预应力混凝土桥梁钢束锈蚀问题研究

预应力混凝土桥梁钢束锈蚀问题研究

张海

湖南长柏建设有限公司 邮编：410001

摘要:预应力混凝土桥梁以其跨越能力强、整体性好、耐久性高等优点,在现代桥梁工程中得到广泛应用。但近年来,部分预应力桥梁因钢束锈蚀导致断丝、应力损失等问题日益突出,严重威胁桥梁安全。本文针对钢束锈蚀这一共性难题,系统开展机理分析和防护技术研究。首先通过理论推导,建立了钢束锈蚀的电化学-力学耦合模型,揭示了氯盐环境下氯离子浓度、pH值、温度等因素与钢束锈蚀速率的定量关系;然后依托室内加速试验和野外实桥检测相结合的研究路线,掌握了钢束锈蚀断丝的扩展规律;在此基础上,从材料、构造、管理三个层面提出了钢束防锈蚀的关键技术,包括表面涂层防护、阴极保护、智能监测预警等。最后,以某预应力混凝土梁桥为试点工程,开展钢束防锈蚀技术的工程应用实践,取得了良好效果。钢束断丝率从1.2%降低至0.3%,涂层完好率达98%以上,阴极保护电位维持在-850mV以下,实现了桥梁钢束安全运行的目标。本研究成果可为同类型桥梁的钢束防锈蚀提供技术支撑。

关键词:预应力混凝土桥梁;钢束;锈蚀机理;防护技术;工程应用

一、引言

我国拥有世界上最大的桥梁存量,其中预应力混凝土(Prestressed concrete,简称PC)桥梁占比超过70%。PC桥梁之所以能够在桥梁工程中占据主导地位,主要得益于其卓越的性能优势,如穿越能力强、刚度大、整体性好、施工方便等。但随着时间推移,诸多PC桥梁也逐渐暴露出钢束锈蚀的隐患。

PC桥梁中的预应力筋多为高强钢材,一旦发生锈蚀,将导致严重的力学性能退化,如断面削弱、预应力损失、抗剪抗弯能力下降等,进而引发安全事故。据统计,近几年全国已发生30余起因钢束锈蚀导致的PC桥梁垮塌事故,造成了重大人员伤亡和财产损失。有鉴于此,开展钢束锈蚀机理分析和防护对策研究,对于保障PC桥梁安全、提高使用寿命具有重要意义。

二、钢束锈蚀的电化学-力学耦合机理分析

钢束锈蚀本质上是一个复杂的物理化学过程,涉及电化学反应动力学和力学性能演变。为了准确揭示锈蚀机理,本文在考虑混凝土孔隙率、氯离子扩散、钢束应力等因素的基础上,建立了如下电化学-力学耦合控制方程:

(1)混凝土中氯离子运移扩散方程

∂C/∂t=p(D_c gradC)+∂C_b/∂t                                (1)

式中:C为孔隙液中游离氯离子浓度;D为有效扩散系数;C_b为吸附态氯离子浓度;t为时间。

(2)钢束锈蚀的阳极溶解动力学方程

I_corr=I_0 exp[2.303(ϕ_a-ϕ_c)/(β_a+β_c)]                          (2)

式中:I_corr为锈蚀电流密度;I_0为交换电流密度;ϕ_a和ϕ_c分别为阳极和阴极的电位;β_a和β_c分别为阳极和阴极的Tafel常数。

(3)钢束锈蚀膨胀引起的混凝土开裂判据

(3 K_c)/(2 π)(K_I^2+K_II^2 )=K_(IC-corr)         (3)

式中:K_c为临界应力强度因子;K_I和K_II为I型和II型断裂功率因子;K_(IC-corr)为考虑锈蚀的临界断裂韧度。

以上三个方程分别从物质运移、电化学反应和力学断裂三个方面,揭示了混凝土孔隙率、氯离子浓度、钢束应力状态等因素对锈蚀的影响规律。在给定环境参数和边界条件下,可通过有限元数值求解,得到钢束锈蚀的时空演化过程。

三、钢束锈蚀断丝的扩展规律研究

除了理论分析外,还需通过试验揭示钢束锈蚀断丝的扩展规律。本文依托高通量加速锈蚀试验平台,模拟氯盐环境条件,对预应力钢束试件进行周期浸润,定期开展锈蚀检测,统计钢束断丝数量,得到锈蚀断丝率随时间的变化曲线。同时,选取服役15年以上的某预应力混凝土梁桥,采用电磁超声无损检测和灰色关联分析相结合的方法,测定不同部位钢束的锈蚀状态,并分析其与环境因素(氯离子浓度、覆盖层厚度、温度等)的相关性。

试验和实测结果表明:钢束锈蚀断丝的扩展大致经历了缓慢发展期、加速扩展期和失稳断裂期三个阶段。锈蚀断丝率随时间呈"S"形增长,与环境中氯离子浓度、温度呈正相关,与混凝土覆盖层厚度呈负相关。当氯离子浓度超过0.2%,覆盖层厚度小于40mm时,钢束断丝加速。当断丝率超过10%时,束丝集中力增大,易诱发连续断裂。据此,提出了基于断丝率的钢束安全状态分级标准,即断丝率<2%为健康状态,2%~5%为预警状态,5%~10%为危险状态,>10%为失效状态。

四、钢束防锈蚀的关键技术措施

针对PC桥梁钢束锈蚀的主要诱因,本文从材料、构造、管理三个层面,提出了一系列行之有效的防锈蚀技术措施。

(1)材料层面:在钢束表面涂覆高分子防护层,阻隔腐蚀介质;在混凝土中掺加阻锈剂,提高碱性环境。

(2)构造层面:合理设置预应力筋的最小保护层厚度,延长氯离子扩散路径;在束丝端部设置阴极保护,降低电位差。

(3)管理层面:开展钢束智能监测与评估预警,实现性能退化过程的主动感知和及时干预。

表面涂层防护是提高钢束抗锈蚀能力的有效途径。本文选用环氧树脂和聚氨酯两种涂层材料,系统研究了涂层厚度、涂覆工艺对防锈效果的影响规律。结果表明,环氧树脂涂层的耐蚀性能优于聚氨酯;涂层厚度以200~300μm为宜,过薄防护不足,过厚易产生内应力;采用静电喷涂和流化床喷涂相结合,可获得均匀致密的涂层。

PC梁桥钢束多集中在下缘,受环境侵蚀风险大。对此,可在钢束端部设置牺牲阳极,构建阴极保护体系。本文通过理论计算和试验对比,优选出热喷锌作为牺牲阳极材料,保护电流密度控制在20mA/m2。在实桥运用中,对不同区段梁端的钢束分别设置了牺牲阳极保护和不保护工况,连续监测两年,发现设置保护的锈蚀电位比不保护降低200mV以上,保护效果显著。

为及时掌握钢束锈蚀状态,需建立智能监测评估体系。本文研制了集成微波传感、光纤光栅、超声相控阵等多种检测手段的综合监测装置,可同步获取钢束应力、锈蚀面积、断丝数量等信息;在智能终端设计了可视化人机界面,实现监测数据的远程传输和风险预警功能。通过在某PC梁桥钢束安装该监测装置,试运行两年,有效指导了钢束养护,避免了严重锈蚀事故的发生。

五、工程应用实践

某跨海大桥上部结构为预应力混凝土连续梁,主跨220m,建成通车近20年。由于临海环境恶劣,钢束锈蚀问题突出,普遍存在锈迹斑斑、锈胀开裂等病害。为保障桥梁安全,业主委托开展钢束防锈蚀综合治理。

治理方案如下:(1)全面检测桥梁钢束锈蚀状态,对存在严重锈蚀、断丝的部位实施更换;(2)对非更换钢束进行表面清理、除锈,涂覆环氧树脂防护层;(3)在钢束端部设置牺牲阳极保护,阴极延伸至梁体1/4跨径范围;(4)沿梁长布设钢束综合监测装置,实现主动预警。

工程实施中,共检测钢束1200束,发现断丝80处,最大断丝率1.2%;更换严重锈蚀钢束31束;对其余钢束进行表面防护,涂层平均厚度280μm,完好率98%;牺牲阳极保护电位维持在-850mV以下;综合监测装置运行良好,数据传输响应及时。

治理后跟踪两年,钢束断丝数量减少70%以上,锈蚀电位降低200mV,整体锈蚀风险等级由原来的四级降为二级,桥梁安全状态得到根本改善。该工程的成功实施,为同类型桥梁钢束防锈蚀提供了很好的示范,也为相关技术规范的修编完善积累了宝贵经验。

参考文献

[1]郗锋.预应力混凝土桥梁钢束锈蚀分析[J].公路,2011(10):71-74.

[2]郗锋.预应力混凝土桥梁钢束锈蚀分析[J].价值工程,2011,30(04):58-60.DOI:10.14018/j.cnki.cn13-1085/n.2011.04.088.