钢筋混凝土拱桥的特点和常见病害

引起钢筋混凝土拱桥结构病害的原因主要包括由环境作用引起的混凝土结构损伤与破坏和由荷载作用或设计、施工不当造成的混凝土结构损伤与破坏两个方面。钢筋混凝土拱桥常见病害主要包括混凝土碳化、氯离子侵蚀、钢筋锈蚀、碱－骨料反应和混凝土结构裂缝等。

第一，混凝土碳化。混凝土碳化是混凝土碳酸盐化的简称，实质是混凝土发生的一种化学腐蚀，当混凝土中的氢氧化钙Ca（OH）2与渗透进混凝土中的二氧化碳CO2或其他酸性气体（如SO2、H2S等）发生化学反应时，混凝土结构的碱性降低，即发生了混凝土碳化，其化学反应方程式如（4－1）和（4－2）所示。

混凝土碳化是CO2使腐蚀因子在混凝土内部产生迁移和浓缩的结果，虽然碳化增加了结构的密实性，提高了结构抗腐蚀能力，但加剧了混凝土收缩，降低了结构的耐久性，降低了混凝土的碱性，破坏了钢筋表面的钝化膜，从而引起钢筋锈蚀。

通过国内外大量的试验研究，研究者们提出了碳化深度D与碳化时间t的关系式，如公式（4－3）所示：

自然锈蚀和快速碳化之间的关系式如公式（4－4）所示：

根据实测的碳化深度推测以后情况，如公式（4－5）所示：

α体现了混凝土的抗碳化能力，它主要取决于混凝土的渗透能力和环境条件，而混凝土的渗透性又与混凝土的水灰比、水泥品种、浇筑和养护质量有关，环境的影响主要体现在环境的相对湿度、温度及CO2浓度等。

第二，氯离子侵蚀。氯离子侵入已硬化的混凝土就会引起混凝土腐蚀。腐蚀初期，混凝土体膨胀，钢筋与混凝土的黏结力加强，从而提高了结构的承载力。随腐蚀的发展，混凝土体开裂，钢筋与混凝土的黏结力下降，从而降低了结构的承载力。

氯离子侵蚀不仅降低了结构的承载力，而且还会显著降低结构的耐久性。侵蚀的发展引起混凝土体开裂，水分、氧气以及氯盐等侵蚀性物质更易进入混凝土内部，致使钢筋锈蚀进一步发展，加剧了混凝土局部崩解，导致结构耐久性下降。

第三，钢筋锈蚀。当有氧气和水分的参与时，钢筋就会发生氧化反应而造成锈蚀现象。根据电解质的不同，钢筋锈蚀主要有以下两种：

一是混凝土碳化引起的钢筋锈蚀。碳化使混凝土中性化，破坏了钢筋表面的钝化膜，导致钢筋锈蚀，这是一个相当长的过程，随锈蚀的发展，钢筋表面生成疏松、多孔的沉积物铁锈（Fe2O3·Fe3O4·H2O），体积膨胀约为原体积的24倍，结构产生沿钢筋长度方向的纵向裂缝，混凝土保护层剥落，出现“暴筋”现象，结构的承载力下降、安全度降低。

二是氯离子侵蚀引起的钢筋锈蚀。氯离子吸附于钢筋表面的钝化膜处时，该处的pH值降低，钢筋表面的钝化膜遭到破坏，钢筋开始锈蚀，并产生“锈蚀坑”，加大了钢筋电位差，从而加速了钢筋的锈蚀进而形成“环蚀”。

此外，钢筋受拉时，“锈蚀坑”会造成应力集中，引起钢筋早期断裂，即应力锈蚀。

第四，碱－骨料反应。碱－骨料反应是指水泥中的碱和骨料中的活性硅发生化学反应，生成碱－硅酸盐凝胶，并吸水产生膨胀压力，从而造成混凝土开裂的现象。碱－骨料反应分为碱－硅酸反应和碱－碳酸盐反应两种类型。

碱－硅酸反应一般是指骨料含有碱活性的硅质矿物，在混凝土硬化后，缓慢地与水泥石孔隙溶液中的钠、钾离子反应，产生碱－硅凝胶，凝胶吸水膨胀，使混凝土开裂。

碱－碳酸盐反应发生率不高，所以一般碱－骨料反应多是指碱－硅酸反应。碱－骨料反应使混凝土体内产生膨胀应力，导致混凝土体开裂。开裂的混凝土表层使水分、氧气及其他的腐蚀性物质进入混凝土体，加速了钢筋锈蚀、混凝土碳化等病害的发生，使钢筋混凝土结构的耐久性显著下降。碱－骨料反应又称为混凝土结构的“癌症”，因为碱－骨料反应会使结构在不到两年的时间内就开始出现明显裂缝。

第五，混凝土结构裂缝。混凝土结构的裂缝按成因可分为结构性裂缝（又称受力裂缝）和非结构性裂缝两大类。

结构性裂缝是由外荷载引起的，结构设计失误如设计简图与结构实际受力不符，施工方法不当如混凝土振捣不密实、不均匀，结构老化及地基沉降等都会产生结构性裂缝。《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62－2004）规定，钢筋混凝土构件计算的特征裂缝宽度限值见表4－1。

表4－1　钢筋混凝土构件计算的特征裂缝宽度限值

Ⅰ类环境为温暖或寒冷地区的大气环境（与无侵蚀性的水或土接触的环境）。Ⅱ类环境为严寒地区的大气环境（除冰盐环境、滨海环境）。Ⅲ类、Ⅳ类环境分别为海水环境、受侵蚀性物质影响的环境。

非结构性裂缝是由变形引起的，当混凝土收缩、温度变化等引起的结构变形受到限制时，结构内部会产生自应力，从而引起混凝土开裂。