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【摘 要】混凝土中性化而引起梁体钢筋锈蚀、保护层开裂和脱落等病害，严重影响铁路圬工梁的承载能力及耐久性、大大降低使用寿命。本文从混凝土中性化原理入手，根据抽样检测结果和实践经验归纳出中性化影响因素，进一步提出从混凝土梁的设计、制造和养护等等方面的抑制措施。
【关键词】混凝土梁体;中性化;抑制措施
在当今高速重载，图定列车对数目逐渐增多的运营趋势下，既有线圬工梁将经受严峻的考验。长期以来，混凝土梁一直被认为是几乎可免维修的永久性结构，然而实践证明，随着混凝土梁使用时间的延续，混凝土梁的缺陷和病害日渐暴露，诸如钢筋锈蚀、裂纹、表面碳化等降低承载力和影响结构耐久性的中性化问题，若不高度重视，将影响桥梁的安全使用和缩短其使用寿命。
１．混凝土中性化反应机理
混凝土表面中性化理论上称之为碱—集料反应，而圬工梁碳化是其中的一种。混凝土碳化是由于混凝土内部的初始PH值一般大于12，而钢筋处于物理化学等不均匀性的混凝土中，往往会产生电位差，使它具备化学腐蚀的基本条件，在钢筋表面会形成一种致密不稳定性的钝件膜，可有效地抑制电化学反应而防止钢筋锈蚀；当混凝土梁在应力状态下可认为其内部存在着成千上万的相互贯通的微细裂纹，大气中的二氧化碳和水分不断地向混凝土内部渗透，与其中的碱性水化物（主要为Ca(OH)2）发生物理化学反应，使混凝土的PH值降低到10以下。当碳化深度超过保护层厚度，钢筋表面钝化膜将破坏，空气中的水分和氧气将导致钢筋锈蚀，使混凝土的强度、弹性大为下降。从化学上分析，其反应机理主要表现为：
1.1碳酸水的腐蚀
Ca(OH)2 +CO2 →CaCO3↓+H2O
生成的碳酸钙再与二氧化碳和水作用转变成重碳酸钙，是可逆反应：
CaCO3+CO2 + H2O=Ca(HCO3)2
生成的重碳酸钙易溶于水，由于空气中的二氧化碳和水不断侵入，上式反应就不断地向右进行。因而混凝土中的氢氧化钙通过转变为易溶的重碳酸钙而溶失。
Ca(OH)2 + Ca(HCO3)2→2CaCO3↓+2H2O
而重碳酸钙将与氢氧化钙反应生成不溶的碳酸钙，这样使得氢氧化钙的浓度不断降低，还会导致混凝土中的其他水化物的分解，使腐蚀进一步向混凝土内部就行，其理同溶洞的溶蚀反应基本类同。
1.2钢筋的电化学腐蚀
当中性化达到钢筋保护层深度时，钢筋由于保护层失效而发生电化学锈蚀。可以认为此时钢筋表面为一层电解质水膜所覆盖，由于表面成分或受力的不均匀性，使得局部产生电极电位差，形成许多微电池。在阳极区，铁被氧化成Fe2+离子进入水膜，而水中的氧在阴极区将被还原成HO-离子。两者结合成不溶于水的Fe(OH)2，并进一步氧化成疏松易剥落的棕红色铁锈Fe(OH)3。水膜中的离子浓度提高，阴极放电快，锈蚀进行就快。另外，铁的锈蚀反应将强烈地为卤素离子特别是氯离子所促进，它们能破坏钢筋的保护膜（FeO），使锈蚀加快发展。
1.3碱骨料反应
如果混凝土所用的水泥含碱量过高，一般大于0.6%（折算成氧化钠含量）就可能发生碱骨料破坏。即水泥中碱性氧化物水解成氢氧化钠和氢氧化钾与骨料中活性氧化物发生化学反应，生成复杂的碱—硅酸凝胶，它具有无限的膨胀性，其反应式如下：
Na2O+ H2O→2NaOH
2NaOH+SiO2→Na2O·SiO2+ H2O
Na2O·SiO2是一种碱硅胶，发生反应后其体积增大，具有强烈的吸水性，使混凝土内部产生很大的拉应力，导致混凝土开裂。
2.混凝土中性化影响因素特征
通过抽样探测，对梁的平均中性化深度，梁体裂纹处和水印处中性化深度，梁体内侧与外侧中性化深度的差别等内容都布置了测点，测试结果见下表。发现混凝土梁的中性化发展大体有以下特征：
（1）有关实验资料表明：混凝土梁的施工工艺对中性化的影响很大，其中水灰比、振捣方式、水泥用量及養护条件等因素影响最大。水灰比大，使混凝土中的游离水分增多，日后蒸发就容易形成贯通的孔隙通道，为二氧化碳等气体的渗入创造了条件；振捣机械选择不当或采用人工振捣，由于振捣不实，混凝土不能充分填充模板空间，使之出现孔隙和空洞，更易形成贯通孔道，气体容易渗入梁体；水泥用量偏少，不足以填充粗细骨料之间的孔隙，造成混凝土孔隙率偏高，贯通孔道增多。对同等级混凝土来说，应优先采用普通硅酸盐水泥，而矿渣水泥具有较大的干缩性和泌水性更易于碳化。混凝土灌注后的养护更是一个重要环节，养生不好或早期受冻，混凝土的水分不充分，不仅会影响混凝土的强度，也会增大混凝土的孔隙率；构件棱角部位和先张法预应力构件底部产生缺陷机会较多，中性化也会加快。
表面中性化深度平均值
（2）混凝土中性化深度值受梁体裂纹和流经梁体的污水影响较大。当混凝土表面有裂纹时，二氧化碳 等气体就可以顺裂纹渗入混凝土内部，其渗入深度随裂纹的深度增加而增加，这比沿孔隙通道渗入的气体浓度大得多。运营中的混凝土桥梁，每天过往的列车都会洒落一些有害物质（如酸、碱、盐以及其他杂质），使道床遭受污染，加之混凝土梁的排水系统不完善，大部分污水翻过道碴槽沿梁体两侧漫流，久而久之，梁体经常流水的部位就会受到有害物质的侵蚀，使梁体表面孔隙率加大，有害气体容易渗透，加快了梁体中性化的发展速度。
（3）混凝土梁中性化深度与大气中的二氧化碳浓度成正比。二氧化碳浓度越大，梁体中性化的发展越快，反之就越慢。
（4）混凝土受拉区比受压区中性化发展快。这是由于受拉区混凝土中的孔隙率处于张开状态，孔隙贯通性较好，而受压区混凝土中一部分孔隙闭合，使通道阻塞。同时直接受风而比非风面中性化发展也快，这是由于风力使二氧化碳 等气体向梁体的渗透压加大，使梁体内有害气体浓度增高所致，故梁体外侧中性化深度普遍深于内侧。
（5）混凝土梁中性化深度与梁体在大气中暴露的时间（即梁的使用年数）成正比，与混凝土标号成反比。
3.混凝土中性化的防控措施
本着治病除根的态度，要想减缓中性化发展速率，必须从施工初期就予以控制，从发展特征而知，对施工单位来说应尽量采用低水灰比或掺入减水剂，振捣务必密实均匀，防止水泥浆的离析、沉淀或产生收缩性裂缝，充分注意混凝土的早期养护以提高其强度和抗渗透力，减缓碳化速度，保证混凝土结构的耐久性。对工务维修养护部门，主要控制梁的中性化产生的外部条件，想法阻止水分或湿气及各种腐蚀性化学物质侵入圬工梁内部。针对不同情况采用相应的防控措施：（1）对于中性化深度超过20mm，钢筋尚未锈蚀的混凝土梁，应采用防水材料进行表面封涂，防止水汽的侵入，使钢筋免遭锈蚀；（2）对于钢筋虽已锈蚀，但通过加固补强可以恢复其承载能力的梁体，要凿除部分钢筋保护层，再采用施加体外预应力的方法恢复梁体的承载能力，最后采用防水材料对梁体表面进行全面封涂，最大限度地阻止水汽向梁体的侵入。对病害非常严重，危及行车安全，通过试验或检算不满足承载能力要求，应尽快予以更换。（3）改善圬工梁的排水系统，加强线桥结合部位的养护，保持道碴桥面道床厚度及线梁间盖板的完好。（4）为使混凝土梁得到有效的养护，及时发现病害，要逐步配齐混凝土梁活动检修设备，不断采用新材料、新工艺提高圬工梁体中性化防止水平。
【关键词】混凝土梁体;中性化;抑制措施
在当今高速重载，图定列车对数目逐渐增多的运营趋势下，既有线圬工梁将经受严峻的考验。长期以来，混凝土梁一直被认为是几乎可免维修的永久性结构，然而实践证明，随着混凝土梁使用时间的延续，混凝土梁的缺陷和病害日渐暴露，诸如钢筋锈蚀、裂纹、表面碳化等降低承载力和影响结构耐久性的中性化问题，若不高度重视，将影响桥梁的安全使用和缩短其使用寿命。
１．混凝土中性化反应机理
混凝土表面中性化理论上称之为碱—集料反应，而圬工梁碳化是其中的一种。混凝土碳化是由于混凝土内部的初始PH值一般大于12，而钢筋处于物理化学等不均匀性的混凝土中，往往会产生电位差，使它具备化学腐蚀的基本条件，在钢筋表面会形成一种致密不稳定性的钝件膜，可有效地抑制电化学反应而防止钢筋锈蚀；当混凝土梁在应力状态下可认为其内部存在着成千上万的相互贯通的微细裂纹，大气中的二氧化碳和水分不断地向混凝土内部渗透，与其中的碱性水化物（主要为Ca(OH)2）发生物理化学反应，使混凝土的PH值降低到10以下。当碳化深度超过保护层厚度，钢筋表面钝化膜将破坏，空气中的水分和氧气将导致钢筋锈蚀，使混凝土的强度、弹性大为下降。从化学上分析，其反应机理主要表现为：
1.1碳酸水的腐蚀
Ca(OH)2 +CO2 →CaCO3↓+H2O
生成的碳酸钙再与二氧化碳和水作用转变成重碳酸钙，是可逆反应：
CaCO3+CO2 + H2O=Ca(HCO3)2
生成的重碳酸钙易溶于水，由于空气中的二氧化碳和水不断侵入，上式反应就不断地向右进行。因而混凝土中的氢氧化钙通过转变为易溶的重碳酸钙而溶失。
Ca(OH)2 + Ca(HCO3)2→2CaCO3↓+2H2O
而重碳酸钙将与氢氧化钙反应生成不溶的碳酸钙，这样使得氢氧化钙的浓度不断降低，还会导致混凝土中的其他水化物的分解，使腐蚀进一步向混凝土内部就行，其理同溶洞的溶蚀反应基本类同。
1.2钢筋的电化学腐蚀
当中性化达到钢筋保护层深度时，钢筋由于保护层失效而发生电化学锈蚀。可以认为此时钢筋表面为一层电解质水膜所覆盖，由于表面成分或受力的不均匀性，使得局部产生电极电位差，形成许多微电池。在阳极区，铁被氧化成Fe2+离子进入水膜，而水中的氧在阴极区将被还原成HO-离子。两者结合成不溶于水的Fe(OH)2，并进一步氧化成疏松易剥落的棕红色铁锈Fe(OH)3。水膜中的离子浓度提高，阴极放电快，锈蚀进行就快。另外，铁的锈蚀反应将强烈地为卤素离子特别是氯离子所促进，它们能破坏钢筋的保护膜（FeO），使锈蚀加快发展。
1.3碱骨料反应
如果混凝土所用的水泥含碱量过高，一般大于0.6%（折算成氧化钠含量）就可能发生碱骨料破坏。即水泥中碱性氧化物水解成氢氧化钠和氢氧化钾与骨料中活性氧化物发生化学反应，生成复杂的碱—硅酸凝胶，它具有无限的膨胀性，其反应式如下：
Na2O+ H2O→2NaOH
2NaOH+SiO2→Na2O·SiO2+ H2O
Na2O·SiO2是一种碱硅胶，发生反应后其体积增大，具有强烈的吸水性，使混凝土内部产生很大的拉应力，导致混凝土开裂。
2.混凝土中性化影响因素特征
通过抽样探测，对梁的平均中性化深度，梁体裂纹处和水印处中性化深度，梁体内侧与外侧中性化深度的差别等内容都布置了测点，测试结果见下表。发现混凝土梁的中性化发展大体有以下特征：
（1）有关实验资料表明：混凝土梁的施工工艺对中性化的影响很大，其中水灰比、振捣方式、水泥用量及養护条件等因素影响最大。水灰比大，使混凝土中的游离水分增多，日后蒸发就容易形成贯通的孔隙通道，为二氧化碳等气体的渗入创造了条件；振捣机械选择不当或采用人工振捣，由于振捣不实，混凝土不能充分填充模板空间，使之出现孔隙和空洞，更易形成贯通孔道，气体容易渗入梁体；水泥用量偏少，不足以填充粗细骨料之间的孔隙，造成混凝土孔隙率偏高，贯通孔道增多。对同等级混凝土来说，应优先采用普通硅酸盐水泥，而矿渣水泥具有较大的干缩性和泌水性更易于碳化。混凝土灌注后的养护更是一个重要环节，养生不好或早期受冻，混凝土的水分不充分，不仅会影响混凝土的强度，也会增大混凝土的孔隙率；构件棱角部位和先张法预应力构件底部产生缺陷机会较多，中性化也会加快。
表面中性化深度平均值
（2）混凝土中性化深度值受梁体裂纹和流经梁体的污水影响较大。当混凝土表面有裂纹时，二氧化碳 等气体就可以顺裂纹渗入混凝土内部，其渗入深度随裂纹的深度增加而增加，这比沿孔隙通道渗入的气体浓度大得多。运营中的混凝土桥梁，每天过往的列车都会洒落一些有害物质（如酸、碱、盐以及其他杂质），使道床遭受污染，加之混凝土梁的排水系统不完善，大部分污水翻过道碴槽沿梁体两侧漫流，久而久之，梁体经常流水的部位就会受到有害物质的侵蚀，使梁体表面孔隙率加大，有害气体容易渗透，加快了梁体中性化的发展速度。
（3）混凝土梁中性化深度与大气中的二氧化碳浓度成正比。二氧化碳浓度越大，梁体中性化的发展越快，反之就越慢。
（4）混凝土受拉区比受压区中性化发展快。这是由于受拉区混凝土中的孔隙率处于张开状态，孔隙贯通性较好，而受压区混凝土中一部分孔隙闭合，使通道阻塞。同时直接受风而比非风面中性化发展也快，这是由于风力使二氧化碳 等气体向梁体的渗透压加大，使梁体内有害气体浓度增高所致，故梁体外侧中性化深度普遍深于内侧。
（5）混凝土梁中性化深度与梁体在大气中暴露的时间（即梁的使用年数）成正比，与混凝土标号成反比。
3.混凝土中性化的防控措施
本着治病除根的态度，要想减缓中性化发展速率，必须从施工初期就予以控制，从发展特征而知，对施工单位来说应尽量采用低水灰比或掺入减水剂，振捣务必密实均匀，防止水泥浆的离析、沉淀或产生收缩性裂缝，充分注意混凝土的早期养护以提高其强度和抗渗透力，减缓碳化速度，保证混凝土结构的耐久性。对工务维修养护部门，主要控制梁的中性化产生的外部条件，想法阻止水分或湿气及各种腐蚀性化学物质侵入圬工梁内部。针对不同情况采用相应的防控措施：（1）对于中性化深度超过20mm，钢筋尚未锈蚀的混凝土梁，应采用防水材料进行表面封涂，防止水汽的侵入，使钢筋免遭锈蚀；（2）对于钢筋虽已锈蚀，但通过加固补强可以恢复其承载能力的梁体，要凿除部分钢筋保护层，再采用施加体外预应力的方法恢复梁体的承载能力，最后采用防水材料对梁体表面进行全面封涂，最大限度地阻止水汽向梁体的侵入。对病害非常严重，危及行车安全，通过试验或检算不满足承载能力要求，应尽快予以更换。（3）改善圬工梁的排水系统，加强线桥结合部位的养护，保持道碴桥面道床厚度及线梁间盖板的完好。（4）为使混凝土梁得到有效的养护，及时发现病害，要逐步配齐混凝土梁活动检修设备，不断采用新材料、新工艺提高圬工梁体中性化防止水平。