淺論海域混凝土橋梁的耐久性設計

陳 勇

（同濟大學建筑設計研究院（集團）有限公司，上海市 200092）

0 前言

隨著經濟的高速發(fā)展，近年來我國修建了大量的近海和跨海橋梁。在進行海域橋梁設計時,除應滿足結構的安全性外，結構的耐久性設計至關重要。在海洋環(huán)境下，混凝土結構由于長期受到氯離子等的侵蝕作用，發(fā)生鋼筋銹蝕并導致耐久性失效的現象十分常見。在已建成的橋梁中，有相當數量因無法滿足耐久性要求而過早破壞，維修代價巨大，造成了嚴重的經濟損失。因此，研究影響海域混凝土橋梁耐久性的因素，并有針對性地采取對策是十分必要的。

影響混凝土橋梁耐久性的因素分為內因和外因兩個方面。內因主要是混凝土結構的水泥品種、水泥用量、水灰比、外加劑、保護層厚度、構件的應力狀況、裂縫等。外因主要是荷載作用、環(huán)境腐蝕等。

1 海域混凝土橋梁侵蝕機理

根據美國學者Mehta的研究成果，海域環(huán)境下混凝土結構的破壞原因主要有：鋼筋銹蝕、凍融破壞、侵蝕環(huán)境的物理化學作用。

（1）鋼筋銹蝕

海水中的氯離子是造成鋼筋銹蝕的主要原因。水泥水化反應而形成的高堿性使混凝土內鋼筋表面產生一層致密的鈍化膜，從而阻止鋼筋銹蝕。氯離子是極強的去鈍化劑，其吸附于局部鈍化膜處，使該處的PH值迅速降低，從而破壞鋼筋表面鈍化膜。當鋼筋局部鈍化膜破壞后，由于該處的鐵基體與完好的鈍化膜之間存在電位差，大面積鈍化膜區(qū)域作為陰極，鐵基體作為陽極而受到腐蝕。由于是大陰極對應小陽極，腐蝕速度很快。鋼筋銹蝕后體積膨脹，造成混凝土開裂嚴重進而喪失工作能力。

（2）凍融破壞

在寒冷氣候中，海水通常不會結冰。但由于潮汐的影響，使得潮差區(qū)和浪濺區(qū)每日受到兩次凍融循環(huán)作用。

鋼筋混凝土作為一種復合材料結構，結構的性能不僅取決于鋼筋和混凝土各自的物理力學性能，而且也與鋼筋和混凝土的協(xié)同工作能力有關，鋼筋與混凝土之間的粘結錨固性能是保證兩種不同材料共同工作的基本前提。在凍融循環(huán)作用下，產生的靜水壓力將會破壞鋼筋與混凝土之間的粘結性能，從而影響結構物的耐久性。

（3）物理化學作用

海洋環(huán)境對混凝土的物理化學腐蝕因素主要有：氯離子侵蝕、碳化作用、鎂鹽及硫酸鹽侵蝕、堿-骨料反應等。

如前所述，氯離子侵蝕是鋼筋銹蝕的主要原因。

碳化作用是指環(huán)境中的二氧化碳氣體，通過混凝土內部孔隙進入混凝土中，與混凝土中的Ca（OH）2發(fā)生化學反應，生成CaCO3和水的過程。混凝土碳化以后，pH值將急劇下降，從而破壞鋼筋鈍化膜賴以生存的環(huán)境。

鎂鹽及硫酸鹽侵蝕。由于海水滲入，海水中的鎂鹽、硫酸鹽和水泥石中的Ca（OH）2發(fā)生化學反應，將會造成混凝土體積膨大，在混凝土內引起很大的內應力，致使混凝土開裂；且生成的反應物容易使混凝土強度下降并變脆。

堿-骨料反應是混凝土中某些活性礦物集料與混凝土孔隙中的堿性溶液之間發(fā)生化學反應，引起混凝土內部自膨脹應力而開裂的現象。高溫、濕度和含鹽量對堿-骨料反應有促進作用。因此在海洋環(huán)境下，必須更加重視堿-骨料反應的危害。

2 橋梁所處環(huán)境類別的判定

在《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》中，將結構所處的環(huán)境條件分為四類，其中Ⅲ類環(huán)境為海水環(huán)境，濱海環(huán)境歸為Ⅱ類環(huán)境，但未對海水環(huán)境和濱海環(huán)境的區(qū)分做出明確的說明。參照《公路混凝土結構防腐蝕技術規(guī)范》中對近海或海洋環(huán)境作用等級的具體分類，可以理解為：在離漲潮海岸線300 m以外的陸上環(huán)境，按照濱海環(huán)境設計；在海水中、海面以上、離漲潮海岸線300 m以內的陸上環(huán)境，均應按Ⅲ類環(huán)境即海水環(huán)境進行設計。

近海或海洋環(huán)境作用等級見表1。

表1 近海或海洋環(huán)境作用等級

從表1可知，同為海水環(huán)境，橋梁不同部位的腐蝕程度還可以分為D、E、F三種等級。潮汐區(qū)和浪濺區(qū)的環(huán)境腐蝕最為強烈，而浸泡在海水中墩柱和埋于土中的樁基由于環(huán)境相對恒定，腐蝕作用反而較弱。

根據橋涵設計規(guī)范中結構混凝土耐久性的基本要求，在不同的環(huán)境作用下，對混凝土最低強度等級、最大水灰比、最小水泥用量、最大氯離子含量、最大堿含量、最小保護層厚度等有相應的要求。上述要求應作為最低要求并可視具體情況做出更嚴格的規(guī)定。

3 混凝土防護措施

（1）混凝土原材料及配合比

混凝土結構的耐久性在很大程度上取決于原材料的選用與混凝土材料的密實性。

配制海工混凝土的水泥要求耐腐蝕能力強、抗凍融性好、水化熱低，應優(yōu)先選用普通硅酸鹽水泥或其他耐腐蝕水泥，避免采用快硬性硅酸鹽水泥等。摻入礦渣、火山灰、粉煤灰等活性熟料可有效阻止腐蝕性離子向混凝土內部滲透。

水灰比是影響混凝土密實性的重要因素。密實度越高，混凝土的孔隙越少，混凝土與海水接觸面積也越小，因而混凝土的抗?jié)B性和抗侵蝕能力更強。

海洋環(huán)境下混凝土的最低強度及原材料要求見表2。

表2 海洋環(huán)境下普通混凝土的性能及各組分要求

（2）混凝土表面涂層

在混凝土結構表面施加涂層，是一種比較簡單、經濟和有效的輔助性保護措施。混凝土表面實施涂裝保護，可阻止或減緩環(huán)境介質中氯離子的侵入，增加結構的耐久性，同時也能起到裝飾效果。

混凝土表面涂層可以分為隔離型和侵入型兩種。隔離型涂料具有低粘度和高滲透能力，能滲透到混凝土內起到封閉孔隙，將混凝土和侵蝕型介質隔離開。侵入型涂料不能在混凝土表面成膜，不會形成隔離層，也不能充滿混凝土毛細孔隙，但是它能顯著降低混凝土的吸水性。

4 鋼筋銹蝕的防護措施

（1）保護層厚度

保護層是防止鋼筋銹蝕的第一道屏障，必須有足夠的厚度。保護層厚度對鋼筋銹蝕的影響呈線性關系，混凝土保護層厚度增加，則氯離子滲入混凝土到達鋼筋的時間就會增加。這是延遲混凝土內部鋼筋開始銹蝕很有效的一種方法。但是，保護層厚度過大會導致混凝土容易開裂，且造成經濟上的浪費。設計時應根據橋梁不同部位的環(huán)境作用情況恰當選取保護層厚度。

（2）鋼筋阻銹劑

在混凝土中加入阻銹劑可有效減緩鋼筋銹蝕，提高混凝土的耐久性。

鋼筋阻銹劑通過影響鋼筋和電介質之間的電化學反應，可以有效地阻止鋼筋腐蝕發(fā)生。即使鈍化膜遭到破壞，只要環(huán)境適宜，由于阻銹劑的存在，鋼筋表面的鈍化膜可以自行再生，自動維持。從而達到延緩鋼筋銹蝕的作用。

目前使用較多的是內摻型阻銹跡，在拌制混凝土時摻加進去，適合在新建工程中使用。

滲透型阻銹劑直接噴涂于混凝土外表面即可。它通過滲透作用進入混凝土中，吸附于鋼筋表面形成保護層，對鋼筋陰陽兩極同時進行保護。滲透型阻銹劑在對已建工程的修復上能夠發(fā)揮巨大的作用。

（3）使用環(huán)氧涂層鋼筋

環(huán)氧涂層鋼筋的表面涂層可以將鋼筋與周圍的混凝土隔開，保護鋼筋不受侵蝕。由于環(huán)氧樹脂涂層具有極佳的化學抗腐蝕性能，不與酸、堿等產生反應，形成后的涂層呈絕對惰性，能夠阻隔鋼筋與外界環(huán)境接觸。即使氯離子等已經大量侵入混凝土，它還是可以在相當長的時間內保護鋼筋不被銹蝕。

使用環(huán)氧涂層鋼筋會造成鋼筋與混凝土之間的粘結性能有所降低。可以通過采用直徑較小的鋼筋、增加混凝土的保護層厚度、適當延長錨固和綁扎長度、提高混凝土強度等措施予以解決。

5 結語

海域混凝土橋梁的耐久性設計是一個多種因素共同作用的系統(tǒng)工程。各種防腐蝕技術措施各有特點，且互相關聯和制約。設計時必須針對實際情況，采用多技術措施并舉，聯合施治的方式，方能最大限度的實現科學合理、經濟耐久的防腐蝕耐久性設計。

[1]洪乃豐.鋼筋混凝土基礎設施與耐久性[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2003.

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

[3]姜海西,肖汝誠.沿海及跨海橋梁下部結構防腐與加固[J].結構工程師,2008(04).

[4]盧木.混凝土耐久性研究現狀和研究方向[J].工業(yè)建筑,1997(05).

[5]周履.20世紀后期海洋混凝土結構抗腐蝕性能的發(fā)展[J].世界橋梁,2004(04).

[6]劉競,鄧德華,趙騰龍,等.提高海洋環(huán)境鋼筋混凝土構筑物耐久性措施綜述[J].腐蝕與防護,2008(06).

[7]王用中,丁自強.沿海混凝土橋梁的腐蝕與防護[J].橋梁建設,2000(03).