体外预应力技术在混凝土桥梁建设中的耐久性分析
开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇体外预应力技术在混凝土桥梁建设中的耐久性分析范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！
摘要：本文从材料机理上探讨影响体外预应力混凝土桥梁耐久性的主要因素，研究主要集中在大气环境中的钢筋的锈蚀和混凝土的碳化问题。
中图分类号：K928.78 文献标识码：A 文章编号：
桥梁耐久性是对未来的预测。国际标准IS002394: 1998《结构可靠性总原则》中明确:“结构设计的目的是尽量减小结构或结构构件的失效概率，保证其可靠度……。结构与结构构件的耐久性是指其在工作寿命期内，在适当的维护条件下在其所处环境中保持正常工作的能力。”国内外统计资料表明，耐久性失效是导致混凝土结构在正常使用环境状态下失效的最主要原因之一。预应力混凝土结构的失效不仅会造成巨大的经济损失，甚至还会造成人员伤亡，因此必须保证预应力混凝土结构的耐久性。
结构耐久性研究大致可分为两个层次:从材料机理上研究结构的老化损伤过程及主要因素;从结构全局出发，以材料的耐久性研究为基础，研究耐久性设计、评估、维修决策与优化等一系列应用问题。本文从材料机理上探讨影响体外预应力混凝土桥梁耐久性的主要因素，研究主要集中在大气环境中的钢筋的锈蚀和混凝土的碳化问题。
1 体外预应力筋腐蚀
体外预应力结构的突出特点在于它可以方便的对体外钢索进行检查、维修和更换，这也是该种结构在耐久性方面优于体内结构的主要原因。暴露于结构之外的钢索的损坏将直接影响到桥梁的整体耐久性，在结构设计时考虑钢筋的腐蚀是十分必要的。
1.1 钢筋的应力腐蚀断裂和氢脆
根据金属腐蚀学理论：金属材料在没有腐蚀的情况下，对光滑试件，只有当应力大于金属的抗拉强度时才会断裂：在应力腐蚀条件下，对光滑拉伸试样，当应力还远低于抗拉强度时，就会引起应力腐蚀裂纹的产生和发展。与普通混凝土结构的钢筋不同，体外预应力筋长期处于高应力状态下，在特定的腐蚀环境中极易发生应力腐蚀，且在应力腐蚀的发生过程中经常伴随氢脆现象。
应力腐蚀是指金属结构在拉伸应力和腐蚀环境的共同作用下发生脆性断裂。在这种腐蚀过程中，应力阻止裂缝尖端形成保护膜，在应力作用下，裂缝尖端保护膜不断破裂，滑移台阶露出表面，裂缝尖端表面活性上升，在腐蚀介质中形成小阳极大阴极的应力腐蚀电池，其中裂缝尖端是阳极，金属表面是阴极，这种腐蚀电池促进了裂缝尖端发生快速阳极溶解，造成裂缝向纵深发展，直至断裂。预应力筋裂缝尖端的应力集中以及局部应力集中可能引起的塑性变形都可能构成预应力筋腐蚀的活性通路，当活性通路成为电偶的阳极时，腐蚀和脆性断裂在拉应力作用下沿活性通路前进。应力腐蚀是危害最大的腐蚀形态之一，其腐蚀速度远大于无应力状态，极有可能使预应力筋在毫无预兆的情况下发生脆性断裂。
应力腐蚀的产生必须同时具备以下三个条件:1.特定环境。体外预应力筋属于低碳钢，能引起其应力腐蚀的介质主要有:NaOH溶液、硝酸盐溶液、含H2S和HCl的溶液，沸腾浓MgCl2:溶液、海水、海洋大气和工业大气等;2.敏感材料。合金比纯金属更易发生应力腐蚀开裂;3.足够大的拉伸应力。体外预应力结构往往处于腐蚀环境中，而体外预应力筋一般又采用低碳钢，除Fe外还有少量其他金属和非金属元素，此外还有许多晶界和缺陷。因此，体外预应力筋如果防护不当容易发生应力腐蚀。
氢脆是指氢原子扩散到裂缝尖端的金属内部，使这一区域的金属变脆，在拉应力共同作用下产生脆断。氢会引起金属塑性降低、开裂和断裂，因而又称为“氢损伤”。在应力作用下，氢会在结构缺口或裂纹尖端的三向拉应力区富集，应力强度越高，局部富集氢的程度越大，而氢的富集使该区域的力学性能下降，在拉应力共同作用下，体外预应力筋脆断。此类腐蚀并不需要很强的腐蚀环境，也不需要氧的供应，只要有足够多的原子态氢吸附并渗入金属内部就可能发生。
1.2 疲劳腐蚀
疲劳腐蚀是指材料或构件在交变应力与腐蚀环境的共同作用下产生的脆性断裂，其造成的破坏比单纯的交变应力或单纯的腐蚀作用造成的破坏严重得多。腐蚀疲劳可以在很低的应力条件下发生，也没有限定腐蚀介质，而且在钢筋的活化区、钝化区都有可能发生。由于体外预应力筋在转向块(锚固端)之间没有受到约束，在活荷载的作用下，可能产生独立于梁的振动，因此，如果设计不当，体外预应力筋比体内预应力筋更容易发生疲劳腐蚀破坏。
2 混凝土的劣化
影响混凝土耐久性的因素主要有混凝土碳化、碱―骨料反应、温湿度变化、硫酸盐侵蚀、表面磨损、冻融循环和空隙中盐类结晶等。
2.1 混凝土碳化
混凝土是呈碱性的，这是因为混凝土中水泥石含有氢氧化钙，混凝土的这种碱性会在钢筋表面形成一层碱性氧化膜，它能有效地保护钢筋。然而，大气中的酸性介质及水通过各种孔道、裂隙而渗入混凝土，可以中和这种碱性。例如，工业污染造成的酸雨；或者大气中二氧化碳与水形成的碳酸，尽管其酸性很弱，但也能中和氢氧化钙而产生无碱性盐―碳酸钙，这个过程称为“碳化”。当混凝土保护层被碳化至钢筋表面时，将破坏钢筋表面的氧化膜。此外，当混凝土构件的裂缝宽度超过一定限制时，会加速混凝土的碳化，使钢筋表面的氧化膜更容易遭到破坏。如果体外预应力混凝土结构没有配置主钢筋，碳化过程对结构的受力性能几乎没有影响。
2.2 碱―骨料反应
碱―骨料反应是混凝土组分中的水泥、外加剂、掺合料或拌合水中的可溶性碱和混凝土孔隙中及集料中能与碱反应的活性成分在硬化混凝土中逐渐发生的一种化学反应。水泥中的碱离子、轻基离子和骨料中存在的某些硅质组分间的反应会导致混凝土强度、弹性和耐久性损失从而引起混凝土的膨胀与开裂。
2.3 温度、湿度变化
自然界中大部分物质都有热胀冷缩、浸水膨胀、失水收缩的性质，混凝土也不例外。当混凝土处于此类作用的交替发生且骤然发生的情况时，其表层及内部体积会产生不协调的变化，从而出现裂缝。这种损伤若长年累月的经常发生，最终会使混凝土的强度降低，削弱结构的抵抗能力。
此外，混凝土受硫酸盐侵蚀、表面磨损、冻融循环和空隙中出现盐类结晶，这些都会对混凝土造成一定的损伤，从而降低混凝土的强度和耐久性。
3 提高混凝土耐久性的措施
3.1材料的选用方面，选用低碱水泥、无碱外加剂、碱活性低的骨料或加入一定量的活性掺合料(如粉煤灰、硅灰、矿渣等)取代部分水泥来减少混凝土中的碱―骨料反应；通过加入减水剂降低水灰比，减少混凝土中的孔隙，以减少或阻止环境中的水分渗入。
3.2配合比设计方面，优化混凝土配合比，控制水泥含量和水灰比。
3.3施工方面，严格控制用水量；保证施工质量，防止因振捣不实产生蜂窝麻面，以及因养护不当引起干缩裂缝。
3.4使用方面，尽量使混凝土结构处于干燥状态，特别要防止干湿交替作用，必要时可采用防水涂层。
4提高体外预应力混凝土结构耐久性的建议
目前的防腐体系对防止预应力筋全面腐蚀是有效的，但是这种体系也存在缺陷：一旦塑料管开裂、灌浆不密实或锚固区密封性不好，水分、腐蚀介质或氧气有机会接触钢筋，就会引起局部腐蚀。从金属腐蚀学可知，局部腐蚀难以预测、预防，往往在没有先兆的情况下发生突然破坏，其危害性远大于全面腐蚀，而且体外预应力索如果在套管里，腐蚀破坏更难发现。为此，提出以下几点关于提高体外预应力混凝土结构耐久性的建议：
4.1保证体外索防腐体系的质量。对于环氧涂层钢绞线，环氧涂层应在工厂流水线上严格涂覆，不得有孔洞、空隙或裂缝，运输过程中尽量避免损坏，如有损坏应及时修补；灌浆时采用合适的施工工艺，避免灌浆不密实；如套管采用聚乙烯管，应选用适当的厚度，使套管可以承受灌浆的压力，并且在弯折点可以抵抗预应力筋引起的集中力，保证聚乙烯管的密封性；注意套管和锚具连接处的密封性。
4.2提高聚乙烯管的寿命。聚乙烯塑料管存在老化问题，可以通过以下三种办法解决：在聚乙烯材料中加入炭黑，增强套管的耐久性；梁设计成箱形，将体外索设于梁内，避免紫外线照射；体外索表面喷涂混凝土。
4.3转向块设计。转向块要承担体外预应力筋传来的横向和竖向集中力，因此转向块的混凝土结构应进行局部承压设计，并且严格控制施工质量以保证转向块处混凝土的密实性和强度。同样，对锚固区也进行局部承压设计以防锚固区混凝土被压坏。
4.4抑制电化学反应防腐。体外预应力筋的腐蚀过程是电化学反应过程，只有阴极反应和阳极反应同时发生时才可能发生。抑制阳极反应或阴极反应均可减缓或阻止电化学反应，因此，可以考虑在防腐涂层中加入具有抑制电化学反应功能的材料如缓蚀剂或者直接用具有缓蚀功能的材料作防腐涂层。
4.5提高体外预应力筋的抗火耐高温性能。目前体外预应力筋的保护主要从防腐的角度考虑，对于抗火耐高温考虑甚少。因此有待进一步研究出既能防腐又能抗火、隔热的保护材料，这样不仅可以提高体外预应力混凝土结构在火灾情况下或高温环境下的可靠度，而且扩大体外预应力混凝土结构的使用范围。
4.6改进锚具。设计具有检测腐蚀状况和检测索力功能的锚具，这样就可以对体外索进行实时监测，防止体外预应力筋由于局部腐蚀发生突发性破坏，同时也便于确定是否需要调整索力或更换索。
参考文献
[1]李宗伟;李晓明.预应力混凝土桥梁耐久性的影响因素及改善措施[J].安徽建筑.2012(04).