普通混凝土桥梁耐久性提升措施及长期性能监测研究

引言

普通混凝土桥梁是重要的交通基础设施，其耐久性直接影响结构的安全使用年限和服役性能水平，在自然环境侵蚀、车辆荷载的反复作用以及材料自身的老化下，桥梁会产生碳化、氯离子侵蚀、碱—骨料反应等一些病害问题，使钢筋发生腐蚀，出现开裂的现象，降低桥梁结构的承载力。传统检测方式主要是依靠人员巡检或者局部钻芯取样检测，很难准确反映桥梁整体的状态变化情况，因此对提高耐久性和桥梁的长期监测很有必要。

一、普通混凝土桥梁耐久性影响因素分析

1.1 材料性能退化机制

混凝土碳化是影响耐久性的主要因素之一，大气中 CO2 通过混凝土孔隙向钢筋表面扩散，和碱性氢氧化物反应生成碳酸钙，使得混凝土的 pH值降低。如果 pH 值小于 9.5，则会导致钢筋表面钝化膜被破坏，钢筋的耐蚀性能下降。氯离子以毛细或渗透的方式进入混凝土内，并且会直接破坏钢筋表面钝化膜而形成腐蚀电池，从而加快了钢筋锈蚀的速度。碱骨料反应过程中，活性骨料和混凝土孔隙液中的碱发生了膨胀反应，导致产生内部应力，引起混凝土开裂或者剥落。

1.2 环境侵蚀作用

北方地区冬季使用除冰盐致使桥梁遭受严重的氯盐腐蚀，研究发现，在浓度为 3% 的氯化钠溶液中，当混凝土保护层厚度为 30mm 时，混凝土内钢筋开始锈蚀的时间小于 5 年；且沿海地区的桥梁常年处于高湿、高盐雾的环境中，桥梁遭受氯盐腐蚀的程度高于内陆地区的 2～3 倍。冻融循环的作用使混凝土中孔隙内的水结冰膨胀而产生的应力反复作用下，会使微裂缝扩展、孔隙通道张大，混凝土的渗透性得到加强。

1.3 荷载与疲劳效应

由于车辆荷载的长期作用会造成混凝土的应力松弛和微裂缝的持续扩展，因此对于有重载交通占比大于 30% 的桥梁来说，桥梁的梁体跨中下缘混凝土拉应力将会是设计值的 1.5 倍，且随着混凝土碳化程度的加深而增大；疲劳荷载下的混凝土具有累积损伤特点，即存在初始裂纹萌生阶段、稳定裂纹扩展阶段和失稳破坏阶段；疲劳循环次数为 106 次左右时，混凝土动态弹性模量降低约 15% ，渗水系数增加约 40% 。

二、普通混凝土桥梁耐久性提升技术措施

2.1 原材料及配合比优化设计

使用低碱硅酸盐水泥（碱含量 ⩽0.6% ）可有效抑制碱骨料反应；掺加I 级粉煤灰、硅灰等矿物掺合料后，通过火山灰反应填充混凝土孔隙，使孔隙率下降到 12% 以下；高效减水剂、引气剂复合使用既能保证其工作性又可以把水灰比控制到 0.4 以下。试验研究表明：掺入 20% 粉煤灰的混凝土抗氯离子渗透性是普通混凝土的 3 倍多，碳化深度也只有普通混凝土的一半左右。

2.2 结构防护与表面处理

环氧涂层钢筋是利用静电喷涂方式得到厚度为 0.2～0.3mm 的防护层，防护层能将氯离子和水分隔绝开去，延缓锈蚀的发展过程，提高环氧涂层钢筋的使用寿命。混凝土表面渗透型防护剂是靠化学成膜使混凝土表面毛细孔充填密实而起到密封的作用，从而使水渗透系数降到 1×10^-11m/s 以下。当桥梁出现裂缝时，我们可以通过压力灌浆的方法向裂缝内注入环氧树脂、聚氨酯等材料，可以使裂缝修复后的抗压强度恢复率达到 90% 以上。

2.3 改进施工工艺、抓好施工质量

采用分层振捣工艺能使混凝土密实度达 98% 以上，能够将混凝土中残留气泡全部排出；采用蒸汽养护制度能通过控制升温速率（ ⩽15‰ ）、恒温时间（6～8h）来进行水泥水化反应，使混凝土 28d 抗压强度比标养状态下的提高 15%～20% ；当拆模时混凝土表面温度与环境温度差值不大于20% ，防止因热应力造成混凝土开裂；采用智能张拉系统根据瞬态变化曲线对预应力损失进行实时检测，精度可达 ±1% ，减少结构变形。

三、普通混凝土桥梁长期性能监测技术体系

3.1 传感器网络部署策略

由于其极好的抗电磁干扰性和极好的耐腐蚀性，光纤光栅传感器可以在桥梁监测中起到很好的作用，而且能实现应变和温度等多种参数的同时测量。按照大桥不同构件的布置，在应力集中且对结构安全危害较大的梁体跨中、支座等关键截面上按不大于 5m 的距离布置应变传感器，以便于对一些小应力的变化进行检测；同时将位移传感器沿桥墩竖向安装起来进行连续监控，使得桥墩的沉降变形情况能够被及时反馈；在桥梁表面加装加速度传感器并设置大于或等于 200Hz 的采样频率，实现车辆荷载作用下的桥梁动力响应精确捕捉。

3.2 多源数据融合分析方法

多源数据融合分析法为桥梁结构状态的准确评估提供了不同的途径。时域分析通过振动能获得较多不同性能指标的测量值，可以找出振荡的峰值和均方根值等作为判别依据，并且便于直接判断结构在时域内不同状态下的特性。频域分析使用快速傅里叶变换，将时域信号转变为频域信号，分析结构的固有频率，如果下降了 5% 以上，则可能说明了结构刚度出现了不同程度的劣化。模态分析法运用有限元模型修正技术，结合实测模态参数反求得到结构损伤的位置和程度，并且提高了判定结构损伤的程度和位置的精度。

3.3 健康评估与预警机制

健康评估及预警系统是桥梁安全运营的重要保障。用层次分析法建立桥梁耐久性评价体系，合理把影响因素分成材料性能、环境作用和荷载效用三个一级指标，12 个二级指标，通过专家评分得出各个指标的权重系数，实现了评价指标的全覆盖、科学化和客观性，将综合评估得分为准划分等级预警值，预警值低于 60 分进入黄色预警，及时启动专项检测排查病害；预警值小于 40 分便进入红色预警，立即采取限载措施。

3.4 监测数据管理应用平台。

监测数据管理应用平台是桥梁监测数据汇集和有效管理的重要纽带，关系型数据库（如 MySQL 数据库）存储桥梁结构化监测数据并可以通过时间、测点等多种形式查询到相应的数据，为工作人员提供信息；而非结构化的数据（图片、影像资料等）可存储在 Hadoop 分布式文件系统上，数据的处理速度快于传统的 HDFS 方案 5 倍以上；通过 WebGIS 的方式可以将监测数据与桥梁的三维模型直接关联，并且可以通过浏览器查看任意测点的历史数据曲线以及当前的状态；在移动端 APP 可以接收报警信息并且可以将发现的结果上传到服务器上，便于现场巡检工作人员能够及时接收到当前事件的信息和结果，结合 webGIS 技术，使得整个桥梁的实时监测工作得以完成。

结束语

普通混凝土桥梁的耐久性和长期性能监测对于桥梁结构的安全起着举足轻重的作用。可以通过选择优质材料、加强结构防护、提高施工质量等措施延缓材料性能劣化，利用物联网传感网、智能监测分析算法可以实时检测结构状态并准确判断桥梁损伤的位置。之后应着重于掌握多物理场耦合机理，研发出更加智能化、精准化的自适应监测设备与自修复材料，进而使桥梁养护向着智能化和精准化发展。

参考文献

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