中国混凝土病害诊治研究院：渤海湾地区盐碱环境混凝土桥梁劣化模式调研综述

程棋锋 闻宝联

天津市交通科学研究院，300074，天津

摘 要：目前是天津滨海新区开发开放高速发展的阶段，基础设施正在迅猛发展，对天津滨海地区及其周边的渤海湾地区进行混凝土桥梁劣化模式调研意义重大。通过实地调研取样分析，掌握了渤海湾地区地表水的各种化学离子情况。通过对数百座桥梁的勘察，获得许多宝贵的混凝土劣化模式第一手资料，并针对目前存在的劣化现象进行有针对性的分析，得到产生这些劣化现象的因素，并提出相应的提高混凝土耐久性的建议及措施。

关键词：渤海湾；劣化模式；实地调研；耐久性措施

1.调研的必要性

我国的混凝土耐久性研究自上世纪90年代进入有组织的工作阶段。2000年我国发布了《建设工程质量管理条理》（中华人民共和国国务院第279号令），明确提出了建筑工程的终身责任制，这是我国首次以国务院令的形式提出工程的质量保障要求；2004年《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG D62—2004) 第一次提出了桥梁100年设计寿命的要求；2006年交通部《公路工程钢筋混凝土结构防腐蚀技术规范》和《天津市钢筋混凝土桥梁耐久性设计规程》相继出台；近期国家《混凝土结构耐久性设计规范》即将出台，保障混凝土结构的耐久性已经提高到战略的高度。

现阶段，天津滨海新区的基础设施正以飞快的速度建设，其中包括很多大型桥梁等混凝土结构，确保滨海新区盐田环境下混凝土桥梁的耐久性并延长其使用寿命，不仅是关系到工程安全性和服役寿命的重大科技问题，而且也是关系到新区经济能否健康发展的重大社会问题。

由此可见，滨海新区盐田环境混凝土的耐久性问题是当前实施滨海开发战略过程中急需解决的、最紧迫的应用基础理论与应用研究课题，有非常重要的现实意义和深远的社会影响。

2.调研的路线

2008年1月，《天津滨海地区混凝土耐久性成套技术研究》课题组组织人员对以天津滨海地区为中心的环渤海湾地区进行实地环境及混凝土劣化模式调研，调研路线如图1所示。

调研主要的主要线路为：天津市区中环线所有高架桥，天津市区外环线所有高架桥，天津到北京的京津唐高速公路沿线桥梁，天津到滨海的津滨高速公路沿线桥梁，塘沽到唐山方向的沿海路沿线地区（重点为盐场周边地区桥梁），津沧高速、津汕高速、石黄高速、205国道和荣乌高速等公路的沿线混凝土桥梁结构，并在部分地区提取地表水进行离子分析。

3.环境作用等级调研

调研中，我们在在不同河流、不同路段提取地表水进行化学分析，得出不同地区CL-、SO42-等离子的含量，并与渤海海水中各种离子含量进行比较，然后依据陈肇元院士等人主编的《混凝土结构耐久性设计与施工指南》中关于混凝土环境作用等级（如表1）分类的标准评出相应的等级[1]，如表2所示。

表1 环境分类及其作用等级

由表2可以看出，在滨海盐场等高浓盐碱地区，Cl－、SO42-、mg2+三种离子的含量极高，离子浓度是海水的几倍甚至十几倍。出现这种情况的主要原因应该是海水渗入内陆，由于蒸发作用使得水分流失，留下盐碱结晶体，长时间的循环结晶作用导致这些地区的离子浓度极度偏高。同时，尽管各处的水样都受到海水的影响，但其中离子的浓度与海水相关性并不很强，也就是说各取样点的腐蚀模式并不相同。在各种离子浓度普遍偏高的情况下，腐蚀程度已经不能简单的用用F级去评定，对于这些地方的新建混凝土工程应该针对特定区域进行特定的耐久性混凝土设计，从而保证工程的安全长寿，产生良好的经济效益和社会效益。

表2 渤海湾滨海地区Cl－、SO42-、mg2+含量情况

续表2

4 渤海湾地区混凝土结构的劣化模式

渤海湾地区作为典型的滨海寒冷地区，具有高盐碱、除冰盐与冻融循环共同作用的特性。其混凝土结构劣化模式主要有：冻融破坏、盐吸附破坏等。

4.1冻融破坏

混凝土中的毛细孔隙水受冻后膨胀，如混凝土的饱水程度高，毛细孔隙内存在的气体少，就会产生很大压力，造成混凝土损伤、开裂并剥落。冻融过程中产生渗透压力，促使混凝土表面的水分向里传输。反复冻融使毛细孔隙内的饱水程度不断累积，并达到“临界饱和度”，这时的混凝土就会很快冻坏。调研中发现50%以上的桥梁出现不同程度的冻融破坏，下面是典型的冻融作用后的破坏情况，如图2与图3所示。

4.2盐吸附破坏

由于渤海湾地区处于以含氯盐为主的高浓盐碱环境。盐碱地的土壤中一般含有较高含量的氯化物，对钢筋混凝土构筑物有较强的侵蚀作用。沿海区域的滨海盐渍土壤对钢筋混凝土构筑物的腐蚀十分严重。钢筋混凝土筑物的腐蚀状况主要取决于土壤中的Cl-，由于Cl-具有小分子的特性，比水分子更容易移动。在混凝土中，利用浓度差向内部进行扩散形成吸附区，当达到一定浓度之后诱发钢筋锈蚀，如图4和图5所示。

氯离子侵蚀作用引起钢筋锈蚀，是一个极为复杂的电化学过程。钢筋锈蚀所需的电位差是由混凝土组分与钢筋接触部分的局部不同的通风条件、钢筋表面及其锈蚀产物的不均匀性所形成。Cl－是极强的阳极活化剂，且具有比其它阴离子（如：OH－、O2－等）优先被吸附的趋势[2]。当Cl－扩散到钢筋表面并吸附于局部钝化膜时，会通过局部酸化作用，破坏钢筋周围的高碱性环境, 使钢筋表面的pH 值降低至3.5左右，从而溶解钝化膜；即使混凝土的碱度很高，只要Cl－达到临界浓度值（通常用Cl－与OH－的浓度比值来表示），也能破坏钢筋的钝化膜。然后，在充足的O2和H2O的条件下引起钢筋局部锈蚀，其电化学腐蚀机理是[2]：当Cl－破坏局部钝化膜，露出的铁基体作为阳极、尚完好的大面积钝化膜区域作为阴极，形成“活化－钝化”腐蚀电池，反应的最终产物为铁锈。由于小阳极对应于大阴极，使得钢筋表面发生的蚀坑现象发展迅速，其主要的化学反应式如下：

阳极反应：    Fe→Fe2＋＋2e－                         （1）

Fe2＋＋2Cl－＋4H20→FeCl2·4H20（绿锈）                    （2）

阴极反应：    02＋2H2O＋4e－→40H－                      （3）

在钢筋阳极区附近，FeCl2·4H20向含氧量高的孔隙液中迁移，分解的Fe(OH)2 沉积于阳极区周围，经进一步氧化为Fe(OH)3；同时产生的H＋和Cl－又回到阳极区，“搬运”出更多的Fe2＋，避免在阳极区堆积。可见，Cl－在钢筋锈蚀过程中不被消耗，起加速Cl－侵蚀的催化作用，也就是说，Cl－侵蚀混凝土结构一旦发生，就会周而复始地迅速发展，这也是氯离子危害的特点之一。

FeCl2·4H20→2Fe(OH)2＋2Cl－＋2H＋＋2H20                 （4）

4Fe(OH)2＋02＋2H20→4Fe(OH)3（铁锈）                 （5）

5.混凝土劣化因素调研结果分析

通过对调研区域500多座桥梁的劣化模式进行调研，总结得出以下几种常见的混凝土桥梁劣化因素。

5.1伸缩缝与泄水孔处理不当导致混凝土提前劣化

在调研的500多座桥梁中有至少70%的桥梁存在伸缩缝和泄水孔处理不当的问题，这个结果是让人非常震惊的。以前人们对于混凝土的耐久性关注点主要几种在混凝土，而没有注意这些细节。在调研中发现，由于桥梁的伸缩缝和泄水孔处理不当导致的混凝土劣化情况非常严重，下面是调研中看到的部分图片资料，如图6和图7所示，类似情况在调研中很常见。

通过对这两座桥的劣化情况分析可以得出以下原因：由于伸缩缝和泄水孔设计不当或者防水措施失效，导致雨水或者化冰盐水从桥面流到盖梁表面，水份和氯离子等小离子在经过的混凝土表面滞留，加速混凝土的冻融循环破坏，同时氯离子等也在冻融循环和干湿循环的

作用下慢慢渗入到混凝土内部。氯离子的渗入导致钢筋锈蚀，然后产生体积膨胀，外加冻融循环产生的应力，迫使混凝土剥落开裂。同时，由于水流的长期冲刷作用，胶凝材料水化平衡中的Ca(OH)2被水溶蚀，流到混凝土表面，与空气中的二氧化碳反应生成白色的碳酸钙。

5.2桥梁落水孔渗漏导致混凝土结构提前劣化

在调研的所有桥梁中发现，在桥梁上部结构中，桥梁落水孔渗漏侵蚀也是最常见的病害形式。

5.3防撞栏无表面处理导致混凝土“烂根”式劣化

防撞栏需要经受的冻融循环、干湿循环和盐侵蚀最为严重，因为雨天汽车经过时都会向防撞栏的根部溅射水花，由于没有表面的防水处理措施，水珠溅射到混凝土表面，被混凝土吸附在表面，然后由于风干作用混凝土表面水分蒸发，就这样不断的经历干湿循环，再则由于吸收水分导致冻融破坏加速，从而导致没有经过特殊处理的防撞栏经常出现烂根现象，如图9所示，这两幅图片摄自唐津高速上的两座桥，运营不过3-4年的时间就已经出现严重的蓝跟现象。

5.4未按耐久性设计配比导致混凝土提前劣化

调研中发现很多桥梁敦柱在新建不久之后即形成明显的盐吸附区域，尤其是穿越盐田地带的混凝土结构。如图10所示，此桥为石黄高速黄骅港段某桥，四周遍布着数千个盐池，建成不到一年后，即形成了显著的吸附现象，这是典型的经过高浓盐碱区域未按耐久性指标进行配合比设计或者耐久性指标偏低的现象。

需要指出的是，上述桥梁设计与建设时，国家尚未出台耐久性设计的规范，桥梁的设计寿命也没有按100年来进行，但尽管如此，即便按50年的设计基准期，混凝土侵蚀的发展速度也是不可不能容忍的。根据损伤力学，在外界侵蚀环境基本不变的情况下，混凝土的损伤累积初期近似线性，而后很快近似按指数规律发展，而不是线性发展，短短几年就发生如此损坏，其劣化将很快进入加速期。

5.5施工不当造成混凝土提前劣化

施工质量是保证混凝土耐久性的最主要环节，如果施工过程没有把握好，那么再好的耐久性设计也是徒劳。混凝土的耐久性与施工时的振捣、养护等都有很大关系。如图11所示，是典型的振捣不密实和振捣方式错误导致的提前劣化。

6 调研结果与讨论

通过分析调研结果，得出提高混凝土的耐久性的主要方法：

6.1 设计的要求

a尽量减少外露构件；b结构表面应有利于水的排除；c适当加大保护层厚度；d预留阴极保护的措施；e结构设计上尽量消除应力集中。

6.2 材料的要求

a高性能混凝土的应用(从强度设计转向耐久性设计)；b钢筋的要求；  c钢绞线的要求；d预应力灌浆料。

6.3施工的要求

a混凝土的拌合（投料顺序、拌合时间）；b混凝土的运输（冬季保温、夏季隔热）；c钢筋保护层的保证措施（垫块的选用）；d混凝土的浇注、振捣（落距、过振、漏振、拖振）；e混凝土的养护。

目前天津滨海新区及周边地区的桥梁混凝土结构耐久性形势严峻，混凝土劣化方式复杂多变，排水孔设计不合理、施工质量控制不得当，原材料的耐盐侵蚀都将使混凝土出现劣化。所以在以后的新建工程中一定得注意提高混凝土耐久性！

参考文献

[1] 中国工程院土木水利与建筑学院工程结构安全性与耐久性研究咨询项目组.混凝土结构耐久性设计与施工指南.中国建筑工业出版社.2004.5

[2] 吴瑾著．钢筋混凝土结构锈蚀损伤检测与评估.北京:科学出版社,2005

[3] 闻宝联;程棋锋. 关于桥梁耐久性状况调研的报告及建议基地.天津市交通科学研究院.2008年3月

[4] 程棋锋;闻宝联;李美丹;王春阳. 高性能混凝土在滨海地区新建桥梁中的应用.高性能砼与高性能减水剂技术应用交流会论文集.2008.7