海水環(huán)境下某工程的結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)及思考

馬超明

1 工程概況

某臨海排洪工程,采用三孔箱涵延伸入海,箱涵單孔孔徑5.5 m×2.9 m,其中入海段長(zhǎng)約1 km。整個(gè)結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土薄板閉口結(jié)構(gòu)形式。箱涵結(jié)構(gòu)外底黃海高程為-0.86 m～-2.0 m,正常情況下,箱涵處于海水的半淹沒(méi)狀態(tài)。根據(jù)水質(zhì)分析報(bào)告顯示,海水對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)具中等腐蝕性,對(duì)鋼筋具強(qiáng)腐蝕性。部分箱涵位于重載貨車(chē)運(yùn)行的場(chǎng)地之下,該場(chǎng)地是受?chē)?yán)格監(jiān)控的重要區(qū)域,要求不得隨意進(jìn)行箱涵結(jié)構(gòu)的后期維護(hù)服務(wù),鑒于此,本工程除滿(mǎn)足承載能力極限狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作外,在海水環(huán)境下,結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)將是本工程考慮的重點(diǎn)。

2 工程耐久性設(shè)計(jì)及施工中面臨的部分問(wèn)題

2.1 工程耐久性設(shè)計(jì)主要措施

1)結(jié)構(gòu)采用高性能混凝土,混凝土強(qiáng)度等級(jí)C45,高性能混凝土的各項(xiàng)性能指標(biāo)需要符合《海港規(guī)范》第6章的相關(guān)規(guī)定。2)采用特殊防腐蝕措施,于高性能混凝土中添加鋼筋阻銹劑(濃度為30%的亞硝酸鈣溶液)。3)混凝土保護(hù)層厚度取65 mm。4)結(jié)構(gòu)計(jì)算最大裂縫控制不大于0.2 mm。5)混凝土抗?jié)B等級(jí)不小于S8。根據(jù)GB 50108-2001地下工程防水技術(shù)規(guī)范的規(guī)定,當(dāng)工程埋置深度小于10 m時(shí),防水混凝土設(shè)計(jì)抗?jié)B等級(jí)可取S6,本工程提高一級(jí),取為S8。

2.2 工程施工中面臨的部分問(wèn)題及思考

2.2.1 關(guān)于非結(jié)構(gòu)裂縫和結(jié)構(gòu)裂縫

1)高性能混凝土早期非結(jié)構(gòu)裂縫控制。a.高性能混凝土早期非結(jié)構(gòu)裂縫的產(chǎn)生。本工程結(jié)構(gòu)板面(主要是頂板面)出現(xiàn)了大量不規(guī)則裂縫,裂縫開(kāi)展寬度明顯大于《海港規(guī)范》所規(guī)定的結(jié)構(gòu)最大裂縫開(kāi)展寬度限值,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量,裂縫一般不深于20 mm。裂縫開(kāi)展全部集中在混凝土澆筑完成后的48 h以?xún)?nèi)。顯然,此階段開(kāi)展的裂縫與結(jié)構(gòu)荷載效應(yīng)沒(méi)有任何關(guān)系。b.高性能混凝土早期非結(jié)構(gòu)裂縫產(chǎn)生的原因分析。首先,高性能混凝土的水泥用量較多,水化熱量大,混凝土在凝結(jié)過(guò)程中的前后溫差較大,很容易引起較高的溫降收縮應(yīng)力而導(dǎo)致混凝土發(fā)生早期開(kāi)裂。其次,高性能混凝土的水灰比較低,相比于一般普通混凝土,在強(qiáng)度成長(zhǎng)的早期,其自身收縮和干燥收縮的總量一般要大于普通混凝土。再次,高性能混凝土用水量很低,基本上不泌水,因此,新拌混凝土的表面水分蒸發(fā)速率大于混凝土內(nèi)部向表面泌水的速度,表面失水干燥而引起收縮,由此產(chǎn)生塑性開(kāi)裂。c.高性能混凝土的早期非結(jié)構(gòu)裂縫控制思考。其一,需要合理選擇混凝土原材料和配方(如合理的外加劑、優(yōu)質(zhì)的活性摻合料等),采取適當(dāng)?shù)臉?gòu)造措施,如混凝土溫度控制,養(yǎng)護(hù)控制等等。其二,可以考慮在結(jié)構(gòu)中添加適當(dāng)微膨脹劑來(lái)抵抗混凝土的初期收縮裂縫開(kāi)展。其三,可以考慮采用纖維混凝土,但鋼纖維有腐蝕問(wèn)題,不宜采用。聚丙烯纖維有較好的抗海水腐蝕性,但其實(shí)際效果有待驗(yàn)證。其四,可以考慮于混凝土保護(hù)層內(nèi)添加鋼絲網(wǎng)來(lái)抵抗非結(jié)構(gòu)裂縫。

2)厚保護(hù)層和結(jié)構(gòu)裂縫控制。本工程中,結(jié)構(gòu)板厚采用了600 mm和550 mm兩種較厚的斷面,這也是結(jié)構(gòu)裂縫控制的必然要求。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)資料介紹,當(dāng)混凝土實(shí)際保護(hù)層厚度大于30 mm時(shí),可直接采用30 mm的保護(hù)層厚度代入GB 50010-2002混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范的裂縫寬度計(jì)算公式來(lái)解決結(jié)構(gòu)裂縫難以計(jì)算通過(guò)的問(wèn)題。但如此處理后的結(jié)構(gòu)裂縫開(kāi)展情況實(shí)際到達(dá)一個(gè)怎樣的水平,需要工程實(shí)踐和理論研究來(lái)進(jìn)一步證實(shí)。

2.2.2 關(guān)于部分耐久性構(gòu)造措施

1)海水環(huán)境下混凝土保護(hù)層墊塊設(shè)計(jì)?！逗８垡?guī)范》規(guī)定:混凝土保護(hù)層墊塊宜為工字形或錐形,其強(qiáng)度和密實(shí)性應(yīng)高于構(gòu)件本體混凝土。墊塊宜采用水灰比不大于0.40的砂漿、細(xì)石混凝土或耐堿和抗老化性能好,抗壓強(qiáng)度不小于50 MPa的工程塑料制作。

實(shí)際工程中,如果采用細(xì)石混凝土墊塊,要求其強(qiáng)度等級(jí)高于本體混凝土,則對(duì)于高性能混凝土而言,混凝土強(qiáng)度等級(jí)至少應(yīng)達(dá)到C50。如此高的強(qiáng)度等級(jí)和密實(shí)性能要求,在普遍采用商品化混凝土的當(dāng)前,難以在施工現(xiàn)場(chǎng)完成。因此,雖然是混凝土墊塊,也需要在工廠(chǎng)特別定制。這除了增加成本外,考慮到混凝土保護(hù)層墊塊體量都比較小(一般邊長(zhǎng)不大于7 cm),加工精度較高,需要特別的加工模板,因此,如果工程量需求較少,則混凝土生產(chǎn)商也往往不愿意生產(chǎn)此混凝土墊塊,更不用說(shuō)把墊塊形狀做成工字形或錐形。

當(dāng)然,如果采用工程塑料來(lái)做保護(hù)層墊塊,則市場(chǎng)上品種較多,而且也能比較好的保證加工精度和施工質(zhì)量。但根據(jù)目前一般工程所使用的塑料墊塊實(shí)際情況來(lái)看,要達(dá)到其抗壓強(qiáng)度不小于50 MPa的要求,則市面上基本沒(méi)有。另一方面,目前所使用的塑料墊塊,如果用在海水環(huán)境下,由于其本身材料性能和混凝土本體有很大區(qū)別,因此,其與混凝土的接觸界面必然成為天然的耐久性薄弱環(huán)節(jié),在工程竣工若干年后,當(dāng)塑料老化到一定程度,勢(shì)必需要擔(dān)憂(yōu)塑料墊塊的有效性。

本工程在實(shí)際操作中,采用的是高出本體混凝土強(qiáng)度等級(jí)一級(jí)的細(xì)石混凝土,并且采用的是立方體形狀,沒(méi)有采用異形墊塊。

2)固定模板用的拉結(jié)鋼筋的設(shè)置。結(jié)構(gòu)施工中,為澆筑墻體混凝土,則立模需要采用鋼筋拉結(jié)固定準(zhǔn)確后方可澆筑。根據(jù)工程實(shí)際需要,拉結(jié)鋼筋一般布置間距約為600 mm×600 mm,因此,如果工程規(guī)模較大,則混凝土墻體模板需要大量拉結(jié)鋼筋來(lái)作為模板固定鋼筋。

在海水環(huán)境下,究竟采用何種模板固定形式,將直接關(guān)系到結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)的可靠性,一般情況下,可以考慮于模板外側(cè)進(jìn)行支撐,而不再使用拉結(jié)鋼筋,但此種方法缺點(diǎn)是外支撐工程量較大,而且難以保證模板尺寸精度要求,并容易跑模,一般施工單位也不愿意采用此種方法。

另一種方法是采用傳統(tǒng)的鋼筋進(jìn)行拉結(jié),拉結(jié)具體形式有兩種,一種是在鋼筋外側(cè)套上一層塑料套管,待模板拆除時(shí)抽出鋼筋而留下塑料套管在混凝土內(nèi),這樣的方法使拉結(jié)鋼筋可以重復(fù)利用,工程施工成本較低,但從耐久性的角度考慮,擔(dān)心塑料套管與混凝土之間不同材料接觸的有效性以及塑料制品的老化是有必要的。因此,此種方法在耐久性方面的有效性仍有待驗(yàn)證。事實(shí)上,如果采用在套管內(nèi)灌漿,則效果會(huì)好些,但灌漿的密實(shí)性難以保證(管徑一般很小),同時(shí)也將難以施工和增加工程成本,而且經(jīng)濟(jì)有效的灌漿材料選擇也是一個(gè)難題。因此,本工程沒(méi)有采用此方法進(jìn)行模板拉結(jié)處理。另一種形式是直接采用傳統(tǒng)方法,模板拉結(jié)鋼筋(未埋套管)不拔除,而直接留在混凝土內(nèi),但鋼筋于混凝土墻體兩側(cè)保護(hù)層內(nèi)的部分直接燒斷。拉結(jié)鋼筋露頭處,留出的混凝土保護(hù)層范圍內(nèi)的空洞(一般留出50 mm×50 mm的平面,深度同保護(hù)層厚度的方坑,混凝土澆筑過(guò)程中,先用木塊或其他易于拆除的材料套在鋼筋拉桿相應(yīng)準(zhǔn)確位置上即可)采用特殊配方的材料封堵。這種方法雖然簡(jiǎn)單,但封堵材料的選擇卻是耐久性是否可靠的關(guān)鍵因素。

3)模板拉結(jié)鋼筋端部預(yù)留洞堵縫材料的選擇。在一般普通工程中,孔洞封堵方法可采用如下幾種:a.普通砂漿;b.高于結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度等級(jí)配方的細(xì)石混凝土;c.化學(xué)試劑封堵(如環(huán)氧樹(shù)脂砂漿材料)。

在海水環(huán)境下,普通砂漿密實(shí)性得不到保證,因此不適于作為堵洞材料。而細(xì)石混凝土材料雖然可以滿(mǎn)足要求,但在目前一般使用商品混凝土的情況下,如果現(xiàn)場(chǎng)對(duì)堵縫材料總方量需求有限時(shí),混凝土生產(chǎn)商一般不愿意進(jìn)行生產(chǎn)。同時(shí),混凝土由生產(chǎn)廠(chǎng)運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)后,考慮到初凝時(shí)間需要,應(yīng)在盡可能短的時(shí)間內(nèi)使用完畢。并且,堵洞工作需要人工來(lái)進(jìn)行操作,這樣一來(lái),現(xiàn)場(chǎng)需要很多工人同時(shí)進(jìn)行作業(yè),施工界面要求很大,且不同操作人員的施工質(zhì)量將難以保證。因此,本工程在充分考慮后認(rèn)為,采用細(xì)石混凝土不可取。

如果采用環(huán)氧樹(shù)脂砂漿進(jìn)行保護(hù)層封堵,則無(wú)論從材料強(qiáng)度、施工時(shí)間控制、施工人力控制和質(zhì)量控制,以及防腐蝕的實(shí)際效果,都是比較理想的。但通過(guò)市場(chǎng)調(diào)查,此種材料價(jià)格昂貴,是普通混凝土材料的幾十倍,考慮到造價(jià)控制,建設(shè)單位未同意采用環(huán)氧樹(shù)脂砂漿進(jìn)行作業(yè)。如果工程實(shí)際許可,應(yīng)該采用此種材料。

本工程中,根據(jù)上述實(shí)際情況,參考《海港規(guī)范》對(duì)高性能混凝土的控制參數(shù),提出堵縫材料實(shí)際指導(dǎo)配方參數(shù)如下:a.采用水膠比不大于0.35的水泥砂漿;b.每立方米材料中,膠凝物質(zhì)總量不小于400 kg,但一般情況下不得超過(guò)550 kg/m3;c.標(biāo)準(zhǔn)試塊軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值需大于30 MPa;d.坍落度根據(jù)施工實(shí)際需要試驗(yàn)確定;e.需摻加相互兼容的鋼筋阻銹劑和微膨脹劑,外加劑對(duì)砂漿的質(zhì)量應(yīng)無(wú)不利影響,外加劑氯離子含量不宜大于水泥質(zhì)量的0.02%。

3 結(jié)語(yǔ)

1)采用高性能混凝土進(jìn)行結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)的情況下,早期混凝土的非結(jié)構(gòu)裂縫開(kāi)展是一個(gè)普遍現(xiàn)象。海水環(huán)境下的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工構(gòu)造措施會(huì)影響結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)的性能目標(biāo)。

2)海水環(huán)境下結(jié)構(gòu)耐久性控制需要設(shè)計(jì)單位、建設(shè)單位、施工單位、監(jiān)理單位、原材料供應(yīng)單位、質(zhì)量檢測(cè)單位、質(zhì)量監(jiān)督單位的全方位配合和緊密協(xié)作,它是一個(gè)系統(tǒng)工程,只有各個(gè)環(huán)節(jié)都達(dá)到要求,才可能達(dá)到整個(gè)結(jié)構(gòu)的耐久性預(yù)期目標(biāo)。因此,建議結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員采用耐久性設(shè)計(jì)專(zhuān)篇的方式對(duì)結(jié)構(gòu)實(shí)施的全過(guò)程進(jìn)行必要控制,以期比較好的完成規(guī)范規(guī)定的耐久性控制目標(biāo)。

[1] GB 50010-2002,混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2] JTJ 275-2000,海港工程混凝土結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)范[S].

[3] 中國(guó)土木工程學(xué)會(huì),高強(qiáng)與高性能混凝土委員會(huì).高強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工指南[M].第2版.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2002.

[4] CCES 01-2004(2005年修訂版),混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)與施工指南[S].