桥梁腐蚀评估和使用寿命分析

一、无损检测（NDT）桥梁保护应用

当桥梁发生腐蚀的时候，我们需要知道(1)情况有多严重(2)恶化速度(3)我们如何能以较低成本有效的延长使用寿命,然后制定战略性的检测/评估计划确认/量化问题。与桥梁更换相比，桥梁保护能为业主节省75-80%的成本。下面以I-395国王大街桥梁情况为例进行说明：

腐蚀情况：

                             桥面板情况 

                          桥梁底部结构老化

                                 腐蚀破坏  

                          局部修补加速腐蚀  

                             局部腐蚀扩大 

                            桩帽---腐蚀破坏

                          柱体—钢绞线老化

                             碱硅酸反应(ASR)

                                      外观情况

                                腐蚀成本发展

结论：应用NDT和腐蚀工具

--单独使用NDT工具无法确定或提供所有老化过程及缺陷的信息

--综合应用NDT工具表征恶化，并准确判断保护方案使用周期成本

--准备表征桥梁

--预防提前和非预期失败

--更好的预估恶化发展

--更好的缩小修补/修复方案

--减少桥梁修补/修复成本

--推迟未来深度检查时间

--测量老化过程中多个阶段保护的有效性

无损检测（NDT）服务：

因不当诊断制定的效果较差解决方案风险高，无损检测可最小化检测时间，减少结构破坏。

主要NDT工具：

• 探地雷达(GPR)

• 红外热成像法

• 冲击回波

• 超声显像术和探伤检测

• 光学孔径仪

• 磁粉和着色渗透

• 斯坦托测试（后张力钢束和连杆的电阻抗测试方法）

• 移动、震动、侵蚀等感应器

• 使用寿命预估和使用寿命周期分析法(LCCA）

                                                                             探地雷达(GPR)

                                                                          交通速度的GPR

                                                                            探地雷达(GPR)

                                                                               红外温度结果

保护方法：

• 判断电流情况

• 确定恶化原因

• 量化恶化速度

• 预估未来情况（使命寿命模型）

• 确认可行的保护方案选项（改变未来恶化轨线和使命寿命）

• 选择成本低效果好的方案（LCCA）

使用寿命：

• 对现有结构未来情况的判断很重要

• 优秀的资产管理计划工具

• 有助于整理广泛的保护系统（过去，现在和未来）

• 新建工程的重要工具

• 促进行业创新

预测未来恶化情况：

未来恶化情况取决于： 

• 混凝土质量（减缓氯离子渗透的有效性、ASR、抗冻融、固结、水灰比、水泥基添加剂等）

• 覆盖层厚度（氯离子需要移动多远到达钢筋）

• 通过混凝土深度介绍氯离子情况

• 现有混凝土破坏(钢筋现有破坏模拟未来破坏)

二、案例研究

1. 常规混凝土桥梁--弗吉尼亚州（VA)

   
   

   2807-亚历山大

   
   

   

   
   

   1)问题

   （1）弗吉尼亚维多利亚市I-395公路2807&2834桥梁发生持续腐蚀
   

   （2）腐蚀造成混凝土破坏和钢筋横截面损失

   （3）要求增加使用寿命50年

   （4）是否可以达到要求？

   
   

   2)方案

   法赫公司完成了下面的检测，对面板和底部构造的情况进行了判断，并计算了剩余使用寿命：

   -板面损伤/脱层调查

   -覆盖层调查

   -冲击回波

   -氯化物分析

   -碳化、ASR和冻融测试

   -使用寿命分析和生命周期成本分析

   
   

   3)具体情况

   A：2807桥面情况

   （1）桥面情况讨论

   
   

   

   
   

   （2）2807桥面板损伤调查

   
   

   

   
   

   --根据观察，损伤比例为5.4%

   
   

--应用冲击回波（IE）确定覆盖层或钢筋处脱粘

--取芯—IC位置取芯确认IEJ结果

--录入使用寿命分析，预测未来恶化

（3）2807-冲击回波(IE)

(4)覆盖层调查结果

（5）桥面板氯离子含量

--钻取了多个直径为3’’的混凝土芯来判断扩散系数和计算未来恶化

--覆盖层的氯离子含量比底部构造高

--钢筋同一深度的混凝土氯离子浓度超过面板取芯临界值1-11（9.1%）

（6）岩相分析

--水灰比范围0.40-0.45（此阶段面板混凝土标准）

--岩相分析结果显示混凝土抗冻融

--ASR结果显示应用腐蚀缓解技术，如电化学除  氯ECE，电化学阴极保护GCP 和外加电流阴极保护ICCP时无副作用

（7）2807面板使用寿命预估

顶部面板混凝土破坏推测

B:2807-底部构造

（1）底部构造讨论

根据可见的破坏，法赫公司对2个桥墩，1个桥台进行了深度检测。

（2）使用寿命预估-开口接头

墩帽混凝土破坏预测（开口接头）

（3）使用寿命成本周期估算

最低使用寿命周期成本维修方案

（4）初始费用 –使用寿命周期成本

（5）修补方案破坏预测

                                                 修补方案破坏预测（顶部面板）

                                                         修补方案破坏预测（墩帽）

                                                      修补方案破坏预测（桥台）

（6）法赫公司建议

2.VDOT-11座桥梁

（1）情况简介

（2）建议：

--根据独一无二的方法，我们提出了修补/更换/使用时间延长的建议

--修补所有桥梁的混凝土

--应用ECE，降低一些桥梁的氯离子浓度

--其余桥梁应用牺牲阴极保护

--大范围应用锌涂层，操作简单

（3）11座桥的养护

3.预应力混凝土梁桥-新泽西州收费公路管理局NJTA

（1）问题

                                          P/S梁桥—接缝渗漏

                                                                                                    P/S梁锈蚀破坏

（3）评估

（4）建议

--修补破坏的原有混凝土

--无氯离子污染的梁端应用防水涂层

--氯离子污染的梁端应用GCP

•  GCP系统可阻止钢筋锈蚀，即使出现氯离子

•  在混凝土修补的同时安装GCP可减少未来腐蚀，延缓未来修补时间

  
  

                                                                         P/S梁端腐蚀保护

                                                 保护活动（GCP)

(5)结论

--解决结构问题的核心：方法正确，时间及时。

--制定修补或养护活动有必要量化结构的恶化，而非简单的发现问题。

--如果不解决恶化问题，维修费用会很高。

--恶化与癌症类似，通常比较隐蔽。

--合理的综合应用NDT/数据/使用寿命相关工具，有助于正确判断问题。

--正确的判断有助于制定有效的保护/修补方案。

--养护有利于环境和下一代。

--设计阶段可制定腐蚀保护计划，确认养护方案能达到设计的使用寿命。

4.覆盖层老化

（1）问题

--覆盖层大面积出现剥落和层裂

--层裂范围随时间扩大

--相当一部分覆盖层发现可见裂缝

--层裂修补成变得本非常高

--无法确认剥落原因

--养护有利于环境和下一代

--设计阶段可制定腐蚀保护计划，确认养护方案能达到设计的使用寿命

（2）无损检测（NDT)

                                                                                    高速公路速度的GPR探测

                                                                                              冲击回波（IE)

(3)建议

--覆盖层会持续发生脱粘

--法赫建议清除并更换覆盖层

5. 出现ASR问题（&锈蚀）的NJTA结构

（1）ASR结构

（2）检测区域 

检测区域发现脱层和ASR取芯。

未进行腐蚀评估和使用寿命评估。

（3）剥落调查

（4）岩相分析

         细小裂缝用ASR胶填充，距离表层6.25''

（5）结论

--中度到严重程度裂缝（ASR）

--东南墙体无剥落；东北墙体剥落占14%

--平均钢筋覆盖层厚度=2.82’’

--两个石油取芯都发现ASR开裂。墙体活性区位置较深（超过钢筋深度）

（6）建议

--发生严重ASR开裂的区域开槽探测洞，大小5’*5’*8’’

--如果结构8’’深度的位置出现问题，考虑更换

6. 结构120.6

(1)建议

如果探测洞发现墙体开裂深度有限，使用低碱水泥混凝土进行修补，如果需要，可采用锂处理

方案A：使用低碱水泥小块修补。密封所有表层

方案B：清除脱落的混凝土，然后进行锂处理，在所有表面应用6英寸的混凝土护套层

方案C：清除脱落的混凝土，然后进行锂处理，在所有表面应用含有激活电化学阳极的混凝土护套层，厚度6英寸

(2)外观情况

（3）剥落调查

（4）使用寿命模型

岩相取芯位置：桥台水径流区域和桥墩水径流区外侧

使用NCHRP 558模型预测未来腐蚀破坏

根据以下信息进行破坏预测：

-目前的混凝土破坏情况

-氯离子信息

-钢筋覆盖层

-钢筋类型（ECR vs. 无涂层）

(5)岩相分析

                      使用ASR 胶填充裂缝

        距离表层5英寸处使用ASR胶填充的裂缝 

（6）使用寿命模型

（7）南桥台

结论：

--整个桥台都发现裂缝，侧壁交流裂缝情况严重

--桥台混凝土剥落面积4.9%，平均钢筋覆盖层厚度=3.2’’

--5个取芯中有2个的氯离子含量高于临界值

--使用寿命=＞25年后达25%

--桥台ASR情况严重

--桥台冻融敏感性较低

建议：

--既然破坏大部分位于角落处，清除破坏的混凝土，并用低碱水泥进行小块修补

--应用防水涂层减少水分侵入

--如果发现横截面损失超过5%，在小块修补中应用电化学阳极

--如果需要可重复进行小块修补

（8）桥墩1

结论：

--整个桥墩都发现裂缝，特别是墩帽尾部

--桥台混凝土剥落面积10.7%，

--平均钢筋覆盖层厚度=2.0’’

--5个取芯中有3个的氯离子含量高于临界值

--使用寿命=＞11年后达25%（腐蚀比桥台更剧烈）

--ASR轻微，FTD较小

建议：

--由于发生了腐蚀破坏和氯离子污染，要求使用腐蚀缓解方法

--清除破坏的混凝土，并用低碱水泥进行小块修补

--桥墩应用热喷涂碱-锌-铟阳极

--应用防水涂层减少水分侵入

7.确认恶化的无损检测（NDT)工具

三、无损检测（NDT)

1.使用NDT确认隐藏问题，且可最小化检测时间，减少结构破坏。

主要的NDT工具：

--探地雷达(GPR)

--红外热成像法

--冲击回波

--超声厚度和探伤检测

--光学孔径仪

--超声显像术

--磁粉 

--染色渗透液

2.NDT工具展示

                                                                   红外热成像法--桥墩和墩基

                                                                                   GRP斜拉索

                                                                               IR-斜拉索

                                                             斜拉索缺陷处

                                             斜拉索钢束问题表格

                                                                              打开钢束

                                                                                      光学孔径仪

3.深度检查腐蚀速度测量

4.裸钢绞线腐蚀速率设定

5.雨水中裸钢束腐蚀速度

纠正措施：

--由于腐蚀活动基本可以忽略，无需采取措施

--继续保持声学钢丝断裂监测系统

--利用实验室测试，确认某个位置的钢丝断裂报告

--如果发现没有关联，终止声学金属丝断裂监测系统

6.斜拉索恶化轨迹

*上海法赫桥梁隧道养护工程技术有限公司和美国SCS腐蚀评估检测公司合作项目。