混凝土橋橋面系構造缺陷與防水系統(tǒng)

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一、橋梁防水系統(tǒng)缺陷引起的病害 
    建造公路和城市道路，尤其是高速公路和城市快速道路，動輒幾億、十幾億元的投資，其中橋梁占總造價的10％～30％左右，要求設計使用年限比較長，至少要滿足50年以上，有些長達100年以上。因此橋梁的安全性和耐久性是非常重要的。 
    天津市的橋梁，防水問題一直沒有得到足夠的重視，很多人過去有一個錯誤的觀點，認為混凝土本身不怕水，鋼筋混凝土結構的橋梁無須作防水，因此，對橋面系的構造設計不太講究，甚至很粗糙。恰恰就因為橋面系構造的設計缺陷及沒有完善的防水系統(tǒng)，引起了很多病害，再由于交通量的增長和超載交通的影響，使橋梁過早地遭到破壞，成為危橋。 
    自1995年以來，天津市每年都發(fā)生橋面忽然塌陷，甚至出現(xiàn)空洞的嚴重病害，由于巡查及時，才沒有發(fā)生重大事故，但是也造成了很大的損失。津國公路菜園橋，由于滲水致使橋梁混凝土腐蝕酥松、脫落，鋼筋與混凝土高骨，造成該橋報廢重建。寶盧公路上水渠橋，北圍堤路馬場減河橋等，都發(fā)現(xiàn)板梁底部混凝土大面積脫落，鋼筋裸露。外環(huán)線張貴莊鐵路高架橋、津榆公路一號橋，由于橋面積水、滲水，致使T梁翼板混凝土酥松，在車輪作用了突然出現(xiàn)了2m2以上的空洞，經(jīng)檢查所有邊梁翼板都有同樣病害。同時邊梁腹板外側也都有明顯的混凝土腐蝕膨脹，鋼筋銹蝕的現(xiàn)象。以上病害的發(fā)生，除了超載因素外，橋面系構造的不合理和沒有橋面防水層是主要原因，另一方面橋面水泥混凝土鋪裝太薄和鎮(zhèn)縫處的混凝土的質量不高，很容易遭到水的損害。首先在鉸縫處形成裂縫，造成單梁受力，水由鋪裝層向下滲漏，從鉸縫流到梁板，對混凝土產(chǎn)生腐蝕，削弱了梁板的承載能力，最后造成橋梁的破壞。
    過去采用的伸縮縫形式基本上都是漏水的，由伸縮縫處滲漏下的水往往流到梁端，再流到帽梁，對梁端和帽梁頂部混凝土產(chǎn)生嚴重的腐蝕，這一現(xiàn)象幾乎在每一座橋上都可以見到，八里臺立交橋、解放南路立交等就是最明顯的例證。京福公路東州大橋在1999年6月27日北起第十墩T型帽梁翼板南側西部突然斷裂，主要原因就是水從伸縮縫處流到帽梁上，腐蝕了上部混凝土和鋼筋造成的。 
    從對公路橋梁病害調(diào)查結果來看，橋面的損壞占的比例最大，其次是邊梁外側。梁端和帽梁。下部結構則墩臺水位浮動處損害最多。 
    由于邊梁處欄桿和人行道設計沒有考慮到雨水的影響，致使含有橋面污物的雨水亂流，先是污染邊梁，影響美觀，繼而腐蝕混凝土，仔細觀察，到處可見這樣的痕跡。邊梁外側首先遭到破壞就是橋面雨水腐蝕造成的。附圖為水腐蝕對混凝土梁造成的破壞情況。 
    雨水孔的設計往往考慮欠佳，由于沒有重視雨水孔的安裝形式和質量，致使收水口周圍和孔下梁板混凝土受到嚴重的腐蝕。 
    橋梁墩柱等下部結構由于受到水的侵害，也必然產(chǎn)生損害，在水位上下浮動的部位更是嚴重。京津塘高速公路龍風新河橋在1997年就發(fā)現(xiàn)了墩柱被嚴重腐蝕的病害，混凝土被腐蝕厚度達10cm以上，如不及時修復，后果不堪設想。 
    引起橋梁破壞的原因很多，如荷載、材料質量、施工質量、突發(fā)事件等等，但橋面防水系統(tǒng)沒有達到使用要求，以至造成橋梁的破壞，是極其重要的原因之一，其后果將是災難性的。
    二、橋梁防水系統(tǒng)缺陷對橋梁損害的機理分析 
    一般來說，水泥混凝土材料是耐水材料，在潮濕環(huán)境或水中能保持強度和穩(wěn)定性，潮濕條件也是水泥混凝土材料早期強度形成和發(fā)展不可缺少的條件。但是長期處于潮濕條件下，尤其在于濕交替循環(huán)狀態(tài)下，混凝土的耐久性問題是不容樂觀的。很多橋梁墩臺，在水位浮動的部位首先被破壞就是證明。京津塘高速公路龍風新河橋墩柱的被腐蝕就是典型的例證?？諝庵械乃陀晁且环N成分很復雜的液體，再混入橋面的污物，常含有溶解的氣體、礦物質和有機質等，常見的有酸性物質、氧離了、氯離子、氮、碳酸氣、硫化氫及其他酸性離子，以及堿金屬和堿土金屬離子，這些酸、堿物質超過一定限度時，會侵蝕、損害橋梁的混凝土和金屬材料。
    水泥混凝土在塑性期或硬化初期會因為水分蒸發(fā)造成塑性開裂。一般而言，橋面混凝土厚度小，和空氣的接觸面積大，產(chǎn)生塑性開裂的幾率也大。加強橋面混凝土施工中的質量管理和早期養(yǎng)護可以減少開裂，但難以完全消除。在以后的使用過程中，早期產(chǎn)生的裂縫會隨著車輛反復荷載的沖擊下逐漸擴展。如果沒有完善的防水系統(tǒng)，帶有腐蝕性物質的水就會滲入到混凝土中和從裂縫中流入到混凝土中去。產(chǎn)生堿一骨料反應以及酸堿性物質對混凝土進行腐蝕的反應。 
    混凝土堿一骨料反應是指來自水泥沙卜口劑和環(huán)境中的堿金屬離子與砂石等緊料中的活性組分發(fā)生化學反應，在水泥砂漿與石子的界面處生成白色凝膠物質，這種物質在潮濕環(huán)境中吸水膨脹，從而造成混凝土結構從內(nèi)部開始的漲裂，甚至破壞。這種病害稱為混凝土的"癌癥"。堿一骨料反應少則幾年，多則十幾年就可以使混凝土結構喪失安全性。這種破壞具有不斷發(fā)展和不可修復性。具體表現(xiàn)為混凝土表面龜裂、突出、酥松，然后剝離。堿-骨料反應的發(fā)生和對混凝土的破壞需要三個條件：混凝土中的高堿性、碎石中的富含堿活性成分以及水。以前所用的水泥及外加劑均為高堿性，天津地區(qū)砂石資源含有不同程度的堿活性成分，橋梁又沒有完善的防水系統(tǒng)，完全具備了堿一骨料反應的必要條件，所以很多橋梁都發(fā)生這種現(xiàn)象。 
    天津地區(qū)處在沿海地帶，空氣中和雨水中都含有一定的氯鹽成分，尤其在近海地區(qū)濃度更大。又因為在冬季為消除橋面的冰凍和積雪而廣泛地應用噴灑鹽水的方法，鹽水通過不防水的伸縮縫流向墩臺，通過不防水的橋面系滲入到混凝土的縫隙里，不光引起堿-骨料反應，而且引起鹽腐蝕，加速了反應。 
    天津為寒冷地區(qū)，有較長的冰凍期，滲入到混凝土中的水結冰、融化，反復進行，對混凝土的裂縫不斷擴大，對結構進行漫性破壞作用。冰融的結果，加劇了堿-骨料反應和鹽腐蝕的破壞作用。