陳濤:杭州灣跨海大橋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性解決方案

　　介紹提綱：

　　1、工程概況

　　2、混凝土結(jié)構(gòu)耐久性總體方案

　　3、混凝土結(jié)構(gòu)耐久性基本措施

　　4、混凝土結(jié)構(gòu)耐久性附加措施

　　5、混凝土結(jié)構(gòu)耐久性監(jiān)測(cè)措施

　　6、混凝土結(jié)構(gòu)耐久性驗(yàn)證措施

　　7、幾點(diǎn)體會(huì)

　　一、工程概況

　　1.1  地理位置

　　杭州灣跨海大橋是國道主干線－沈海高速跨越杭州灣的便捷通道。大橋北起嘉興市海鹽鄭家埭，跨越寬闊的杭州灣海域后止于寧波市慈溪水路灣，全長36km。大橋建成后縮短寧波至上海間的陸路距離約 120km。

　　1.2  設(shè)計(jì)概況

　　采用雙向六車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)時(shí)速100Km/h。

　　主體工程包括：北引線、北引橋、北航道橋、中引橋、南航道橋、南引橋、南引線七大部分；其中通航孔橋長1486m，非通航孔橋長34187m，所占比例超過95%。

　　1.3  工程規(guī)模

　　全橋主要工程數(shù)量

70m預(yù)制箱梁540片

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　　1.4  建設(shè)條件

　　杭州灣地處世界三大強(qiáng)潮海灣之一，建橋條件受氣象、水文、地質(zhì)、沖刷及淺層氣等多種自然條件的影響, 施工條件惡劣，主要具有以下特點(diǎn)：

　　臺(tái)風(fēng)多

　　2004年~2007年施工期間影響杭州灣地區(qū)的臺(tái)風(fēng)多達(dá)19個(gè)。

　　潮差大

　　最大潮差7.57m，平均潮差4.65m。

　　流潮急

　　平均流速2.39m／s，實(shí)測(cè)最大流速5.16 m／s。

　　沖刷深

　　呈現(xiàn)冬沖夏淤的演變規(guī)律，施工期，南岸灘涂最大沖刷為15.5米。

　　腐蝕強(qiáng)

　　海水實(shí)測(cè)氯離子含量在5.54 g/L ～15.91 g/L之間，對(duì)結(jié)構(gòu)具有比較強(qiáng)的腐蝕作用。

　　淺層氣

　　南岸灘涂區(qū)富含淺層氣。

　　二、混凝土結(jié)構(gòu)耐久性總體方案

　　浙東沿?；炷两Y(jié)構(gòu)工程調(diào)查

　　二次調(diào)查：1994年、2000年

　　調(diào)查結(jié)果：80%以上都發(fā)生了嚴(yán)重或較嚴(yán)重鋼筋銹蝕破壞，出現(xiàn)銹蝕破壞的時(shí)間有的不到10年。

　　分析顯示，混凝土中性化、堿骨料反應(yīng)、硫酸鹽侵蝕、海洋生物及海流沖刷等并不是混凝土結(jié)構(gòu)劣化的主要原因，影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的主導(dǎo)因素是Cl-的侵蝕。

　　為保障大橋滿足百年設(shè)計(jì)使用壽命要求，由杭州灣大橋工程指揮部牽頭組織有關(guān)高校及大橋主體設(shè)計(jì)單位進(jìn)行聯(lián)合攻關(guān)，前后歷時(shí)五年，從混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕機(jī)理、混凝土原材料指標(biāo)、混凝土配合比設(shè)計(jì)原則、耐久性設(shè)計(jì)措施及施工技術(shù)規(guī)程制訂、耐久性監(jiān)測(cè)評(píng)估及驗(yàn)證等方面進(jìn)行研究，集成交通部重點(diǎn)科技項(xiàng)目、浙江省交通科技計(jì)劃項(xiàng)目、國家高科技研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）、浙江省自然科學(xué)基金等項(xiàng)目研究成果，形成成套耐久性技術(shù)，并直接應(yīng)用于大橋的混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工實(shí)踐。

　　按照離子擴(kuò)散理論FICK第二定律，混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性與混凝土本身的氯離子擴(kuò)散系數(shù)和鋼筋保護(hù)層厚度密切相關(guān)?；炷谅入x子擴(kuò)散系數(shù)越小，結(jié)構(gòu)的鋼筋保護(hù)層厚度越大，混凝土結(jié)構(gòu)的使用年限也越長。

　　因此，必須根據(jù)結(jié)構(gòu)所處的位置和腐蝕環(huán)境，區(qū)分不同侵蝕作用等級(jí)，制定不同層次的混凝土結(jié)構(gòu)耐久性措施。

　　3.基本措施

　　采用海工耐久混凝土和設(shè)置合理的鋼筋保護(hù)層厚度，作為保證大橋混凝土結(jié)構(gòu)100年設(shè)計(jì)使用年限的基本措施。

　　采用的海工耐久混凝土，主要以氯離子擴(kuò)散系數(shù)為控制參數(shù)，在原材料遴選方面，主要考慮使混凝土具備高抗氯離子擴(kuò)散能力、高抗裂性能、高工作性能。

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　　二、附加措施

　　根據(jù)不同的情況和環(huán)境采用混凝土結(jié)構(gòu)表面防腐涂裝、預(yù)應(yīng)力筋保護(hù)、滲透性控制模板、局部使用環(huán)氧鋼筋和阻銹劑以及外加電流陰極防護(hù)等附加措施。

　　三、監(jiān)測(cè)措施

　　設(shè)置預(yù)埋式耐久性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，用于長期動(dòng)態(tài)獲取耐久性參數(shù),制定本工程相應(yīng)的耐久性預(yù)案。

　　四、驗(yàn)證措施

　　建立耐久性暴露試驗(yàn)站，對(duì)上述措施進(jìn)行驗(yàn)證和參數(shù)校核，主要為后續(xù)工程提供經(jīng)驗(yàn)，也為國家規(guī)范的修訂提供第一手資料。

　　三、混凝土結(jié)構(gòu)耐久性基本措施

　　3.1海工耐久混凝土

　　海工耐久混凝土是指采用常規(guī)原材料、常規(guī)工藝、摻加礦物摻合料及化學(xué)外加劑，經(jīng)配合比優(yōu)化而制作的，在海洋環(huán)境中具有高耐久性、高穩(wěn)定性和良好工作性的高性能結(jié)構(gòu)混凝土，它以氯離子擴(kuò)散系數(shù)為核心控制指標(biāo)，采用大比例摻入礦物摻合料和低水膠比降低氯離子擴(kuò)散系數(shù)。

　　海工耐久混凝土配制原則

　　1.選用低水化熱和較低含堿量的水泥

　　2.選用高效減水劑（泵送劑），取用偏低的拌合水量

　　3.限制混凝土中膠凝材料的最低和最高用量，并盡可能降低膠凝材料中的硅酸鹽水泥用量

　　4.必須摻用粉煤灰、磨細(xì)礦渣等礦物摻和料

　　5.潮差區(qū)（E級(jí)）和浪濺區(qū)（F級(jí)）侵蝕環(huán)境的混凝土構(gòu)件應(yīng)適量加入摻入型鋼筋阻銹劑

　　6.通過適當(dāng)引氣來提高混凝土的耐久性

　　7.對(duì)混凝土拌和物中各種原材料引入的氯離子總質(zhì)量進(jìn)行控制

　　8.嚴(yán)格控制混凝土澆筑入模時(shí)的坍落度等

　　混凝土抗氯離子滲透性

　　測(cè)試方法：RCM法

　　擴(kuò)散系數(shù)：

　　海工耐久混凝土典型配合比

　　海工耐久混凝土實(shí)測(cè)性能

　　實(shí)際的混凝土配合比設(shè)計(jì)嚴(yán)格按照制定的海工耐久混凝土配制原則進(jìn)行，摻合料的用量均達(dá)到膠凝材料用量的50%以上；混凝土的基本性能和耐久性性能均達(dá)到了預(yù)期的目的，其中決定混凝土耐久性的關(guān)鍵指標(biāo)，氯離子在混凝土中的擴(kuò)散系數(shù)DRCM也很理想。

　　另外，從試驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果和實(shí)際應(yīng)用來看，海工耐久混凝土的早期抗裂性能優(yōu)于普通混凝土。

　　3.2合理的鋼筋保護(hù)層厚度

　　理論上，結(jié)構(gòu)的保護(hù)層越厚，氯離子擴(kuò)散到鋼筋表面的路徑越長，鋼筋表面氯離子積累到臨界濃度時(shí)間也越久。但是，保護(hù)層過厚會(huì)限制構(gòu)件力學(xué)性能的發(fā)揮，并且不利于對(duì)裂縫寬度進(jìn)行控制，因此，需要根據(jù)結(jié)構(gòu)部位和受力特點(diǎn)，設(shè)置合理的鋼筋保護(hù)層厚度。

　　杭州灣跨海大橋混凝土構(gòu)件鋼筋保護(hù)層厚度

　　四、混凝土結(jié)構(gòu)耐久性附加措施

　　塑料波紋管與真空輔助壓漿

　　對(duì)于預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，孔道的不密實(shí)極易造成高應(yīng)力狀態(tài)下預(yù)應(yīng)力筋的銹蝕。為增強(qiáng)預(yù)應(yīng)力孔道壓漿的密實(shí)性，提高預(yù)應(yīng)力體系的耐久性，大橋預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁采用耐腐蝕、密封性能好的塑料波紋管，配合真空輔助壓漿技術(shù)，作為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性措施之一。

　　斜管試驗(yàn)和足尺模擬試驗(yàn)：

　　采用高性能真空輔助壓漿助劑配制的漿體和配套的壓漿工藝進(jìn)行真空壓漿，孔道漿體飽滿、密實(shí)，可有效提高預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)的耐久性。

　　環(huán)氧涂層鋼筋

　　美國試驗(yàn)與材料學(xué)會(huì)調(diào)查顯示：

　　采用環(huán)氧涂層鋼筋可延長結(jié)構(gòu)使用壽命20年左右。杭州灣跨海大橋在腐蝕最為嚴(yán)重的浪濺區(qū)現(xiàn)澆墩身中采用環(huán)氧涂層鋼筋。

　　實(shí)踐表明：環(huán)氧鋼筋在運(yùn)輸和施工過程中極易損傷涂層，易導(dǎo)致鋼筋的點(diǎn)腐蝕，加速結(jié)構(gòu)耐久性下降，保證膜層完整性是環(huán)氧鋼筋有效性的關(guān)鍵。

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　　4.3  鋼筋阻銹劑

　　與普通混凝土相比，海工耐久混凝土：

　　1.使腐蝕介質(zhì)（Cl-）達(dá)到鋼筋表面的量減少；

　　2.密實(shí)的混凝土又能長期有效地保持鋼筋阻銹劑的高濃度，使阻銹劑得以長期地發(fā)揮抑制或延緩鋼筋電化學(xué)腐蝕的性能。

　　本工程水位變動(dòng)區(qū)的承臺(tái)和浪濺區(qū)的墩身使用了摻入型阻銹劑。

　　4.4  外加電流陰極防護(hù)

　　外加電流陰極保護(hù)原理：

　　通過外加電流，把電源正極連接在難溶性輔助陽極上強(qiáng)制形成陽極區(qū)；把電源負(fù)極連接在受保護(hù)的鋼筋上，強(qiáng)制形成陰極區(qū)。陽極與被保護(hù)的鋼筋處于連續(xù)的電介質(zhì)中，使被保護(hù)的鋼筋接觸電介質(zhì)的全部表面都充分而且均勻地接受自由電子，從而受到陰極保護(hù)。

　　外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)組成：

　　鈦網(wǎng)、參比電極、連接裝置、供電裝置、計(jì)算機(jī)控制、遙控監(jiān)控管理系統(tǒng)等。大橋南、北航道橋承臺(tái)、塔座及下塔柱采用了該項(xiàng)技術(shù)。

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　　4.5  滲透性控制模板

　　滲透性控制模板：

　　可以把剛?cè)肽５幕炷帘砻娑嘤嗟目諝夂?/FONT>水排出，大大降低混凝土表面水膠比，同時(shí)可確?；炷猎陴B(yǎng)護(hù)期間保持高濕度，將裂縫風(fēng)險(xiǎn)減到最低，從而可大幅提高混凝土表面的密實(shí)度和強(qiáng)度。