東海大橋結(jié)構(gòu)混凝土耐久性策略
2005-01-09 00:00
一、前言
上海為了建設(shè)全國乃至世界的物流中心和開發(fā)海洋自然資源，海洋工程的發(fā)展十分迅速。上海深水港的建設(shè)已為世人矚目，對上海經(jīng)濟持續(xù)高速發(fā)展將起到十分重要的拉動作用。作為上海深水港重要組成之一的東海大橋南起浙江崎嶇列島小洋山島的深水港區(qū)，北至上海南匯蘆潮港的海港新城，跨越杭州灣北部海域，全長31公里，是我國較為罕見的大型海洋工程。
由于東海大橋是連接港區(qū)和大陸的集裝箱物流輸送動脈，對上海深水港的正常運轉(zhuǎn)起到不可或缺的支撐保障作用，因此在國內(nèi)首次采用100年設(shè)計基準(zhǔn)期，可謂世紀(jì)工程。然而我國目前大型海洋工程超長壽命服役的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范尚為空白，這對于研究、設(shè)計和建設(shè)方面來說無疑是一個嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，必須對大橋主體結(jié)構(gòu)的耐久性進行科學(xué)的研究，提出可行的策略方案
二、 東海大橋混凝土結(jié)構(gòu)布置和耐久性設(shè)計背景
1、東海大橋混凝土結(jié)構(gòu)布置
東海大橋跨海段通航孔部分預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁、橋塔、墩柱和承臺均采用現(xiàn)澆混凝土；非通航孔部分以預(yù)制混凝土構(gòu)件為主，其中50～70m的預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁是重量超過1000噸的巨型構(gòu)件；陸上段梁、柱和承臺亦采用現(xiàn)澆混凝土?；炷恋脑O(shè)計強度根據(jù)不同部位在C30～C60之間。
(照片)
2、東海大橋附近海域氣象環(huán)境
東海大橋地處北亞熱帶南緣、東北季風(fēng)盛行區(qū)，受季風(fēng)影響冬冷夏熱，四季分明，降水充沛，氣候變化復(fù)雜，多年平均氣溫為15.8℃，海區(qū)全年鹽度一般在10.00～32.00‰之間變化，屬強混合型海區(qū)，海洋環(huán)境特征明顯。
3、東海大橋面臨的耐久性問題
在海洋環(huán)境下結(jié)構(gòu)混凝土的腐蝕荷載主要由氣候和環(huán)境介質(zhì)侵蝕引起。主要表現(xiàn)形式有鋼筋銹蝕、凍融循環(huán)、鹽類侵蝕、溶蝕、堿-集料反應(yīng)和沖擊磨損等。
東海大橋位于典型的亞熱帶地區(qū)，嚴(yán)重的凍融破環(huán)和浮冰的沖擊磨損可不予考慮；鎂鹽、硫酸鹽等鹽類侵蝕和堿骨料反應(yīng)破壞則可以通過控制混凝土組分來避免；這樣鋼筋銹蝕破環(huán)就成為最主要的腐蝕荷載。
混凝土中鋼筋銹蝕可由兩種因素誘發(fā)，一是海水中Cl-侵蝕，二是大氣中的CO2使混凝土中性化。國內(nèi)外大量工程調(diào)查和科學(xué)研究結(jié)果表明，海洋環(huán)境下導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋銹蝕破壞的主要因素是Cl-進入混凝土中，并在鋼筋表面集聚，促使鋼筋產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕。筆者在東海大橋周邊沿海碼頭調(diào)查中亦證實，海洋環(huán)境中混凝土的碳化速度遠遠低于Cl-滲透速度，中等質(zhì)量的混凝土自然碳化速度平均為3mm/10年。因此，影響東海大橋結(jié)構(gòu)混凝土耐久性的首要因素是混凝土的Cl-滲透速度。
三、提高海工混凝土耐久性的技術(shù)措施
國內(nèi)外相關(guān)科研成果和長期工程實踐調(diào)研顯示，當(dāng)前較為成熟的提高海洋鋼筋混凝土工程耐久性的主要技術(shù)措施有：
（1） 高性能海工混凝土
其技術(shù)途徑是采用優(yōu)質(zhì)混凝土礦物摻和料和新型高效減水劑復(fù)合，配以與之相適應(yīng)的水泥和級配良好的粗細(xì)骨料，形成低水膠比，低缺陷，高密實、高耐久的混凝土材料。高性能海工混凝土較高的抗氯離子滲透性為特征,其優(yōu)異的耐久性和性能價格比已受到國際上研究和工程界的認(rèn)同。
（2）提高混凝土保護層厚度
這是提高海洋工程鋼筋混凝土使用壽命的最為直接、簡單而且經(jīng)濟有效的方法。但是保護層厚度并不能不受限制的任意增加。當(dāng)保護層厚度過厚時，由于混凝土材料本身的脆性和收縮會導(dǎo)致混凝土保護層出現(xiàn)裂縫反而削弱其對鋼筋的保護作用。
（3）混凝土保護涂層
完好的混凝土保護涂層具有阻絕腐蝕性介質(zhì)與混凝土接觸的特點，從而延長混凝土和鋼筋混凝土的使用壽命。然而大部分涂層本身會在環(huán)境的作用下老化，逐漸喪失其功效，一般壽命在5～10年，只能作輔助措施。
（4）涂層鋼筋
鋼筋表面采用致密材料涂覆，如環(huán)氧涂層環(huán)氧涂層鋼筋在歐美也有一定的應(yīng)用，其應(yīng)用效果評價不一。主要不利方面是，環(huán)氧涂層鋼筋與混凝土的握裹力降低35％，使鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的整體力學(xué)性能有所降低；施工過程中對環(huán)氧涂層鋼筋的保護要求極其嚴(yán)格，加大了施工難度；另外成本的明顯增加也是其推廣應(yīng)用受到制約。
（5）阻銹劑
阻銹劑通過提高氯離子促使鋼筋腐蝕的臨界濃度來穩(wěn)定鋼筋表面的氧化物保護膜，從而延長鋼筋混凝土的使用壽命。但由于其有效用量較大，作為輔助措施較為適宜。
（6）陰極保護
該方法是通過引入一個外加犧牲陽極或直流電源來抑制鋼筋電化學(xué)腐蝕反應(yīng)過程從而延長海工混凝土的使用壽命。但是，由于陰極保護系統(tǒng)的制造、安裝和維護費用過于昂貴且穩(wěn)定性不高，目前在海工鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中很少應(yīng)用。
四、東海大橋結(jié)構(gòu)混凝土耐久性策略
改善混凝土和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性需采取根本措施和補充措施。根本措施是從材質(zhì)本身的性能出發(fā)，提高混凝土材料本身的耐久性能，即采用高性能混凝土；再找出破壞作用的主次先后,對主因和導(dǎo)因?qū)ΠY施治，并根據(jù)具體情況采取除高性能混凝土以外的補充措施。而二者的有機結(jié)合就是綜合防腐措施。大量研究實踐表明，采用高性能混凝土是在惡劣的海洋環(huán)境下提高結(jié)構(gòu)耐久性的基本措施，然后根據(jù)不同構(gòu)件和部位，經(jīng)可能提高鋼筋保護層厚度（一般不小于50mm），某些部位還可復(fù)合采用保護涂層或阻銹劑等輔助措施，形成以高性能海工混凝土為基礎(chǔ)的綜合防護策略，有效提高大橋混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命。
因此，東海大橋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性方案的設(shè)計遵循的基本方案是：首先，混凝土結(jié)構(gòu)耐久性基本措施是采用高性能混凝土。同時，依據(jù)混凝土構(gòu)件所處結(jié)構(gòu)部位及使用環(huán)境條件，采用必要的補充防腐措施，如內(nèi)摻鋼筋阻銹劑、混凝土外保護涂層等。在保證施工質(zhì)量和原材料品質(zhì)的前提下，混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性將可以達到設(shè)計要求。
對于具體工程而言，耐久性方案的設(shè)計必須考慮當(dāng)?shù)氐膶嶋H情況——如原材料的可及性、工藝設(shè)備的可行性等，以及經(jīng)濟上的合理性。也就是說應(yīng)該采取有針對性的，因地制宜的綜合防腐方案。
根據(jù)設(shè)計院提出的東海大橋主要部位構(gòu)件的強度等級要求、構(gòu)件的施工工藝和環(huán)境條件，對各部位混凝土結(jié)構(gòu)提出具體的耐久性方案。下表1為海上段部分混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性方案。
表1 東海大橋海上段混凝土結(jié)構(gòu)耐久性方案
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結(jié)構(gòu)部位 |
海洋環(huán)境分類 |
保護層厚度mm |
混凝土強度等級 |
混凝土品種 |
輔助措施 |
備注 |
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鉆孔灌注樁 |
水下區(qū)、樁頭水位變動區(qū) |
70 |
C30 |
大摻量摻合料混凝土 |
上部為不拆除的鋼套筒 |
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承臺 |
水位變動區(qū)、浪濺區(qū) |
90 |
C40 |
高性能混凝土 |
水位變動區(qū)、浪濺區(qū)部位涂防腐蝕涂層 |
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墩柱 |
水位變動區(qū)、浪濺區(qū) |
70 |
C40 |
高性能混凝土 |
水位變動區(qū)、浪濺區(qū)部位涂防腐蝕涂層 |
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箱梁 |
大氣區(qū) |
40 |
C50 |
高性能混凝土 |
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橋面板 |
大氣區(qū) |
40 |
C60 |
高性能混凝土 |
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塔柱 |
下部為水位變動區(qū)、浪濺區(qū)，上部為大氣區(qū) |
70 |
C50 |
高性能混凝土 |
水位變動區(qū)、浪濺區(qū)部位涂防腐蝕涂層 |
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五．結(jié)語
高性能海工混凝土的關(guān)鍵原材料高性能海工混凝土摻合料和新一代聚羧酸鹽高效減水劑在上海均已有批量生產(chǎn)，使得以高性能海工混凝土為基礎(chǔ)的綜合防護策略的實施成為可能。另外，相似方案在國外同類跨海橋梁中亦有應(yīng)用先例，具有一定的可靠性。
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