雷亮

（新疆兵團(tuán)勘測設(shè)計(jì)院（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，新疆烏魯木齊 830000）

0 引言

高寒地區(qū)工程建設(shè)一直是我國工程建設(shè)中的難點(diǎn)和重點(diǎn)。隨著我國學(xué)者對凍土的基礎(chǔ)理論研究取得突破（如程氏假說等），高寒地區(qū)凍土生成和變化機(jī)制等也被越來越多人所熟悉，這些基礎(chǔ)理論的發(fā)展推動(dòng)著我國高寒地區(qū)的工程建設(shè)迅速發(fā)展。

對于高寒地區(qū)而言，橋梁可以顯著地縮減通行時(shí)間，對交通運(yùn)輸起著重要作用。我國高寒地區(qū)大部分橋梁采用混凝土梁橋的結(jié)構(gòu)形式，其作為一種強(qiáng)度高、耐久性好的材料被大量工程使用[1]，但在高寒地區(qū)惡劣環(huán)境下，混凝土橋梁耐久性問題依然需要重視。

混凝土橋梁的耐久性問題發(fā)生的誘因是多方面的：①隨著全球氣候變暖情況的加劇，高寒地區(qū)凍土退化現(xiàn)象越發(fā)明顯，極易誘發(fā)地表下沉，嚴(yán)重影響高寒地區(qū)的橋梁工程穩(wěn)定性；②高寒地區(qū)的橋梁建設(shè)有其特殊性，惡劣的環(huán)境極易引起混凝土結(jié)構(gòu)劣化，出現(xiàn)病害；③混凝土橋梁在設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)計(jì)人員大多只關(guān)注橋梁的結(jié)構(gòu)安全性設(shè)計(jì)[2]，忽視混凝土梁橋的耐久性設(shè)計(jì)。

在我國西北高寒地區(qū)，對當(dāng)?shù)噩F(xiàn)存橋梁進(jìn)行病害狀況調(diào)研發(fā)現(xiàn)，許多混凝土梁橋存在病害，亟待解決。為使今后高寒地區(qū)混凝土橋梁的耐久性問題得到解決，本文擬通過對高寒地區(qū)混凝土梁橋的常見病害的產(chǎn)生機(jī)制進(jìn)行分析，提出有針對性的設(shè)計(jì)方案，以解決混凝土梁橋的耐久性問題，為今后高寒地區(qū)的混凝土橋梁設(shè)計(jì)提供建議和指導(dǎo)。

1 高寒地區(qū)區(qū)位特點(diǎn)及其對混凝土橋梁的影響

1.1 氣候特點(diǎn)

我國高寒地區(qū)大多位于我國西北方，主要分布在黃河上游，如甘肅、青海、新疆等地，海拔高，常年氣溫較低，且由于這部分地區(qū)位于內(nèi)陸，受秦嶺山脈的阻隔往往降雨較少，降雨季節(jié)集中在夏季，屬于溫帶大陸性氣候。

1.2 環(huán)境特點(diǎn)

高寒地區(qū)由于常年氣溫較低且海拔高，受太陽輻射較強(qiáng)，因此，大部分地區(qū)分布有季節(jié)性凍土，冬季凍脹夏季融沉，對工程有不利影響。在冬季高寒地區(qū)，橋梁經(jīng)常面臨積雪情況。

1.3 高寒地區(qū)區(qū)位特點(diǎn)對混凝土梁橋的影響

高寒地區(qū)特有的氣候特征和環(huán)境特點(diǎn)極易誘發(fā)該地區(qū)的混凝土梁橋出現(xiàn)病害。在外界凍融作用下，混凝土橋梁墩臺易出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，使得橋梁承載力被削弱，進(jìn)而引發(fā)其他如混凝土碳化、鋼筋銹蝕等病害，對混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性造成影響。

高寒地區(qū)混凝土梁橋主要考慮其受彎性能，設(shè)計(jì)使用年限較長，大多數(shù)橋梁的跨徑較小，設(shè)計(jì)受力為單板受力。這種設(shè)計(jì)方式會(huì)導(dǎo)致板梁之間的橫向連接發(fā)生破壞，使得預(yù)制板受力達(dá)到極限，引發(fā)混凝土出現(xiàn)裂縫，從而引發(fā)鋼筋銹蝕[3]、混凝土碳化等病害[4]，影響其正常使用，對混凝土梁橋結(jié)構(gòu)安全造成影響。常見的高寒地區(qū)混凝土梁橋病害圖見圖1、圖2。

圖1 梁底裂縫

圖2 橋臺腐蝕

2 高寒地區(qū)混凝土梁橋常見病害機(jī)理分析

2.1 橋梁結(jié)構(gòu)凍融破壞

影響高寒地區(qū)混凝土耐久性的首要因素就是高寒地區(qū)的凍融破壞問題，混凝土在凍融的過程中強(qiáng)度逐步降低，直至發(fā)生破壞。關(guān)于混凝土凍融破壞的產(chǎn)生機(jī)理，國內(nèi)外的學(xué)者提出了很多不同的看法，其中較為統(tǒng)一的觀點(diǎn)就是內(nèi)部孔隙水作用影響混凝土的凍融破壞?？紫端淖饔梅绞胶屯緩降南嚓P(guān)研究中，較為著名的是Powers等人的靜水壓理論和滲透壓理論，其中靜水壓理論[5]主要是分析混凝土之所以發(fā)生凍融破壞，是由于水凍結(jié)成冰體積會(huì)膨脹9%，混凝土內(nèi)部的孔隙水被凍結(jié)之后，內(nèi)部孔隙逐步被冰體填滿，混凝土內(nèi)部在靜水壓力作用下將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫發(fā)生破壞。靜水壓理論計(jì)算模型見圖3。靜水壓理論認(rèn)為靜水壓力是引起破壞的全部因素，理論上只要孔隙夠大，混凝土就不會(huì)被拉裂。但是還有很多實(shí)際現(xiàn)象是靜水壓理論難以解釋的，在此基礎(chǔ)上發(fā)展出了滲透壓理論，滲透壓理論在考慮集料孔隙的基礎(chǔ)上對水泥漿體的滲透過程進(jìn)行分析，認(rèn)為混凝土內(nèi)部溶液呈堿性，當(dāng)氣溫降低內(nèi)部水體結(jié)冰之后，溶液濃度隨之上升，將會(huì)與未凍水發(fā)生離子交換和水交換，在這個(gè)遷移的過程中，水分子遷移快，而離子遷移速度較慢，將會(huì)產(chǎn)生滲透壓力，這個(gè)過程中滲透壓力作用將導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)破壞。

2.2 除冰鹽引起的結(jié)構(gòu)侵蝕

高寒地區(qū)道路時(shí)常積雪對車輛通行產(chǎn)生影響，通常的解決方法是使用除冰鹽進(jìn)行道路除冰。目前，已有不少研究證明除冰鹽會(huì)使得橋梁內(nèi)部的鋼筋出現(xiàn)銹蝕，對混凝土橋梁的結(jié)構(gòu)耐久性造成影響。高寒地區(qū)頻繁使用除冰鹽進(jìn)行除冰，鹽中攜帶的氯離子滲入到混凝土內(nèi)部會(huì)對混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生侵蝕，許多學(xué)者進(jìn)行了氯離子對混凝土結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)制的相關(guān)研究，認(rèn)為氯離子通過破壞鋼筋表面鈍化膜，進(jìn)而誘發(fā)鋼筋出現(xiàn)銹蝕破壞。鋼筋在混凝土內(nèi)部時(shí)本身是帶有鈍化膜的，這是堿性的漿液環(huán)境造就的。除冰鹽中的氯離子滲透入混凝土內(nèi)部并不直接改變其內(nèi)部環(huán)境，而是和鈍化膜中的鐵離子進(jìn)行反應(yīng)生成綠銹，綠銹氧化又重新釋放氯離子，加深對鈍化膜的影響。缺少鈍化膜保護(hù)的鋼筋易發(fā)生銹蝕，在銹蝕過程中鋼筋體積膨脹擠壓混凝土，使混凝土內(nèi)部出現(xiàn)裂縫，結(jié)構(gòu)受力性能和承載能力降低，威脅結(jié)構(gòu)安全。

2.3 混凝土碳化

混凝土碳化其實(shí)就是混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)與水和二氧化碳發(fā)生反應(yīng)的結(jié)果，這個(gè)過程會(huì)使混凝土內(nèi)部環(huán)境由堿性轉(zhuǎn)化為酸性，鈍化膜被腐蝕破壞，其直接后果是混凝土內(nèi)部鋼筋出現(xiàn)銹蝕?；炷涟l(fā)生碳化反應(yīng)的過程見圖4。

圖3 靜水壓理論模型[5]

圖4 混凝土碳化過程

2.4 鋼筋銹蝕

鋼筋銹蝕對混凝土耐久性影響較大，其產(chǎn)生原因與環(huán)境關(guān)系密切?！痘炷两Y(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB/T50476—2019）將鋼筋銹蝕的環(huán)境和原因進(jìn)行分類，見表1。

表1 鋼筋銹蝕分類

高寒地區(qū)的地理區(qū)位遠(yuǎn)離海洋，且已對除冰鹽氯鹽破壞機(jī)理和混凝土碳化等過程進(jìn)行分析，本文只對凍融環(huán)境下鋼筋銹蝕機(jī)理進(jìn)行分析。在高寒地區(qū)，混凝土在凍融作用下極易發(fā)生表面砂漿脫落，骨料裸露在空氣中，鋼筋與水和氧氣在同一環(huán)境下產(chǎn)生銹蝕，主要是當(dāng)鋼筋表面存在電位差時(shí)，相當(dāng)于陰陽極，在鋼筋表面的陽極生成的Fe2+和陰極生成的(OH)-反應(yīng)生成Fe(OH)2，促使鋼筋銹蝕。

3 高寒地區(qū)混凝土梁橋耐久性設(shè)計(jì)

3.1 混凝土橋梁耐久性設(shè)計(jì)原則

高寒地區(qū)混凝土橋梁的耐久性設(shè)計(jì)應(yīng)因地制宜，根據(jù)實(shí)際情況制定相應(yīng)的設(shè)計(jì)原則，確保項(xiàng)目建設(shè)科學(xué)合理，兼具經(jīng)濟(jì)性。設(shè)計(jì)原則可分為以下幾個(gè)方面：

（1）環(huán)境分區(qū)預(yù)設(shè)計(jì)。高寒地區(qū)區(qū)域廣泛，不同地區(qū)進(jìn)行混凝土橋梁設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)工程當(dāng)?shù)丨h(huán)境、氣溫等條件進(jìn)行分區(qū)，評價(jià)環(huán)境、氣溫等因素對混凝土橋梁耐久性的影響程度，針對環(huán)境因素對耐久性進(jìn)行預(yù)設(shè)計(jì)。

（2）橋孔合理布置。橋孔布置需要和當(dāng)?shù)氐淖匀坏乩項(xiàng)l件相匹配，適應(yīng)性強(qiáng)，滿足需求。

（3）工程材料選擇滿足適用性和經(jīng)濟(jì)性。高寒地區(qū)工程材料的選擇要充分考慮結(jié)構(gòu)實(shí)際的受力需求和環(huán)境等因素，保證經(jīng)濟(jì)性和安全耐久性。

3.2 混凝土配合比設(shè)計(jì)

混凝土原材料的配合比對混凝土材料的耐久性有直接影響，合理配制混凝土可以極大地提高混凝土的抗?jié)B、抗凍、抗腐蝕、抗碳化能力。

高寒地區(qū)混凝土的材料選用之前應(yīng)進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，對水泥、集料、粉煤灰和外加劑等進(jìn)行正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，優(yōu)選出適合的混凝土配合比。此外，根據(jù)實(shí)際工程中不同部位出現(xiàn)病害的情況分析，對橋梁不同部位的混凝土配比進(jìn)行分別設(shè)計(jì)，在滿足實(shí)際需求的情況下盡可能提高經(jīng)濟(jì)性。

氯鹽的大量滲入極大地破壞了混凝土的耐久性，引發(fā)混凝土橋梁發(fā)生病害，在耐久性設(shè)計(jì)中務(wù)必要提高橋梁的抗氯侵蝕能力。有關(guān)研究表明，在混凝土配合時(shí)選用較低的水膠比和水量、加入適量的粉煤灰和引氣劑等都能提高混凝土的抗?jié)B性能。除此之外，增長養(yǎng)護(hù)時(shí)間也是提高其抗?jié)B性能的重要方法。工程實(shí)踐中應(yīng)根據(jù)采用材料進(jìn)行相關(guān)配比設(shè)計(jì)。

混凝土梁橋結(jié)構(gòu)中的混凝土在高寒地區(qū)要承受多次凍融作用，在反復(fù)凍融過程中結(jié)構(gòu)易產(chǎn)生裂縫，影響其受力性能和承載能力。影響抗凍能力最主要的因素是用水量和含氣量，選擇合理的用水量和引氣劑可以有效地減少混凝土內(nèi)部水凍結(jié)膨脹對結(jié)構(gòu)的損傷。

合理控制水膠比可以有效抑制混凝土碳化，控制水膠比可以對混凝土的密實(shí)度產(chǎn)生影響，水膠比越大，孔隙越大，密實(shí)度越差，混凝土也就越容易被碳化。因此配合比設(shè)計(jì)中也要合理選擇水膠比。

3.3 合理增加保護(hù)層厚度

為抵抗高寒環(huán)境對混凝土橋梁結(jié)構(gòu)耐久性的影響，可以通過適當(dāng)增加混凝土保護(hù)層厚度的方式，提高其耐久性能。在選擇保護(hù)層的加厚厚度時(shí)，應(yīng)對工程當(dāng)?shù)刈匀画h(huán)境條件對混凝土的影響程度進(jìn)行分析，合理選擇加厚的保護(hù)層厚度。對不同部位的保護(hù)層進(jìn)行加厚時(shí)，要充分根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇。

3.4 特殊部位著重加固

對于橋梁的特殊部位，如受剪受彎位置等對橋梁結(jié)構(gòu)安全影響較大的部位，應(yīng)對其耐久性進(jìn)行更加保守的設(shè)計(jì)，在以上設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上對其進(jìn)行著重加固。在結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位進(jìn)行著重加固處理，選取符合國家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的防腐涂料進(jìn)行涂抹，在涂抹之前，應(yīng)先對涂抹部位進(jìn)行預(yù)平整，涂抹之后做好維修養(yǎng)護(hù)工作。

3.5 橋梁線形設(shè)計(jì)

橋梁的耐久性受橋梁形式影響很大，橋梁線形應(yīng)盡可能簡單，避免應(yīng)力集中，使結(jié)構(gòu)受力更加合理，提高結(jié)構(gòu)的整體性。

3.6 控制構(gòu)造裂縫

混凝土橋梁出現(xiàn)病害多是由于構(gòu)造裂縫導(dǎo)致水和空氣侵入結(jié)構(gòu)內(nèi)部，使得混凝土結(jié)構(gòu)劣化，強(qiáng)度降低，因此在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量避免出現(xiàn)構(gòu)造裂縫，如采用預(yù)應(yīng)力式、合理控制配筋間距等措施，盡可能減少構(gòu)造裂縫。

4 結(jié)語

全球氣候變暖還在持續(xù)加快，高寒地區(qū)凍融循環(huán)作用會(huì)更加劇烈，高寒地區(qū)橋梁耐久性問題是一個(gè)普遍性工程問題，對高寒地區(qū)交通意義重大。今后，在高寒地區(qū)進(jìn)行混凝土橋梁設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)在關(guān)注安全性基礎(chǔ)上更多考慮耐久性，對已建成的橋梁需要進(jìn)行定期維護(hù)修復(fù)，及時(shí)對病害進(jìn)行處理加固，確保高寒地區(qū)交通通暢運(yùn)行。