橋梁工程中混凝土耐久性的探討

　　橋梁工程用混凝土除了要滿足一般混凝土的工作性能和強度要求外，還要求具有優良的耐久性能。對于橋梁建筑混凝土，由于無遮蓋而裸露在大氣中，長期受風霜雨雪的侵蝕。因此，混凝土耐久性能的首要要求是混凝土必須具備抵御其現場條件破壞的能力；其次還要滿足荷載條件、混凝土的碳化、溫度應力等要求，尤其對裂縫的控制應十分嚴格。
　　一、氣候條件
　　溫度變化引起的混凝土的膨脹和收縮通常在結構設計中考慮，然而，冰凍條件或凍融循環的年發生次數則需要重點考慮，因為凍融是導致橋梁混凝土劣化最普遍的原因之一。
　　混凝土是多孔隙的復合材料，外部的水分可以通過毛細作用進入這些孔隙。當溫度降至冰點以下時，孔隙中的水凍結膨脹，其體積大約可增加9%，只有當91.7%的孔隙充滿水時，水結成冰才產生內應力。孔隙體積膨脹，孔壁受壓變形，冰溶化后，就可能使孔壁產生應力拉力，反復凍融，當作用于孔壁的拉應力大于混凝土的極限抗拉強度時，即可產生微裂縫，持續凍融的結果使混凝土開裂，甚至崩裂。
　　混凝土的密實性不好，則其抗滲性能就差，可導致更多的水分進入混凝土內部，加快混凝土結構的凍融破壞。因而降低混凝土的水灰比，提高單位混凝土中水泥的用量對混凝土結構結構抗凍融破壞都是有利的。此外，應避免采用吸水率較高的集料，加強排水以免混凝土結構被水飽和，還可以采用引氣劑，這也是提高混凝土抗凍性能的一項有效措施。
　　二、暴露條件
　　橋梁墩臺常受到海水或是污水的侵蝕，故橋梁混凝土的抗化學侵蝕的耐蝕性也是保證橋梁混凝土耐久性的重要因素之一。
　　混凝土本身含有氯離子或氯離子通過擴散作用進入混凝土內，使橋梁混凝土受到氯鹽污染，氯離子半徑小，穿透能力強，有很強的滲透擴散能力，滲入到鋼筋表面會破壞鋼筋鈍化膜而引起銹蝕，銹蝕反應具有膨脹性，可導致混凝土開裂剝落。氯離子滲入引起鋼筋銹蝕的破壞速度加快，當融入到混凝土中的氯鹽達到混凝土重量的0.1-0.2%時，鋼筋開始銹蝕，當氯鹽含量超過1%后，鋼筋的銹蝕面積將急速增加。同時，氯化物侵蝕所形成的銹蝕產物會導致混凝土的開裂或崩裂，這往往會成為橋梁壽命的決定因素。以下幾方面影響著氯化物銹蝕鋼筋的速度：
　　水灰比。隨著水灰比的增加，鋼筋銹蝕的速度加快。
　　混凝土的pH值。隨著pH值的增加，鋼筋銹蝕的速度加快。
　　單位混凝土中的水泥用量。隨著水泥用量的增加可提高混凝土的密實度和抗滲性能，可減小氯離子的滲透速度，因而也降低了鋼筋銹蝕速度。
　　保護層厚度。增加鋼筋保護層厚度可使氯離子滲透至鋼筋表面的時間增加，因而也就延緩了鋼筋銹蝕的發生。
　　另外，使用化冰鹽不僅會引起鋼筋銹蝕還會對混凝土表面產生冷沖擊，即在冰層融化的同時會吸收能量，導致冰層下面的混凝土溫度急劇降低，引起混凝土表面起皮、點蝕和剝落。
　　橋梁還可能暴漏于其他腐蝕性介質中，其硫酸鹽侵蝕較為常見，因為硫酸鹽存在于海水及一些地區的土壤和地下水中。硫酸鹽主要與水泥中的C2S2H凝膠、水化鋁酸鹽反應，形成膨脹的硫鋁酸鈣或二水石膏沉積膨脹而導致破壞。可以引入抗硫酸鹽侵蝕的凡士林水泥礦物和減少孔隙率或表面處理，封閉孔隙通道。
　　較高的電阻率是混凝土的一種優良性能，它在防止鋼筋過早銹蝕方面，甚至比氯離子滲透率較低的性能方面更為突出。降低水灰比和增加水泥的用量可提高混凝土的電阻率，然而在水泥用量較多的混凝土加入硅粉是提高混凝土電阻率的又一種有效的方法。
　　三、荷載條件
　　荷載條件包括交通車輛、風、地震等作用。車輛或流水中的懸浮物及泥砂等可磨損混凝土表面，另外流動水的氣泡沖擊作用類同于磨損，也可能導致混凝土失效。一般情況下，表面磨損不是橋面板的主要性能指標，但在允許使用防滑鏈或帶釘輪胎的地方或水面有大量浮冰，則磨損可能較嚴重，耐磨性就是混凝土的一個重要參數。另外預應力混凝土橋梁，如果長期處于使用荷載大于設計荷載的條件下，則在受拉區可能出現混凝土被拉裂的現象。
　　四、溫度應力裂縫
　　混凝土中水泥水化反應時要放出熱量，導致構件中心與邊緣出現溫度差而產生應力，該應力大于混凝土當時的抗拉強度，混凝土就會開裂。混凝土構件尺寸越大，發生溫度應力裂縫的可能性也越大。減小混凝土的水泥用量和降低混凝土初始溫度，是防止溫度應力裂縫的主要方法。
　　近年來，在混凝土材料方面水泥向更多較強礦物硅酸鹽三鈣粉磨細度增大發展，加水拌合后水化熱加速，放熱加劇，溫度收縮及干燥收縮增大。粗骨料的粒徑減小，級配單一，使拌合物需要的漿體量增加，以致水化熱加劇。
　　溫度變化的熱脹冷縮也會導致溫度應力的產生。由于各材料界面的穩定變形系數不同，而使得鋼筋與混凝土界面、砂石與水泥漿界面等產生不同的溫度變形，導致混凝土產生裂縫。
　　五、堿骨料反應
　　堿骨料反應是指混凝土中的氫氧根離子與骨料中的活性二氧化硅之間的反應，混凝土中堿離子主要是水泥引入的，當骨料中含有二氧化硅時，在有水的條件下，堿離子與二氧化硅反應生成一種含堿金屬的硅凝膠<具有強烈的吸水膨脹能力>。其形成和成長常常造成混凝土內部的膨脹，這種膨脹所產生的內部應力，使混凝土內部形成微裂縫，甚至造成混凝土的嚴重開裂。
　　堿骨料反應需要有三個條件：活性集料、混凝土堿的含量達到一定程度、有水或潮濕的環境。為了避免堿骨料反應，混凝土應采用非活性骨料，采用低堿水泥或控制混凝土中其他組分堿的引入，滲入混合料，如粉煤灰，以降低混凝土中堿的含量。
　　堿骨料反應會導致大型橋梁墩臺或高速公路路面的開裂和破壞，并且這種破壞會繼續下去，難以補救。
　　六、混凝土的碳化
　　混凝土是以水泥砂漿為基體，以骨料為加勁材料的復合材料，水泥砂漿體的主要成分C2H2S凝膠是一種結晶不完整、蜂窩型的、錯綜復雜的網狀結構，骨料與水泥砂漿間有微孔隙、微裂紋，因而混凝土材料有一定的滲透性。空氣中的二氧化碳擴散到混凝土與水作用生成碳酸，碳酸與水泥水化過程中產生的氫氧化鈣、硅酸二鈣、硅酸三鈣反應生成碳酸鈣，在自由水的作用下碳酸鈣沉淀在混凝土內部的孔穴中，即為混凝土碳化。
　　混凝土碳化的結果是使混凝土的pH值降低，如果堿損失發生在鋼筋附近，當混凝土的pH值小于11.5時，就能引起鋼筋表面惰性氧化鐵薄膜的破壞，在空氣中水和氧的作用下，還可以引起平行于剛進的裂紋和混凝土的崩裂。碳化有初始期和傳播期，在初始期二氧化碳滲透進入混凝土保護層，最終導致鋼筋表面惰性薄膜的破壞，在傳播期鋼筋銹蝕導致混凝土保護層開裂或崩塌。
　　混凝土的碳化程度與水灰比有關，隨水灰比的增加碳化速度加快。混凝土的碳化速度隨養護時間的增加而減少。增加單位混凝土中水泥的用量，會提高混凝土的密實度和抗滲性，可減小混凝土的碳化程度。增加保護層的厚度，使混凝土碳化到達鋼筋表面的時間增加，也有利于提高混凝土結構抗碳化的能力。
　　七、結束語
　　由于混凝土材料耐久性的不足，進而引起橋梁結構耐久性的不足。調查資料顯示，很多橋梁并沒有達到設計壽命就提前進入加固維修期，主要原因之一就是其混凝土耐久性不足。現今，我國路橋基礎設施建設投資力度巨大，如再不著手提高橋梁混凝土的耐久性，將來增加的維修加固以及重建費用將是十分巨大的。