跨海大橋混凝土耐久性設計探討

張瑞雄

舟山市交通運輸局

跨海大橋混凝土耐久性設計探討

張瑞雄

舟山市交通運輸局

橋梁在人們的日常生活中有著十分重要的作用，可以方便人們的生活。跨海大橋在建造過程中具有著技術難度較大，海水腐蝕混凝土等等問題，為了保證跨海大橋的質量，基于此，本文分析了混凝土耐久性設計分析。

跨海大橋；混凝土；耐久性；

引言

跨海大橋工程規模巨大，其氣象、水文、地形、地質條件復雜，跨海大橋服役期受海水氯化物、炎熱、潮濕、海水流速等諸多因素影響。為保證大橋服役壽命達到100年，跨海大橋混凝土結構耐久性設計的研究非常必要。首次提出服役壽命100年是20世紀80年代丹麥大貝爾特海峽大橋長6.5km雙線橋，主跨長1624m的懸索橋，總長7km的公路橋。我國第一座跨外海橋梁的東海大橋、杭州灣跨海大橋、金塘大橋，廈漳跨海大橋的設計服役壽命均為100年。對耐久性主要破壞因素有：凍融破壞、堿骨料反應、硫酸鹽侵蝕、鋼筋銹蝕。跨海大橋一般處于地質條件復雜，惡劣環境中，海洋中大多混凝土結構部位所處的環境作用等級多為E～F級，即腐蝕非常嚴重或極端嚴重；加之海水鹽度高、溫差大、季節交替，對跨海大橋的耐久性都提出了嚴峻的挑戰。

1 、環境混凝土結構損壞機理

1.1 腐蝕原理

由于硬化后的水泥混凝土含有大量Ca(OH)2，部分溶解在混凝土孔隙中，形成飽和Ca(OH)2溶液，其pH值達12～13，水泥的高堿性可使其內部鋼筋表面產生一層致密鈍化膜，牢牢吸附于鋼筋表面，使鋼筋很難繼續進行陽極反應，即隔離鋼筋與Cl-、(OH)-等有害離子接觸。但在海水侵蝕環境，Cl-由混凝土表面逐漸滲入，隨著Cl-濃度增加，混凝土的堿性(pH值)就降低，當鋼筋表面處混凝土飽和溶液的pH降到11.5時，鈍化膜開始變得不穩定；當pH降到9.5以下時，鈍化膜消失，鋼筋開始腐蝕。鋼筋與Cl-反應生成易溶的FeCl2，FeCl2由鋼筋表面向混凝土孔隙液遷移，但FeCl2是不穩定體，與孔隙液中的游離O2-結合，分解成Fe(OH)2并釋放出Cl-、H+，Fe(OH)2沉積于鋼筋周圍，Cl-又回到鋼筋表面，帶出更多的Fe2+，如此循環，Cl-在鋼筋腐蝕過程中成為催化劑，加速了鋼筋銹蝕。鋼筋銹蝕的后，有效截面積減小，承載力降低。且銹蝕物體積是原體積2.5～3倍，在混凝土內產生膨脹力，使混凝土出現沿鋼筋的裂縫，降低了鋼筋與混凝土之間的粘接；進一步的發展會使混凝土沿鋼筋表面出現片狀的剝落，鋼筋與混凝土粘接失效，鋼筋作用消失。

1.2 腐蝕條件

由鋼筋混凝土構件損壞機理可以看出，Cl-對鋼筋混凝土構件的損害有三個先決條件：一是Cl-濃度要達到一定值，小于這一濃度的Cl-對鋼筋混凝土構件沒有影響；如離海平面一定高度處，大氣中Cl-濃度較低，滲入混凝土內速度緩慢，Cl-到達鋼筋表面且其濃度達到使鋼筋銹蝕的時間超過了構件壽命。二是要有氧氣滲入混凝土內置換FeCl2中的Fe2+形成鐵銹，如果混凝土表面封閉，沒有氧氣滲入，鋼筋也不會生銹；如在水下或長期濕潤的混凝土因氧氣交換少，混凝土中的鋼筋銹蝕也不嚴重。三是鋼筋是能被腐蝕的材料，試驗證明Cl-含量對素混凝土性能影響不大，而是Cl-引起混凝土中鋼筋銹蝕導致構件破壞；如果將鋼筋改為耐Cl-腐蝕材料，則構件不會出現Cl-侵蝕破壞。

2 、跨海大橋混凝土耐久性設計措施

2.1 混凝土原材料要求

水泥：選用Ⅱ型硅酸鹽水泥，比表面積為300～350m2/kg，C3 A含量為6%～10%，堿含量低于0.6%，使用時溫度低于60℃。粉煤灰：選用Ⅰ級或Ⅱ級低鈣粉煤灰，需水量比小于100%。礦粉：比表面積為400～450m2/kg，28d活性指數大于95%，考慮早期水化放熱的影響適當降低了7d活性指數要求。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%。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%。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1h坍落度損失小于初始值的10%，泌水率比不大于60%，28d收縮率比不大于100%。

2.2 混凝土配制要求

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160kg/m3，水膠比范圍宜在0.30～0.38。

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

2.3 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：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；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；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。保護層厚度保護層厚度指標以保護內部不受腐蝕為原則，為控制混凝土保護層厚度和施工質量，工程建議采用統一預制的海工細石混凝土墊塊，抗腐蝕能力和抗壓強度不得低于構件本體混凝土。澆筑混凝土前，鋼筋安裝時保護層厚度的允許偏差嚴格按照設計要求執行，保護層內不得有綁扎鋼筋的鐵絲伸入。澆筑混凝土前，檢查保護層墊塊的位置、數量及其緊固程度，提高保護層厚度尺寸的施工質量保證率；檢查模板、鋼筋、預埋件和預留孔的尺寸、規格、數量和位置，其偏差符合現行行業標準的有關規定；檢查模板支撐的穩定性和接縫的密合情況等。現場混凝土保護層的實際厚度宜采用非破損檢測確定。

2.4 裂縫控制措施

跨海大橋工程避免采用斜面結構，大傾斜面結構在施工中混凝土不易密實，氣泡不易排除，外觀質量控制難度大；同時，此類結構易出現45°剪切縫。承臺、塔座大體積混凝土強度按56d評定，承臺、塔座大體積混凝土處于浪濺區、控制裂縫要求嚴格，且加荷載時間晚，具備較長齡期評定的條件。較長齡期評定可以充分發揮摻合料后期強度，有利于降低該類混凝土結構的膠凝材料總量，對降低混凝土水化熱、控制開裂具有重要意義。

2.5 混凝土養護

混凝土澆筑后定時監測混凝土內部溫度變化、環境溫度、相對濕度及風速等參數，以便根據環境參數變化及時調整養護工藝。對暴露于大氣中的新澆混凝土表面及時進行保溫、養護，養護水不能用海水。承臺混凝土上表面盡可能采用蓄水養護，立面混凝土拆模宜使用自動噴霧系統，也可采取拆模后噴水、涂養護劑、外表面緊貼包裹塑料布的保濕措施。為控制溫度裂縫，保證混凝土表面的接觸物與混凝土表面溫度之差不大于15℃。當相對濕度小、風速大、陽光強烈時，混凝土澆筑后上表面用塑料薄膜覆蓋，防止水分蒸發，待抹面時卷起薄膜并再次覆蓋，至終凝后撤除薄膜并進行保濕或蓄水養護。相鄰布應至少重疊150mm，使整個混凝土表面形成完全防水覆蓋。新澆結構物易與流動水接觸時，采取防水措施，保證混凝土在澆筑后7d之內不受水的沖刷。對于浪濺區以下的新澆混凝土，保證混凝土在10d內，且強度達到設計等級值的70%以前，不受海水的侵襲。混凝土的拆模時間除考慮強度外，還應考慮混凝土的內外溫差，避免其接觸空氣時降溫過快而開裂。大體積混凝土拆模時間冬季不宜少于10天，夏季不宜少于7天。為避免溫度裂縫，拆模時混凝土表面點與內部最高溫度之差應小于20℃，拆除模板的混凝土表面應加強保溫、保濕養護。

3 、結語

要滿足跨海大橋耐久性要求，其前期的環境調查尤為重要，特別是主橋、引橋的地質水文、海水成分、腐蝕介質等環境條件；掌握國內外跨海大橋耐久性設計方式，清楚不同方法的優劣；結合項目的具體特點，采用海工高性能混凝土和適當增加混凝土保護層厚度的基本防腐措施，同時針對不同的結構部位增加相應的防腐附加措施，硅烷浸漬、外加電流陰極保護、不銹鋼鋼筋網片、透水模板布等措施。確定對處于腐蝕環境相對惡劣的混凝土結構，使其跨海大橋達到100年的服役壽命。

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