鐵路跨海橋梁鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)

王神力

(中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 上海 200070)

1 引言

隨著鐵路建設(shè)的快速發(fā)展，跨海橋梁的建設(shè)也逐漸增多。然而，跨海橋梁的服役環(huán)境極其惡劣，除了需要承受橋梁上部的列車荷載，還需對(duì)抗惡劣海洋環(huán)境下，海水、海風(fēng)等因素對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的侵蝕[1]。在環(huán)境和荷載的作用下，沿海、跨海橋梁在設(shè)計(jì)年限內(nèi)出現(xiàn)了不同程度的混凝土保護(hù)層剝落、鋼筋銹蝕等病害問(wèn)題，其維修加固的難度極大，成本很高且效果差[2]。因此，在跨海橋梁的設(shè)計(jì)過(guò)程中，鋼筋混凝土的耐久性問(wèn)題成為需要重點(diǎn)研究的內(nèi)容。

2 腐蝕機(jī)理及影響因素

2.1 海洋環(huán)境的特點(diǎn)

海洋環(huán)境相較內(nèi)陸環(huán)境相比，不僅具有潮濕、雨水多等特點(diǎn)，海水中還含有大量的 Cl－、Mg＋、Na＋、等離子。這些離子活性強(qiáng)，導(dǎo)電性好，易與鋼筋及混凝土發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致鋼筋混凝土材料發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞，從而對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的安全產(chǎn)生威脅[3]。橋梁結(jié)構(gòu)不同位置所受的海洋環(huán)境的影響也是不一樣的，主要原因是由于海浪的沖擊力、鹽分及含氧量不同導(dǎo)致的，其中浪濺區(qū)和水位變動(dòng)區(qū)受腐蝕影響最大[4]，位于此部位的混凝土結(jié)構(gòu)使用壽命也常小于設(shè)計(jì)壽命[5]。

2.2 腐蝕機(jī)理

對(duì)于鋼筋或預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，鋼筋(束)與混凝土可協(xié)調(diào)變形，具有較好的粘結(jié)作用。新建混凝土材料孔隙中含大量Ca(OH)2飽和液，pH值在12.5～13.0左右，結(jié)構(gòu)內(nèi)部鋼筋在其高堿性環(huán)境形成一層致密的鈍化膜，其表面免受銹蝕。但在海水侵蝕環(huán)境，Cl－由混凝土表面逐漸滲入，伴隨著其他鹽分的物理或化學(xué)反應(yīng)，混凝土的pH值急劇降低，當(dāng)鋼筋表面處混凝土飽和溶液的pH降到9.5以下時(shí)，鈍化膜消失，鋼筋開(kāi)始腐蝕。銹蝕后鋼筋體積膨脹為之前的數(shù)倍，使得混凝土產(chǎn)生沿鋼筋方向的裂縫，嚴(yán)重情況導(dǎo)致混凝土保護(hù)層脫落。兩種反應(yīng)相互促進(jìn)，使得混凝土和鋼筋的整體性下降，進(jìn)一步導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的耐久性和承載能力降低。

2.3 影響因素

海域環(huán)境鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕的主要幾種類型分別為:Cl－遷移至混凝土內(nèi)部對(duì)鋼筋的電化學(xué)腐蝕，導(dǎo)致鋼筋銹蝕混凝土開(kāi)裂[6]；硫酸鹽在混凝土毛細(xì)孔內(nèi)產(chǎn)生膨脹內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度下降乃至破壞；鎂鹽與混凝土的組分發(fā)生離子交換反應(yīng)，破壞混凝土原有結(jié)構(gòu)[7]；環(huán)境中的酸性氣體、液體等與混凝土中的堿性物質(zhì)發(fā)生中和反應(yīng)，導(dǎo)致混凝土pH值下降鋼筋銹蝕；海域環(huán)境中動(dòng)、植物的代謝產(chǎn)物導(dǎo)致混凝土內(nèi)部的Cl－擴(kuò)散系數(shù)變大，鋼筋銹蝕加快[8]。

3 某鐵路跨海特大橋耐久性設(shè)計(jì)

3.1 工程概況

特大橋采用跨徑31.5 m預(yù)制有砟軌道預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支箱梁和跨徑47.5 m有砟軌道預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支箱梁(節(jié)段預(yù)制拼裝)做為標(biāo)準(zhǔn)跨度，橋梁總長(zhǎng)12.2 km。其中通航孔采用(95＋170＋95)m連續(xù)剛構(gòu)跨越。該段海域?yàn)榉殖憋@著，屬于非正規(guī)半日潮淺海海域，漲潮歷時(shí)少于落潮歷時(shí)，其漲落潮歷時(shí)差值可達(dá)2 h以上，是我國(guó)潮汐不等較顯著的海區(qū)之一。

3.2 自然環(huán)境

項(xiàng)目所在區(qū)域?qū)儆诘湫偷膩啛釒Ъ撅L(fēng)氣候區(qū)。氣候溫暖濕潤(rùn)，來(lái)自太平洋的季風(fēng)帶來(lái)豐沛的雨水，流域多年平均降水量一般在1 500～2 100 mm，區(qū)內(nèi)歷年平均氣溫17℃，歷年平均最高氣溫21.2℃，歷年平均最低氣溫13.8℃。終年無(wú)霜期240 d，年平均相對(duì)濕度80%左右。區(qū)內(nèi)年平均風(fēng)速2.5 m/s，最大風(fēng)速20～25 m/s，風(fēng)向呈季節(jié)性變化，夏季盛行東南風(fēng)，冬季盛行西北風(fēng)。

海水按鐵路相關(guān)地質(zhì)勘察規(guī)范及耐久性規(guī)范判定，硫酸鹽侵蝕等級(jí)為H3，鎂鹽侵蝕類型為H1，氯鹽作用等級(jí)L3。

3.3 環(huán)境類別和作用等級(jí)

橋址區(qū)設(shè)計(jì)高水位2.9 m，設(shè)計(jì)低水位－2.36 m，根據(jù)相關(guān)規(guī)范，海水環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)部位可按四類進(jìn)行劃分(見(jiàn)圖1)，分別為:大氣區(qū)、浪濺區(qū)、水位變動(dòng)區(qū)和水下區(qū)[9]。具體環(huán)境類別和作用等級(jí)如表1所示。

圖1 橋梁結(jié)構(gòu)環(huán)境類別示意

表1 環(huán)境類別和作用等級(jí)

3.4 橋梁耐久性設(shè)計(jì)原則

根據(jù)腐蝕機(jī)理和影響因素分析，想要提高海域環(huán)境橋梁的耐久性，必須從兩個(gè)方面進(jìn)行考慮。一方面是從建筑材料自身入手，提高其耐蝕能力；另一方面必須采取相應(yīng)的防護(hù)措施來(lái)保護(hù)建筑材料。基本思路是在確定耐久性的設(shè)計(jì)目標(biāo)下遵循“以防為主”的戰(zhàn)略方針，總體上采用基本措施、附加措施和輔助措施的有機(jī)結(jié)合進(jìn)行耐久性設(shè)計(jì)。

3.5 基本措施

3.5.1 高性能混凝土

研究表明，適當(dāng)?shù)募尤敕勖夯摇⒐杌摇p水劑等摻合料能有效提高混凝土的耐久性、穩(wěn)定性、密實(shí)性和抗?jié)B性指標(biāo)。高性能混凝土能有效抑制氯離子擴(kuò)散，從而達(dá)到提高海洋環(huán)境橋梁耐久性的目的[10]。橋梁各結(jié)構(gòu)部位氯離子擴(kuò)散系數(shù)及混凝土抗壓強(qiáng)度指標(biāo)如表2所示。

表2 混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)和抗壓強(qiáng)度

3.5.2 混凝土最小保護(hù)層厚度和裂縫寬度

混凝土保護(hù)層厚度是Cl－遷移至鋼筋表面所需的距離。增加保護(hù)層厚度可以抵抗鋼筋銹蝕后產(chǎn)生的脹裂力。但保護(hù)層過(guò)厚也會(huì)導(dǎo)致其在硬化的過(guò)程中得不到鋼筋的約束，不利于裂縫的控制。裂縫是海洋環(huán)境有害介質(zhì)侵入混凝土的通道，裂縫寬度越大，有害介質(zhì)越容易侵入。試驗(yàn)室和海洋中暴露試驗(yàn)證實(shí)，只要橫向裂縫寬度不是太大(不大于0.3 mm)，對(duì)碳化引起的鋼筋腐蝕沒(méi)有大的影響，而沿著鋼筋發(fā)生的順筋縱向裂縫則相反，它能使水、氧等參與腐蝕反應(yīng)的物質(zhì)長(zhǎng)驅(qū)直入，會(huì)極大地加快鋼筋腐蝕的速度[11]。依據(jù)相關(guān)既有工程的經(jīng)驗(yàn)和規(guī)范，橋梁各結(jié)構(gòu)部位混凝土保護(hù)層厚度和裂縫控制值如表3所示。

表3 混凝土最小保護(hù)層厚度和裂縫寬度

為了避免保護(hù)層厚度過(guò)大，引起裂縫寬度加大，在墩身底部浪濺區(qū)和承臺(tái)的外表面，在最外層普通鋼筋與混凝土表面之間設(shè)置防裂鋼筋網(wǎng)，采用d＝6 mm的雙向不銹帶肋鋼筋網(wǎng)片(間距為10 cm×10 cm)，網(wǎng)片的凈保護(hù)層厚度為35 mm，并與內(nèi)部鋼筋做絕緣處理。為保證網(wǎng)片的防裂和防腐效果，采用等離子焊或電弧焊的方式焊接。

3.6 補(bǔ)充措施

3.6.1 結(jié)構(gòu)表面涂層

涂覆型涂層防腐蝕措施可封閉混凝土表面氣孔和接縫，隔絕氯離子、酸性氣體等有害介質(zhì)在混凝土內(nèi)的滲透和擴(kuò)散。為增加橋梁結(jié)構(gòu)耐久性可對(duì)海洋環(huán)境中混凝土表面進(jìn)行涂層防護(hù)[12]。參考相關(guān)規(guī)范及泉州灣跨海大橋的工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)各部位采用的涂層處理方式如表4所示。

表4 橋梁混凝土表面涂層處理

3.6.2 環(huán)氧涂層鋼筋

環(huán)氧涂層鋼筋是采用靜電噴涂工藝使其表面形成連續(xù)的環(huán)氧絕緣層的鋼筋。根據(jù)美國(guó)試驗(yàn)與材料學(xué)會(huì)的調(diào)查顯示，采用環(huán)氧涂層鋼筋可延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)使用壽命20年左右。參考港珠澳大橋、香港青馬大橋等項(xiàng)目的工程經(jīng)驗(yàn)，本工程在橋梁的承臺(tái)和位于浪濺區(qū)的橋墩采用了環(huán)氧涂層鋼筋對(duì)結(jié)構(gòu)防腐進(jìn)行防護(hù)，大大加強(qiáng)了鋼筋的使用壽命。

3.6.3 鋼筋阻銹劑

在混凝土中添加阻銹劑能有效推遲鋼筋被侵蝕的時(shí)間，減緩鋼筋銹蝕的速度。阻銹劑與高性能混凝土相互配合，一方面阻銹劑減少了腐蝕介質(zhì)到達(dá)鋼筋表面的數(shù)量，另一方面高性能混凝土的高密實(shí)性能長(zhǎng)期保持阻銹劑的高濃度，從而長(zhǎng)時(shí)間地抑制或延緩電化學(xué)腐蝕[13]。根據(jù)甬臺(tái)溫鐵路、溫福鐵路的工程經(jīng)驗(yàn)，本工程在位于浪濺區(qū)和水位變動(dòng)區(qū)橋梁混凝土構(gòu)件中，添加了阻銹劑來(lái)抑制鋼筋腐蝕。

3.7 輔助措施

(1)浪濺區(qū)橋墩和承臺(tái)通過(guò)采用滲透性模板使得混凝土表面密實(shí)，從而提高混凝土的密實(shí)性、抗?jié)B性和抗裂性等指標(biāo)。

(2)跨越通航孔(95＋170＋95)m連續(xù)剛構(gòu)橋主墩通過(guò)電化學(xué)保護(hù)法，采用犧牲陽(yáng)極的方式抑制鋼筋電化學(xué)腐蝕反應(yīng)過(guò)程，從而延長(zhǎng)混凝土的使用壽命。

3.8 鋼結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)

欄桿及預(yù)埋件等鋼結(jié)構(gòu)附屬設(shè)施的防腐設(shè)計(jì)也屬于耐久性設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。根據(jù)《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)及構(gòu)件保護(hù)涂裝與涂料 第3部分:附屬鋼結(jié)構(gòu)》(Q/CR 749.1—2020)附錄A的大氣腐蝕環(huán)境分類辦法，該工程屬于大氣腐蝕環(huán)境最高的CX級(jí)。因此，采用復(fù)合防腐層對(duì)附屬鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行防護(hù)處理，表面涂裝為特制環(huán)氧富鋅防銹底漆(1×80 μm)＋云鐵環(huán)氧中間漆(1×80 μm) ＋灰鋁粉石墨醇酸面漆(2×40 μm)。

根據(jù)全線地質(zhì)情況，橋梁基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，由于橋梁設(shè)計(jì)為高樁承臺(tái)，對(duì)承臺(tái)底至局部沖刷線以下1 m范圍的鋼護(hù)筒采用噴涂單層環(huán)氧粉末涂層進(jìn)行加強(qiáng)防護(hù)。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)該跨海鐵路橋的特點(diǎn)，提出了海洋環(huán)境為提高橋梁耐久性采用高性能混凝土和適當(dāng)增加混凝土保護(hù)層厚度和控制裂縫寬度的基本措施；采用結(jié)構(gòu)表面涂層、環(huán)氧涂層鋼筋和鋼筋阻銹劑的補(bǔ)充措施；以及采用滲透性模板和電化學(xué)保護(hù)犧牲陽(yáng)極的附加措施。針對(duì)不同橋梁結(jié)構(gòu)部位采取了不同的防腐措施進(jìn)行處理，各項(xiàng)措施協(xié)同作用，大大提高了橋梁的耐久性。海洋環(huán)境下橋梁的耐久性問(wèn)題是一個(gè)需要長(zhǎng)期研究的課題，只有在廣大科研設(shè)計(jì)人員的試驗(yàn)、總結(jié)中才能研究出經(jīng)濟(jì)耐用、綠色環(huán)保的防腐工藝。