跨海橋梁混凝土耐久性初探

劉 賀

（舟山市大陸連島工程指揮部，浙江舟山316000）

0 前言

混凝土（包括鋼筋混凝土和預應力混凝土）結構作為永久性建筑，是以水泥的水化物（主要是水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣）為粘結劑并結合一定集配的骨料如砂、碎石或其他惰性材料和鋼筋制成的一種復合物。其中水泥水解過程中生成高堿性的氫氧化鈣，pH值可達12.5～13.5，能使鋼鐵表面形成具有鈍化作用的鈍化膜。混凝土的這種高堿性在相當長的時間內能很好地保護這種鈍化膜，防止鋼鐵發生腐蝕，因而混凝土是橋梁結構物非常重要的結構材料。但隨著使用年限的不斷增加，混凝土結構的腐蝕問題和耐久性問題也隨之逐漸暴露了出來。

1 跨海橋梁面臨的混凝土耐久性問題

1966～1980年（前南斯拉夫時期）在克羅地亞的亞得里亞海沿岸修建了4座大型混凝土拱橋，即：1966年完成的跨度246 m的西本尼克（Sibennik）橋，1968年完成的跨度193 m的派格（Pag）橋，1978年完成的跨度244 m的克爾克2號橋（Krk 2 Arch）和1979年完成的跨度390 m的克爾克1號橋（Krk 1 Arch）（見圖1）。其中克爾克1號橋因為創當時世界的跨度記錄而備受世界各國關注。這4座橋都采用了三室箱形截面拱肋，較纖細的拱上支墩和預制預應力混凝土梁的拱上結構，其設計與施工均按照20世紀60年代的規范進行，所有結構構件都采用了力學上所容許的最小尺寸，并且在設計中忽略了環境的腐蝕作用。但以上各橋都處于多發強風的濱海地區，海浪微沫被大風帶到橋梁構件的表面，海水中的鹽分沉積下來，滲入橋體，導致混凝土內氯化物含量過高，鋼筋發生腐蝕。在1988年對混凝土拱進行的詳細檢查中發現，由于鋼筋腐蝕導致近拱腳處的嚴重裂縫和約10%暴露表面的混凝土保護層的剝離，在荷載試驗時拱的撓度比通車前同樣荷載下的撓度增大了25%，而拱上結構的劣化情況更甚于拱肋，已經出現嚴重的功能困難。為此，對拱橋進行了全面修復，上部結構甚至采用了鋼結構來替換原有的混凝土結構。修復工作在1999年才全面完成。

日本在20世紀70年代在山形縣溫海地區沿海25 km范圍內修建了15座混凝土橋梁（其中PC橋12座，RC橋3座），這些橋大部分建在海岸巖礁地帶，大風將海水飛沫吹到橋上，海水中的鹽分侵入梁體，引起腐蝕。根據對這些橋梁的調查，橋梁病害逐年發展的情況可歸納如下：

（1）橋梁建成后5～10 a，鹽分侵入梁的表面，鋼筋開始銹蝕，在保護層薄的地方，有銹水滲出。由于鐵銹體積膨脹，沿鋼筋裂縫表面化，又由于裂縫的發生，使鹽分更易侵入；

（2）橋梁建成10～15 a，鹽害繼續發展，裂縫繼續擴大，混凝土開始部分剝離，以至剝落，鹽害進一步深入和擴大，開始危及預應力管道和預應力筋；

（3）橋梁建成后15 a以上，由于裂縫逐漸擴大，混凝土逐漸剝落，鹽分深入梁體內部，嚴重時甚至損傷到預應力筋。

根據調查結果，按照“鹽害對策指南”，對這些橋梁的病害進行了修理，其中損傷輕微的采取涂層封閉，嚴重的則進行補強。但修理過后，各橋的鹽害仍在逐年發展，導致每年仍需觀測調查，據此制定進一步修補的計劃。這說明出現耐久性問題以后，及時局部修補質量良好，但也難以阻止其鄰近部分腐蝕的繼續發展。

我國混凝土的腐蝕情況也不容樂觀。據調查資料表明，我國大多數混凝土橋都達不到設計壽命。據鐵道部2000年橋隧抽檢匯總資料統計，全部混凝土梁有較嚴重裂損等病害的共計6 529孔，占混凝土梁總數的5.67%。我國臺灣的澎湖大橋為一座跨海大橋，在使用7 a后即發現鋼筋銹蝕和裂縫，使用17 a后，由于腐蝕破壞嚴重，承載力大幅下降，被迫拆除重建。橋梁混凝土的耐久性問題，已經成為制約我國橋梁正常使用的瓶頸問題。

2 混凝土耐久性問題的成因與機理

2.1 混凝土對鋼筋的保護機理

混凝土由于水泥水化，產生了大量的堿性產物，加上水泥中少量的K2O，Na2O，所以pH值可高達12.5～13.5。鋼筋處于該環境中，表面能形成200～1 000 μm厚的水氧化物，組成致密、穩定的鈍化膜層，有效保護了混凝土中的鋼筋不被銹蝕。當混凝土中的堿性水化物被溶析，或因碳化降低了混凝土的堿度，鋼筋就容易受到侵蝕，當混凝土的pH值小于11.8時，鋼筋表面的鈍化層已不穩定，逐漸開始破壞。

2.2 混凝土中鋼筋的腐蝕條件

鋼筋的銹蝕一般為電化學腐蝕，發生電化學銹蝕必須同時具備以下三個條件：

（1）在鋼筋表面形成電位差；

（2）在陰極部位鋼筋表面存在足夠的氧氣和水；

（3）在陽極區，使陽極部位的鋼筋表面處于活化狀態，即鋼筋表面的鈍化膜遭到破壞。

鋼筋銹蝕的電極反應式為：

陽極 Fe→Fe2++2e

陰極 O2+2H2O+4e→4OH-

陽極表面的二次化學過程為：

氫氧化亞鐵可進一步氧化生成氫氧化鐵：

在氧氣和水汽的共同作用下，鋼筋表面不斷失去電子而溶于水，從而逐漸被銹蝕，在鋼筋表面生成紅銹。

2.3 造成混凝土結構破壞的主要因素

（1）混凝土的中性化(主要是碳化)

混凝土的中性化，是指混凝土中的堿性物質與酸性物質進行反應，造成混凝土的pH值降低。混凝土的碳化，是最主要的中性化作用形式，是指大氣中的CO2與混凝土中的Ca(OH)2起化學反應，生成中性的CaCO3。其結果就是使混凝土堿度降低，從而使鋼筋失去鈍化層的保護。

（2）氯離子的腐蝕

氯離子的半徑小，穿透能力強，能夠加速鋼筋腐蝕，對混凝土破壞主要表現在：a.氯離子進入混凝土并到達鋼筋表面，能破壞鋼筋表面的鈍化膜，使鋼筋發生局部腐蝕；b.氯離子吸附并破壞鋼筋的局部鈍化膜，露出鋼筋基體，暴露區與周圍鈍化膜形成電化學腐蝕。

（3）硫酸鹽的侵蝕

工業生產中排放出大量的SO2氣體，SO2和進一步氧化的SO3中和混凝土中的Ca(OH)2，使混凝土中性化和酸化，混凝土內的鋼筋喪失堿性保護而發生腐蝕。

（4）氧和水的作用

氧參與鋼筋腐蝕電化學過程的陰極反應，因而鋼筋的腐蝕速度受到水中溶解氧擴散過程的控制。水不僅可以加速混凝土的碳化，也為鋼筋的腐蝕提供了條件。

（5）其他的作用

影響混凝土耐久性的其他因素還包括凍融交替、干濕交替、微生物、堿-集料反應等。

2.4 鋼筋銹蝕后對結構的影響

混凝土中的鋼筋銹蝕后，體積膨脹，如果有足夠的水分，鐵銹的體積可達到鋼材體積的7倍，在缺水的環境下，也至少可以增大1.5～3倍。這樣大的體積增加，使混凝土保護層沿縱筋出現順筋開裂，而開裂又進一步加劇了鋼筋的銹蝕，如此形成惡性循環，嚴重時甚至造成混凝土保護層完全脫落，使鋼筋和混凝土之間失去粘結力，混凝土結構構件的受力性能亦隨之迅速下降。

3 改善耐久性的方法和措施

要從根本上改善混凝土的耐久性問題，應該從前期工作階段開始，就把耐久性當作一項重要的內容進行考慮，根據出現耐久性問題的原因與機理，提出切實可行的耐久性保證措施，并將這一部分的費用考慮在內，進行整體方案的選擇和最終的施工圖設計。對于跨海橋梁，目前尚未形成可參照的設計規范，可依賴的經驗也很少，因此各個地方根據當地情況（主要是經濟方面）采取的措施也相應比較盲目，要么就不采取外部防腐措施，要么就整座跨海大橋都進行防腐涂裝，結果要么就是隱患重重，要么就浪費嚴重。目前改善混凝土的耐久性可以通過采取基本措施和附加保護措施來實現。

3.1 基本措施

基本措施主要是通過設計與施工，最大限度地提高并保持混凝土本身的低滲透性，以限制環境侵蝕介質滲入混凝土，從而防止鋼筋銹蝕。目前，可采取以下幾方面的基本措施來保證防腐要求。

3.1.1 有效的防水措施

水是影響橋梁耐久性最重要的因素，處理時應注意以排為主，兼顧防水。

當在進行結構的選型和其后的細部設計時，應盡量限制混凝土表面、接縫和密封處積水，加強排水。橋面應作防水，設置合理的縱、橫向坡，要防止雨水順著梁外側的翼板、腹板或板梁梁邊、梁底漫流使梁受損，減少結構受潮和濺濕的表面積。在構造上應注意伸縮縫的積水問題，避免伸縮縫橡膠在長期浸水后的加速老化。

3.1.2 混凝土材料的選擇

以往的混凝土橋設計只注重其力學性能，以混凝土的強度為主要衡量指標，忽視耐久性參數的重要性，使工程結構耐久性有所欠缺。為此，在跨海橋梁設計中，應根據現場實際情況對混凝土各個參數提出具體要求，使混凝土具有良好的綜合性能，應注意以下幾方面：

（1）控制水泥用量，選用優質水泥。水泥用量過低，強度不易保證；用量過大則水化熱增大，易產生收縮裂縫，且會使含堿量增加，可能導致堿骨料病害。由于跨海橋梁一般跨度較大，對混凝土強度要求較高，因此水泥用量一般偏大，最好選用高強、低水化熱和低堿水泥。

（2）降低水灰比。較小的水灰比能夠減少混凝土的泌水量，提高其抗滲性和密實度，從而使耐久性也得到提高。可采用高效減水劑，以降低拌和水量。

（3）提高混凝土強度。理論上，混凝土強度越高，耐久性能也越好。但在工程中經常只通過加大水泥用量來提高強度，這對耐久性影響很大。可結合采用摻入各種外加劑、礦物摻合料相結合的措施，既提高強度，又不會影響耐久性。

（4）減少氯離子含量。可在混凝土中摻入粉煤灰、硅粉等抗腐蝕劑，其抗氯鹽侵蝕的耐久性會大大增加。此外，有些外加劑中可能含有氯離子，使用時應特別注意。

（5）降低堿含量。混凝土中的堿離子主要由水泥引入，控制組分堿的引入和摻入混合料(如粉煤灰和硅粉)能有效降低堿含量。表1為我國《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》(JTG D62-2004)對混凝土耐久性提出的基本要求。

（6）選用優質骨料。骨料堅硬、致密無疑有益于混凝土耐久性能的提高，公路橋涵施工技術規范對粗骨料飽和面干吸水率尚無要求，飽和面干吸水率過大將使混凝土的滲透性提高、收縮增大、抗凍性能降低，對普通混凝土可按水工規范不大于2.5%，對高性能混凝土宜不大于1%，以提高混凝土的密實性和抗侵蝕性。

高性能混凝土是按耐久性設計的具有高強度、高抗滲性和優良體積穩定性的混凝土。由于高性能混凝土具有很低的水膠比，致密的結構，很低的滲透性，因而能抵抗外部侵蝕物質侵入，實現高耐久的目的。因此，在跨海橋梁中使用高性能混凝土無疑會大大提高橋梁的使用壽命。

表1 結構混凝土耐久性的基本要求

3.1.3 增大保護層厚度

我國現行的公路橋涵施工技術規范中，板與梁的保護層最小厚度分別僅為2 cm和3 cm，并且若考慮鋼筋位置的施工誤差，實際的保護層厚度甚至可低至1.5 cm，這對長期處于海洋性環境中的跨海橋梁來說，很難達到防止鋼筋銹蝕的目的。前面所述的亞得里亞海沿岸的4座大型混凝土拱橋就是典型的例子。

表2為我國《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》(JTG D62-2004)對普通鋼筋和預應力直線形鋼筋的最小混凝土保護層厚度 (鋼筋外緣或管道外緣至混凝土表面的距離)的規定。

表2 普通鋼筋和預應力直線形鋼筋最小混凝土保護層厚度(單位：mm)

表3為世界各國對海水環境中混凝土結構保護層厚度對水灰比的建議。

表3 各國對海水環境中混凝土結構保護層厚度的建議

可見，我國《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》中采用的保護層最小厚度下限值明顯低于發達國家的規范要求。因此對處于侵蝕性環境下的跨海橋梁，為保證其耐久性，在設計時必須適當增大保護層的厚度。對于新建的跨海橋梁，混凝土保護層厚度（表2中的1，2兩項）應在65 mm以上。

3.2 附加保護措施

混凝土的耐久性問題歸根結底在于鋼筋的銹蝕，因此附加保護措施主要是對于鋼筋腐蝕進行防護。主要從兩方面著手：一是阻止或延緩侵蝕源的破壞作用；二是通過提高鋼筋的防腐性能，或通過電化學方法提高鋼筋的抗腐蝕能力。

3.2.1 改良混凝土保護層

在工程設計中，減輕結構自重是設計人員追求的目標之一，他們不愿意增大保護層厚度，因為增加了結構自重，對結構的受力又沒有絲毫的幫助。此時，采用某些方法來改良混凝土保護層是不錯的選擇。通常采用抗滲防水混凝土、聚合物混凝土或者摻入鋼筋阻銹劑以對鋼筋進行防護。在混凝土拌和物中直接摻入鋼筋阻銹劑，在鋼筋表面形成保護膜來抑制電化學反應。

3.2.2 混凝土表面防腐涂層

混凝土表面防腐涂層(大多采用環氧類涂料)近年來在各國的橋梁工程上獲得普遍使用，它能使混凝土的使用壽命延長15～30 a，大大減少了混凝土的維護費用。其原理在于在混凝土基底的表面上涂覆涂料，待涂料中的溶劑或水分揮發后，各組分之間通過化學反應，在基底表面形成一層具有一定彈性的防水、防潮、防滲的連續薄膜。因該涂料可形成重量輕、無接縫的完整防水膜，故特別適用于混凝土結構中形狀不規則的復雜表面。

混凝土表面涂層按作用機理分為封閉型和隔離型。工程應用時往往將封閉和隔離作用聯合起來使用，其防護效果會更好。

3.2.3 鋼筋防腐涂層

對混凝土中的鋼筋采用防腐涂層，這是直接針對鋼筋的防腐措施。但是混凝土中的鋼筋防腐涂層要考慮與鋼筋的粘結力的因素，目前國外使用較多的是環氧樹脂涂層和聚乙烯縮丁醛涂層。鋼筋涂覆層防腐的價格較高，且在施工時很難保證鋼筋不受機械損傷，在鋼筋涂覆膜遺漏處或涂覆不好的地方，將留下巨大的隱患。而且鋼筋涂層對日后鋼筋腐蝕情況的無損檢測和腐蝕控制也帶來了一定的困難。

3.2.4 電化學防腐技術

由于混凝土中的鋼筋腐蝕都是電化學腐蝕，因此可通過電化學的方式來延緩或制止鋼筋的腐蝕。目前電化學保護技術中應用較多的是陰極保護技術，即鋼筋整體成為陰極而被保護。由于電化學反應需要水作為介質，因此陰極保護對水下區和潮差區的結構物保護效果較好，但對大氣區的保護效果較差。

3.3 判定方法

隨著我國跨海橋梁建設的進一步發展，一種根據現場情況對不同區域區別對待的方法將起到重要的作用。這一方法的基本原則為：針對不同的結構構件、不同的設計要求、不同的腐蝕環境，制訂不同的基本措施；對基本措施不能完全保證結構施工壽命的部位，采取必要的附加保護措施。這一方法將在保證橋梁能達到正常使用壽命的前提下，最大限度地減少為此而付出的代價。由于混凝土的耐久性問題主要體現為鋼筋銹蝕，為簡化分析，假設混凝土完全碳化后，鋼筋發生銹蝕，因此這一方法的主要基礎在于混凝土的碳化模型。

希臘學者Papadakis的理論碳化模型，通過對混凝土中氣態CO2、固態和溶解態Ca(OH)2、水化硅酸鈣(CSH)和未水化硅酸鹽化合物建立質量平衡方程，描述了碳化過程中發生的物理擴散和化學反應。在水泥中的活性成分已完全水化，環境濕度相對穩定的條件下，該模型可進一步簡化為：

式（1）～（3）中：De——CO2在混凝土中的擴散系數,m2/s；

KCH、KCSH——Ca(OH)2和CSH的碳化反應常數；

x、t——混凝土內某點距表面的距離(m)和碳化時間(s)。

De可表示為：

式（4）中:w/c——混凝土水灰比；

RH——環境相對濕度，%。

在前期研究中，對跨海橋梁不同區段的現場情況分別進行測量，根據不同的結構構件、不同的設計要求、不同的腐蝕環境，制訂不同的基本措施，代入上面的式(1)～(4)中，可以計算出在使用多少年后，鋼筋的凈保護層完全碳化，此時鋼筋開始銹蝕。倘若該年限大于設計年限，則不需要采用附加保護措施；假如該年限小于設計年限，則需要根據實際情況，采取必要的附加保護措施。

4 結語

改革開放以后，我國的橋梁建設事業取得了巨大的發展，每年投入運營的橋梁數以千計，但耐久性問題卻一直都沒有得到重視。可以預見，未來的幾十年，我們將迎來橋梁檢測、加固的高峰。這一問題，現在已經得到了眾多學者和技術人員的重視。隨著港口、海洋資源的開發利用，橋梁建設技術的成熟，跨海橋梁將在我國展開橋梁建設的新篇章。考慮跨海橋梁的混凝土耐久性問題，不僅僅可以提高橋梁建設水平，也可以減少不必要的開支，具有巨大的經濟效益和社會效益。

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