港珠澳大橋東人工島非通航孔橋浪濺區鋼筋混凝土防腐蝕體系

宋子鵬，莫日發

港珠澳大橋東人工島非通航孔橋浪濺區鋼筋混凝土防腐蝕體系

宋子鵬，莫日發

（中交三航局第二工程有限公司，上海200122）

港珠澳大橋東人工島非通航孔橋是港珠澳大橋主體工程的一部分，全長386.25 m，采用混凝土現澆結構，設計使用壽命為120 a。文中結合工程實踐，介紹了東人工島非通航孔橋的鋼筋混凝土防腐體系，并對施工工藝進行了分析總結，供類似工程參考。

鋼筋混凝土防腐體系；高耐久性混凝土；不銹鋼鋼筋

1 工程概況

港珠澳大橋主體工程島隧工程東人工島結合部非通航孔橋西起東人工島東側，東到非通航孔橋粵港分界線，全長386.25m（含橋臺）。橋縱向坡度為2.98%，箱梁底端標高最低處為+4.014 m，最高處為+13.026m，標高由東人工島結合部向香港方向逐漸增大。工程設計使用壽命120 a，設計最高水位為+3.82 m，設計最低水位為-1.63 m，箱梁的最低處（8號墩橋臺端面）標高為+4.014 m，處于浪濺區，如圖1所示。由于海洋浪濺區腐蝕作用強烈，所以對箱梁采取防腐措施十分必要。

2 鋼筋混凝土防腐體系

混凝土結構的耐久性是其在使用過程中經受各種破壞因素的作用而能保持使用功能的能力，造成混凝土耐久性降低的原因主要有物理作用、化學作用和機械作用，而在海水環境中，氯離子侵蝕則是防腐的重點。氯離子擴散系數的計算公式是:D=（穿透物質總量×穿透距離）/（時間×穿透面積×兩邊濃度梯度）。進行混凝土配合比設計時已設定氯離子擴散系數的上限，即當氯離子擴散系數≤設定值時，只需要進一步降低穿透物質總量及兩邊濃度梯度，延長穿透距離，則氯離子穿透單位面積的時間就延長。所以為滿足工程120 a的耐久性要求，本工程箱梁采用了一系列防腐措施，由內到外，多層保護浪濺區箱梁，盡可能延長氯離子穿透保護層所需的時間，提高鋼筋自身抗氯離子腐蝕能力，即:鋼筋采用不銹鋼鋼筋、混凝土采用高耐久性海工混凝土、混凝土表面采用硅烷浸漬和防腐耐磨涂裝（見圖2）。

圖1 非通航孔橋箱梁浪濺區示意圖Fig.1 Schematic diagraMof non-navigablebridge spanin sp lash zone

圖2 鋼筋混凝土防腐蝕體系剖面圖Fig.2 Sectionalview of corrosion protection systeMfor reinforced concrete

箱梁混凝土防腐體系的施工流程為:準備工作→綁扎不銹鋼鋼筋→現澆預應力箱梁混凝土澆筑→箱梁混凝土養護→基面處理（混凝土修補、打磨）→箱梁表面硅烷浸漬→箱梁外側防腐耐磨涂裝。

2.1 不銹鋼鋼筋和高耐久性混凝土

鋼筋混凝土的防腐實質是鋼筋的防腐蝕，因普通鋼筋在銹蝕以后，體積會膨脹至原來的2~4倍[1]，這樣混凝土會受到來自鋼筋的膨脹應力，使包裹著鋼筋的混凝土開裂并逐漸脫落，混凝土脫落后更加劇了鋼筋的腐蝕速率，并最終導致結構的失穩破壞，縮短了結構的使用壽命。

由于不銹鋼中含有鉻和鎳等元素，在氧化性介質中表面會生成一層十分致密的氧化膜，降低了不銹鋼在氧化性介質中的腐蝕速度，提高了耐腐蝕性能。不銹鋼鋼筋與普通鋼筋相比具有較高的抗氯離子和酸堿鹽腐蝕能力，不銹鋼筋與氯離子的反應速率要比普通鋼筋緩慢得多，因此使用不銹鋼鋼筋能有效減緩氯離子對鋼筋的腐蝕速率，提高耐用性能，延長結構使用壽命，降低維護和維修成本。

在東人工島非通航孔橋現澆預應力箱梁中，使用C55高耐久性海工混凝土，要求28 d氯離子擴散系數≤5.5×10-12m2/s，56 d氯離子擴散系數≤3.5×10-12m2/s。混凝土致密性的提高，減少了氯離子等有害物質的滲透通道，且在箱梁外側采用75 mm的鋼筋凈保護層厚度，有效保護了箱梁的鋼筋骨架。通過精細化施工，嚴格控制混凝土攪拌質量，經檢測，已澆筑完成的現澆箱梁28 d氯離子擴散系數均小于設計上限，詳見表1[2]。

表1 混凝土氯離子滲透系數統計表Table1 Statisticaldata of chloride ion permeability coefficientsof concrete

2.2 硅烷浸漬和防腐耐磨漆涂裝

由于混凝土毛細管的吸收和擴散作用，使氯化物侵入混凝土中，氯離子等侵蝕性物質是以水為介質進入到混凝土內部侵蝕鋼筋的。硅烷可以與已水化的水泥發生化學反應，反應物使毛細孔壁憎水化，在混凝土結構表面及其孔隙內部形成致密的疏水層，阻止水分的進入，同時也阻止了Cl-等有害物質的傳輸通道與滲入。混凝土防腐漆主要是利用其屏蔽性，阻擋腐蝕物質的侵入。由于混凝土的多孔結構，防腐漆可以滲透到混凝土內部，起到錨固作用，又可以趕走孔隙中的水、濕氣等腐蝕物質，消除腐蝕因素，并降低混凝土表面氯離子總量及混凝土內外濃度梯度，減小氯離子擴散深度，從而提高混凝土的耐久性。在施工中，為確保硅烷浸漬和防腐耐磨涂層的效果達到設計要求，嚴格控制以下四大關鍵點。

2.2.1 原材料選取

選取合適的原材料，并嚴格把關原材質量，未經檢測合格的原材，一律不予使用。本工程中采用異丁基三乙氧基液體硅烷作為硅烷浸漬材料，每批異丁基三乙氧基液體硅烷經檢測，各項指標均滿足下列要求:異丁基三乙氧基硅烷含量不小于98.9%；硅氧烷含量不大于0.3%；可水解的氯化物含量不大于1/10 000；密度（溫度25℃時）為0.88 g/cm3；折射率為1.399 8~1.400 2；活性為100%，無溶劑或其它液體稀釋。在選擇防腐耐磨涂層時，由于混凝土屬于強堿性建筑材料，且浪濺區的箱梁經常受海浪的飛濺和沖刷，表面常處于潮濕狀態，因此選用具有濕固化和良好耐堿性、附著性和耐蝕性的涂層。根據現場環境選擇耐蝕性的油漆涂層并考慮到涂裝顏色與環境相協調等因素，選用E-26海工鋼筋混凝土防腐專用涂料。防腐涂層由底層、中間層、面層組成，涂層設計總干膜平均厚度為450μm。E-26海工鋼筋混凝土防腐專用涂料型號及顏色見表2。

表2 涂層配套及配比表Table2 Coating specification

2.2.2 施工工況選擇

選擇合適的施工工況。硅烷浸漬、防腐涂裝對施工環境（溫度、濕度、風力、基面處理等）要求高，需根據工程實際情況，采用有效措施，確保在合適的工況下進行施工，保證施工效果。

在硅烷噴涂前，先對噴涂基面進行清理，除去表面的灰塵、掛漿等雜質，對蜂窩、針孔、錯臺等用水泥漿進行填補找平并打磨，使混凝土表面清潔平整，防止混凝土表面雜質阻擋對硅烷的吸收，提高防腐效果。

在硅烷浸漬施工中，環境溫度宜在5~40℃，若溫度過低，則會影響硅烷的活性，導致硅烷難以滲透進入混凝土中，降低其防護效果，環境溫度過高或強風強日光照射都會加速硅烷的揮發，使混凝土不能有效吸收，同樣導致防護效果的降低。因此，在硅烷浸漬施工中，應選擇溫度適宜，日照不強烈的早上或傍晚進行，在雨天或大風時則應停止施工。

涂裝防腐漆時應用露點儀測量環境溫度、基材溫度、露點溫度、相對濕度。其中施工現場相對濕度小于85%時方可施工；相對濕度過高，可能引起涂裝表面結露，對于溶劑型胺固化環氧涂料，凝結水會破壞固化劑，引起涂膜發白、失光、發黏和回黏。對于聚氨酯涂料，濕度太大，容易引起縮孔、起泡等問題。底漆、中間漆和面漆涂裝時，若環境溫度低于5℃時不宜施工，會引起涂料的固化反應歷程減慢或停止，嚴重影響涂料的固化性能，導致涂膜表干太慢，容易被灰塵等雜物污染，影響表觀和裝飾效果；固化過程延長，甚至不能完全固化，涂膜性能嚴重降低，如強度、硬度降低，耐磨性變差，直接影響使用壽命。

2.2.3 施工時間安排

合理安排施工間隔時間。本工程防腐體系涉及多道工序施工，而每道工序本身對施工時間也有要求:混凝土澆筑完成后須養護14 d，硅烷浸漬則須在混凝土強度達到設計要求后方可噴涂，防腐涂裝與硅烷浸漬間隔時間未有相關參考文獻。同時，需要充分考慮施工工期，合理安排每道工序的施工間隔時間，確保每道防腐工序發揮設計效果。本工程中，為了更好發揮硅烷浸漬的防腐效果，在施工現場進行了硅烷浸漬最佳噴涂時間的現場試驗。經過對現場模型試件檢測，在混凝土澆筑完成7 d后，養護試件測得強度平均值為65MPa（箱梁設計強度等級為C55），即14 d混凝土強度已符合設計要求。相關實驗研究[3]表明未涂裝混凝土氯離子擴散系數隨齡期的增長而降低，養護14 d后涂刷硅烷的混凝土氯離子擴散系數基本穩定，齡期28 d與14 d相比，硅烷浸漬深度降低近30%。依據規范[4]，對早期暴露于海水環境的現澆構件，應在拆模后立即浸漬硅烷，因此，提早進行硅烷浸漬能減少混凝土與海水接觸的時間，在混凝土表面形成一層保護膜，有效降低海水、氯離子侵入混凝土腐蝕鋼筋的危險，同時能使硅烷滲入混凝土更容易、更深，有效保護混凝土內部的二次水化反應順利進行。

為使硅烷充分滲入混凝土中，在硅烷噴涂完成7 d后（即待硅烷浸漬檢測合格后），進行箱梁表面防腐漆噴涂。防腐涂層配料攪拌均勻后，在20℃經20min熟化后才可以進行涂刷（溫度變化，熟化時間相應變化）。底漆、中間漆、面漆涂裝間隔時間按產品性能表中規定進行，以24 h為宜。

2.2.4 施工過程控制

硅烷噴涂應嚴格遵守下列事項:為防止漏噴少噴，硅烷浸漬工作應自下而上連續噴涂，使被噴立面至少有5 s保持目測是濕的狀態，這樣既能保證上部的硅烷浸漬量，又能使上部硅烷噴涂流下后被下部混凝土重新吸收。而在頂面或底面上，則至少有5 s保持目測是濕的鏡面狀態。硅烷噴涂量為280~320 Ml/m2，在施工操作前提前計算好被噴涂的混凝土表面積和硅烷用量，實際施工用量應大于理論計算量。硅烷共噴涂2～3遍，兩遍之間的時間間隔至少為6 h。

噴涂防腐漆時為保證噴涂的均勻性，使用電動噴涂機進行噴涂。在噴涂時按照自下至上的原則。每層涂層（底漆、中間漆、面漆）涂裝后，隨時用濕膜厚度規檢查該層濕膜厚度，以控制涂層的最終厚度及其均勻性，滿足設計要求后方可進行下道漆的涂裝。

3 效果檢測

根據現場檢測，硅烷浸漬效果符合設計及規范要求，取得了良好的防護效果，具體見表3[5]。對于防腐漆涂裝效果，干膜厚度、拉拔強度等檢測結果符合要求，達到了預期防腐效果，見表4。

表3 箱梁硅烷浸漬檢測效果Table3 Resultsof silicane imp regnation teston box girders

4 結語

在港珠澳大橋東人工島非通航孔橋的混凝土防腐蝕體系中，由外到內采用了防腐耐磨涂層、硅烷浸漬、高耐久性混凝土和不銹鋼鋼筋相結合的防腐措施，形成了保護鋼筋混凝土的4道“關卡”，減輕其對鋼筋的腐蝕。同時，經相關檢測，各道工序的施工間隔時間合理，混凝土養護14 d后進行硅烷浸漬，硅烷浸漬后7 d進行防腐涂裝，不影響各“關卡”的效果，有效保證了橋梁結構在高腐蝕性的海洋環境中的耐久性和使用性能，提高了橋梁的使用壽命，降低維護和維修成本，取得了良好的社會和經濟效益。

表4 箱梁涂裝厚度及拉拔強度檢測Table4 Testing of thicknessand d raw ing strength of coating on box bridge

[1]蘇林王，王友元，蕭澎偉，等.海工鋼筋混凝土結構銹裂寬度與銹蝕率的關系及其對黏結力的影響[J].中國港灣建設，2011（3）:5-8.

SU Lin-wang,WANG You-yuan,XIAOPeng-wei,etal.Relationship between crack width and corrosion ratio in marine concrete structuresand itseffectson cohesive force[J].China Harbour Engineering,2011(3):5-8.

[2]中交港珠澳大橋島隧工程項目總經理部實驗室.混凝土抗氯離子擴散系數（RCM法）試驗報告[R].2014.

Testing Laboratory under CCCC HZMB Island-Tunnel General Project Management.Test report on concrete resistance to chloride ion diffusion coefficient(RCMmethod)[R].2014.

[3]中交港珠澳大橋島隧工程項目總經理部.墩身養護14 d后進行噴涂硅烷浸漬工作的事宜[R].2013.

CCCCHZMB Island-Tunnel General Project Management.Issues on app lication of silicane for impregnation after curing of 14 d of piers[R].2013.

[4]JTJ275—2000，海港混凝土結構防腐蝕技術規范[S]. JTJ 275—2000,Corrosion prevention technical specification for concretestructuresofmarine harborengineering[S].

[5]廣東產品質量監督檢驗研究院.硅烷浸漬混凝土芯樣檢驗報告[R].2014.

Guangdong Product Quality Supervision and Inspection Institute. Reporton testing of core specimensof concrete immersed in silane [R].2014.

Corrosion protection systeMfor reinforced concrete of non-navigable bridge spans in sp lash zone at east artificial island for Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge

SONGZi-peng,MORi-fa
（No.2Engineering Co.,Ltd.of CCCCThird Harbor Engineering Co.,Ltd.,Shanghai200122,China）

The non-navigable bridge spansat the eastartificial island,totaling 386.25m,are partof the Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge,which is a cast-in-place concrete structure with a design service life of 120 years.Based on the engineering practice,the paper introduces the corrosion protection systeMfor the reinforced concrete of non-navigable bridge spans at the eastartificial island and the construction process isanalyzed and summarized to provide reference for similar projects.

corrosion protection systeMfor reinforced concrete；high durability concrete；stainless steel bar

U654；U445.73

A

2095-7874（2016）07-0033-04

10.7640/zggw js201607010

2016-05-19

宋子鵬（1987—），男，廣西貴港人，助理工程師，港口航道與海岸工程專業。E-mail:771516670@qq.com