淺論海域混凝土橋梁的耐久性設(shè)計

陳 勇

（同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計研究院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092）

0 前言

隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，近年來我國修建了大量的近海和跨海橋梁。在進(jìn)行海域橋梁設(shè)計時,除應(yīng)滿足結(jié)構(gòu)的安全性外，結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計至關(guān)重要。在海洋環(huán)境下，混凝土結(jié)構(gòu)由于長期受到氯離子等的侵蝕作用，發(fā)生鋼筋銹蝕并導(dǎo)致耐久性失效的現(xiàn)象十分常見。在已建成的橋梁中，有相當(dāng)數(shù)量因無法滿足耐久性要求而過早破壞，維修代價巨大，造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。因此，研究影響海域混凝土橋梁耐久性的因素，并有針對性地采取對策是十分必要的。

影響混凝土橋梁耐久性的因素分為內(nèi)因和外因兩個方面。內(nèi)因主要是混凝土結(jié)構(gòu)的水泥品種、水泥用量、水灰比、外加劑、保護(hù)層厚度、構(gòu)件的應(yīng)力狀況、裂縫等。外因主要是荷載作用、環(huán)境腐蝕等。

1 海域混凝土橋梁侵蝕機(jī)理

根據(jù)美國學(xué)者M(jìn)ehta的研究成果，海域環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)的破壞原因主要有：鋼筋銹蝕、凍融破壞、侵蝕環(huán)境的物理化學(xué)作用。

（1）鋼筋銹蝕

海水中的氯離子是造成鋼筋銹蝕的主要原因。水泥水化反應(yīng)而形成的高堿性使混凝土內(nèi)鋼筋表面產(chǎn)生一層致密的鈍化膜，從而阻止鋼筋銹蝕。氯離子是極強(qiáng)的去鈍化劑，其吸附于局部鈍化膜處，使該處的PH值迅速降低，從而破壞鋼筋表面鈍化膜。當(dāng)鋼筋局部鈍化膜破壞后，由于該處的鐵基體與完好的鈍化膜之間存在電位差，大面積鈍化膜區(qū)域作為陰極，鐵基體作為陽極而受到腐蝕。由于是大陰極對應(yīng)小陽極，腐蝕速度很快。鋼筋銹蝕后體積膨脹，造成混凝土開裂嚴(yán)重進(jìn)而喪失工作能力。

（2）凍融破壞

在寒冷氣候中，海水通常不會結(jié)冰。但由于潮汐的影響，使得潮差區(qū)和浪濺區(qū)每日受到兩次凍融循環(huán)作用。

鋼筋混凝土作為一種復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)的性能不僅取決于鋼筋和混凝土各自的物理力學(xué)性能，而且也與鋼筋和混凝土的協(xié)同工作能力有關(guān)，鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)錨固性能是保證兩種不同材料共同工作的基本前提。在凍融循環(huán)作用下，產(chǎn)生的靜水壓力將會破壞鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)性能，從而影響結(jié)構(gòu)物的耐久性。

（3）物理化學(xué)作用

海洋環(huán)境對混凝土的物理化學(xué)腐蝕因素主要有：氯離子侵蝕、碳化作用、鎂鹽及硫酸鹽侵蝕、堿-骨料反應(yīng)等。

如前所述，氯離子侵蝕是鋼筋銹蝕的主要原因。

碳化作用是指環(huán)境中的二氧化碳?xì)怏w，通過混凝土內(nèi)部孔隙進(jìn)入混凝土中，與混凝土中的Ca（OH）2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成CaCO3和水的過程?；炷撂蓟院螅琾H值將急劇下降，從而破壞鋼筋鈍化膜賴以生存的環(huán)境。

鎂鹽及硫酸鹽侵蝕。由于海水滲入，海水中的鎂鹽、硫酸鹽和水泥石中的Ca（OH）2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，將會造成混凝土體積膨大，在混凝土內(nèi)引起很大的內(nèi)應(yīng)力，致使混凝土開裂；且生成的反應(yīng)物容易使混凝土強(qiáng)度下降并變脆。

堿-骨料反應(yīng)是混凝土中某些活性礦物集料與混凝土孔隙中的堿性溶液之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，引起混凝土內(nèi)部自膨脹應(yīng)力而開裂的現(xiàn)象。高溫、濕度和含鹽量對堿-骨料反應(yīng)有促進(jìn)作用。因此在海洋環(huán)境下，必須更加重視堿-骨料反應(yīng)的危害。

2 橋梁所處環(huán)境類別的判定

在《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》中，將結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境條件分為四類，其中Ⅲ類環(huán)境為海水環(huán)境，濱海環(huán)境歸為Ⅱ類環(huán)境，但未對海水環(huán)境和濱海環(huán)境的區(qū)分做出明確的說明。參照《公路混凝土結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)范》中對近?；蚝Ｑ蟓h(huán)境作用等級的具體分類，可以理解為：在離漲潮海岸線300 m以外的陸上環(huán)境，按照濱海環(huán)境設(shè)計；在海水中、海面以上、離漲潮海岸線300 m以內(nèi)的陸上環(huán)境，均應(yīng)按Ⅲ類環(huán)境即海水環(huán)境進(jìn)行設(shè)計。

近?；蚝Ｑ蟓h(huán)境作用等級見表1。

表1 近?；蚝Ｑ蟓h(huán)境作用等級

從表1可知，同為海水環(huán)境，橋梁不同部位的腐蝕程度還可以分為D、E、F三種等級。潮汐區(qū)和浪濺區(qū)的環(huán)境腐蝕最為強(qiáng)烈，而浸泡在海水中墩柱和埋于土中的樁基由于環(huán)境相對恒定，腐蝕作用反而較弱。

根據(jù)橋涵設(shè)計規(guī)范中結(jié)構(gòu)混凝土耐久性的基本要求，在不同的環(huán)境作用下，對混凝土最低強(qiáng)度等級、最大水灰比、最小水泥用量、最大氯離子含量、最大堿含量、最小保護(hù)層厚度等有相應(yīng)的要求。上述要求應(yīng)作為最低要求并可視具體情況做出更嚴(yán)格的規(guī)定。

3 混凝土防護(hù)措施

（1）混凝土原材料及配合比

混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性在很大程度上取決于原材料的選用與混凝土材料的密實(shí)性。

配制海工混凝土的水泥要求耐腐蝕能力強(qiáng)、抗凍融性好、水化熱低，應(yīng)優(yōu)先選用普通硅酸鹽水泥或其他耐腐蝕水泥，避免采用快硬性硅酸鹽水泥等。摻入礦渣、火山灰、粉煤灰等活性熟料可有效阻止腐蝕性離子向混凝土內(nèi)部滲透。

水灰比是影響混凝土密實(shí)性的重要因素。密實(shí)度越高，混凝土的孔隙越少，混凝土與海水接觸面積也越小，因而混凝土的抗?jié)B性和抗侵蝕能力更強(qiáng)。

海洋環(huán)境下混凝土的最低強(qiáng)度及原材料要求見表2。

表2 海洋環(huán)境下普通混凝土的性能及各組分要求

（2）混凝土表面涂層

在混凝土結(jié)構(gòu)表面施加涂層，是一種比較簡單、經(jīng)濟(jì)和有效的輔助性保護(hù)措施?；炷帘砻鎸?shí)施涂裝保護(hù)，可阻止或減緩環(huán)境介質(zhì)中氯離子的侵入，增加結(jié)構(gòu)的耐久性，同時也能起到裝飾效果。

混凝土表面涂層可以分為隔離型和侵入型兩種。隔離型涂料具有低粘度和高滲透能力，能滲透到混凝土內(nèi)起到封閉孔隙，將混凝土和侵蝕型介質(zhì)隔離開。侵入型涂料不能在混凝土表面成膜，不會形成隔離層，也不能充滿混凝土毛細(xì)孔隙，但是它能顯著降低混凝土的吸水性。

4 鋼筋銹蝕的防護(hù)措施

（1）保護(hù)層厚度

保護(hù)層是防止鋼筋銹蝕的第一道屏障，必須有足夠的厚度。保護(hù)層厚度對鋼筋銹蝕的影響呈線性關(guān)系，混凝土保護(hù)層厚度增加，則氯離子滲入混凝土到達(dá)鋼筋的時間就會增加。這是延遲混凝土內(nèi)部鋼筋開始銹蝕很有效的一種方法。但是，保護(hù)層厚度過大會導(dǎo)致混凝土容易開裂，且造成經(jīng)濟(jì)上的浪費(fèi)。設(shè)計時應(yīng)根據(jù)橋梁不同部位的環(huán)境作用情況恰當(dāng)選取保護(hù)層厚度。

（2）鋼筋阻銹劑

在混凝土中加入阻銹劑可有效減緩鋼筋銹蝕，提高混凝土的耐久性。

鋼筋阻銹劑通過影響鋼筋和電介質(zhì)之間的電化學(xué)反應(yīng)，可以有效地阻止鋼筋腐蝕發(fā)生。即使鈍化膜遭到破壞，只要環(huán)境適宜，由于阻銹劑的存在，鋼筋表面的鈍化膜可以自行再生，自動維持。從而達(dá)到延緩鋼筋銹蝕的作用。

目前使用較多的是內(nèi)摻型阻銹跡，在拌制混凝土?xí)r摻加進(jìn)去，適合在新建工程中使用。

滲透型阻銹劑直接噴涂于混凝土外表面即可。它通過滲透作用進(jìn)入混凝土中，吸附于鋼筋表面形成保護(hù)層，對鋼筋陰陽兩極同時進(jìn)行保護(hù)。滲透型阻銹劑在對已建工程的修復(fù)上能夠發(fā)揮巨大的作用。

（3）使用環(huán)氧涂層鋼筋

環(huán)氧涂層鋼筋的表面涂層可以將鋼筋與周圍的混凝土隔開，保護(hù)鋼筋不受侵蝕。由于環(huán)氧樹脂涂層具有極佳的化學(xué)抗腐蝕性能，不與酸、堿等產(chǎn)生反應(yīng)，形成后的涂層呈絕對惰性，能夠阻隔鋼筋與外界環(huán)境接觸。即使氯離子等已經(jīng)大量侵入混凝土，它還是可以在相當(dāng)長的時間內(nèi)保護(hù)鋼筋不被銹蝕。

使用環(huán)氧涂層鋼筋會造成鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)性能有所降低?？梢酝ㄟ^采用直徑較小的鋼筋、增加混凝土的保護(hù)層厚度、適當(dāng)延長錨固和綁扎長度、提高混凝土強(qiáng)度等措施予以解決。

5 結(jié)語

海域混凝土橋梁的耐久性設(shè)計是一個多種因素共同作用的系統(tǒng)工程。各種防腐蝕技術(shù)措施各有特點(diǎn)，且互相關(guān)聯(lián)和制約。設(shè)計時必須針對實(shí)際情況，采用多技術(shù)措施并舉，聯(lián)合施治的方式，方能最大限度的實(shí)現(xiàn)科學(xué)合理、經(jīng)濟(jì)耐久的防腐蝕耐久性設(shè)計。

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