海洋環(huán)境混凝土橋梁防腐技術(shù)與耐久性設(shè)計

盧昌明

1 概述

在我國近海地區(qū)的橋梁中，常有因腐蝕防護措施不到位或耐久性設(shè)計不完善等原因，發(fā)生嚴(yán)重鋼筋銹蝕破壞而重建或加固的事例。根據(jù)JTG/T B07-01-2006公路工程混凝土結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)范的相關(guān)規(guī)定，海洋環(huán)境對應(yīng)的環(huán)境作用等級為D—F級，即腐蝕程度為嚴(yán)重到極端嚴(yán)重。因此，在海洋環(huán)境中建設(shè)混凝土橋梁時，因鋼筋腐蝕導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)耐久性問題必須引起我們的充分重視。本文介紹了鋼筋腐蝕與結(jié)構(gòu)耐久性的關(guān)系，以及目前橋梁上常用的腐蝕防護技術(shù)，并結(jié)合現(xiàn)行規(guī)范和國內(nèi)外相關(guān)耐久性設(shè)計資料，針對混凝土橋梁提出了耐久性設(shè)計要點，以供海洋環(huán)境中的混凝土橋梁的耐久性設(shè)計參考借鑒。

2 鋼筋腐蝕與結(jié)構(gòu)耐久性的關(guān)系

2.1 鋼筋腐蝕的危害

鋼筋腐蝕的具體危害主要歸結(jié)為以下三點：1)脹裂破壞。由鋼筋銹蝕后體積膨脹所引起的拉應(yīng)力將使混凝土順筋開裂，這將進一步加劇了鋼筋的銹蝕速度。2)影響鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)性能。鋼筋銹蝕后，將從膠結(jié)力、摩擦力和機械咬合力三方面弱化鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)。3)引起鋼筋的應(yīng)力腐蝕與脆斷。

2.2 鋼筋腐蝕與結(jié)構(gòu)壽命的關(guān)系

一般地，鋼筋腐蝕與結(jié)構(gòu)壽命的關(guān)系如圖1所示。t0～t1階段，碳化前鋒面逐漸到達鋼筋表面或Cl－在鋼筋表面的濃度積累達到臨界值，鋼筋鈍化膜不再穩(wěn)定，開始活化。t1～t2階段，鋼筋開始發(fā)生局部腐蝕，腐蝕產(chǎn)物積累膨脹最終導(dǎo)致混凝土保護層開裂。t2～t3階段，鋼筋嚴(yán)重銹蝕，混凝土保護層大面積開裂，鋼筋與混凝土粘結(jié)力逐漸喪失，導(dǎo)致計算簡圖徹底改變，結(jié)構(gòu)承載力喪失。對于常見的海工混凝土結(jié)構(gòu)使用年限預(yù)測模型，一般將臨界銹蝕點t1或脹裂點t2視作耐久性極限狀態(tài)［1］。

3 常用腐蝕防護技術(shù)

1)采用高性能混凝土。摻粉煤灰的低水膠比的高性能混凝土，與同水膠比的未摻粉煤灰的混凝土相比，氯化物的滲透性能要低1個～2個數(shù)量級。通過有效地提高抗?jié)B性能、抑制堿集料反應(yīng)及增強護筋效果，提高了混凝土耐久性。

2)采用涂層保護技術(shù)。混凝土表面的涂層可以阻止氯離子侵蝕和混凝土碳化深入混凝土內(nèi)部。常用的主要有聚合物改性水泥砂漿和滲透型涂層兩種。

3)采用鋼筋阻銹劑。阻銹劑通過提高氯離子產(chǎn)生腐蝕的臨界值來穩(wěn)定鋼筋表面的氧化物保護膜，從而達到延長使用壽命的目的。該技術(shù)被美國混凝土委員會(ACI)確認(rèn)為鋼筋防護的長期有效措施之一。

4)采用環(huán)氧涂層鋼筋。環(huán)氧涂層鋼筋利用環(huán)氧涂層與鋼筋優(yōu)良的粘結(jié)力，阻隔外界腐蝕介質(zhì)對鋼筋的侵入，從而延長混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命。美國試驗與材料學(xué)會的調(diào)查結(jié)果顯示，采用環(huán)氧涂層鋼筋可延長結(jié)構(gòu)使用壽命20年左右。鑒于其優(yōu)點，杭州灣跨海大橋在腐蝕嚴(yán)重的浪濺區(qū)現(xiàn)澆墩身中采用了環(huán)氧涂層鋼筋［1］。但是，在涂層不完整情況下，局部銹蝕發(fā)展常常比無涂層鋼筋還快。因此保證膜層的完整性是環(huán)氧涂層鋼筋有效性的關(guān)鍵。

5)采用纖維增強塑料(FRP)筋。FRP筋具有輕質(zhì)、高強、耐腐蝕性強等優(yōu)點。單向碳纖維束配合高性能混凝土使用，將徹底解決針對預(yù)應(yīng)力鋼筋的腐蝕所引起的混凝土橋梁破壞問題，并可使結(jié)構(gòu)使用壽命長達100年。目前，經(jīng)濟因素是FRP筋替代普通預(yù)應(yīng)力鋼筋的最大障礙，但在惡劣的海洋環(huán)境中建設(shè)橋梁時，其適用性和經(jīng)濟效益值得進一步探討研究。

6)采用陰極防護技術(shù)。陰極保護法(CP法)是最常用的一種電化學(xué)保護法，主要有犧牲陽極CP法和外加電流CP法兩種。近年來，陰極防護技術(shù)不僅應(yīng)用于已受氯離子腐蝕的結(jié)構(gòu)的修復(fù)，還應(yīng)用于新建結(jié)構(gòu)，并取得了良好效果。杭州灣跨海大橋作為我國首個應(yīng)用陰極防護技術(shù)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，在南、北航道橋主墩承臺、塔座及下塔柱處浪濺區(qū)，設(shè)置了外加電流陰極防護系統(tǒng)。采用全自動監(jiān)控系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)電量的方法，使結(jié)構(gòu)鋼筋始終處于陰極狀態(tài)而不發(fā)生銹蝕，保證最少100年的使用年限［2］。

4 橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計要點

4.1 嚴(yán)格控制混凝土的水膠比與強度等級

影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的首要因素是混凝土的密實性，所以為了保證混凝土的密實性，首先要規(guī)定最大水膠比的限制。《公路工程混凝土結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)范》提出以最低強度等級與最大水膠比進行雙控。此外，關(guān)于最小水泥用量、最大氯離子含量和礦物摻加料比例等限制規(guī)定，設(shè)計時應(yīng)遵照執(zhí)行。

4.2 嚴(yán)格選取最小混凝土保護層厚度

一般來說，鋼筋的銹蝕總是從最外側(cè)分布筋及箍筋開始的，并能引起混凝土開裂和剝落。所以在耐久性設(shè)計中，混凝土保護層厚度的選取首先要考慮到分布筋及箍筋的需要，同時應(yīng)充分考慮到保護層施工偏差的影響。故建議采用的保護層厚度，應(yīng)該是規(guī)范規(guī)定的最小厚度與一定施工允許誤差之和。

4.3 采用塑料波紋管和真空輔助壓漿

對于預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，孔道的不密實極易造成高應(yīng)力狀態(tài)下預(yù)應(yīng)力筋的銹蝕。為增強預(yù)應(yīng)力孔道壓漿的密實性，提高預(yù)應(yīng)力體系的耐久性，橋梁預(yù)應(yīng)力混凝土梁采用耐腐蝕、密封性能好的塑料波紋管配合真空輔助壓漿技術(shù)，作為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性措施之一。

漿體性能是真空輔助壓漿成敗的關(guān)鍵，為此專門需根據(jù)《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》進行了漿體配合比設(shè)計。漿體水灰比要求控制在0.30～0.35，漿體強度不小于主體結(jié)構(gòu)混凝土強度的80%。灌漿方向由下往上，灌漿速度控制在30 L/min～45 L/min，當(dāng)孔道各處漿體一致時，方能停止灌漿［4］。

杭州灣跨海大橋的相關(guān)試驗表明［1］：采用高性能真空輔助壓漿助劑配置的漿體和配套的壓漿工藝進行真空壓漿，孔道漿體飽滿、密實，可有效提高預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)的耐久性。

4.4 采用多束少根的預(yù)應(yīng)力束，對錨頭采取多重保護［4］

增加鋼絞線束的數(shù)量，減少每束中的鋼絞線根數(shù)，以減輕在單束遭受腐蝕或更換時對整個橋梁的影響。對錨頭至少采取四重保護，包括灌漿、帶O形環(huán)的耐磨塑料錨帽、封錨涂層以及封錨混凝土。

4.5 加強構(gòu)造配筋，防止和控制混凝土裂縫

當(dāng)混凝土開裂后，侵蝕速度將大大加快，使耐久性進一步退化。控制混凝土裂縫，除了按規(guī)范要求進行正常使用狀態(tài)的檢算外，更重要的是通過構(gòu)造措施控制施工及使用過程中出現(xiàn)的大量非工作裂縫。重視水平構(gòu)造鋼筋和箍筋在控制溫度裂縫和收縮裂縫中的作用，提高相應(yīng)部位鋼筋的配筋率和鋼筋間距。

4.6 加強橋面防水設(shè)計，保證橋梁密水性

橋面鋪裝應(yīng)采用密實性較好的C30以上的混凝土，混凝土鋪裝層內(nèi)應(yīng)設(shè)置鋼筋網(wǎng)，防止混凝土開裂，并采用復(fù)合纖維混凝土和在混凝土中摻入水泥基滲透結(jié)晶材料。橋面鋪裝層頂面應(yīng)設(shè)防水層，特別是負(fù)彎矩段更應(yīng)十分重視防水層設(shè)計。加強泄水管及伸縮縫處的細(xì)部排水設(shè)計，防止水分從該處滲入梁內(nèi)。對階段施工的橋梁，各節(jié)段間應(yīng)該用環(huán)氧樹脂密封。盡量避免在橋面上開孔，不得已開孔時，應(yīng)開錐形孔，以便于回堵［4］。

5 結(jié)語

海洋環(huán)境中的混凝土橋梁應(yīng)根據(jù)所處的環(huán)境進行耐久性設(shè)計，這是接受無數(shù)工程經(jīng)驗和教訓(xùn)后，在橋梁設(shè)計時必須考慮的重要問題。提高結(jié)構(gòu)耐久性，對節(jié)約資源和保護環(huán)境意義重大。橋梁設(shè)計者應(yīng)根據(jù)以防為主的戰(zhàn)略方針，選擇最佳腐蝕防護措施、優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，以有效延長混凝土橋梁的實際使用壽命。

［1］ 張寶勝，干偉忠，陳 濤.杭州灣跨海大橋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性解決方案［J］.土木工程學(xué)報，2006，39(6)：72-77.

［2］ 呂忠達.杭州灣跨海大橋關(guān)鍵技術(shù)研究與實踐［M］.北京：人民交通出版社，2009.

［3］ 劉 釗.橋梁概念設(shè)計與分析理論［M］.北京：人民交通出版社，2010.

［4］ Florida Department of Transportation.New directions for Florida post-tensioned bridges-final report［R］.Corven Engineering，Inc，2002.