對(duì)裂縫的調(diào)查是現(xiàn)場(chǎng)檢查的重點(diǎn)內(nèi)容之一,主要包括裂縫位置、長度、走向、形狀、寬度、深度等,還應(yīng)設(shè)法了解結(jié)構(gòu)開裂時(shí)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(zhǔn)確量出裂縫寬度,熟練的操作者可用超聲儀檢測(cè)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(duì)前者,可根據(jù)相應(yīng)的規(guī)范進(jìn)行處理;對(duì)后者,大多與結(jié)構(gòu)耐久性有關(guān),即使現(xiàn)在對(duì)承載能力沒有影響,但必須考慮對(duì)結(jié)構(gòu)長期使用過程中與外界接觸時(shí)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(dǎo)致開裂等。
（2）混凝土強(qiáng)度測(cè)試。有關(guān)混凝土強(qiáng)度現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的方法較多。無損檢測(cè)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(yàn)直接得到的強(qiáng)度值綜合起來,作為所測(cè)結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度的判斷。
（3）鋼筋銹蝕狀況檢測(cè)。由于混凝土內(nèi)埋置鋼筋的銹蝕,混凝土開裂導(dǎo)致的構(gòu)件承載力不足引起的結(jié)構(gòu)耐久年限降低這個(gè)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(nèi)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(yù)應(yīng)力混凝土橋梁,由于環(huán)境介質(zhì)中的氯離子侵蝕,容易導(dǎo)致鋼筋銹蝕、保護(hù)層脫落,進(jìn)而影響橋梁整體耐久性和安全性,在世界范圍內(nèi)此類現(xiàn)象屢見不鮮。
（4）混凝土中性化狀況測(cè)試。正常狀態(tài)下,混凝土的高堿性是鋼筋最好的保護(hù)措施,但當(dāng)遇到酸侵蝕時(shí),混凝土將失去堿性,保護(hù)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(cè)碳化深度常用酚酞的酒精溶液的顯色試驗(yàn)。
此外,可用鋼筋定位儀測(cè)試鋼筋的保護(hù)層厚度,若碳化深度已達(dá)鋼筋表面,常導(dǎo)致鋼筋銹蝕。
（5）劣化混凝土巖相及化學(xué)分析。通過巖相分析可觀察混凝土內(nèi)部裂隙情況、骨料巖相結(jié)構(gòu)等。特別是對(duì)判斷是否存在堿-骨料反應(yīng)具有重要意義。
化學(xué)分析可給出混凝土自表面向內(nèi)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(jié)果對(duì)判斷混凝土病害的深層原因十分有用。例如當(dāng)混凝土中CL?-含量超標(biāo),或使用環(huán)境中有CL?-侵蝕,則極易引起鋼筋脫鈍,發(fā)生嚴(yán)重銹蝕。
（6）混凝土表層滲透性測(cè)試?；炷恋哪途眯栽谙喈?dāng)程度上取決于其自身滲透性的好壞,因?yàn)橥饨缬泻ξ镔|(zhì),如鹽、堿、SO42-皆會(huì)滲入混凝土內(nèi)部導(dǎo)致一系列病害,所以混凝土表層的滲透性構(gòu)成了其耐久性的第一道防線。
在實(shí)驗(yàn)室有許多種方法檢測(cè)混凝土的滲透性,如用水做滲透時(shí)有穩(wěn)態(tài)流動(dòng)法和滲透深度法。還有CL擴(kuò)散系數(shù)來評(píng)價(jià)混凝土滲透性的,但上述方法均不便于直接用于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。為此,國家工業(yè)建筑診斷與改造工程技術(shù)研究中心進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)專用的GGT滲透性測(cè)試儀和GWT滲水性測(cè)試儀。
GGT（Germann’s Gaspermeability Test）測(cè)試儀可對(duì)已完工的混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行CO 滲透,檢測(cè)表面層的孔隙率?；炷帘韺拥臐B透性與其空隙相關(guān),其值可通過傳感器測(cè)的壓力及參數(shù)曲線確定。
GWT（Germann’s Waterpermeability Test）測(cè)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(píng)價(jià)被檢測(cè)表面的深水特性。并可檢測(cè)接頭處的防水性,或用混凝土表面設(shè)置防水保護(hù)層前后進(jìn)行表面檢測(cè)。
3. 混凝土橋梁耐久性修復(fù)及防護(hù)技術(shù)
當(dāng)混凝土橋出現(xiàn)病害后,先對(duì)病害的程度進(jìn)行評(píng)估,若危及承載能力,則需進(jìn)行加固處理;
若目前尚未對(duì)承載能力構(gòu)成威脅,為防止病害進(jìn)一步發(fā)展,必須進(jìn)行耐久性修復(fù)和維護(hù)。
3.1 裂縫修補(bǔ)?？紤]結(jié)構(gòu)防水性、耐水性要求進(jìn)行裂縫修補(bǔ)的準(zhǔn)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(jié)構(gòu)使用環(huán)境進(jìn)行確定。
裂縫修補(bǔ)的方法主要有:表面處理法、注入法、充填法及其它法。修補(bǔ)材料主要有樹脂類材料和水泥基材料兩類。國內(nèi)已有多個(gè)廠家生產(chǎn)注漿材料和灌縫機(jī)具。國家工業(yè)建筑診斷與改造工程技術(shù)研究中心引進(jìn)的發(fā)泡環(huán)氧樹脂灌縫材料,利用樹脂膨脹產(chǎn)生的壓力自動(dòng)灌縫,凝結(jié)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(fù)。傳統(tǒng)上對(duì)鋼筋銹蝕引起的開裂、起鼓等采取的是“打補(bǔ)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?cè)趯?shí)際工程中多次發(fā)現(xiàn)這種修復(fù)方法失效,給補(bǔ)丁四周的混凝土帶來嚴(yán)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(bǔ)區(qū)域鄰近會(huì)形成新的陽極區(qū),其中的鋼筋腐蝕后可能會(huì)將原修好的區(qū)域脹裂。
近來,國外開發(fā)了一種新的修復(fù)技術(shù),在結(jié)構(gòu)表面涂上一層遷移型有機(jī)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(jié)合傳統(tǒng)的局部修補(bǔ)技術(shù),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(bǔ)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(hù)效果。此種有機(jī)阻銹劑在美國有Cortec公司的MCI系列產(chǎn)品,在國內(nèi)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(fù)砂漿,在歐洲多座橋梁的耐久性修復(fù)中表現(xiàn)良好。
3.3 堿-骨料反應(yīng)病害的修復(fù)。 堿-骨料反應(yīng)是混凝土內(nèi)部的堿（K?2O及Na?2O）與活性骨料在水分供應(yīng)充足的條件下發(fā)生的反應(yīng),反應(yīng)產(chǎn)物為堿-硅凝膠,遇水膨脹,引起混凝土嚴(yán)重開裂。在素混凝土中,多為網(wǎng)狀裂縫;有鋼筋約束時(shí),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(shí)混凝土內(nèi)部水蒸氣又可向外散發(fā),可在短期內(nèi)降低混凝土內(nèi)部濕度,從而顯著延緩堿-硅反應(yīng)的發(fā)生。但對(duì)大體積混凝土,因混凝土內(nèi)部的濕度可保持很長時(shí)間,這種方法不太合適。
3.4 混凝土表面防護(hù)技術(shù)?；炷帘砻娣雷o(hù)技術(shù)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(jī)制各不相同且作用機(jī)理復(fù)雜,但破壞程度都與混凝土的物質(zhì)傳輸能力有關(guān),受混凝土滲透性影響很大。表面防護(hù)處理,能改變混凝土結(jié)構(gòu)面層的性質(zhì),顯著提高耐久性。
4. 混凝土橋梁常用加固技術(shù)
4.1 橋面補(bǔ)強(qiáng)層加固法。 當(dāng)采用這種方法時(shí),須將原橋面鋪裝全部鑿除或鑿毛,然后加鋪一定厚度的補(bǔ)強(qiáng)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(jié)構(gòu)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(gòu)件截面面積或配筋率以提高鋼筋混凝土梁的強(qiáng)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(cè)面加大尺寸,增配主筋,以提高主梁截面的有效高度,從而達(dá)到提高橋梁承載能力的目的。在施工質(zhì)量可靠的情況下,該技術(shù)的加固效果是比較理想的,并且?guī)缀醪恍枰笃陴B(yǎng)護(hù)。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(jìn)行,施工難度較大,且施工質(zhì)量難以控制。
4.3 體外預(yù)應(yīng)力加固法。體外張拉預(yù)應(yīng)力束加固法,是加固效果最明顯而施工工藝最為復(fù)雜的加固方法。該方法的有點(diǎn)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(tái)基礎(chǔ)的加固量。同時(shí),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(duì)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(diǎn)是加固后體外預(yù)應(yīng)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(jié)構(gòu)受拉面或其它薄弱部位,使鋼板與加固混凝土結(jié)構(gòu)形成整體,以達(dá)到提高結(jié)構(gòu)承載能力的目的。該方法具有基本不改變?cè)Y(jié)構(gòu)的尺寸,施工簡(jiǎn)單,技術(shù)可靠,短期加固效果好,且工藝成熟等優(yōu)點(diǎn)。然而,由于粘貼鋼板加固后均須進(jìn)行必要的表面防護(hù),如環(huán)氧砂漿或水泥砂漿保護(hù)層,鋼板的銹蝕程度較難估計(jì),降低了加固構(gòu)件的可靠性,增加了加固橋梁的后期養(yǎng)護(hù)費(fèi)用。
4.5 改變結(jié)構(gòu)受力體系加固法。改變受力體系,是通過改變橋梁結(jié)構(gòu)受力體系達(dá)到提高結(jié)構(gòu)整體承載能力的目的,是一種變被動(dòng)為主動(dòng)的加固方法。該方法須對(duì)原結(jié)構(gòu)的受力狀況進(jìn)行仔細(xì)的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查與分析,并對(duì)轉(zhuǎn)換后的橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行可靠的受力分析,最終確定橋梁結(jié)構(gòu)承載能力的提高幅度是否滿足規(guī)定交通荷載等級(jí)的需要。該加固方法的技術(shù)關(guān)鍵是如何有效降低橋梁各控制截面的計(jì)算內(nèi)力。該技術(shù)的難點(diǎn)在于相鄰梁端負(fù)彎矩區(qū)的處理問題。
4.6 增設(shè)主梁加固法。這種方法投資較大,且存在一個(gè)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(duì)橋面鋪裝進(jìn)行反復(fù)的修補(bǔ),不但增加了后期養(yǎng)護(hù)的費(fèi)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(zhuǎn)化而來的加工方法,主要用于因支點(diǎn)截面尺寸小而導(dǎo)致的抗剪強(qiáng)度不足的混凝土梁的加固維修。在確保新舊混凝土粘結(jié)質(zhì)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(jié)構(gòu)的耐久性,而后期幾乎不需要養(yǎng)護(hù)費(fèi)用。
4.8 增加橫向聯(lián)系加固法。該方法是通過增設(shè)橋梁橫向聯(lián)系,以改善上部結(jié)構(gòu)的荷載橫向分布規(guī)律,從而達(dá)到提高結(jié)構(gòu)整體承載能力的加固方法。一般用于無內(nèi)橫梁或少于內(nèi)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(shè)現(xiàn)澆混凝土橫梁或鋼梁來提高橫向抗彎剛度。該技術(shù)的缺點(diǎn)是會(huì)對(duì)原結(jié)構(gòu)造成一定程度的損傷,對(duì)于配筋為復(fù)雜的區(qū)域或構(gòu)件,不宜采用該方法加固設(shè)計(jì),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(jié)構(gòu)加固技術(shù)。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料上一種性能優(yōu)良的混凝土結(jié)構(gòu)加固材料,它具有強(qiáng)度高、密度小、耐腐蝕、抗疲勞等優(yōu)點(diǎn)。該技術(shù)是將碳纖維這種高性能纖維應(yīng)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(jié)構(gòu)或構(gòu)件表面,形成復(fù)合材料,通過碳纖維布與結(jié)構(gòu)的協(xié)同工作,達(dá)到對(duì)結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)加固及改善受力性能的目的。該方法施工方便,對(duì)原結(jié)構(gòu)無損傷且施工質(zhì)量易于保證,幾乎無需后期維修養(yǎng)護(hù)。同時(shí),從美觀角度,碳纖維復(fù)合材料加固層厚度很薄,基本不改變?cè)Y(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)尺寸,適用于對(duì)景觀要求較高地區(qū)的橋梁。
5. 結(jié)束語
橋梁檢測(cè)與加固技術(shù)的應(yīng)用,不但能起到確保橋梁安全運(yùn)營、延長橋梁使用壽命的作用,同時(shí)通過早期橋梁病害的發(fā)現(xiàn),及時(shí)對(duì)病害進(jìn)行處治和結(jié)構(gòu)加固,以保證橋梁具有可靠的承載能力和正常使用能力。
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[文章編號(hào)]1006-7619（2010）06-08-525
[作者簡(jiǎn)介] 李大中（1969.11-）,男,1992年7月畢業(yè)于北京建筑工程學(xué)院土木工程系道橋?qū)I(yè),本科,工學(xué)士學(xué)位。工作單位是河南省新鄉(xiāng)市高等級(jí)公路管理處,工程師,長期從事公路工程施工、養(yǎng)護(hù)工作。
