東海大橋結構混凝土耐久性策略
2005-01-09 00:00
一、前言
上海為了建設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年設計基準期，可謂世紀工程。然而我國目前大型海洋工程超長壽命服役的相關標準規(guī)范尚為空白，這對于研究、設計和建設方面來說無疑是一個嚴峻的挑戰(zhàn)，必須對大橋主體結構的耐久性進行科學的研究，提出可行的策略方案
二、 東海大橋混凝土結構布置和耐久性設計背景
1、東海大橋混凝土結構布置
東海大橋跨海段通航孔部分預應力連續(xù)梁、橋塔、墩柱和承臺均采用現(xiàn)澆混凝土；非通航孔部分以預制混凝土構件為主，其中50～70m的預應力混凝土箱梁是重量超過1000噸的巨型構件；陸上段梁、柱和承臺亦采用現(xiàn)澆混凝土?；炷恋脑O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、東北季風盛行區(qū)，受季風影響冬冷夏熱，四季分明，降水充沛，氣候變化復雜，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)境下結構混凝土的腐蝕荷載主要由氣候和環(huán)境介質侵蝕引起。主要表現(xiàn)形式有鋼筋銹蝕、凍融循環(huán)、鹽類侵蝕、溶蝕、堿-集料反應和沖擊磨損等。
東海大橋位于典型的亞熱帶地區(qū)，嚴重的凍融破環(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)外大量工程調查和科學研究結果表明，海洋環(huán)境下導致混凝土結構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)生電化學腐蝕。筆者在東海大橋周邊沿海碼頭調查中亦證實，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，影響東海大橋結構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措施
國內(nèi)外相關科研成果和長期工程實踐調研顯示，當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措施有：
（1） 高性能海工混凝土
其技術途徑是采用優(yōu)質混凝土礦物摻和料和新型高效減水劑復合，配以與之相適應的水泥和級配良好的粗細骨料，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用，其應用效果評價不一。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％，使鋼筋混凝土結構的整體力學性能有所降低；施工過程中對環(huán)氧涂層鋼筋的保護要求極其嚴格，加大了施工難度；另外成本的明顯增加也是其推廣應用受到制約。
（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腐蝕反應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構中很少應用。
四、東海大橋結構混凝土耐久性策略
改善混凝土和鋼筋混凝土結構耐久性需采取根本措施和補充措施。根本措施是從材質本身的性能出發(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,對主因和導因對癥施治，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)境下提高結構耐久性的基本措施，然后根據(jù)不同構件和部位，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的綜合防護策略，有效提高大橋混凝土結構的使用壽命。
因此，東海大橋混凝土結構的耐久性方案的設計遵循的基本方案是：首先，混凝土結構耐久性基本措施是采用高性能混凝土。同時，依據(jù)混凝土構件所處結構部位及使用環(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。在保證施工質量和原材料品質的前提下，混凝土結構的耐久性將可以達到設計要求。
對于具體工程而言，耐久性方案的設計必須考慮當?shù)氐膶嶋H情況——如原材料的可及性、工藝設備的可行性等，以及經(jīng)濟上的合理性。也就是說應該采取有針對性的，因地制宜的綜合防腐方案。
根據(jù)設計院提出的東海大橋主要部位構件的強度等級要求、構件的施工工藝和環(huán)境條件，對各部位混凝土結構提出具體的耐久性方案。下表1為海上段部分混凝土結構的耐久性方案。
表1 東海大橋海上段混凝土結構耐久性方案
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結構部位 |
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．結語
高性能海工混凝土的關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用先例，具有一定的可靠性。
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