1、 网络高等教育本 科 生 毕 业 论 文（设 计）题 目：混凝土桥梁耐久性研究学习中心： 层 次： 专升科 专 业： 土木工程（道桥方向） 年 级： 2016 年春季 学 号： 学 生： 指导教师： 完成日期： 年 月 日混凝土桥梁耐久性研究1内容摘要结合现代环境中的混凝土桥梁耐久性的研究的最新发展，首先介绍了混凝土结构破坏机理，其次结合工程实际讨论了耐久性研究中的关键问题，包括耐久性区段划分、保护层厚度、高性能混凝土、施工质量控制、耐久性措施、健康监测等。关键词：混凝土桥梁；耐久性设计；高性能混凝土混凝土桥梁耐久性研究2目 录内容摘要 .1引 言 .31 绪论 .41.1 混凝土耐久性的概念
2、 .41.2 混凝土耐久性对桥梁结构的重要性 .41.3 本文主要研究内容及意义 .52 混凝土桥梁耐久性分析 .62.1 混凝土冻融循环 .62.1.1 影响因素 .62.1.2 破坏机理 .72.2 混凝土碳化 .72.2.1 影响因素 .72.2.2 破坏机理 .82.3 混凝土渗透破坏 .92.3.1 影响因素 .92.3.2 破坏机理 .92.4 碱骨料反应 .92.4.1 影响因素 .92.4.2 破坏机理 .102.5 钢筋锈蚀 .102.5.1 影响因素 .102.5.2 破坏机理 .112.6 化学侵蚀 .112.6.1 影响因素 .112.6.1 破坏机理 .123 混凝土
3、桥梁耐久性改善措施 .133.1 选材方面 .13混凝土桥梁耐久性研究33.2 结构设计方面 .133.3 施工方面 .144 案例分析 .154.1 工程概况 .154.2 存在问题 .154.3 改善措施 .164 结论与建议 .16参考文献 .18附 录 .19引 言近年来，随着国民经济的迅速发展，我国为拉动内需，实行积极的财政政策，加大公路铁路等基础设施投资，桥梁工程建设随之迈入了飞速发展时期。其特点是投资大，施工周期长，影响因素多，但对拉动国民经济、整合社会资源、促进地方经济发展具有显著效益，因而工程建设质量和使用寿命直接关系到国计民生和社会发展。钢筋混凝土桥梁属于露天工程，直接受周
4、围复杂环境的作用。混凝土的碳化、盐渍土中混凝土知道氯盐、硫酸盐侵蚀以及水流的冲刷，机械的碰撞等物理化学作用给钢筋混凝土桥梁带来严重的耐久性问题。长期以来，人们主要把精力集中在提高混凝土的强度上，忽视了其耐久性的要求，致使相当一部分桥梁结构物因材质劣化造成过早失效以致发生破坏性崩塌事故。调查结果分析表明；其原因除了设计施工质量的问题外，另一主要原因是对海水腐蚀印发混凝土劣化、钢筋腐蚀的严重性认识不足，防护措施不得力，原材料的技术指标控制、配合比设计不合理等，都大大降低了钢筋混凝土桥梁的使用性能和寿命。因此，对钢筋混凝土的耐久性研究就显得尤为重要。本文结合沿海地区实际地理、气候环境、在对已损坏桥梁
5、进行破坏原因和机理分析的基础上，找出影响桥梁耐久性的关键因素，通过优选原材料、优化混凝土配合比、掺加矿物掺和料等手段，配置高性能混凝土，对提高沿海地区钢筋混凝土桥梁耐久性进行了研究和分析，并做出结论和建议，未同类工程提出建议，以供参考。混凝土桥梁耐久性研究41 绪论1.1 混凝土耐久性的概念 混凝土的耐久性是指混凝土在实际使用条件下抵抗各种破坏因素的作用，长期保证强度和外观完整性的能力。混凝土耐久性是指在规定的使用年限内，在各种环境条件作用下，不需要额外的费用加固处理而保证其安全性、正常使用和可接受的外观能力。1.2 混凝土耐久性对桥梁结构的重要性截止 2010 年底，我国公路上共查处危桥 5
6、176 座，达 186632 延米，对他们进行改造加固利用则需要 16.4 亿元，近三年全国的危桥基本保持在一万余座，占永久性桥梁的 3-4%。桥梁运营过程中，由于频繁承载甚至超载，再加上自然因素（如雪、雨）的影响，以及交通事故等人为的侵袭，会造成桥梁损伤和局部破坏。随着使用年限的增加，桥梁的损伤种类和损伤部位越来越多，其程度也会越来越严重。如果因设计和施工的原因，导致一座先天不足的桥梁，则运营中更会问题不断，难以维持正常使用状态。因此桥梁结构的耐久性问题和养护维修工作越来越显得重要。只有认真地、不断地对桥梁结构的病害进行养护才能保持桥梁的各组成部分处于健康状态，确保桥梁抵抗自然灾害的能力。在
7、保证安全运营的同时，最大限度的实现和延长桥梁的设计和使用寿命。混凝土桥梁耐久性研究51.3 本文主要研究内容及意义本文的混凝土桥梁耐久性研究是从我国现有桥梁的实际情况出发，进行混凝土桥梁的耐久性的研究，通过对混凝土冰融循环、混凝土碳化、混凝土渗透破坏、碱骨料反应、钢筋腐蚀、化学腐蚀等方面的研究，提出提高混凝土桥梁耐久性的改良方案。结合实际案例对混凝土耐久性影响的各因素进行分析，一方面能对已有结构进行科学的耐久性评估和剩余寿命的预测，以选择对其正确的处理方法；另一方面也可以对待建工程项目进行耐久性的指导设计，揭示影响结构寿命的内部和外部因素，从而提高工程的设计水平和施工质量，确保混凝土结构什么全
8、过程的正常工作，它既服务于既有结构维修加固的现实意义，又有知道拟建结构耐久性的理论意义：同时，对于丰富和发展钢筋混凝土结构可靠理论也提供一定的理论价值。混凝土桥梁耐久性研究62 混凝土桥梁耐久性分析2.1 混凝土冻融循环2.1.1 影响因素1）平均气泡间距平均气泡间距越大，冻融过程中毛细孔中的静水压和渗透压越大，混凝土抗冻性越低。2）水灰比它的变化影响混凝土中可冻水的含量、平均起步间距及混凝土的强度。水灰比越大，可冻水的含量越多，混凝土的结冰速度越快；气泡结构越差；平均气泡间距越大；混凝土强度越低，抗冻性越差。3）外加剂影响气泡间距的主要因素是含气量，混凝土中封闭空气泡除搅拌、振捣混入外，主要
9、是引气剂等其他外加剂人为引入的。引入的空气泡越多，平均气泡间距越小，毛细孔中的静水压和渗透压越小，混凝土抗冻性越好。4）强度静水压和渗透压强过混凝土的抗拉强度时，混凝土即产生冻融破坏。当含气量和平均气泡间距相同时，强度高的混凝土的抗冻性高于强度低的混凝土。5）骨料骨料的冻害机理可用静水压假设来解释。6）水泥品种和用量随水泥混合材料入量的增加，混凝土的抗冻性越差。7）冻结温度和降温温度静水压力与结冰速度和降温速度成正比，空隙水的冻结是随着大孔向小孔扩展。大孔冻结时结冰速度大，小孔冻结时结冻速度小，结冰速度随温度的降低而第二章开始另起一页。阅后删除此文本框混凝土桥梁耐久性研究7降低。2.1.2 破
10、坏机理混凝土的冻融破坏机理一般认为是由于冻结时，混凝土孔隙中水结冰，产生冻胀压力，并使水分迁移过程中还产生液体压力，这种压力如果超过混凝土的抗拉强度，混凝土就产生劣化，出现局部开裂；而在融化时，水分进一步渗入孔隙中，如此循环，导致混凝土连续损伤。在混凝土中掺入引气剂，其所产生的无数微小的互不连续的气泡，可以容纳自由水的迁移，具有缓解冻融过程中产生膨胀压力和渗透压力的作用，可适应提高混凝土的抗冻性。混凝土的冻融破坏是一个复杂的物理过程。当环境温度下降时，表面混凝土温度下降较快，内部混凝土温度降低较慢，因而在内外混凝土之间形成温度梯度。当环境温度低于 0 度时，混凝土表面孔隙中水开始结冰。孔隙中的
11、水分将会逐步冻结，引起各种压力，当压力超过混凝土能承受的应力时，混凝土内部产生新的细微裂纹。当环境温度升高时，混凝土内孔隙水解冻，细小孔隙及新产生微细裂纹因毛细现象而吸水饱满，与其相连的孔隙也会吸收一部分水。冻融过程重复发生时，混凝土内部孔隙及微裂缝逐渐增大、扩展并互相连通，使得新裂缝不断产生。冻融循环一段时间后，会发生由表及里的混凝土冻融破坏。混凝土冻融破换机理在很大程度上知道了混凝土材料抗冻性的研究，对提高混凝土抗冻性能起到了重要作用。2.2 混凝土碳化2.2.1 影响因素影响混凝土碳化速度的因素是多方面的。首先影响较大的是水泥品种，因不同的水泥中所含硅酸钙和氯酸盐基性高低不同；其次，影响
12、纪念堂碳化主要还与 周围介质中 CO2的浓度高低及湿度大小有关，在干燥和饱和水条件下，碳化反应几乎终止，所以这是除水泥品种影响因素以外的一个非常重要的原因；再次，在渗透水经过的混凝土时，石灰的溶出速度还讲决定于水中是否存在影响 Ca（OH）2溶解度的物质，如水中含有 Na2SO4及少量 Mg2+时，石灰的溶解度就会增加，如水中含有 Ca（HCO3） 2和 Mg（HCO3） 2对抵抗溶出侵蚀则十分有利。因为它们在混凝土表面形成一种碳化保护层；另外，混凝土的渗透系数、透水量、混凝人的过度振捣、混凝人附近水的更新速度、水流速度、结构尺寸、水压力及养护方法混凝土桥梁耐久性研究8与混凝土的碳化都有密切的
13、关系。2.2.2 破坏机理拌和混凝土时，硅酸盐水泥的主要成分 CaO 水化作用后生产 Ca（OH） 2，它在水中的溶解度低，除少量溶于孔隙液中，使孔隙液成为饱和碱性溶液外，大部分以结晶状态存在，成为孔隙液保持高碱性的储备，它的 PH 值为 12.513.5，空气中的 CO2 气体不断地透过混凝土中未完全充水的粗毛细孔道，气相扩散到混凝土中部分充水的毛细孔中。与其中的孔隙液所溶解的 Ca（OH） 2进行中和反应。反应产物为 CaCO3和 H2O，CaCO 3溶解度低，沉积于毛细孔中。该反应是为：Ca(OH) 2CO2CaCO 3H 2O 反应后，毛细孔周围水泥石中的羟钙石补充溶解为 Ca2 和
14、OH-，反向扩散到孔隙液中，与继续扩散进行来的 CO2 反应，一直到孔隙液的 PH 值降为 8.59.0 时，这层混凝土的毛细孔中国才不再进行这种中和反应，此时即所谓“已碳化” 。确切地说，碳化应称为碳酸盐化。另外，凡是能与 Ca（OH） 2进行中和反应的一切酸性气体，如 SO2、S03、H2S 以至于其相 HCI 等，均能进行上述中和反应，使混凝土碱度降低，故混凝土碳化应广义地称为“中性化” 。混凝土表层碳化后，大气中国的 CO2 继续沿混凝土中未完成充水的毛细孔道向混凝土深处气相扩散，更深入地进行碳化反应。碳化后的混凝土质地酥松，强度降低。最初的混凝土孔隙中充满了饱和 Ca（OH） 2溶液
15、，它使钢筋表层发生初始的电化学腐蚀，该腐蚀物在钢筋表面形成一层致密的覆盖物，即 Fe2O3 和 Fe3O4，这层覆盖物称为敦化膜，在高碱性环境中，即 PH11.5 时，它可以阻止钢筋被进一步腐蚀。当混凝土碳化深度超过保护层达到钢筋表面时，钢筋周围孔隙液的 PH 值降低到 8.5-9.0，敦化膜被破坏，钢筋将完成电化腐蚀，导致钢筋锈蚀。2FeO22FeO H2CO3 FeCO3 H2O 4FeCO3 10H2O O2 4Fe(OH)3 4H2CO3 钢筋一生锈，体积增大，破坏了混凝土覆盖层，沿钢筋产生裂缝。水、空气进入裂缝，加速了钢筋的锈蚀。当然，引起混凝土中钢筋锈蚀的因素不只是混凝土的碳化，其
16、中氯化物就是一个非常重要的影响因素。事实上，氯化物引起的钢筋去敦化一般要沪宁图碳化引起的钢筋去敦化要严重得多，例如通远是 C45 级混凝土，如果钢筋去敦化时间都是 50 年。则在一般的碳化环境中，混凝土最小保护层厚度只要 1cm，而在氯化混凝土桥梁耐久性研究9物的环境中，就至少要 7cm,因此，在氯化物影响明显的工程中（例如海洋工程）在考虑混凝土碳化对钢筋锈蚀的影响时更考虑氯化物的影响。2.3 混凝土渗透破坏2.3.1 影响因素1、随着砼强度等级的提高，砼渗水高度呈降低趋势，砼的抗渗等级逐渐增加，反应了砼水渗透性随着砼的强度增加而提高；2、对于掺加矿物掺和料的砼，存在最佳掺量。在某一掺量前，随
17、着矿物掺合料的增加，抗水渗透性而提高，说明矿物掺合料最充分发挥了二次水化作用和微集料作用；但超过最佳掺量后，抗渗性能趋于下降。2.3.2 破坏机理当水与砼接触时，由于压力差和毛细孔的表面张力会使水向砼内部迁移，于是发生渗透现象。砼的渗透性能主要取决于砼的孔隙率、孔结构及骨料的性能。虽然含有大小不同的孔隙和裂缝，但并非这些孔隙和裂缝均是渗水通道，抗渗性除了孔隙率之外还要看空结构。2.4 碱骨料反应2.4.1 影响因素碱硅酸反应碱一硅酸反应是水泥中的碱与骨料中的活性氧化硅成分反应产生碱硅酸凝胶或称碱硅凝胶，其体积大于反应前的体积，且有很强的吸水性，吸水后进一步膨胀，引起砼内部膨胀应力，而且碱硅酸胶凝吸水后进一步碱骨料反应的发展，使砼内部膨胀应力增大，导致砼开裂，严重的可导致砼结构崩塌。其反应机理如下：砼中的活性骨料与砼中的碱基料发生反应：2NaOH+SiO2-NaoSiH2O，当 KOH 和 NaOH 浓度较低时，不足以引起砼的破坏，一般认为当含碱量小于 0.6%时，可不考虑碱骨料反应。碱-硅酸盐反应的机理与碱-硅酸反应的机理是一致的，只是反应速度比较缓慢。能与碱发生反应的溶性氧化硅矿物有蛋白石、玉髓、麟石英、方英石、火山玻璃及结晶有缺乏的
