橋梁開通(tōng)運營以後,隨著外界溫度交替變化、雨雪侵蝕、凍融循環、酸堿腐蝕、正常交(jiāo)通累積、超載車輛通行,以及(jí)橋梁本身的徐變(biàn)和鬆弛,橋梁逐漸老化。原先一些不可見的微裂縫長成宏裂縫,可見的宏裂縫逐漸延長擴展。
一、結構性老化導致的裂縫
1.橋梁撓度變化
橋梁逐漸老化,表(biǎo)現最為明顯的是橋梁撓(náo)度變化。
2.徐變和鬆弛
橋梁逐漸老化的內在物理力學因素是混凝土徐變(biàn)和(hé)預應力鬆弛(chí),橋梁(liáng)內力與竣工狀態相比較有較(jiào)大的變化。
3.裂縫
最能表現(xiàn)橋梁老化(或缺陷)特征的是(shì)裂縫,裂縫的部位、方向揭示了橋梁的老化(或缺陷(xiàn))的(de)部位和性質。
從(cóng)裂縫的部(bù)位和方向來看,(1)屬於剪(jiǎn)力裂縫;(2)因(yīn)為(wéi)基本(běn)無彎起預應力(lì)鋼筋,可以判斷豎向預應力不足;其(qí)次(cì)(3)設計、施(shī)工(gōng)和自然環境中可能有未預料到的(de)偶合因素,例如,計算模式(shì)、施工精度、溫差等。
二、材料老化導致的裂縫(損傷(shāng))與防治
(一)材料老化類型與機(jī)理
材料老化主要有混凝土劣化和鋼(gāng)材鏽蝕兩(liǎng)個(gè)方麵,它(tā)們(men)之間又是相互促(cù)進的。由於混(hún)凝土(tǔ)的(de) pH=12-13,這種高堿性使包裹在混凝土中的鋼筋表麵形成鈍態氧化層(鈍化層(céng)),鈍化(huà)層具(jù)有很強的抗鏽蝕能力。如果降低了混凝土的堿性到(dào) 1.5,鈍化層將處於不穩定的(de)臨界狀態;如果pH小於 9.88鈍化層(céng)將會破壞。破壞了鈍化層,在合適的(de)條件下,鋼筋就開始鏽蝕膨脹,導致混凝土沿著(zhe)鋼(gāng)筋開裂、剝(bāo)落。
1.裂縫和空隙
所有從混凝土表麵通達鋼(gāng)筋的裂縫都降低了混凝土(tǔ)對鋼筋的高堿(jiǎn)保護,導致鈍化層失穩甚至失效,引起(qǐ)鋼筋鏽蝕。
多根鋼(gāng)筋捆束,導致混凝土澆築空隙,不能形成鈍化層(céng)。
2.堿一集料反應(AAR)。
一種是堿一矽酸鹽集料反應(yīng),另一(yī)種是堿一碳酸(suān)鹽(yán)集料反應,後者少(shǎo)見。當(dāng)水泥和集料加水拌和後,水泥中的堿與活性集料中的矽酸鹽慢慢起化學反應,析出堿一矽凝膠,凝膠吸水膨脹,體積可增加到三倍,脹裂混凝土。裂縫中充滿白色凝(níng)膠沉澱物,裂(liè)縫表麵呈(chéng)白色地圖狀花紋。
3.S02和(hé)酸雨
S02及其進一步氧化物Sq直接或通過水將Ca( OH)2生(shēng)成CaCOH或CaS03,使混凝土膨脹開裂。
4.混凝土中性化(huà)(或酸性化)
(1)碳化。氣相的或水(shuǐ)溶的C02與混凝土中的堿性物質反應,使(shǐ)堿性物質(zhì)轉化為pH值較低的碳酸鹽CaC03。混凝土碳化的結果是降低了混凝土的高堿性,導致鈍化層失穩甚至失效,引起鋼筋鏽蝕。混凝土碳化(huà)後有(yǒu)所收縮,碳化特性如下:
(a)混凝土(tǔ)碳化速度與水泥品種(或外(wài)摻劑)有關。
(b)與骨料(liào)的透氣性有關。輕骨(gǔ)料透氣性好,易碳化。大骨料底(dǐ)部易產生砂漿離析、沉澱增加空隙,易碳化。
(c)與混凝土配合比和施工有關。水灰比大、水泥用(yòng)量少、空隙大,易碳(tàn)化。早期養護不足(zú),易碳化,濕養3天比濕養7天快50%。
(d)與局部環境有關。濕度小,易碳化,濕度為90%、70%、50%碳化速(sù)度比為0.6:1:1.4。空心結(jié)構內部易碳化,相同時間,箱內碳化(huà)深度是外表麵的(de)2.5 -3倍,幹燥箱內壁比外壁碳化更(gèng)快。箱(xiāng)梁無粘結幹(gàn)接縫和氣孔碳化深度是內壁的兩倍。
(2) S02和酸雨同樣可以使混凝土中性(xìng)化(或(huò)酸性化),如(rú)前所述,還伴(bàn)隨著膨脹。比碳化危害(hài)性更大。
5.氯鹽侵蝕
在沿海、內陸地區(例如,鹽橋、鹽堿(jiǎn)地)或鹽堿工業區,混凝土(tǔ)的集料(liào)和用水的氯鹽含量較高;而且其工作環境也受氯鹽的侵蝕,氯鹽對混凝土和(hé)鋼材有如下腐蝕作用。
(1)對(duì)混凝土的腐蝕
①MgCl2與混凝土中的Ca生成的CaCl2能溶於水,形成多孔混凝土;
②海水中(zhōng)的MgS04與混凝土中的Ca(OH)2 生成CaS04,又與(yǔ)鋁酸鈣生(shēng)成硫鋁酸鈣—水泥杆(gǎn)菌(jun1),混凝土膨(péng)脹(zhàng)破(pò)壞;
③鹽(yán)分(fèn)子在混凝土毛細管內上升,不斷結(jié)晶、聚集,脹裂混凝土。
因此(cǐ),浸漬在海(hǎi)水中的混凝土不斷老化,壽命衰減。
(2)對鋼筋的腐蝕
①氯離子破壞鈍化層;
②氯離(lí)子與鐵構成了腐蝕電池,在鋼筋表麵(miàn)形(xíng)成特有的坑(kēng)蝕;
③氯離子與鐵離子生成FeCl2,再溶於水,轉(zhuǎn)換成Fe( OH)2,釋放出氯離子,周而複始,腐蝕鋼筋,稱為去極化作用;
④氯離子強化了混凝土的離子通路,降低了歐姆電阻,提高了腐(fǔ)蝕電池的效率。
一般對於預應力混(hún)凝土,氯離子含量與水泥(ní)用量之比不大於0.06%;普(pǔ)通混凝土不大於 O.10%是安全的。