跨海大橋混凝土耐久性設(shè)計(jì)探討

張瑞雄

舟山市交通運(yùn)輸局

跨海大橋混凝土耐久性設(shè)計(jì)探討

張瑞雄

舟山市交通運(yùn)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(shù)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(zhì)量，基于此，本文分析了混凝土耐久性設(shè)計(jì)分析。

跨海大橋；混凝土；耐久性；

引言

跨海大橋工程規(guī)模巨大，其氣象、水文、地形、地質(zhì)條件復(fù)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(dá)到100年，跨海大橋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)的研究非常必要。首次提出服役壽命100年是20世紀(jì)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(shè)計(jì)服役壽命均為100年。對(duì)耐久性主要破壞因素有：凍融破壞、堿骨料反應(yīng)、硫酸鹽侵蝕、鋼筋銹蝕。跨海大橋一般處于地質(zhì)條件復(fù)雜，惡劣環(huán)境中，海洋中大多混凝土結(jié)構(gòu)部位所處的環(huán)境作用等級(jí)多為E～F級(jí)，即腐蝕非常嚴(yán)重或極端嚴(yán)重；加之海水鹽度高、溫差大、季節(jié)交替，對(duì)跨海大橋的耐久性都提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

1 、環(huán)境混凝土結(jié)構(gòu)損壞機(jī)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(dá)12～13，水泥的高堿性可使其內(nèi)部鋼筋表面產(chǎn)生一層致密鈍化膜，牢牢吸附于鋼筋表面，使鋼筋很難繼續(xù)進(jìn)行陽極反應(yīng)，即隔離鋼筋與Cl-、(OH)-等有害離子接觸。但在海水侵蝕環(huán)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(dāng)鋼筋表面處混凝土飽和溶液的pH降到11.5時(shí)，鈍化膜開始變得不穩(wěn)定；當(dāng)pH降到9.5以下時(shí)，鈍化膜消失，鋼筋開始腐蝕。鋼筋與Cl-反應(yīng)生成易溶的FeCl2，F(xiàn)eCl2由鋼筋表面向混凝土孔隙液遷移，但FeCl2是不穩(wěn)定體，與孔隙液中的游離O2-結(jié)合，分解成Fe(OH)2并釋放出Cl-、H+，F(xiàn)e(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(huán)，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(nèi)產(chǎn)生膨脹力，使混凝土出現(xiàn)沿鋼筋的裂縫，降低了鋼筋與混凝土之間的粘接；進(jìn)一步的發(fā)展會(huì)使混凝土沿鋼筋表面出現(xiàn)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(gòu)件損壞機(jī)理可以看出，Cl-對(duì)鋼筋混凝土構(gòu)件的損害有三個(gè)先決條件：一是Cl-濃度要達(dá)到一定值，小于這一濃度的Cl-對(duì)鋼筋混凝土構(gòu)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(nèi)速度緩慢，Cl-到達(dá)鋼筋表面且其濃度達(dá)到使鋼筋銹蝕的時(shí)間超過了構(gòu)件壽命。二是要有氧氣滲入混凝土內(nèi)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(huì)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(yán)重。三是鋼筋是能被腐蝕的材料，試驗(yàn)證明Cl-含量對(duì)素混凝土性能影響不大，而是Cl-引起混凝土中鋼筋銹蝕導(dǎo)致構(gòu)件破壞；如果將鋼筋改為耐Cl-腐蝕材料，則構(gòu)件不會(huì)出現(xiàn)Cl-侵蝕破壞。

2 、跨海大橋混凝土耐久性設(shè)計(jì)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(shí)溫度低于60℃。粉煤灰：選用Ⅰ級(jí)或Ⅱ級(jí)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(shù)大于95%，考慮早期水化放熱的影響適當(dāng)降低了7d活性指數(shù)要求。粗集料：選用兩級(jí)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(xì)集料：選用Ⅱ級(jí)配區(qū)中砂，細(xì)度模數(shù)控制在2.6～2.9，含泥量應(yīng)低于2.0%，泥塊含量應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(shù)手段，可提高混凝土的密實(shí)性，降低開裂敏感性。礦物摻合料復(fù)合摻入比例應(yīng)根據(jù)橋梁不同結(jié)構(gòu)部位合理選取。一般開裂性能要求較高的結(jié)構(gòu)部位可增大粉煤灰摻量，對(duì)抗氯離子滲透性能要求較高的可適當(dāng)增大磨細(xì)礦粉摻量。限制大體積混凝土強(qiáng)度發(fā)展要求。大體積混凝土24h抗壓強(qiáng)度不大于12mPa，對(duì)抗裂要求較高的結(jié)構(gòu)(如浪濺區(qū)承臺(tái))，宜分別不高于10mPa；對(duì)于有預(yù)應(yīng)力張拉要求的結(jié)構(gòu)，此要求可適當(dāng)放寬。

2.3 保護(hù)層厚度控制

混凝土保護(hù)層作為阻止有害物質(zhì)侵入的有效屏障，其質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響對(duì)鋼筋的保護(hù)作用，是保證結(jié)構(gòu)使用壽命的關(guān)鍵，保護(hù)層厚度控制措施如下：使用統(tǒng)一預(yù)制的水泥基保護(hù)層定位塊，其中樁基為輪型，其他結(jié)構(gòu)為梅花型。墊塊強(qiáng)度、抗?jié)B透性能不劣于結(jié)構(gòu)混凝土，外觀顏色與結(jié)構(gòu)混凝土相同，數(shù)量不小于4個(gè)/m2；混凝土澆筑前認(rèn)真檢查保護(hù)層定位塊的數(shù)量、位置及其緊固程度，并指定專人作重復(fù)性檢查以提高保護(hù)層厚度尺寸的施工質(zhì)量保證率；保證模板的強(qiáng)度、剛度及安裝精度，防止混凝土澆筑過程中的變形。保護(hù)層厚度保護(hù)層厚度指標(biāo)以保護(hù)內(nèi)部不受腐蝕為原則，為控制混凝土保護(hù)層厚度和施工質(zhì)量，工程建議采用統(tǒng)一預(yù)制的海工細(xì)石混凝土墊塊，抗腐蝕能力和抗壓強(qiáng)度不得低于構(gòu)件本體混凝土。澆筑混凝土前，鋼筋安裝時(shí)保護(hù)層厚度的允許偏差嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求執(zhí)行，保護(hù)層內(nèi)不得有綁扎鋼筋的鐵絲伸入。澆筑混凝土前，檢查保護(hù)層墊塊的位置、數(shù)量及其緊固程度，提高保護(hù)層厚度尺寸的施工質(zhì)量保證率；檢查模板、鋼筋、預(yù)埋件和預(yù)留孔的尺寸、規(guī)格、數(shù)量和位置，其偏差符合現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的有關(guān)規(guī)定；檢查模板支撐的穩(wěn)定性和接縫的密合情況等。現(xiàn)場混凝土保護(hù)層的實(shí)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(jié)構(gòu)，大傾斜面結(jié)構(gòu)在施工中混凝土不易密實(shí)，氣泡不易排除，外觀質(zhì)量控制難度大；同時(shí)，此類結(jié)構(gòu)易出現(xiàn)45°剪切縫。承臺(tái)、塔座大體積混凝土強(qiáng)度按56d評(píng)定，承臺(tái)、塔座大體積混凝土處于浪濺區(qū)、控制裂縫要求嚴(yán)格，且加荷載時(shí)間晚，具備較長齡期評(píng)定的條件。較長齡期評(píng)定可以充分發(fā)揮摻合料后期強(qiáng)度，有利于降低該類混凝土結(jié)構(gòu)的膠凝材料總量，對(duì)降低混凝土水化熱、控制開裂具有重要意義。

2.5 混凝土養(yǎng)護(hù)

混凝土澆筑后定時(shí)監(jiān)測混凝土內(nèi)部溫度變化、環(huán)境溫度、相對(duì)濕度及風(fēng)速等參數(shù)，以便根據(jù)環(huán)境參數(shù)變化及時(shí)調(diào)整養(yǎng)護(hù)工藝。對(duì)暴露于大氣中的新澆混凝土表面及時(shí)進(jìn)行保溫、養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)水不能用海水。承臺(tái)混凝土上表面盡可能采用蓄水養(yǎng)護(hù)，立面混凝土拆模宜使用自動(dòng)噴霧系統(tǒng)，也可采取拆模后噴水、涂養(yǎng)護(hù)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(dāng)相對(duì)濕度小、風(fēng)速大、陽光強(qiáng)烈時(shí)，混凝土澆筑后上表面用塑料薄膜覆蓋，防止水分蒸發(fā)，待抹面時(shí)卷起薄膜并再次覆蓋，至終凝后撤除薄膜并進(jìn)行保濕或蓄水養(yǎng)護(hù)。相鄰布應(yīng)至少重疊150mm，使整個(gè)混凝土表面形成完全防水覆蓋。新澆結(jié)構(gòu)物易與流動(dòng)水接觸時(shí)，采取防水措施，保證混凝土在澆筑后7d之內(nèi)不受水的沖刷。對(duì)于浪濺區(qū)以下的新澆混凝土，保證混凝土在10d內(nèi)，且強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)等級(jí)值的70%以前，不受海水的侵襲。混凝土的拆模時(shí)間除考慮強(qiáng)度外，還應(yīng)考慮混凝土的內(nèi)外溫差，避免其接觸空氣時(shí)降溫過快而開裂。大體積混凝土拆模時(shí)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(shí)混凝土表面點(diǎn)與內(nèi)部最高溫度之差應(yīng)小于20℃，拆除模板的混凝土表面應(yīng)加強(qiáng)保溫、保濕養(yǎng)護(hù)。

3 、結(jié)語

要滿足跨海大橋耐久性要求，其前期的環(huán)境調(diào)查尤為重要，特別是主橋、引橋的地質(zhì)水文、海水成分、腐蝕介質(zhì)等環(huán)境條件；掌握國內(nèi)外跨海大橋耐久性設(shè)計(jì)方式，清楚不同方法的優(yōu)劣；結(jié)合項(xiàng)目的具體特點(diǎn)，采用海工高性能混凝土和適當(dāng)增加混凝土保護(hù)層厚度的基本防腐措施，同時(shí)針對(duì)不同的結(jié)構(gòu)部位增加相應(yīng)的防腐附加措施，硅烷浸漬、外加電流陰極保護(hù)、不銹鋼鋼筋網(wǎng)片、透水模板布等措施。確定對(duì)處于腐蝕環(huán)境相對(duì)惡劣的混凝土結(jié)構(gòu)，使其跨海大橋達(dá)到100年的服役壽命。

[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(bào)，2006，06：72-77.

[2]王勝年，蘇權(quán)科，范志宏，李全旺，周新剛，李克非.港珠澳大橋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)原則與方法[J].土木工程學(xué)報(bào)，2014，06：1-8.

[3]黃毅，孫建淵，黃士柏.跨海大橋全壽命耐久性設(shè)計(jì)與施工技術(shù)[J].華東交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，04：21-24.

[4]翁衛(wèi)軍.跨海大橋耐久性設(shè)計(jì)及維護(hù)措施[J].福建建材，2012，11：41-43.