混凝土結構耐久性關鍵技術——腐蝕環境調研及結構耐久性評估

鮮　榮， 李彥兵， 代希華

(廣東省公路建設有限公司， 廣東廣州 511447)

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混凝土結構耐久性關鍵技術
——腐蝕環境調研及結構耐久性評估

鮮榮， 李彥兵， 代希華

(廣東省公路建設有限公司， 廣東廣州 511447)

【摘要】虎門二橋設置了兩座超大跨度懸索橋，工程地處珠江入海口近海環境中,受淤泥、咸淡水、亞熱帶海洋氣候、車輛廢氣、外部荷載等綜合作用下，混凝土結構容易加速劣化，如何保證100年的設計使用壽命，成為急需解決的關鍵技術難題之一。通過對工程區域的自然環境進行調研，獲取包括氣溫、降雨、風、潮汐等在內的氣象水文地質資料,測試該水域水體中等腐蝕介質含量及pH值，監測類似工程環境中CO2濃度。同時在對類似環境的虎門大橋的墩柱、索塔等混凝土構件耐久性調查工作的基礎上，開展腐蝕環境調研及耐久性評估，為虎門二橋混凝土耐久性設計、配合比、模板、施工工藝研究提供依據。

【關鍵詞】虎門二橋；混凝土結構；腐蝕環境；耐久性；評估

1工程概況

虎門二橋設置兩座超千米級大跨度懸索橋，引橋為30～62.5 m預應力混凝土橋(圖1),設計壽命為100年。主塔承臺(圖2、圖3)、邊跨水中墩的浪濺區，受咸淡水作用已發生混凝土結構腐蝕。

圖1　項目概況

圖2　主塔基礎1

圖3　主塔基礎2

本工程地處珠江入海口，水系發達，河網密布，徑流量變幅大，淤積嚴重,淤泥中含有多種腐蝕介質。大沙、坭洲水道又均為潮汐水道，受徑流作用和潮汐作用的共同影響，隨海水潮位高低的不同，水體內氯鹽含量發生較大幅度的變化，該水域屬中等強度腐蝕性咸淡水交接近海環境。與此同時，作為過江通道工程，日益增長的車流量和重載、超載車輛的通行，在增大環境中二氧化碳濃度的同時，也給橋梁結構帶來繁重的外部荷載。加上華南亞熱帶海洋性季風氣候終年溫暖濕潤、雨量充沛，高溫、高濕的氣象環境易加速混凝土的劣化。如何保證工程達到100 年的設計使用壽命，成為急需解決的關鍵技術難題之一。

工程所處珠江入海口可能存在以下幾種腐蝕情況：(1)咸淡水交接環境中的氯鹽腐蝕；(2)交通車輛尾氣引起的混凝土結構碳化；(3)水域潛在的硫酸鹽等化學侵蝕；(4)高溫、高濕的氣象環境及超載車輛引起的耐久性加速劣化等。這些因素都有可能影響工程結構壽命，但影響程度有所不同，因此需根據構件類型及所處環境中的腐蝕介質成分及含量進行詳細評估。

2腐蝕環境調研及結構耐久性評估

2.1腐蝕環境調研

與混凝土耐久性相關的環境條件包括工程區域內的氣象、水文、地質及水質條件。氣象條件主要包括大氣環境的溫度、濕度、風；水文條件主要包括水體成分、潮汐；地質條件包括地層分布、土質巖層條件等；水質條件包括氯離子、硫酸鹽、pH 值等。

2.1.1水質調研

工程地處珠江入海口近海水域，地表水質受潮汐影響嚴重，具有咸淡水交接的特點，腐蝕介質含量隨廣州港潮位的不同而改變，以下分別對豐水季節和枯水季節的水質進行分析，指標變化范圍如表1所示。

表1　水質分析

根據GB/T 50476-2008《混凝土結構耐久性設計規范》[1]，水中氯離子濃度高低劃分為： 100～500 mg/L較低； 500～5000 mg/L較高； >5000 mg/L高。地表水中腐蝕介質的平均含量低于海水，變化范圍介于175.1～841.2 mg/L，水中氯離子濃度屬于規范中“較低”至“較高”級別。

2.1.2二氧化碳濃度監測

大橋上通行的車輛排出的尾氣會提高橋梁周圍局部的CO2濃度，導致混凝土碳化速度加快[2]。由于虎門大橋與本工程地理位置較近，環境及交通量具有一定可比性，因此認為虎門大橋與本工程環境中CO2濃度變化規律一致(圖4、圖5)。

由圖5可知，對于橋面區而言，白天CO2濃度由449 mL/m3上升到598 mL/m3，夜晚逐漸回落至清晨水平。假設該曲線為拋物線，可推斷該區域24 h 內CO2濃度均值為547 mL/m3。水面區CO2濃度基本不隨時間及位置而改變，基本維持在575 mL/m3左右，比大氣中的平均濃度高40%左右。

2.1.3工程區域酸雨調研

圖4　虎門大橋空氣溫度及CO2濃度進行監測過程

(a)橋面　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(b)水面圖5　空氣CO2濃度監測

有關數據表明：廣東省城市降水pH 均值范圍在4.47(廣州)～6.37(河源)之間，廣州、深圳、佛山、江門、茂名、肇慶、惠州、東莞和中山等9 個城市屬于重酸雨區。其中，廣州2012年的酸雨pH 值為4.47，是全省“最酸”，酸雨頻率為77.8%。

2.2類似工程混凝土結構耐久性調研

1997年5月1日建成通車的虎門大橋，橋梁結構及服役環境與本工程相似。2000 年已對其進行耐久性檢測，在此基礎上于2010 年重新開展虎門大橋實體混凝土結構耐久性檢測與評估，兩次調查數據的比較對研究此環境下的混凝土耐久性自然劣化規律具有較好的指導意義。

2.2.1大橋所屬環境及相關技術指標

工程所處的環境與虎門大橋非常相似，均屬典型的亞熱帶氣候，氣象及水文資料十分類似，但由于虎門大橋離珠江口更近，氯離子含量高達4 650 mg/L，較工程所在地175.1～841.2 mg/L 高。

2.2.2橋梁外觀對比

(a)索塔　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(b)承臺圖6　虎門大橋外觀

2000 年調查結果顯示西引橋22#～37#墩柱中80%箍筋銹蝕外露，混凝土開裂、剝落，有的墩柱在一定高度范圍內連續數根箍筋均出現順筋裂紋，混凝土外觀密實性較差，局部地方有砂斑、砂線，甚至骨料外露，用鐵錘敲擊開裂處的混凝土，箍筋表面均已銹蝕。而對于包括墩柱、索塔、錨體、T 梁、箱梁等在內的其它構件進行目測觀察，除發現個別墩柱局部有鋼筋銹蝕，混凝土開裂剝落外，其余構件外觀良好，未發現鋼筋銹蝕。2010 年調研結果顯示，虎門大橋的索塔、承臺等主要混凝土構件均采用不同的涂層防腐措施，混凝土無剝離露筋等缺陷，外觀良好(圖6)。由此可知涂層能夠有效阻止外界有害物質的入侵，對延長結構使用壽命具有積極作用。

2.2.3混凝土保護層厚度測定

由表2數據顯示，兩次檢測結果具有明差異，2010 年檢測的索塔及錨體混凝土保護層厚度特征值均大于2000 年檢測結果。這可能有兩個原因：(1)不同構件保護層厚度的施工偏差較大；(2)使用3 年時虎門大橋混凝土出現劣化破損，在此期間對橋梁的重要構件進行維修加固，并外涂防腐涂層，因此保護層厚度有所增大。

表2　混凝土保護層厚度檢測結果統計　mm

2.2.4混凝土碳化深度及回彈強度測試

依據相關規范，選取一定數量的測區進行碳化深度測量，同時采用回彈法對構件混凝土強度進行檢測，根據回彈值、碳化深度與混凝土強度之間的換算關系得到測區混凝土強度值(表3)。兩次檢測數據的可比性較差，主要原因是2000 年檢測后，對橋梁的重要構件進行維修加固，并進行了涂層防腐。

2.2.5混凝土氯離子滲透擴散情況檢測

在混凝土構件不同區域鉆芯取樣，進行氯離子含量滴定，用以表征混凝土構件氯離子滲透情況(表4)。

由表4可知，2000 年檢測的西引橋墩柱各層粉樣中的氯離子濃度均較小，即使是表面0～20 mm 范圍內的氯離子濃度也未超過臨界濃度0.10%。而在2010年虎門大橋受檢的混凝土構件中，錨體、索塔和墩柱的各層粉樣中，氯離子濃度均遠小于臨界濃度0.10%，承臺41～50 mm 層粉樣中的氯離子濃度也小于臨界濃度0.05%。因此這兩次檢測結果結合鋼筋電位腐蝕數據可以說明，采用防腐涂層保護的構件，受氯離子侵蝕而導致鋼筋銹蝕較小。

表3　虎門大橋混凝土構件回彈強度及碳化深度統計

2.3基于環境作用的工程耐久性評估

虎門大橋周圍空氣中CO2比大氣中平均濃度高很多，且CO2濃度隨著時間的推移不斷增大，混凝土碳化是一個越來越嚴峻的問題。虎門大橋處于咸淡水交替環境，氯離子侵蝕也是影響結構耐久性的主要因素。因此，混凝土結構耐久性劣化的主導因素是碳化與氯離子侵蝕的交互式作用。由上述分析可以推斷處于相似環境下的工程混凝土結構的環境作用類別劃分和腐蝕等級如表5所示。

按照GB/T 50476-2008《混凝土結構耐久性設計規范》，根據各構件所處環境、耐久性極限狀態及設計使用年限，確定了構件的最大水膠比和最小保護層厚度，耐久性關鍵參數如表6所示。

3結論

(1)虎門大橋各構件混凝土保護層厚度實測均值小于設計規定值；在沒有防腐涂層的保護下，虎門大橋部分混凝土構件僅使用3 年就在CO2與氯離子的相互作用下出現裂紋，甚至沿箍筋順筋方向開裂，采用涂層防腐部位未發現鋼筋腐蝕。虎門大橋耐久性關鍵參數及破壞形式的調研結果，可供工程的耐久性設計參考。

表4　不同深度混凝土氯離子檢測結果匯總　占混凝土質量%

表5　工程環境作用類別劃分與腐蝕作用等級

表6　工程混凝土構件耐久性控制關鍵參數

(2)工程處于咸淡水交匯區域，水中氯離子介于GB/T 50476-2008 《混凝土結構耐久性設計規范》中“較低”至“較高”范圍，大橋周圍CO2濃度比大氣平均濃度高40%，氯離子和碳化是鋼筋銹蝕的主要誘因。

(3)根據工程環境類別及腐蝕作用等級，劃分了索塔、箱梁、錨體、墩柱、承臺、樁基所處的腐蝕環境及作用等級。

(4)依據大橋100 年設計使用年限的要求，初步確定了以鋼筋開始發生銹蝕為大橋混凝土結構的耐久性極限狀態，給出了混凝土最大水膠比、保護層最小厚度等耐久性關鍵參數。

參考文獻

[1]GB/T 50476-2008 混凝土結構耐久性設計規范[S].

[2]李果, 袁迎曙, 耿歐. 氣候條件對混凝土碳化速度的影響[J]. 混凝土, 2004(11):49-51.

【文獻標志碼】A

【中圖分類號】U445.7+1

[作者簡介]鮮榮(1980～)，男，博士，研究方向為橋梁與隧道工程，從事橋梁抗風抗振及建設管理工作。

[基金項目]廣東省交通運輸廳科技項目(2011-02-39)

[定稿日期]2014-10-08