泉州灣跨海大橋海工混凝土耐久性解決方案

泉州灣跨海大橋海工混凝土耐久性解決方案

顏明煌，周清長，劉以慶

(泉州灣跨海大橋有限責任公司,泉州 362100)

摘要：分析了泉州灣跨海大橋混凝土結構所處的腐蝕環境特點，提出了橋梁海工混凝土耐久性解決方案。研究表明，采用低滲透高抗裂海工混凝土，提出合理的混凝土保護層最小厚度、裂縫寬度允許值，同時根據不同混凝土結構采取必要的附加防腐蝕措施，加強施工過程中混凝土質量、保護層厚度以及裂縫控制等系列措施確保橋梁混凝土的耐久性。

關鍵詞：泉州灣跨海大橋；海工混凝土；耐久性設計；耐久性措施

doi:10.3963/j.issn.1674-6066.2015.04.005

Abstract:This paper analyzed the environmental corrosion characteristics of Quanzhou Bay Bridge concrete structure and proposed solutions of the durability of bridge marine concrete. Results show that using low permeability and highly crack-resistant marine concrete, presenting proper minimum thickness of concrete cover and allowable crack width and adopting necessary additional corrosion protecting measures can improve the durability of concrete effectively. Meanwhile, strengthening the regulatory measures of the quality of concrete,thickness of concrete cover and crack prevention can ensure the durability of bridge concrete.

收稿日期：2015-06-10.

作者簡介：顏明煌(1981-)，高級工程師.E-mail:10662420@qq.com

Research of Durability Design and Life Prediction for

the Quanzhou Bay Bridge Marine Concrete Structure

YANMing-huang，ZHOUQing-chang，LIUYi-qing

(Quanzhou Bay Bridge Co,Ltd,Quanzhou 362100,China)

Key words:Quanzhou Bay Bridge;marine concrete;durability design;durability measure

隨著多座跨海大橋的修建，我國在海洋環境下橋梁混凝土的耐久性方面積累了一定的經驗，形成了相應的技術體系[1-3]。但海洋環境下混凝土耐久性十分復雜、耐久性影響因素眾多，同時，隨著海水腐蝕介質濃度、潮位變化、氣溫等的不同，影響程度差異較大。因此，針對特定海洋環境下混凝土的耐久性解決方案需專門開展研究。

泉州灣跨海大橋工程路線全長26.676 km，其中跨海橋梁部分約12.455 km，工程結構材料主要采用鋼筋混凝土，設計使用壽命為100年。跨海橋梁位于海洋環境，具有以下幾個方面的特點：1)鹽濃度高。海水中Cl-含量最高達23.60 g/L；2)氣溫高。建設地屬亞熱帶海洋性季風氣候，氣溫高，腐蝕介質滲透速率快；3)海水流速大。

針對以上特點，研究依托泉州灣跨海大橋工程開展混凝土耐久性設計。根據水文地質和腐蝕介質濃度資料劃分腐蝕環境及作用等級，從混凝土材料、混凝土保護層最小厚度選取、裂縫寬度允許值、附加防腐蝕措施以及施工控制要求等環節提出詳細方案，確保橋梁混凝土結構耐久性設計使用年限要求。

1工程腐蝕環境分析

泉州灣跨海大橋橋址區海水水質分析結果如表1所示。由表可知，混凝土結構可能發生的劣化因素包括：氯鹽引起混凝土內部鋼筋的銹蝕、海水中鹽類對混凝土的化學腐蝕、碳化引起混凝土內部鋼筋的銹蝕三個方面，其中氯鹽引起的鋼筋銹蝕為耐久性的主要影響因素。

表1　海水水質分析測試結果 [4]

2耐久性設計

2.1　耐久性設計總體思路

該耐久性方案以耐久性基本措施與附加防腐蝕措施相結合。耐久性基本采用低滲透高抗裂海工混凝土，充分發揮海工混凝土自身的防腐性能；附加防腐蝕措施在菲克模型計算的基礎上，根據腐蝕環境特點、各類附加防腐措施的適用范圍，有針對性的進行組合使用。

2.2　環境作用等級劃分

橋梁混凝土結構為無掩護條件的海水環境，根據水文資料與地質勘察數據，采用《海港工程混凝土結構防腐蝕技術規范》將環境劃分為大氣區、浪濺區、水位變動區及水下區，見表2。同時，依據《公路工程混凝土結構防腐蝕技術規范》進行環境作用等級劃分，見表3。

表2　環境分區結果

表3　環境作用等級劃分

2.3　構造設計和裂縫控制

根據不同結構所處的環境作用等級，參考《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》和《公路工程混凝土結構防腐蝕技術規范》的要求，提出了混凝土最小保護層厚度(表4)和混凝土表面裂縫表面裂縫寬度允許值(表5)，當同一構件處于不同環境作用等級時，相關要求按照最嚴重的環境作用等級考慮；混凝土最小保護層厚度設計時樁基、承臺和索塔結構適當增大了保護層厚度；混凝土表面裂縫寬度允許值基于混凝土耐久性要求選取，關于結構設計對裂縫寬度的限值應滿足設計文件和現行結構設計規范的要求。

表4　混凝土保護層厚度控制指標

注：鋼筋凈保護層最小保護層厚度為外側鋼筋(包括主筋、箍筋和分布筋)外邊緣至混凝土表面的距離，不包括施工允差。

表5　混凝土表面裂縫寬度允許值

2.4　混凝土技術性能要求

混凝土強度等級及抗滲性能要求見表6。混凝土強度等級參考《公路工程混凝土結構防腐蝕技術規范》和類似的跨海橋梁工程選取。承臺和墩結構在混凝土抗滲透性能滿足要求的情況，考慮裂縫控制的要求，適當降低了混凝土強度等級。混凝土氯離子擴散系數根據類似的跨海橋梁工程選取，測試方法選用了《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》中更為嚴格的RCM方法，有利于抗滲性能的控制。

表6　混凝土強度等級及抗滲性能要求

3附加防腐蝕措施

根據類似工程經驗表明，低滲透高抗裂混凝土可成為海洋環境下混凝土耐久性的重要防線，但腐蝕環境作用等級嚴酷的結構還需采取必要的附加防腐蝕措施才能確保混凝土耐久性[5,6]。附加防腐蝕措施在菲克模型驗算的基礎上，選用了不銹鋼鋼筋防裂網片、涂覆硅烷、鋼筋阻銹劑、外加電流陰極保護和透水模板布等措施。具體附加防腐蝕方案見表7。

表7　泉州灣跨海大橋混凝土結構附加防腐蝕措施

注：涂覆硅烷設計使用年限為15年，外加電流陰極保護設計使用年限為50年。

4施工技術要求

為實現耐久性的要求，從混凝土原材料、配制要求、保護層厚度控制和裂縫控制制定了詳細的規定。

4.1　混凝土原材料要求

1)水泥：選用Ⅱ型硅酸鹽水泥，比表面積為300~350 m2/kg，C3A含量為6%~10%，堿含量低于0.6%，使用時溫度低于60 ℃。

2)粉煤灰：選用Ⅰ級或Ⅱ級低鈣粉煤灰，需水量比小于100%。

3)礦粉：比表面積為400~450 m2/kg，28 d活性指數大于95%，考慮早期水化放熱的影響適當降低了7 d活性指數要求。

4)粗集料：選用兩級配碎石，含泥量小于0.8%(C50及以上小于0.5%)，針片狀小于10%(C50及以上小于7%)，壓碎值小于20%。

5)細集料：選用Ⅱ級配區中砂，細度模數控制在2.6~2.9，含泥量應低于2.0%，泥塊含量應低于0.5%，水溶性氯化物含量低于0.02%。

6)減水劑：選用聚羧酸類高性能減水劑，減水率應不低于25%，混凝土1 h坍落度損失小于初始值的10%，泌水率比不大于60%，28 d收縮率比不大于100%。

4.2　混凝土配制要求

1)應控制混凝土的單方用水量、最大水膠比和膠凝材料用量，混凝土用水量應小于160 kg/m3，水膠比范圍宜在0.30～0.38。

2)采用大摻量礦物摻合料配制海工混凝土是常用的技術手段，可提高混凝土的密實性，降低開裂敏感性。礦物摻合料復合摻入比例應根據橋梁不同結構部位合理選取。一般開裂性能要求較高的結構部位可增大粉煤灰摻量，對抗氯離子滲透性能要求較高的可適當增大磨細礦粉摻量。

3)限制大體積混凝土強度發展要求。大體積混凝土24 h抗壓強度不大于12 MPa，對抗裂要求較高的結構(如浪濺區承臺)，宜分別不高于10 MPa；對于有預應力張拉要求的結構，此要求可適當放寬。

4.3　保護層厚度控制

混凝土保護層作為阻止有害物質侵入的有效屏障，其質量的優劣直接影響對鋼筋的保護作用，是保證結構使用壽命的關鍵，保護層厚度控制措施如下：

1)使用統一預制的水泥基保護層定位塊，其中樁基為輪型，其他結構為梅花型。墊塊強度、抗滲透性能不劣于結構混凝土，外觀顏色與結構混凝土相同，數量不小于4個/m2；

2)混凝土澆筑前認真檢查保護層定位塊的數量、位置及其緊固程度，并指定專人作重復性檢查以提高保護層厚度尺寸的施工質量保證率；

3)保證模板的強度、剛度及安裝精度，防止混凝土澆筑過程中的變形。

4.4　裂縫控制措施

1)承臺、塔座等大體積混凝土采用56 d強度評定；

2)大體積混凝土施工時，應根據現場工況進行混凝土溫度、應力計算，制定相應的溫控標準和溫控措施。混凝土夏季最高澆筑溫度不得超過30 ℃，混凝土內部最高溫度不得超過75 ℃；

3)加強澆筑溫度控制。夏季使用低溫水拌和混凝土，如使用制冷水或在水中加碎冰等措施；

4)采用通循環冷卻水降低混凝土內部最高溫度；

5)加強拆模后混凝土的保溫保濕養護；拆模時混凝土內表溫差應小于20 ℃，且不能在新拆模混凝土表面澆涼水，以免造成冷擊。

5實施效果

2015年5月，泉州灣大橋順利建成通車。現場施工過程中，混凝土外觀質量良好、未出現有害裂縫，保護層厚度合格率符合規范要求，現場留樣混凝土抗壓強度及氯離子擴散系數(表8)均滿足要求，且氯離子擴散系數遠低于設計值，表明混凝土抗滲性能良好。

表8　現場留樣混凝土試件氯離子擴散系數

6結語

根據跨海大橋混凝土耐久性影響關鍵因素，提出了依靠海工混凝土自身防腐性能，針對水位變動區和浪濺區腐蝕環境嚴酷的結構部位，采用不銹鋼鋼筋網片、涂覆硅烷、外加電流陰極保護和透水模板布等附加防腐蝕措施；同時從混凝土原材料、配合比、保護層厚度、裂縫控制等各方面提出具體施工技術方案，確保了橋梁海工混凝土的耐久性。

參考文獻

[1]牛荻濤. 混凝土結構的耐久性與壽命預測[M]. 科學出版社, 北京, 2003.

[2]屠柳青,秦明強,張國志. 金塘大橋混凝土結構防腐蝕技術現場應用研究[A].建設工程混凝土應用新技術[C],2009.

[3]金偉良,呂清芳,趙羽習,等.混凝土結構耐久性設計方法與壽命預測研究進展[J].建筑結構學報,2007.

[4]朱國軍, 趙之杰, 陳杰,等. 跨海大橋混凝土耐久性設計探討[J].混凝土世界,2012.

[5]趙尚傳,潘得強,宋國棟. 混凝土結構抗氯離子侵蝕試驗研究及耐久壽命預測[J]. 公路交通科技. 2004,21(4):12-15.

[6]李順凱,劉可心,秦明強,等. 基于現場耐久性檢測的承臺海工混凝土壽命預測[J]. 混凝土,2008,11:117-119.