寧波舟山港主通道混凝土結構耐久性評估與維護技術

李 樂，方明山，王俊杰，李全旺，李克非

（1.清華大學 土木工程系，北京 100084；2.浙江省交通投資集團公司，浙江 杭州 310020）

寧波舟山港主通道工程位于舟山群島，跨越灰鱉洋海域，由富翅至岑港段（2.29 km）、岑港至雙合段（25.67 km）、魚山支線（8.82 km）三段組成，工程總投資約163億元。海域主線橋長17.84 km，包括3個通航孔橋和4 個非通航孔橋。工程整體的設計使用年限為100 年，工程于2015—2017 年完成初步設計，已于2021年12月全線建成通車。如何確保結構在100年的設計使用年限內安全可靠地運行，是工程運營階段面臨的技術難題之一。

混凝土是暴露于現場腐蝕環境中的工程材料，在耐久性設計中規定的指標要通過具體的施工過程與工藝來實現。耐久性指標多為硬化混凝土性能指標，由于施工過程中的不確定性，導致施工現場澆筑的實體混凝土構件的耐久性能與設計預期目標存在差別［1-2］。在100年的結構使用周期中，外界荷載、環境變化、材料自身離散性、材料性能劣化等都會增大耐久性的不確定性，導致構件的耐久性失效過程與耐久性設計階段的預想存在差距［3-4］。

在耐久性設計之初，從混凝土材料層次上對各種破壞形式的劣化機理和對策、耐久性測試和評定標準、劣化狀態識別等方面有充分的調研和研究積累［5-7］。由于施工過程和運營過程的不確定性，會造成混凝土結構與材料耐久性研究層次和工程應用的脫節［8］，需要通過工程實施過程中耐久性控制、利用工程耐久性測試結果檢驗耐久性設計目標的實現程度，以及對已交付的暴露于實際環境的實體工程進行耐久性評估。這里全面整理了混凝土與實體構件耐久性參數，建立施工階段實體構件耐久性評估模型，結合施工階段的耐久性措施，進行了實體構件耐久性評估，計算了實際服役環境條件下混凝土結構構件的耐久性可靠指標，為工程運營期的評估與維護提供依據。

1 耐久性設計與實施

1.1 環境數據

寧波舟山港主通道工程位于浙江東北部沿海海域，氣候上屬亞熱帶季風氣候［9］：年平均氣溫16.0 ℃～16.5 ℃；年平均相對濕度80%；年平均海霧日30 d左右，且有明顯的季節變化；常年盛行風向以西北風和東南風為主，季節性變化明顯；海域橋梁工程區內月平均風速都在4 m/s以上，年平均風速在4.7～6.8 m/s之間。水文數據分析表明，工程橋址區100 年重現期設計高潮位為3.56 m，設計低潮位為?2.41 m，潮差設計值為4.07 m。水質分析表明，海水水化學類型為Cl-Na 型，海水中Cl-含量為10 700～17 020 mg/L，SO42-含量為1 140～2 260 mg/L，漲潮時海水中的Cl-、SO42-等含量比落潮時高20%以上；鹽度季節變化明顯，夏季平均鹽度介于25.050‰～26.845‰之間，冬季平均鹽度介于23.632‰～24.773‰之間。

1.2 耐久性設計

寧波舟山港主通道整體設計使用年限為100 年［9］。根據構件的重要性，確定主要受力構件和難以維護構件的設計使用年限為100 年。選取海洋氯離子侵入引起的鋼筋銹蝕過程為耐久性設計的控制過程［10-11］，鋼筋表面脫鈍狀態作為主要受力構件的耐久性極限狀態。根據該極限狀態的定義，鋼筋表面氯離子濃度不得超過其閾值，否則判定結構失效［12］。

根據混凝土結構的設計使用年限、環境類別及作用等級進行耐久性初步設計，設計控制指標為混凝土最低強度等級、最大水膠比、最小保護層厚度、膠凝材料用量范圍及混凝土的氯離子擴散系數［9］，如表1 所示。混凝土（C50及以下）用水量不超過155 kg/m3；粗骨料采用多級配或連續級配，樁基粗骨料最大粒徑不大于25 mm，墩身、承臺最大粒徑不大于32 mm；細骨料選用中砂，樁基細骨料細度模數控制在2.3～2.8之間，承臺細骨料細度模數控制在2.6～2.9 之間，墩身細骨料細度模數控制在2.6～3.1 之間。混凝土結構表面裂縫寬度按0.15 mm 控制。初步設計階段的結構耐久性設計規定了混凝土的基本要求，后續的詳細設計會在此基礎上采取不同的附加措施。最終耐久性設計的可靠指標需要在詳細設計方案確定后進行最后評估。

表1 寧波舟山港主通道海域橋梁混凝土結構的耐久性控制指標要求Tab.1 Durability requirements for RC elements of sea bridges in NZPMC project

1.3 耐久性實施方案

施工圖設計階段，設計單位在耐久性初步設計的基礎上，針對各混凝土結構和構件進行了結構混凝土耐久性設計和針對構件暴露部位耐久性附加措施的設計。依據舟山港主通道施工圖設計階段的資料［13］和詳細設計階段的技術資料［9］，以某標段非通航孔橋為例，將混凝土結構構件的耐久性措施整理成表格，如表2 所示。表2 列出了混凝土結構的主要構件，這些構件設計使用年限均為100 年，暴露環境分別為海洋環境的大氣區、浪濺區、水位變動區（水變區）、水下區及泥下區［13-14］，對應的耐久性極限狀態為鋼筋表面脫鈍。

表2 某標段非通航孔橋構件耐久性措施實施方案Tab.2 Durability design and implementations for RC elements of one non?navigable bridge

2 耐久性評估模型

2.1 氯離子侵入過程模型

海洋環境中氯離子在混凝土中的侵入過程采用工程中廣泛使用的Fick 第二定律來描述［15-16］，耐久性極限狀態為鋼筋表面脫鈍，評估方程為：

式中：Ccr是鋼筋銹蝕的臨界氯離子濃度，%；Cs為混凝土表面氯離子濃度，%；C0為混凝土中氯離子初始含量，%；erf為誤差函數；xd為混凝土保護層厚度，m；DCl為表觀氯離子擴散系數，m2/s；tSL為設計使用年限。通常在暴露條件下混凝土的表觀氯離子擴散系數隨時間呈指數衰減規律：

由上，氯離子侵入模型包括5 個模型參數Ccr，Cs，xd，D0Cl，η（n）。參數取值與混凝土結構的服役環境及材料組成有很大關系。為了保證寧波舟山港主通道工程氯離子侵入模型計算的準確性，需要結合工程的環境條件和混凝土材料組成來確定這些參數。由于同期開展的舟山港主通道耐久性暴露試驗站的長期監測數據還在獲取中，部分參數分析借鑒了港珠澳大橋耐久性設計的模型參數及其統計特征［18-20］。

表3 列出了氯離子侵入過程耐久性評估參數的統計特征。表面氯離子濃度符合對數正態分布；臨界氯離子濃度在大氣區服從對數正態分布，在浪濺區、水變區和水下區服從Beta分布；氯離子擴散系數服從對數正態分布；其齡期衰減指數服從正態分布。

表3 氯離子侵入模型參數的統計特征Tab.3 Statistical properties for model parameters of chloride ingress

2.2 耐久性附加措施模擬

1）硅烷浸漬

橋墩和承臺表面采用了硅烷浸漬的防腐措施。硅烷浸漬可以封閉混凝土表面的開放孔隙，本身可以使混凝土表面達到憎水效果；宏觀上可減緩氯離子在混凝土表面的聚集、延遲氯離子到達鋼筋表面的時間，從而提高結構耐久性，延長氯離子環境鋼筋混凝土構件使用壽命［21-22］。但是硅烷是有機材料，其自身會在暴露環境中隨時間老化、分解，其有效作用期限一般認為在7 至20 年之間［23-24］。在暴露試驗條件下，對進行了表面硅烷浸漬處理的混凝土氯離子隔離效果的研究發現，表面硅烷浸漬雖然能夠大幅度降低外部氯離子的侵入，但并不能完全屏蔽外部氯離子向混凝土內部的遷移［25］。在美國ACI-365 委員會提出的Life-365 模型中，認為表面防腐措施能夠延遲氯離子在混凝土表面聚集約10 年的時間［26］。因此這里將硅烷浸漬對氯離子的侵入過程簡單延遲10 年，即混凝土結構暴露在外部環境的時間，由于硅烷浸漬的作用，減少了10 年，即：（tSL-10）。

從工程觀測可知，混凝土表觀氯離子擴散系數隨時間有明顯降低，而且在最初5 年內下降較為明顯［27］。如果在此期間，混凝土表面得到了很好的保護（如硅烷浸漬），則在氯離子侵入過程延后開始時，相應的混凝土氯離子擴散系數應該已經顯著地降低了。因此，這里將硅烷的作用簡單歸結為10年的延遲作用是偏于保守的處理方法。

2）環氧涂層鋼筋

鋼筋表面覆蓋環氧涂層后，其與外界侵蝕性介質的接觸受到了涂層的物理阻隔，因此在理想狀況下，表面100%被環氧涂層覆蓋的鋼筋抗銹蝕能力將得到提高［28］。但是，美國的工程經驗表明，環氧涂層在實際工程使用過程中表面由于操作造成損傷不可避免。如果損傷表面積達到5%，則鋼筋對銹蝕的抵抗能力與普通無涂層鋼筋相同，如果損傷表面積控制在0.004%以內，則涂層鋼筋的抗銹蝕能力顯著增強［26］；同時涂層對鋼筋銹蝕率也有明顯影響，對銹蝕率的控制也和涂層的破損率有關。

美國ACI-365 委員會的Life-365 模型中指出［26］：環氧涂層不會影響氯離子侵入的過程，在環氧涂層破壞處也不會改變鋼筋發生銹蝕的臨界氯離子濃度，且環氧涂層會減緩鋼筋銹蝕的速度。對于本項目的混凝土結構耐久性評估，評估模型采用Fick 定律來描述氯離子在混凝土本體保護層中的侵入過程，耐久性極限狀態為氯離子侵入引起的鋼筋脫鈍，與銹蝕發展無關，因此在后續分析中，耐久性模型將不考慮環氧涂層對氯離子遷移和鋼筋脫鈍的影響。

3）混凝土防腐阻銹劑

混凝土防腐阻銹劑主要用在承臺及位于浪濺區范圍內（標高+7.00 m 以下）的橋墩墩身混凝土，以有效提高混凝土的海水耐蝕性。混凝土防腐阻銹劑的摻量為膠凝材料用量的6%。文中將不考慮防腐阻銹劑對氯離子遷移和鋼筋脫鈍的影響，是偏于保守的處理方法。

3 耐久性實測參數統計規律

混凝土保護層厚度和氯離子擴散系數為寧波舟山港主通道混凝土結構耐久性設計的基本參數，為了進行耐久性評估，保護層厚度進行了現場實測數據統計規律分析。圖1 分別給出了橋梁段預制構件和現澆構件保護層厚度的現場檢測數據，其中預制構件統計了3 080 個測點，現澆構件統計了3 960 個測點。假設統計參數具有代表性，通過相應的分析可以建立典型保護層厚度的統計分布特征；分析表明，保護層厚度服從正態分布，預制構件和現澆構件保護層厚度的標準差分別為1.6 mm和3.0 mm。

圖1 保護層厚度現場檢測數據Fig.1 Statistical properties for concrete cover thickness

表4 某標段非通航孔橋混凝土構件耐久性評估參數Tab.4 Concrete cover thickness and quality of RC elements of one non?navigable bridge

4 耐久性評估

使用耐久性評估模型和模型參數的統計規律（表3 和表4），考慮表2 中詳細的耐久性措施，采用Monte-Carlo 方法，對各個模型參數進行隨機抽樣，生成數量足夠大的樣本后，得到落在失效區域的樣本數，從而給出失效概率的估計。通常對于較小的失效概率進行Monte-Carlo 模擬，如果要保證結果的精度，會要求很大的樣本量。因此，在接下來的耐久性評估分析中，計算同一構件在指定暴露環境下某個服役年限時的失效概率，抽樣次數設定為107，服役年限步長為1 年。下面對不同暴露條件下某非通航孔橋的混凝土構件失效概率和可靠指標進行評估分析。

4.1 大氣區構件

大氣區混凝土構件的耐久性措施均為混凝土本體保護層，耐久性計算的臨界狀態為鋼筋脫鈍。圖2 分別給出了大氣區混凝土預制構件和現澆構件的失效概率計算結果。

圖2 大氣區橋梁構件時變失效概率Fig.2 Failure probability of bridge elements

現澆墩身100 年的失效概率低于10-6，耐久性可靠指標大于5.0；預制構件除了箱梁內側，大部分構件的100 年失效概率均低于0.06%，對應的100 年耐久性可靠指標在3.24 以上（表5）。按照目前對混凝土構件耐久性維護水平對應的失效概率的認識（一般認定為1%～5%），這些混凝土構件在100年內不需要進行維護。

相對耐久性較低的構件出現在箱梁內側，其耐久性可靠指標為2.47，雖滿足預定大于1.3的要求，但是可靠性裕量較低。從耐久性維護的角度，其對應的耐久性失效概率為0.68%，可以考慮對其進行有針對性的耐久性維護預案。

4.2 浪濺區/水變區構件

承臺底面的耐久性措施為混凝土本體保護層加上環氧涂層鋼筋和混凝土防腐阻銹劑。圖3和圖4分別給出了浪濺區和水變區混凝土構件失效概率的計算結果。由于耐久性計算的臨界狀態為鋼筋脫鈍，而這里不考慮環氧涂層和混凝土防腐阻銹劑對鋼筋脫鈍的延遲作用，因此在圖3 和圖4 的計算中僅保守地考慮混凝土本體保護層的效果。

圖3 浪濺區橋梁構件時變失效概率Fig.3 Failure probability of bridge cast-in-place elements in splashing zones

圖4 水變區橋梁構件時變失效概率Fig.4 Failure probability of bridge cast-in-place elements in tidal zones

除了承臺底面和鉆孔灌注樁外，浪濺區/水變區混凝土構件都采取了表面硅烷浸漬的耐久性措施。對于這些構件，其100 年耐久性可靠指標大于3.83，對應的耐久性失效概率小于0.007%；采用硅烷浸漬防腐措施也能有效提高構件的耐久性，可靠指標可增加0.3 左右；在評估中，沒有考慮環氧涂層和混凝土防腐阻銹劑對鋼筋脫鈍的有利作用，因此該評估結果為相對保守的估計。可以認為，按照既定的耐久性方案，這些構件在沒有明顯表面開裂的情況下，不需要在100年使用年限內進行耐久性維護。

4.3 水下區/泥下區構件

水下區/泥下區構件100年的耐久性失效概率很低，低于10-6，對應的可靠指標大于5.0，能夠確定鉆孔樁構件可以在100年使用年限中實現免維護。

5 使用期維護方案

在耐久性評估的定量計算結果基礎上，根據混凝土結構各個構件的耐久性失效概率確定維護的基本年限。表5給出了按照施工階段耐久性評估結果建議的混凝土構件基本維護制度。混凝土構件免維護對應的耐久性失效概率定為0.1%，對應的耐久性可靠指標為3.09。

表5中可以看出，經過前期耐久性設計和使用采用的耐久性措施，絕大部分構件在100年內免維護。應該說明，表5中的“免維護”構件為施工階段的評估結果，在構件運營中的不確定性（環境與荷載作用）會一定程度上降低構件的耐久性安全裕度；在不利的情況下可能需要維護。因此，針對“免維護”構件也需要建立一個基本維護制度，來考慮服役期中的不確定性。浪濺/水變區墩身和承臺在沒有明顯表面開裂的情況下，100年內需要進行1次表面維護，即初步定為雙向電遷移脫鹽復合表面硅烷浸漬的維護措施［32-35］。

根據時變失效概率的評估結果（圖2～4），需要維護的混凝土構件有箱梁內側，維護周期為60～65 年之間；承臺底面，維護周期在80～95 年之間（對應失效概率均為0.1%）。表5 給出的60 年周期為保守估計維護周期，方便混凝土構件維護方案統一實施。

6 結 語

建立了混凝土結構耐久性評估模型，在混凝土耐久性參數數據的基礎上，確定了不同構件和暴露條件下的耐久性參數統計規律；考慮施工階段各類混凝土構件的耐久性措施，使用全概率方法對某標段非通航孔橋的主要構件進行了耐久性評估。

1）該非通航孔橋的大多數構件100 年耐久性可靠指標都在3.09 以上。采用硅烷浸漬防腐措施能有效提高構件的耐久性，可靠指標可增加0.3左右。

2）在正常工作條件下，耐久性可靠指標相對較低的是箱梁內側。其在大氣區100年的耐久性可靠指標β為2.47，雖滿足β>1.3的要求，但是其可靠性裕量較低。從耐久性維護的角度，可以考慮對其進行有針對性的維護預案。

3）在混凝土構件施工階段耐久性評估的基礎上，提出了各類混凝土構件的基本維護制度和維護周期。大部分構件屬于免維護構件，但考慮到使用階段的不確定性因素，“免維護”構件也需要建立基本的維護制度；對于耐久性安全儲備相對較低的混凝土構件，如承臺底面，考慮浪濺作用后100年可靠指標為3.68，提出了使用期中周期性維護方案。