天津濱海新區(qū)位于天津東部臨海地區(qū)，地質(zhì)屬鹽堿灘涂地帶，很多地區(qū)淺表地下水中的氯鹽、硫酸鹽、鎂鹽含量都高于海水，又屬于北方寒冷地區(qū)。在這種環(huán)境中，混凝土構(gòu)件如果只考慮強度而忽略混凝土耐久性問題，很難達到設(shè)計壽命。特別是橋梁混凝土構(gòu)件，除受上述環(huán)境因素外，還要承受靜載、活載的作用，一般服役5-8年就會出現(xiàn)破壞[1]，而我國在《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》JTGD60-2004）中強制規(guī)定，橋梁設(shè)計基準期為100年。因此分析研究影響混凝土橋梁耐久性的因素，并有針對性地采取措施，已成當(dāng)務(wù)之急。
2.津濱地區(qū)橋梁混凝土構(gòu)件破壞類型及形成機理分析
津濱地區(qū)橋梁混凝土構(gòu)件常見的破壞類型主要有：碳化，氯化物侵蝕破壞，凍融破壞，硫酸鹽侵蝕破壞，堿—骨料反應(yīng)，荷載作用等。
2.1.混凝土碳化破壞
混凝土屬于多孔結(jié)構(gòu)，內(nèi)部存在著大小不同的毛細管、孔隙、氣泡，甚至缺陷。二氧化碳不斷地透過混凝土中未完全充水的粗毛細孔道，氣相擴散到混凝土中部分充水的毛細孔中，與水泥水化過程中產(chǎn)生的氫氧化鈣、硅酸三鈣、硅酸二鈣等水化產(chǎn)物相互作用，形成碳酸鈣。使孔隙液的pH值降為8.5~9.0，其反應(yīng)可以用以下化學(xué)式表示：
CO2+H2O→H2CO3
Ca（OH）2+H2CO3→CaCO3↓+H2O
3CaO•2SiO2•3H2O+3H2CO3→3CaCO3↓+2SiO2+6H2O
2CaO•SiO2•4H2O+2H2CO3→2CaCO3↓+SiO2+6H2O
鋼筋在PH>12.5的環(huán)境中，表面生成一層氧化膜，阻止陽極的鐵溶解。由于碳化混凝土的PH<10，保護層破壞，如果此時供給氧和水，就會發(fā)生鋼筋銹蝕。鋼筋一旦生銹，因鋼筋生成物與混凝土的粘結(jié)力很低，同時因為鐵銹的膨脹壓力而使混凝土保護層產(chǎn)生龜裂，通過這些裂縫又迅速加快銹蝕的速度，引起鋼筋混凝土構(gòu)件的耐久性降低。
2.2.氯化物侵蝕破壞
混凝土碳化會降低堿度，但碳化過程進展慢，在沿海地區(qū)碳化引起的鋼筋銹蝕遠不如氯離子引起的銹蝕普遍，氯離子是混凝土中鋼筋過早銹蝕的主要原因。當(dāng)混凝土處于氯鹽環(huán)境（如近海地區(qū)、使用氯鹽化冰鹽）時，氯離子含量較高，由于氯離子的穿透力非常強，當(dāng)鋼筋周圍混凝土孔隙液中氯離子達到一定濃度時，氯離子容易滲入氧化膜，激活鋼筋表面的鐵原子，使鋼筋銹蝕。在鋼筋銹蝕過程中氯離子僅起到催化作用，并不改變銹蝕產(chǎn)物的組成，混凝土中氯離子的含量也不會因腐蝕反應(yīng)而減少。所以，當(dāng)氯離子的含量超過臨界值時，如果不進行處理，腐蝕將會不斷進行下去。
津濱地區(qū)屬近海地區(qū)，而且冬季下雪后噴灑的化冰鹽都含有氯離子，一旦氯離子在滲透作用下到達鋼筋并聚集到臨界濃度，就會破壞鋼筋的鈍化膜，造成鋼筋銹蝕。鹽水不僅能侵蝕橋面及主梁，當(dāng)順排水管流下時，如果橋梁排水損壞，則除冰鹽水直接可以沖刷到蓋梁及墩柱上，造成橋梁這些部位因鋼筋銹蝕而損壞。
2.3.凍融破壞
我國北方寒冷地區(qū)由于凍融使混凝土破壞是工程結(jié)構(gòu)損壞的主要原因[2]?；炷猎诎柚茣r，為了得到必要的和易性，加入的拌和水總要多于水泥的水化所需要的水，多余的水便以游離水的形式滯留于混凝土中，形成連通的毛細孔，并占有一定的體積。這種毛細孔的自由水就是導(dǎo)致混凝土遭受凍害的主要因素。當(dāng)混凝土處于飽水狀態(tài)時，毛細孔中水結(jié)冰，膠凝孔中的水處于過冷狀態(tài)。因為混凝土孔隙中水的冰點隨孔徑的減小而降低，膠凝孔中形成冰核的溫度在-78℃以下。膠凝孔中處于過冷狀態(tài)的水分子因為其蒸汽壓高于同溫度下冰的蒸汽壓而向毛細孔中冰的界面處滲透，于是在毛細孔中又產(chǎn)生一種滲透壓力。此外，由于水向毛細孔的滲透作用，必然使毛細孔中的冰體積進一步膨脹。所以，毛細孔壁同時承受膨脹壓和滲透壓兩種壓力。當(dāng)這兩種壓力超過混凝土的抗拉強度時，混凝土就的微觀結(jié)構(gòu)就會受到損傷。當(dāng)經(jīng)過反復(fù)多次的凍融循環(huán)以后，損傷逐步積累不斷擴大，發(fā)展成互相連通的裂縫，使混凝土的強度逐步降低，最后甚至完全喪失。
2.4.硫酸鹽侵蝕破壞
硫酸鹽侵蝕主要是在混凝土硬化后由水泥中的鋁酸三鈣和周圍環(huán)境中的硫酸鹽之間的反應(yīng)引起的，鋁酸三鈣與硫酸鹽反應(yīng)生成硫鋁三鈣（鈣釩石），鈣釩石生長需要空間，在固體材料內(nèi)的封閉環(huán)境中，鈣釩石晶體生長可以產(chǎn)生240MPa的壓力，引起混凝土的膨脹、開裂、剝落和解體，另一方面由于硬化水泥石Ca（OH）2和C-S-H等組分溶解或分解而導(dǎo)致混凝土強度、硬度和粘結(jié)性喪失。橋梁的承臺、墩柱在含鹽量高的地下水、含鹽堿量高的地表水、土壤中，由于毛細管作用，水分不斷向上吸附并蒸發(fā)，使混凝土孔隙中鹽溶液濃縮，這也加快了對混凝土構(gòu)件的腐蝕破壞。
2.5.堿—骨料反應(yīng)
堿-骨料反應(yīng)是指混凝土空隙中含有堿金屬（Na、K）的石灰飽和溶液、Na2O、K2O等堿性溶液和骨料中活性成分在混凝土硬化后逐漸發(fā)生的一種化學(xué)反應(yīng)。堿一骨料反應(yīng)產(chǎn)物硅膠體遇水膨脹，體積可增大3~4倍，破壞混凝土結(jié)構(gòu)，是影響混凝土耐久性的主要原因之一。堿—骨料反應(yīng)的主要特征是：外觀上主要是表面裂縫、變形和滲出物；而內(nèi)部特征主要有內(nèi)部凝膠、反應(yīng)環(huán)、活性堿骨料、內(nèi)部裂縫、堿含量等。堿—骨料反應(yīng)不同于其他混凝土病害，它的開裂破壞是整體性的，而且目前還沒有有效的修補方法，因此被學(xué)術(shù)界稱為混凝土的“癌癥”。
2.6.荷載作用
隨著天津濱海地區(qū)的高速發(fā)展，交通量及重載交通所占的比重顯著增長，在經(jīng)濟利益的驅(qū)動下，超載程度日益嚴重，對公路橋梁造成的直接損害是鋼筋混凝土受力構(gòu)件變形加大，超出設(shè)計范圍，在超重車輛荷載頻繁作用下，促使混凝土構(gòu)件裂縫的寬度和數(shù)量極度增加，甚至直接造成破壞，是造成橋梁受力構(gòu)件破壞的直接原因。
混凝土構(gòu)件的病害往往是由多因素共同作用的結(jié)果，在多種劣化環(huán)境條件下，混凝土構(gòu)件一旦出現(xiàn)裂縫、破損等病害，在幾種破壞模式的共同作用下，混凝土的病害會迅速發(fā)展，耐久性急劇降低。為此，在橋梁設(shè)計和施工的過程中應(yīng)增加橋梁病害的防護措施。
3.津濱地區(qū)橋梁混凝土病害防護措施
3.1.混凝土結(jié)構(gòu)采用耐久性設(shè)計
在混凝土達到強度要求的基礎(chǔ)上進行耐久性設(shè)計，配制高性能混凝土是提高混凝土防腐蝕能力的必要措施?；炷恋哪途眯栽O(shè)計是一個系統(tǒng)的工程，涉及到原材料和外加劑、配合比設(shè)計、施工管理、養(yǎng)護等各個方面。
（1）原材料和外加劑
配制高性能混凝土所用的水泥一般選用低堿水泥，堿含量小于<0.6%，以避免堿-骨料反應(yīng)的發(fā)生。同時氯離子含量應(yīng)低于0.03%，降低混凝土中氯離子總量。膠凝材料除水泥之外，還要摻加礦物摻合料（如礦渣、粉煤灰和硅灰等）和外加劑。礦物摻合料主要是為了降低混凝土的水化熱，改善混凝土的工作性，增加混凝土的密實度。外加劑主要是聚羧酸類高性能減水劑，具有一定的引氣性，較高的減水率和良好的塌落度保持性能。與其他的減水劑相比具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢和較高的性價比。骨料不得采用可能發(fā)生堿—骨料反應(yīng)的活性骨料。砂應(yīng)使用河砂，細度模數(shù)應(yīng)大于2.5，細度模數(shù)約等于3.0時，混凝土的工作性最好，抗壓強度最高[3]。砂的含泥量應(yīng)小于1.5%。
（2）配合比設(shè)計
高性能混凝土的配合比參數(shù)主要是水灰比、砂率。水灰比不僅極大的影響混凝土的強度，同時也會極大的影響混凝土的耐久性，水灰比增大，滲透性增加，耐久性降低，對于高性能混凝土，水灰比不宜大于0.35。在水泥漿量一定的情況下，砂率主要影響混凝土的工作性。高性能混凝土由于用水量很低，砂漿量要由增加砂率來補充，砂率宜較大。
（3）施工管理
高性能混凝土或普通混凝土的耐久性在很大程度上決定于施工質(zhì)量是否優(yōu)良。高性能混凝土的施工質(zhì)量控制比普通混凝土更加嚴格，配料計算誤差在允許的范圍內(nèi)，原材料質(zhì)量變化的檢驗次數(shù)要增加，混凝土的拌合要徹底均勻，要保證新拌混凝土的良好的施工性能。塌落度通常作為混凝土施工的初步控制，高性能混凝土膠凝材料用量大，水灰比小，混凝土拌和物比較粘稠，塌落度損失較快。要特別做好施工安排，要做好混凝土澆注前的準備工作。攪拌充分的混凝土拌和物運到現(xiàn)場后要立即澆筑，鋪筑后迅速對混凝土進行搗實。高性能混凝土宜在施工現(xiàn)場加入高性能減水劑，以減少塌落度損失。同時要注意新拌混凝土的拌合和供應(yīng)要配合現(xiàn)場澆筑速度，以免由于新拌混凝土供應(yīng)過快，拌合車在等待澆筑時，損失塌落度和含氣量。
（4）養(yǎng)護
混凝土養(yǎng)護是否充分將直接影響其耐久性。混凝土潮濕養(yǎng)護的最低期限如表1所示
3.2.特殊防護措施
針對橋梁的不同部位所處的環(huán)境不同，如橋墩這樣所處環(huán)境比較惡劣,或?qū)δ途眯杂懈叩牟课唬筛鶕?jù)工程實際情況,增加特殊防腐蝕措施,如在混凝土表面用涂層保護,采用環(huán)氧涂層鋼筋或使用鋼筋阻銹劑等。
（1）混凝土表面用涂層保護
表面用涂層保護是常用的結(jié)構(gòu)防腐蝕措施之一，尤其對于新建工程，表面用涂層保護較為方便，且成本相對較低。但涂料涂層因其老化的原因使得耐久年限較短，在海洋環(huán)境中，一般涂料的涂層的有效防護年限為8—10年。因此使用表面涂層保護，需要定期進行涂層檢測，一旦發(fā)現(xiàn)涂層老化，必須重新進行涂裝。
（2）環(huán)氧涂層鋼筋
環(huán)氧涂層鋼筋理論上具有良好的防腐蝕效果，即使氯離子已滲入到鋼筋表層，其環(huán)氧涂層也能保護鋼筋不致生銹。但其實際操作的可靠性往往受工藝過程和施工過程的影響，容易留下銹蝕隱患，從而無法預(yù)測涂層鋼筋的實際使用壽命。所以環(huán)氧涂層應(yīng)在嚴格控制的工廠流水線上涂覆，厚度為180~280μm，不得有孔洞、空隙或裂縫，并經(jīng)得起彎曲試驗的檢驗。
（3）使用鋼筋阻銹劑
當(dāng)混凝土構(gòu)件所處環(huán)境十分惡劣，或混凝土原材料氯離子含量超標時，可在混凝土中摻入鋼筋阻銹劑。常用的阻銹劑是亞硝酸鈣類阻銹劑，具有較好的阻止氯離子對鋼筋鈍化膜破壞的作用。在高性能混凝土中摻入阻銹劑，可以達到事半功倍的效果。但阻銹劑的摻量要達到要求的最小摻量，如果摻量不足，可能會加速鋼筋銹蝕[4]。
除上述防護措施外，陰極保護、提高混凝土保護層厚度等方法也可以起到很好的防腐蝕作用。但綜合上述分析，簡單而又可靠的首選混凝土本身的耐久性設(shè)計。
4.結(jié)論
為了滿足津濱地區(qū)的高速發(fā)展，修建的混凝土橋梁會越來越多，對橋梁混凝土構(gòu)件進行耐久性設(shè)計，并采取適當(dāng)?shù)奶厥夥栏胧?，可以大幅度減少混凝土橋梁病害的發(fā)生，既可以降低橋梁服役期間的維護成本，又可以節(jié)約能源，具有重大的經(jīng)濟效益和社會效益。
