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摘要：本文探讨了预应力混凝土结构耐久性损伤的原因及提高耐久性的相关措施，可供工程参考。
关键词：预应力混凝土结构耐久性损害原因措施
Abstract: This paper discusses the causes of damage of durability of prestressed concrete structure and the related measures to improve durability, can be used for engineering application.
Keywords: prestressed concrete structure, durability, damage, causes, measures
中图分类号: TU377 文献标识码：A文章编号：
1 引言
随着桥梁结构理论、建筑材料和施工技术的迅速发展，桥梁构件越来越细薄，这不仅要求精确的结构计算和先进的施工技术，更要注意由于结构耐久性不足而导致的结构失效。混凝土桥梁的安全运营在很大程度取决于混凝土的耐久性。目前，我国绝大部分桥梁均采用预应力混凝土结构，在工程实际中，一般10m以上跨度桥梁均采用预应力混凝土结构。然而，长期以来在我国预应力混凝土桥梁设计时往往仅考虑混凝土的强度指标而不重视混凝土的耐久性指标。最新的2004版桥规才开始出现对于耐久性提出的粗略要求。
国内外统计资料表明，由于混凝土结构耐久性病害而导致的损失是巨大的。近年来,在欧州、北美、澳大利亚、日本等十六个国家调查表明，由于水泥混凝土道路桥梁的耐久性问题进行修复或更新的投入费用，往往为当年造价的4倍或6倍以上。总费用达数千亿美元。在我国已经出现了许多因耐久性不良而过早报废的桥梁，例如北京西直门立交桥使用仅19年，就因严重剥蚀和钢筋锈蚀破坏等原因不得已于1999年报废重建。据1994年铁路部门统计，我国正在运营的有病害桥梁共6137座，占总数的18.18%，其中预应力混凝土桥梁2675座。尽管国家拿出巨额投资整治桥梁病害，但桥梁病害新生速度仍然高于治理速度,导致运输能力下降，严重制约了国民经济的健康发展。因此，如何有效地改善预应力混凝土桥梁的耐久性和提高桥梁的使用寿命是一个非常迫切和重要的现实问题。
2 引起预应力混凝土结构耐久性损伤的原因及其分类
混凝土结构耐久性损伤或破坏是指结构性能随时间的劣化现象。其直接原因可分为内部原因与外部原因，内部原因是指混凝土自身的一些缺陷，如混凝土的气泡、孔隙、含盐骨料及碱含量过高等，外部原因主要是指自然环境与使用环境引起的劣化。间接原因有最初设计不合理以及日常运营中养护不到位产生的原因等。
2.1 设计因素
结构设计人员一般只重视取用规范规定的安全系数或可靠性指标来保证结构的安全性,这往往只满足于规范对结构强度计算上的安全度需要，而忽视从结构体系、构造、材料、维护、耐久性方面的考虑，有的结构整体性和延性不足，冗余性小；有的计算图式和受力路线不明确，造成局部受力过大；有的混凝土强度及级配不合理、保护层太薄、配筋率不足、构件截面过薄；这些都削弱了结构的耐久性。因此，不少桥梁虽然满足了设计规范的强度要求，但仅投入使用几年耐久性就出问题[6]。
2.2 施工阶段埋下的隐患
典型的问题有钢筋保护层不足、养护不到位、胀模、刚度不够、构件开裂等。造成这些事故的主要原因包括施工控制不严、混凝土配合比及振捣不合适、缺乏养护、预应力施加不合理等。这些施工上所造成的内部缺陷虽然短期不会对桥梁的正常使用产生明显的影响，但却会对结构的长期耐久性产生非常严重的危害。另外预应力孔道的灌浆不密实会明显影响钢筋的锈蚀。调查表明，在后张法预应力混凝土结构中，预应力筋的腐蚀多由孔道灌浆不密实引起。灌浆不密实的一个原因是施工和混合料配制不好。配合比是影响孔道灌浆内在质量的一个主要因素，配合比是否合理，直接影响到灰浆强度和灌注密实度是否达到预定的设计要求。
2.3 预应力筋的应力腐蚀
预应力结构的耐久性失效不同于普通混凝土结构的耐久性失效，其突出原因是预应力结构在同一环境侵蚀作用下，预应力筋对应力腐蚀非常敏感，往往在没有任何预兆的情况下发生脆性断裂。预应力筋较普通钢筋应力高且脆。特别是高强钢丝，断面小，即使腐蚀轻微，断面损失率也较大，并对应力腐蚀和应力腐蚀疲劳敏感。另外，预应力钢丝发生锈蚀时，并不像非预应力混凝土结构中钢筋锈蚀会在表面产生锈斑，引起混凝土保护层的剥落、层裂等外在现象，而极有可能在无任何预兆的情况下导致结构的突然破坏。
预应力钢筋的应力腐蚀和氢脆性都会导致钢材在高应力下的突然断裂。应力腐蚀通常指氯化物或硫化物导致预应力筋腐蚀及脆断。在预应力压浆时，如果浆液中的膨胀剂含有铝粉，当铝粉接触水泥时放出氢气，单个氢分子进入钢材就会出现氢脆断。预应力筋的疲劳也会引起钢筋的锈蚀，尤其是对于交通轨道，受周期性荷载的作用，疲劳现象尤为明显。
2.4 混凝土自身的影响
混凝土是预应力结构的重要组成部分，混凝土自身的耐久性在一定程度上决定了预应力混凝土结构的耐久性。影响混凝土耐久性的因素主要有混凝土碳化、碱-骨料反应、温湿度变化、硫酸盐侵蚀、表面磨损、冻融循环和空隙中盐类结晶等。
2.5 运营中桥梁普遍超载
目前在我国车辆超载现象非常严重，载重10t的汽车实际负载在20t、30t甚至40t的并不鲜见。超载会使桥梁疲劳应力幅度加大、损伤加剧，同时由于超载造成的桥梁内部损伤不能恢复，将使得桥梁在正常荷载下的工作状态发生变化，从而可能危害桥梁的安全性和耐久性。在車辆超载作用下，由于混凝土结构内部已经受到损伤，构件的开裂荷载降低、刚度下降；超载引发桥梁构件的疲劳损伤使在正常使用荷载作用下,本来不该开裂的结构产生裂缝或原较小的裂缝成为超出规范允许的裂缝或产生较大的变形，甚至会出现一些超载引发的结构破坏事故。例如辽宁盘锦市某桥梁由于超载而发生梁体断裂落入河中，致使三辆汽车坠河。
3 提高预应力混凝土结构耐久性的措施
针对上述预应力混凝土结构耐久性失效的特点，借鉴混凝土结构耐久性研究的成果，根据预应力混凝土结构的重要程度及其使用环境，从设计、施工、养护三个方面采取措施，以提高预应力混凝土结构的耐久性。
3.1 设计上要建立耐久性设计思想
桥梁线形不平顺、接头跳车、结构开裂和过大的变形等，使桥梁结构的耐久性变差，这些问题的产生固然与施工质量较低有关，但作为设计人员应建立耐久性设计思想，充分考虑到现阶段的施工、管理水平和材料工艺水平，采用适当的设计方法来保证桥梁使用性能，尤其应注意结构体系和材料选择的合理性及结构细节处理与目前的施工工艺水平和质量管理水平的协调性。国外的桥梁设计将提高结构的耐久性作为重要的设计原则，统一考虑合理的结构布局和构造细节，必要时对细部作特殊处理，强调使结构易于检查、维护。
设计人员在设计时可采用如下措施提高桥梁的耐久性：
(1) 根据结构物的重要程度及其具体环境条件,选用相应的裂缝控制等级。
(2) 可根据实际情况适当加厚保护层的厚度，一般以达到4cm为宜。
(3) 采用高性能混凝土。
(4) 采用超静定结构，防止因某一构件的失效而导致整个结构的破坏。
3.2 施工上不断提高施工管理水平和施工质量
从施工方面来说，要从混凝土的密实性、裂缝及钢筋保养的控制及选择合理的施工方法入手,控制每一个施工工序环节，加强施工管理，提高施工质量。在施工时，要做到工艺先进可行、工序严格控制。具体措施有：
(1) 对于梁段新旧混凝土结合面的凿毛、模板接缝、混凝土级配进行严格检查；对锚具下齿板处混凝土加强振捣；对预应力张拉设备事先要标定、操作要准确，使预应力张拉、构件细部强度等满足设计要求。
(2) 控制拌合料中Cl- 的含量。在施工中可在混凝土中掺入粉煤灰、硅粉等抗腐蚀剂, 其抗氯盐侵蚀的耐久性会大大增加。
(3) 提高波纹管自身的质量及其接头处的密闭性。
(4) 选用对腐蚀不敏感的预应力筋，加强预应力筋及锚具的防腐处理。在侵蚀性环境或重要桥梁工程中，优先采用环氧涂层钢筋或阴极保护，并可考虑塑料波纹管和缓粘结技术等措施。
(5) 提高后张法预应力混凝土结构灌浆的密实性。
(6) 做好桥面排水防水工程，设置柔性防水层，保证防水层施工质量。
(7) 严格控制保护层厚度施工的负偏差，保证保护层的施工质量。
(8) 同时要保证底模板的刚度和支撑的可靠，避免初凝时扰动，加强混凝土的养护。
3.3 加强运营阶段的管理和维护
要解决桥梁耐久性问题，还应加强对运营阶段的管理和维护，尤其要加强对车辆超载的管理；定期对桥梁进行检查；对桥面混凝土开裂较为严重、泄水管周围浸水现象应高度重视；重视对服役期桥梁结构评估，及时进行必要的维修和加固。
此外，当环境侵蚀特别严重，仅靠上述措施不能确保预应力混凝土结构的耐久性时,应根据具体情况采用下述一项或多项措施。具体有:①选用外镀或外涂防护层的预应力钢筋； ②在混凝土中添加阻锈剂；③在混凝土外表面设置防渗、防腐涂层；④采用阴极保护措施；⑤选用不锈蚀、防渗的聚乙烯波纹管以及提高其接头处的密闭性等。
4 结束语
与普通混凝土结构相比,国内外对预应力混凝土结构耐久性的研究很少，尚需做大量的工作。预应力混凝土结构耐久性的研究是一个多学科、多目标的系统工程，涉及材料、结构、数学、化学及力学等多个领域，影响因素众多，涉及的问题复杂。
建立适合于预应力混凝土结构耐久性研究的试验方法；建立预应力混凝土结构在特定使用环境下的耐久性数学模型；提供预应力混凝土结构耐久性设计方法；提出预应力混凝土结构耐久性的评估体系；提出改善预应力混凝土结构耐久性的措施等。
參考文献
[1] 潘道辉.浅谈预应力混凝土结构耐久性与施工控制[J].湖南交通科技,2004(12).
[2] 张存厚，韩国良.预应力砼结构耐久性的研究[J].内蒙古电力技术，2003(21)，132-134.
[3] 杨小平，刘荣贵，吕志涛.裂缝对预应力混凝土结构耐久性影响的试验研究[J].江苏大学学报（自然科学版）,2002(6).
[4] 杨权兵，杨钱荣,郭荣泰.桥梁工程混凝土耐久性设计及应用研究[J].低温建筑技术,2002(3).
[5] 张德峰 吕志涛.现代预应力混凝土结构耐久性的研究现状及特点[J].工业建筑，2000（11）.
关键词：预应力混凝土结构耐久性损害原因措施
Abstract: This paper discusses the causes of damage of durability of prestressed concrete structure and the related measures to improve durability, can be used for engineering application.
Keywords: prestressed concrete structure, durability, damage, causes, measures
中图分类号: TU377 文献标识码：A文章编号：
1 引言
随着桥梁结构理论、建筑材料和施工技术的迅速发展，桥梁构件越来越细薄，这不仅要求精确的结构计算和先进的施工技术，更要注意由于结构耐久性不足而导致的结构失效。混凝土桥梁的安全运营在很大程度取决于混凝土的耐久性。目前，我国绝大部分桥梁均采用预应力混凝土结构，在工程实际中，一般10m以上跨度桥梁均采用预应力混凝土结构。然而，长期以来在我国预应力混凝土桥梁设计时往往仅考虑混凝土的强度指标而不重视混凝土的耐久性指标。最新的2004版桥规才开始出现对于耐久性提出的粗略要求。
国内外统计资料表明，由于混凝土结构耐久性病害而导致的损失是巨大的。近年来,在欧州、北美、澳大利亚、日本等十六个国家调查表明，由于水泥混凝土道路桥梁的耐久性问题进行修复或更新的投入费用，往往为当年造价的4倍或6倍以上。总费用达数千亿美元。在我国已经出现了许多因耐久性不良而过早报废的桥梁，例如北京西直门立交桥使用仅19年，就因严重剥蚀和钢筋锈蚀破坏等原因不得已于1999年报废重建。据1994年铁路部门统计，我国正在运营的有病害桥梁共6137座，占总数的18.18%，其中预应力混凝土桥梁2675座。尽管国家拿出巨额投资整治桥梁病害，但桥梁病害新生速度仍然高于治理速度,导致运输能力下降，严重制约了国民经济的健康发展。因此，如何有效地改善预应力混凝土桥梁的耐久性和提高桥梁的使用寿命是一个非常迫切和重要的现实问题。
2 引起预应力混凝土结构耐久性损伤的原因及其分类
混凝土结构耐久性损伤或破坏是指结构性能随时间的劣化现象。其直接原因可分为内部原因与外部原因，内部原因是指混凝土自身的一些缺陷，如混凝土的气泡、孔隙、含盐骨料及碱含量过高等，外部原因主要是指自然环境与使用环境引起的劣化。间接原因有最初设计不合理以及日常运营中养护不到位产生的原因等。
2.1 设计因素
结构设计人员一般只重视取用规范规定的安全系数或可靠性指标来保证结构的安全性,这往往只满足于规范对结构强度计算上的安全度需要，而忽视从结构体系、构造、材料、维护、耐久性方面的考虑，有的结构整体性和延性不足，冗余性小；有的计算图式和受力路线不明确，造成局部受力过大；有的混凝土强度及级配不合理、保护层太薄、配筋率不足、构件截面过薄；这些都削弱了结构的耐久性。因此，不少桥梁虽然满足了设计规范的强度要求，但仅投入使用几年耐久性就出问题[6]。
2.2 施工阶段埋下的隐患
典型的问题有钢筋保护层不足、养护不到位、胀模、刚度不够、构件开裂等。造成这些事故的主要原因包括施工控制不严、混凝土配合比及振捣不合适、缺乏养护、预应力施加不合理等。这些施工上所造成的内部缺陷虽然短期不会对桥梁的正常使用产生明显的影响，但却会对结构的长期耐久性产生非常严重的危害。另外预应力孔道的灌浆不密实会明显影响钢筋的锈蚀。调查表明，在后张法预应力混凝土结构中，预应力筋的腐蚀多由孔道灌浆不密实引起。灌浆不密实的一个原因是施工和混合料配制不好。配合比是影响孔道灌浆内在质量的一个主要因素，配合比是否合理，直接影响到灰浆强度和灌注密实度是否达到预定的设计要求。
2.3 预应力筋的应力腐蚀
预应力结构的耐久性失效不同于普通混凝土结构的耐久性失效，其突出原因是预应力结构在同一环境侵蚀作用下，预应力筋对应力腐蚀非常敏感，往往在没有任何预兆的情况下发生脆性断裂。预应力筋较普通钢筋应力高且脆。特别是高强钢丝，断面小，即使腐蚀轻微，断面损失率也较大，并对应力腐蚀和应力腐蚀疲劳敏感。另外，预应力钢丝发生锈蚀时，并不像非预应力混凝土结构中钢筋锈蚀会在表面产生锈斑，引起混凝土保护层的剥落、层裂等外在现象，而极有可能在无任何预兆的情况下导致结构的突然破坏。
预应力钢筋的应力腐蚀和氢脆性都会导致钢材在高应力下的突然断裂。应力腐蚀通常指氯化物或硫化物导致预应力筋腐蚀及脆断。在预应力压浆时，如果浆液中的膨胀剂含有铝粉，当铝粉接触水泥时放出氢气，单个氢分子进入钢材就会出现氢脆断。预应力筋的疲劳也会引起钢筋的锈蚀，尤其是对于交通轨道，受周期性荷载的作用，疲劳现象尤为明显。
2.4 混凝土自身的影响
混凝土是预应力结构的重要组成部分，混凝土自身的耐久性在一定程度上决定了预应力混凝土结构的耐久性。影响混凝土耐久性的因素主要有混凝土碳化、碱-骨料反应、温湿度变化、硫酸盐侵蚀、表面磨损、冻融循环和空隙中盐类结晶等。
2.5 运营中桥梁普遍超载
目前在我国车辆超载现象非常严重，载重10t的汽车实际负载在20t、30t甚至40t的并不鲜见。超载会使桥梁疲劳应力幅度加大、损伤加剧，同时由于超载造成的桥梁内部损伤不能恢复，将使得桥梁在正常荷载下的工作状态发生变化，从而可能危害桥梁的安全性和耐久性。在車辆超载作用下，由于混凝土结构内部已经受到损伤，构件的开裂荷载降低、刚度下降；超载引发桥梁构件的疲劳损伤使在正常使用荷载作用下,本来不该开裂的结构产生裂缝或原较小的裂缝成为超出规范允许的裂缝或产生较大的变形，甚至会出现一些超载引发的结构破坏事故。例如辽宁盘锦市某桥梁由于超载而发生梁体断裂落入河中，致使三辆汽车坠河。
3 提高预应力混凝土结构耐久性的措施
针对上述预应力混凝土结构耐久性失效的特点，借鉴混凝土结构耐久性研究的成果，根据预应力混凝土结构的重要程度及其使用环境，从设计、施工、养护三个方面采取措施，以提高预应力混凝土结构的耐久性。
3.1 设计上要建立耐久性设计思想
桥梁线形不平顺、接头跳车、结构开裂和过大的变形等，使桥梁结构的耐久性变差，这些问题的产生固然与施工质量较低有关，但作为设计人员应建立耐久性设计思想，充分考虑到现阶段的施工、管理水平和材料工艺水平，采用适当的设计方法来保证桥梁使用性能，尤其应注意结构体系和材料选择的合理性及结构细节处理与目前的施工工艺水平和质量管理水平的协调性。国外的桥梁设计将提高结构的耐久性作为重要的设计原则，统一考虑合理的结构布局和构造细节，必要时对细部作特殊处理，强调使结构易于检查、维护。
设计人员在设计时可采用如下措施提高桥梁的耐久性：
(1) 根据结构物的重要程度及其具体环境条件,选用相应的裂缝控制等级。
(2) 可根据实际情况适当加厚保护层的厚度，一般以达到4cm为宜。
(3) 采用高性能混凝土。
(4) 采用超静定结构，防止因某一构件的失效而导致整个结构的破坏。
3.2 施工上不断提高施工管理水平和施工质量
从施工方面来说，要从混凝土的密实性、裂缝及钢筋保养的控制及选择合理的施工方法入手,控制每一个施工工序环节，加强施工管理，提高施工质量。在施工时，要做到工艺先进可行、工序严格控制。具体措施有：
(1) 对于梁段新旧混凝土结合面的凿毛、模板接缝、混凝土级配进行严格检查；对锚具下齿板处混凝土加强振捣；对预应力张拉设备事先要标定、操作要准确，使预应力张拉、构件细部强度等满足设计要求。
(2) 控制拌合料中Cl- 的含量。在施工中可在混凝土中掺入粉煤灰、硅粉等抗腐蚀剂, 其抗氯盐侵蚀的耐久性会大大增加。
(3) 提高波纹管自身的质量及其接头处的密闭性。
(4) 选用对腐蚀不敏感的预应力筋，加强预应力筋及锚具的防腐处理。在侵蚀性环境或重要桥梁工程中，优先采用环氧涂层钢筋或阴极保护，并可考虑塑料波纹管和缓粘结技术等措施。
(5) 提高后张法预应力混凝土结构灌浆的密实性。
(6) 做好桥面排水防水工程，设置柔性防水层，保证防水层施工质量。
(7) 严格控制保护层厚度施工的负偏差，保证保护层的施工质量。
(8) 同时要保证底模板的刚度和支撑的可靠，避免初凝时扰动，加强混凝土的养护。
3.3 加强运营阶段的管理和维护
要解决桥梁耐久性问题，还应加强对运营阶段的管理和维护，尤其要加强对车辆超载的管理；定期对桥梁进行检查；对桥面混凝土开裂较为严重、泄水管周围浸水现象应高度重视；重视对服役期桥梁结构评估，及时进行必要的维修和加固。
此外，当环境侵蚀特别严重，仅靠上述措施不能确保预应力混凝土结构的耐久性时,应根据具体情况采用下述一项或多项措施。具体有:①选用外镀或外涂防护层的预应力钢筋； ②在混凝土中添加阻锈剂；③在混凝土外表面设置防渗、防腐涂层；④采用阴极保护措施；⑤选用不锈蚀、防渗的聚乙烯波纹管以及提高其接头处的密闭性等。
4 结束语
与普通混凝土结构相比,国内外对预应力混凝土结构耐久性的研究很少，尚需做大量的工作。预应力混凝土结构耐久性的研究是一个多学科、多目标的系统工程，涉及材料、结构、数学、化学及力学等多个领域，影响因素众多，涉及的问题复杂。
建立适合于预应力混凝土结构耐久性研究的试验方法；建立预应力混凝土结构在特定使用环境下的耐久性数学模型；提供预应力混凝土结构耐久性设计方法；提出预应力混凝土结构耐久性的评估体系；提出改善预应力混凝土结构耐久性的措施等。
參考文献
[1] 潘道辉.浅谈预应力混凝土结构耐久性与施工控制[J].湖南交通科技,2004(12).
[2] 张存厚，韩国良.预应力砼结构耐久性的研究[J].内蒙古电力技术，2003(21)，132-134.
[3] 杨小平，刘荣贵，吕志涛.裂缝对预应力混凝土结构耐久性影响的试验研究[J].江苏大学学报（自然科学版）,2002(6).
[4] 杨权兵，杨钱荣,郭荣泰.桥梁工程混凝土耐久性设计及应用研究[J].低温建筑技术,2002(3).
[5] 张德峰 吕志涛.现代预应力混凝土结构耐久性的研究现状及特点[J].工业建筑，2000（11）.