楊 炯

(中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司,上海 200071)

引言

鐵路橋梁在服役期間不僅承受列車的動(dòng)力荷載,也會(huì)遭受腐蝕環(huán)境的侵蝕。碳化是混凝土結(jié)構(gòu)在一般大氣環(huán)境中最為常見的耐久性問題,是造成混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部鋼筋銹蝕的主要原因之一[1]。碳化對(duì)于混凝土材料本身性能的影響不大,甚至?xí)驗(yàn)樘妓徕}的生成使其內(nèi)部孔隙細(xì)化,密實(shí)度增加[2]。然而,當(dāng)碳化深度接近鋼筋表面時(shí),碳化所引起的堿性降低會(huì)使得鋼筋表面的鈍化膜發(fā)生破壞,鋼筋銹蝕便會(huì)容易發(fā)生,從而造成鋼筋力學(xué)性能下降、鋼筋與混凝土間的黏結(jié)性能劣化,以及銹脹開裂等一系列問題,對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命產(chǎn)生巨大威脅[3]。

對(duì)于鐵路橋梁混凝土的耐久性研究,許多學(xué)者考慮不同的侵蝕因素,建立相關(guān)的耐久性預(yù)測(cè)模型,如基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀⒒谀途眯岳碚摰玫降臄?shù)值模型等?？紤]碳化影響的鐵路橋梁剩余使用壽命預(yù)測(cè)的研究中,王春芬等均采用碳化壽命準(zhǔn)則對(duì)各鐵路橋的剩余壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)[4-5]。考慮碳化引誘的鋼筋銹蝕對(duì)橋梁承載力和使用壽命的影響的研究中,李軍等認(rèn)為,鋼筋銹蝕率影響鋼筋混凝土梁的破壞形態(tài)。當(dāng)銹蝕率大于5%時(shí),鋼筋混凝土梁的破壞由剪切破壞轉(zhuǎn)化為彎曲破壞,而10%的鋼筋銹蝕率是鋼筋混凝土梁承載力急速下降的轉(zhuǎn)折點(diǎn)[6];姜超等發(fā)現(xiàn),受拉區(qū)縱筋銹蝕率的增加會(huì)使鋼筋混凝土梁的正截面受彎承載力近似呈多段線性降低,當(dāng)鋼筋銹蝕率接近80%時(shí),承載力水平降至與相同條件下素混凝土梁相近[7]。

以某鐵路特大橋?yàn)檠芯繉?duì)象,對(duì)其預(yù)應(yīng)力混凝土梁進(jìn)行原位檢測(cè),通過分析其回彈強(qiáng)度、保護(hù)層厚度及碳化深度分布,評(píng)估其橋梁結(jié)構(gòu)的服役狀態(tài)。然后,利用原位測(cè)試數(shù)據(jù),基于臨界鋼筋銹蝕率準(zhǔn)則,對(duì)該橋梁不同部位的耐久性壽命進(jìn)行預(yù)測(cè),以期為鐵路橋梁的運(yùn)營(yíng)維護(hù)提供可靠依據(jù)。

1 工程概況

某鐵路特大橋全長(zhǎng)1 325.8 m,孔跨布置為56-16 m預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土T梁+12-32 m預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土T梁,設(shè)計(jì)速度為120 km/h。該橋地處江蘇徐州地區(qū),建成于1990年,該地區(qū)20年來的平均溫度為15 ℃,平均相對(duì)濕度為69%。其橋墩為雙柱式墩,混凝土方樁基礎(chǔ),墩身于2009年采用增設(shè)橫板方案進(jìn)行加固。該梁所使用的混凝土相當(dāng)于C38,預(yù)應(yīng)力筋為7φ5 mm的鋼絞線,直徑為15 mm,截面積為142.99 mm2,設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度為1 440 MPa,采用先張法張拉。目前,該大橋部分橋墩墩身及梁體混凝土保護(hù)層發(fā)生不同程度破損和鋼筋銹蝕的情況,2020～2021年已對(duì)部分普通鋼筋混凝土T形梁體進(jìn)行圬工涂裝罩面大修。

2 測(cè)試方法

為了評(píng)估現(xiàn)役鐵路混凝土橋梁的耐久性狀態(tài),首先選取10片預(yù)應(yīng)力混凝土梁對(duì)其進(jìn)行原位測(cè)試,此次原位檢測(cè)以無損測(cè)試為主,微損測(cè)試為輔。測(cè)試的指標(biāo)包括混凝土回彈強(qiáng)度,混凝土保護(hù)層厚度以及碳化深度。混凝土強(qiáng)度遵循GB/T 50784—2013[8]和JGJ/T 23—2011[9],采用超聲-回彈儀現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè);混凝土保護(hù)層厚度遵循JGJ-T 152—2008[10]和GB/T 50784—2013,采用鋼筋掃描儀進(jìn)行無損檢測(cè),并以少量的破損檢測(cè)作為輔助;碳化深度測(cè)試遵循GB/T 51355—2019[11],采用濃度為1%～2%的酚酞酒精溶液進(jìn)行測(cè)試,測(cè)量結(jié)果精確至0.1 mm。

分別在每片梁翼緣板底、腹板以及梁底3個(gè)區(qū)域選取若干點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試。截面位置有3處,即支座處、1/4跨和跨中。每個(gè)測(cè)區(qū)的測(cè)點(diǎn)數(shù)為3個(gè)。對(duì)于需要鉆孔或取芯的測(cè)點(diǎn),測(cè)孔呈“品”字形排列,孔距應(yīng)大于2倍孔徑,原位測(cè)試測(cè)點(diǎn)布置見圖1。

圖1 原位測(cè)試測(cè)點(diǎn)布置(單位：mm)Fig.1 Layout of in-situ testing points

3 原位測(cè)試結(jié)果

3.1 混凝土性能

利用回彈儀測(cè)得的預(yù)應(yīng)力混凝土梁的強(qiáng)度頻率分布見圖2,回彈儀型號(hào)為HT-225A,測(cè)量精度為0.1 MPa。預(yù)應(yīng)力混凝土梁服役32年后的抗壓強(qiáng)度見圖2。

圖2 預(yù)應(yīng)力混凝土梁服役32年后抗壓強(qiáng)度Fig.2 Compressive strength of prestressed concrete beams after 32 years of service

由圖2可知,近90%測(cè)點(diǎn)的強(qiáng)度在37.5～39.5 MPa范圍內(nèi)變化,55%以上測(cè)點(diǎn)的回彈強(qiáng)度在39.5 MPa左右,略高于所使用的混凝土立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值38 MPa。這說明所檢測(cè)的預(yù)應(yīng)力混凝土梁,在服役32年后,仍保有較高的混凝土強(qiáng)度值,具有較好的服役狀態(tài)。預(yù)應(yīng)力的使用不僅能提高混凝土梁的整體抗彎承載力,降低其開裂的風(fēng)險(xiǎn),也會(huì)在一定程度上抑制混凝土的碳化問題[12]。

3.2 保護(hù)層厚度

預(yù)應(yīng)力混凝土梁保護(hù)層厚度頻率分布見圖3?；赟hapiro-Wilk來檢測(cè)所測(cè)得的預(yù)應(yīng)力混凝土梁的保護(hù)層厚度是否呈現(xiàn)正態(tài)分布,檢測(cè)結(jié)果見表1。由表1可知,3個(gè)區(qū)域的保護(hù)層厚度樣本數(shù)據(jù)的顯著性均大于0.05,即符合正態(tài)分布假設(shè)。另外,利用GaussAmp曲線方程對(duì)混凝土保護(hù)層厚度的分布進(jìn)行了擬合,有

表1 Shapiro-Wilk正態(tài)分布檢驗(yàn)

圖3 預(yù)應(yīng)力混凝土梁保護(hù)層厚度頻率分布Fig.3 Frequency distribution of protective layer thickness for prestressed concrete beams

(1)

式中,y為變量x的頻率;y0為偏移量;A為幅值;xc為變量均值;w為標(biāo)準(zhǔn)差。

由圖3可知,預(yù)應(yīng)力混凝土梁上不同部位的保護(hù)層厚度各不相同,翼緣板底和腹板的保護(hù)層厚度相近,平均值在35 mm左右,均大于梁底的平均保護(hù)層厚度值(24.87 mm)。受施工工藝的影響,翼緣板底和腹板處的實(shí)際保護(hù)層厚度均大于該橋梁的設(shè)計(jì)保護(hù)層厚度(25 mm);梁底的實(shí)際平均保護(hù)層厚度接近設(shè)計(jì)保護(hù)層厚度(25 mm)。

3.3 碳化深度

預(yù)應(yīng)力混凝土梁翼緣板底、腹板以及梁底3個(gè)區(qū)域的碳化深度頻率分布見圖4。使用Shapiro-Wilk來確定所測(cè)得的預(yù)應(yīng)力混凝土梁的碳化深度是否呈現(xiàn)正態(tài)分布,檢測(cè)結(jié)果見表1。由表1可知,3個(gè)區(qū)域內(nèi)的樣本數(shù)據(jù)顯著性均小于0.05,即可認(rèn)為該樣本不符合正態(tài)分布假設(shè)。不同部位所測(cè)得碳化深度數(shù)據(jù)見圖5。相較于支座處,1/4跨以及跨中處的碳化深度值略高;3個(gè)部位的混凝土碳化深度均值差距不大;翼緣板底和腹板的碳化深度稍小,均值在10 mm以下,分別為9.67 mm和9.99 mm;梁底的碳化深度稍大,均值為10.66 mm,推測(cè)為梁底在長(zhǎng)期的車輛荷載作用下易發(fā)生彎曲疲勞裂縫,這會(huì)促進(jìn)二氧化碳的傳輸速率和碳化深度的增加[13]。與預(yù)應(yīng)力混凝土不同部位的實(shí)際保護(hù)層厚度相比,大部分測(cè)點(diǎn)碳化深度均值明顯更小,這歸因于預(yù)應(yīng)力的施加,增加混凝土的抗彎承載力,降低裂縫發(fā)生的概率,從而減緩?fù)饨缍趸枷蚧炷羶?nèi)部的傳輸。但需要注意的是,腹板和梁底部分區(qū)域已經(jīng)出現(xiàn)碳化深度接近甚至大于保護(hù)層厚度的情況。另外,相較于翼緣和腹板,由于梁底的實(shí)際保護(hù)層厚度較小,此處內(nèi)部鋼筋發(fā)生銹蝕的概率較大。

圖4 預(yù)應(yīng)力混凝土梁碳化深度頻率分布Fig.4 Frequency distribution of carbonation depth in prestressed concrete beams

圖5 預(yù)應(yīng)力混凝土梁不同部位實(shí)測(cè)碳化深度均值Fig.5 Mean measured carbonation depth in different parts of prestressed concrete beams

4 在役鐵路橋梁的耐久性壽命預(yù)測(cè)

從上述原位測(cè)試結(jié)果可以看出,預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁上已經(jīng)出現(xiàn)不同程度的碳化問題。國(guó)內(nèi)外大量的混凝土碳化研究表明,混凝土的碳化過程遵循Fick第一擴(kuò)散定律,且碳化深度與碳化時(shí)間的平方根成正比[14],碳化系數(shù)取決于混凝土強(qiáng)度、環(huán)境溫度和相對(duì)濕度、二氧化碳濃度、受力狀態(tài)以及凍融損傷等因素[11],有

(2)

k=3klkckskFTkco2T1/4RH1.5(1-RH)(58/fcu-0.76)

(3)

式中,x為混凝土碳化深度;k為碳化系數(shù);t為服役時(shí)間;kl為位置影響系數(shù),構(gòu)件角區(qū)取1.4,非角區(qū)取1.0;kc為澆筑面影響系數(shù),取1.2;ks為應(yīng)力狀態(tài)影響系數(shù),受壓區(qū)取1.0,受拉區(qū)取1.1;kFT為凍融損傷影響系數(shù),取1.0～2.6;T為環(huán)境溫度;RH為環(huán)境相對(duì)濕度;kCO2為二氧化碳濃度系數(shù);fcu為混凝土立方體抗壓強(qiáng)度。

基于該鐵路橋梁所處的環(huán)境確定碳化模型中的二氧化碳濃度系數(shù),依據(jù)規(guī)范GB/T 51355—2019,取1.4。預(yù)應(yīng)力混凝土梁翼緣底板、腹板和梁底的抗壓強(qiáng)度均值分別取38.80,37.33,38.70 MPa。由于試驗(yàn)橋梁地處中國(guó)北方,該橋梁會(huì)受到凍融循環(huán)的侵蝕。分析該系數(shù)對(duì)碳化深度發(fā)展的影響,并基于原位測(cè)試的碳化深度結(jié)果,從而確定適用于該鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁合理的凍融損傷影響系數(shù)值。不同取值的凍融損傷影響系數(shù)下,預(yù)應(yīng)力混凝土梁各部位碳化深度隨時(shí)間的變化曲線見圖6。

圖6 預(yù)應(yīng)力混凝土各部位碳化深度隨時(shí)間變化曲線Fig.6 Time variation curve of carbonation depth in various parts of prestressed concrete

由圖6可知,對(duì)于翼緣板底和梁底,最佳的凍融損傷影響系數(shù)kFT取值為1.6,對(duì)于腹板,kFT最佳取值為1.4。基于橋梁的安全性考慮,全橋范圍內(nèi)的凍融損傷影響系數(shù)均取為1.6。因此,該預(yù)應(yīng)力混凝土梁翼緣板底、腹板及梁底區(qū)域的碳化系數(shù)k分別為1.73、2.00和1.92。

研究表明[15-20],當(dāng)混凝土內(nèi)部鋼筋發(fā)生開始銹蝕時(shí),仍存在部分未碳化的區(qū)域,即碳化深度達(dá)到(c-x0)時(shí),內(nèi)部鋼筋就會(huì)發(fā)生銹蝕。根據(jù)相關(guān)計(jì)算公式,有

(4)

(5)

式中,Dk為相關(guān)于混凝土碳化系數(shù)和保護(hù)層厚度的系數(shù);mef為碳化環(huán)境因子,基于該鐵路橋梁所處的環(huán)境條件,取4.0;c為混凝土的保護(hù)層厚度?；谏鲜龉娇芍?碳化作用下,混凝土內(nèi)部開始銹蝕的時(shí)間、銹蝕深度計(jì)算及鋼筋銹蝕率計(jì)算公式為

(6)

p(t)=0.011 6α(t-ti)icorr(t)

(7)

icorr(t)=32.1(1-W/C)-1.64(t-ti)-0.29/c

(8)

(9)

(10)

式中,p(t) 為鋼筋銹蝕深度;α為最大銹蝕深度和平均銹蝕深度之比,由于碳化作用下的鋼筋銹蝕可視為均勻銹蝕,此處α取1.0;icorr為鋼筋腐蝕電流密度,其隨時(shí)間變化,且與混凝土材料性質(zhì)與保護(hù)層厚度c相關(guān);W/C為混凝土水灰比,可根據(jù)混凝土的抗壓強(qiáng)度fc估算;Rs為鋼筋銹蝕率;As為鋼筋截面積。預(yù)應(yīng)力混凝土梁翼緣板底、腹板及梁底3個(gè)部位處鋼筋腐蝕電池密度、鋼筋銹蝕深度以及鋼筋銹蝕率隨碳化(服役)時(shí)間的變化曲線見圖7、圖8。經(jīng)計(jì)算,3個(gè)部位的鋼筋分別將在49.5,44.6,29.5年時(shí)開始發(fā)生銹蝕。因此,對(duì)于該服役32年的預(yù)應(yīng)力梁,梁底鋼筋已經(jīng)發(fā)生銹蝕的概率很大。

圖7 預(yù)應(yīng)力混凝土各部位鋼筋銹蝕時(shí)變曲線Fig.7 Time varying curves of steel corrosion in various parts of prestressed concrete

圖8 預(yù)應(yīng)力混凝土各部位鋼筋銹蝕率Fig.8 Corrosion rate of steel bars in various parts of prestressed concrete

由圖8可知,鋼筋銹蝕率隨碳化時(shí)間呈非線性增長(zhǎng)趨勢(shì)。李進(jìn)洲對(duì)預(yù)應(yīng)力梁在不同鋼筋銹蝕率下的疲勞壽命進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)7%的鋼筋銹蝕率為預(yù)應(yīng)力梁疲勞破壞的臨界銹蝕率。由于鐵路橋梁在服役期間主要遭受疲勞荷載。因此,在對(duì)預(yù)應(yīng)力梁的壽命預(yù)測(cè)中,以臨界鋼筋銹蝕率7%作為壽命預(yù)測(cè)準(zhǔn)則,預(yù)應(yīng)力梁3個(gè)部位(即翼緣板底、腹板和梁底)分別在60.0,54.1,35.8年達(dá)到臨界狀態(tài)。由于該預(yù)應(yīng)力混凝土梁已經(jīng)服役32年,故建議對(duì)該預(yù)應(yīng)力混凝土梁底部進(jìn)行及時(shí)加固和維護(hù)。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)破損結(jié)果,梁體內(nèi)部鋼筋已經(jīng)出現(xiàn)銹蝕情況,見圖9。另外,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)原位觀測(cè),橋梁底部部分區(qū)域已經(jīng)出現(xiàn)沿縱筋方向的裂縫,且出現(xiàn)銹跡,少量區(qū)域已經(jīng)出現(xiàn)嚴(yán)重的銹脹開裂、保護(hù)層脫落以及露筋的情況,見圖10。

圖9 原位破損探測(cè)鋼筋銹蝕Fig.9 In situ damage detection of steel bar corrosion

圖10 梁底部分區(qū)域鋼筋銹蝕情況Fig.10 Corrosion of Reinforcement in the Bottom Area of the Beam

5 結(jié)論

基于原位測(cè)試,對(duì)若干片預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土梁進(jìn)行耐久性評(píng)估,檢測(cè)指標(biāo)包括混凝土回彈強(qiáng)度、混凝土保護(hù)層厚度以及碳化深度,并對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。基于原位測(cè)試數(shù)據(jù)和現(xiàn)有的碳化模型和鋼筋銹蝕模型,對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土梁不同部位的鋼筋銹蝕起始時(shí)間以及銹蝕率進(jìn)行分析,并對(duì)其使用壽命進(jìn)行預(yù)測(cè),得到的主要結(jié)論如下。

(1)服役32年的預(yù)應(yīng)力混凝土梁具有較高的混凝土回彈強(qiáng)度,均值38.5 MPa。不同部位的實(shí)際保護(hù)層厚度差別較大,相較于翼緣板底和腹板,梁底的實(shí)際保護(hù)層厚度較低。梁體不同部位的碳化深度差距不大,均在10.0 mm左右。但由于梁底較小的保護(hù)層厚度,此處發(fā)生鋼筋銹蝕的概率較大。

(2)基于原位測(cè)試的碳化深度數(shù)據(jù),得出適用于該預(yù)應(yīng)力梁碳化模型的凍融損傷影響系數(shù);基于鋼筋銹蝕模型,預(yù)應(yīng)力梁翼緣板底、腹板及梁底3個(gè)部位鋼筋分別將在49.5,44.6,29.5年時(shí)開始發(fā)生銹蝕。

(3)基于7%的臨界鋼筋銹蝕率準(zhǔn)則,該試驗(yàn)預(yù)應(yīng)力梁3個(gè)部位(翼緣板底、腹板和梁底)分別在60.0,54.1,35.8年達(dá)到臨界鋼筋銹蝕率,故建議對(duì)該預(yù)應(yīng)力混凝土梁底部進(jìn)行及時(shí)的加固和維護(hù)。