南海明珠大橋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性策略

黃光樅

（海航地產(chǎn)集團(tuán)有限公司，海南 ?？?570203）

南海明珠大橋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性策略

黃光樅

（海航地產(chǎn)集團(tuán)有限公司，海南 海口 570203）

南海明珠大橋地處亞熱帶及熱帶邊緣海區(qū)，具有高溫、高濕、高鹽、高日照、風(fēng)浪大等特點(diǎn)，嚴(yán)重影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性。分析認(rèn)為，炎熱海洋環(huán)境下的氯離子侵蝕是影響南海明珠大橋耐久性的首要因素。針對(duì)該問(wèn)題，在環(huán)境作用等級(jí)及耐久性保障措施分析基礎(chǔ)上，綜合考慮結(jié)構(gòu)部位、經(jīng)濟(jì)成本、技術(shù)可行性、安全要求、施工、維護(hù)管理、服役壽命等因素，提出高性能混凝土+附加防腐措施的耐久性策略。從原材料選擇、配合比設(shè)計(jì)、施工控制、質(zhì)量控制、耐久性維護(hù)等多角度保證措施，確保實(shí)現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性目標(biāo)。

跨海大橋；高溫；耐久性；氯離子侵蝕；高性能混凝土；附加防腐措施

0 引言

海洋腐蝕所造成的混凝土結(jié)構(gòu)破壞是導(dǎo)致跨海大橋耐久性不足的主要原因之一。因此，海洋環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性問(wèn)題受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的高度重視。南海明珠大橋地處亞熱帶及熱帶邊緣海區(qū)，具有高溫、高濕、高鹽、高日照、風(fēng)浪大等特點(diǎn)，大橋在其中服役時(shí)面臨嚴(yán)重的腐蝕威脅。針對(duì)跨海大橋的耐久性問(wèn)題，國(guó)內(nèi)已有諸如東海大橋、杭州灣大橋、青島海灣大橋、港珠澳大橋等工程的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)[1-4]。然而，南海明珠大橋所處海域不同、結(jié)構(gòu)不同、耐久性需求也不同，因此所面臨的具體耐久性問(wèn)題也不盡相同。本文從南海明珠大橋所處環(huán)境特點(diǎn)及具體需求出發(fā)，提出南海明珠大橋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性策略及技術(shù)措施。

1 南海明珠大橋及其所處環(huán)境分析

1.1 南海明珠大橋概況

南海明珠大橋作為連接?？跒衬虾Ｃ髦樯鷳B(tài)島與內(nèi)陸的重要陸路通道，路線全長(zhǎng)2.343 km，其中跨海橋梁長(zhǎng)度約2.06 km，主橋?yàn)椋?0+3伊100+60）m矮塔斜拉橋，引橋主要采用40 m先簡(jiǎn)支后連續(xù)小箱梁，工程按照城市主干道、雙向四車道、設(shè)計(jì)車速為60 km/h的標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為100 a。南海明珠大橋的樁基、承臺(tái)、墩柱、蓋梁及箱梁等主體結(jié)構(gòu)均采用高性能海工混凝土，根據(jù)不同部位混凝土的設(shè)計(jì)強(qiáng)度在 C35耀C60之間。

南海明珠大橋地處亞熱帶南緣、熱帶北緣，屬于季風(fēng)性熱帶氣候區(qū)，大風(fēng)頻繁，降水充沛，多年平均氣溫為24.1益，年平均相對(duì)濕度為85%，海區(qū)全年鹽度一般在3.7%耀3.8%之間變化，屬高鹽霧型海區(qū)，海洋環(huán)境特征明顯，海洋性氣候變化復(fù)雜。

1.2 所處環(huán)境分析

南海明珠大橋所處環(huán)境屬于典型的亞熱帶及熱帶邊緣海區(qū)，具有高溫、高濕、高鹽、高日照、風(fēng)浪大等特點(diǎn)，嚴(yán)重影響南海明珠大橋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。大橋所處環(huán)境全年鹽度在3.7%耀3.8%之間，氯離子侵蝕是首先需考慮的因素。由于大氣中存在一定量的CO2，混凝土碳化也存在，但在海洋環(huán)境中，碳化速度遠(yuǎn)低于氯離子侵蝕速度[1]。大橋所處環(huán)境多年平均溫度為24.1益，可不考慮凍融循環(huán)、除冰鹽造成的腐蝕破壞，以及浮冰漂移造成的磨蝕。綜上可知，炎熱海洋環(huán)境下的氯離子侵蝕是影響南海明珠大橋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的首要因素。

根據(jù)大橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，存在不同腐蝕區(qū)帶，這些區(qū)帶的腐蝕特征也不盡相同。其中，浪濺區(qū)和水位變動(dòng)區(qū)長(zhǎng)期遭受海水飛沫和海浪的作用，加之干濕交替頻繁、供氧充分、日照充足、含鹽顆粒量大等，腐蝕破壞程度最為嚴(yán)重。大氣區(qū)受鹽霧顆粒、氧、水分等腐蝕介質(zhì)的影響，腐蝕破壞程度也較為嚴(yán)重。而水下區(qū)由于缺氧等原因，腐蝕破壞程度相對(duì)較輕。依據(jù)JTG/T B07-01—2006[5]的相關(guān)規(guī)定，南海明珠大橋所涉及的環(huán)境條件及作用等級(jí)見(jiàn)表1。

表1 南海明珠大橋所涉及的環(huán)境條件及作用等級(jí)Table1 Environmental conditions and function grades of Nanhaimingzhu Bridge

綜上所述，由于橋梁所處環(huán)境具有高溫、高濕、高鹽、高日照、風(fēng)浪大等特點(diǎn)，南海明珠大橋面臨著嚴(yán)峻的耐久性問(wèn)題，需采取一系列防腐技術(shù)措施。

2 混凝土結(jié)構(gòu)耐久性方案

2.1 耐久性保障措施分析

混凝土結(jié)構(gòu)耐久性保障是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及材料、設(shè)計(jì)、施工、檢測(cè)、維護(hù)等多方面內(nèi)容?；炷两Y(jié)構(gòu)耐久性保障措施通?？煞譃榛敬胧┖透郊臃栏胧﹥深悺；敬胧┲饕ㄟ^(guò)原材料質(zhì)量控制、合理的結(jié)構(gòu)及耐久性設(shè)計(jì)、嚴(yán)格的施工及混凝土質(zhì)量控制等來(lái)確?；炷两Y(jié)構(gòu)耐久性，其本質(zhì)是通過(guò)提高混凝土自身性能限制腐蝕介質(zhì)的侵入，從而延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)耐久性。附加防腐措施主要指在基本措施基礎(chǔ)上所采取的防腐蝕措施，如混凝土涂層、硅烷浸漬、環(huán)氧涂層鋼筋、不銹鋼鋼筋、陰極保護(hù)、阻銹劑等。

如前所述，氯離子侵蝕是影響結(jié)構(gòu)耐久性的首要原因。以低水膠比和大摻量礦物摻和料為特點(diǎn)的高性能混凝土具有顯著的抗氯離子滲透能力，在海洋環(huán)境下具有良好的耐久性，且具有強(qiáng)度高、工作性能良好、體積穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)。因此，首先考慮采取以高性能混凝土為基礎(chǔ)的基本措施來(lái)提高混凝土結(jié)構(gòu)本身的耐久性。其次，基于橋梁的重要性及腐蝕作用的嚴(yán)酷性，還需針對(duì)不同腐蝕部位或構(gòu)件采取必要的附加防腐措施，形成以基本措施為基礎(chǔ)的綜合防腐體系，有效保障混凝土結(jié)構(gòu)耐久性。表2為混凝土結(jié)構(gòu)常用附加防腐措施的分析。

2.2 耐久性策略的確定

南海明珠大橋處在嚴(yán)酷的海洋腐蝕環(huán)境下，且要達(dá)到百年的耐久性要求，因此必須采用綜合性的耐久性保障措施。根據(jù)上述分析，大橋混凝土結(jié)構(gòu)將采用基本措施和防腐附加措施相結(jié)合的方式來(lái)保證結(jié)構(gòu)耐久性。大橋?qū)⒉捎酶咝阅芑炷磷鳛橹黧w結(jié)構(gòu)的材料，并通過(guò)設(shè)置合理的保護(hù)層厚度、嚴(yán)格控制裂縫等措施確?；炷磷陨淼哪途眯浴Ｔ诖嘶A(chǔ)上，根據(jù)所處部位及使用環(huán)境，對(duì)腐蝕嚴(yán)重的部位或構(gòu)件采用適當(dāng)?shù)母郊臃栏胧?，如涂層保護(hù)、摻加鋼筋阻銹劑等。此外，由于灌注樁將長(zhǎng)期浸泡在海水之中，考慮保留基樁周圍的鋼護(hù)筒，用以緩解或阻止氯離子的侵蝕，從而達(dá)到對(duì)鉆孔灌注樁長(zhǎng)效保護(hù)的目的。

表2 混凝土結(jié)構(gòu)常用附加防腐措施分析Table2 Analysis of additional anticorrosion measures used in concrete structures

綜合考慮結(jié)構(gòu)部位、經(jīng)濟(jì)成本、技術(shù)可行性、安全要求、施工、維護(hù)管理、服役壽命等因素，提出了南海明珠大橋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性方案，具體見(jiàn)表3。

表3 南海明珠大橋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性方案Table3 Durability schemes of concrete structure of Nanhaimingzhu Bridge

3 實(shí)現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性目標(biāo)的保證措施

混凝土結(jié)構(gòu)耐久性保障是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，必須從原材料選擇、配合比設(shè)計(jì)、施工控制、質(zhì)量控制、耐久性維護(hù)等多個(gè)角度出發(fā)，確?；炷两Y(jié)構(gòu)的總體耐久性目標(biāo)。

3.1 原材料選擇

為確保混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，應(yīng)對(duì)原材料的選擇嚴(yán)格控制。原材料選擇的要求如下：1）宜采用硅酸鹽水泥或低熱水泥，水泥中的C3A含量不宜超過(guò)8%，水泥細(xì)度不宜超過(guò)350 m2/kg，游離氧化鈣不宜超過(guò)1.5%；2）混凝土中因原材料（水泥、集料、摻和料、拌合水等）引入的水溶性氯離子總量應(yīng)不超過(guò)膠凝材料重量的0.1%；3）應(yīng)摻加大摻量或較大摻量的礦物摻和料，通?？蛇x用I級(jí)、II級(jí)粉煤灰或S95礦粉等；4）粗集料應(yīng)質(zhì)地均勻、粒形和級(jí)配良好、潔凈且堅(jiān)實(shí)，針片狀顆粒含量約7%、壓碎指標(biāo)臆10%、吸水率臆2%，且最大粒徑不宜超過(guò)25 mm，細(xì)集料為級(jí)配良好的中粗河沙；5）選用適當(dāng)?shù)母咝p水劑或復(fù)合減水劑，且高效減水劑中的硫酸鈉含量不大于減水劑固體凈重的15%；6）混凝土表面涂層體系性能要求為：抗氯離子滲透性臆1.0伊10-3mg/（cm2·d），耐老化性逸4 000 h，附著力逸2.0 MPa，耐堿性逸720 h，涂層外觀質(zhì)量合格。

3.2 混凝土配合比設(shè)計(jì)

高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)的原則如下：1）選用低水膠比，降低混凝土用水量；2）選用質(zhì)地堅(jiān)硬、潔凈、無(wú)堿活性、級(jí)配優(yōu)良的集料；3）合理使用水泥、礦物摻和料等材料，多種膠凝材料按最佳比例搭配。下面以C35和C50的混凝土為例，介紹混凝土的配合比設(shè)計(jì)情況，并對(duì)相同材料（除摻和料外）所配制高性能混凝土與普通混凝土的性能差異。表4為普通混凝土和高性能混凝土的配合比。

為明確各配合比混凝土的性能，進(jìn)行了抗壓強(qiáng)度、彈性模量、碳化深度、28 d電通量及28 d氯離子滲透系數(shù)測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表5?？箟簭?qiáng)度及彈性模量按照GB/T 50081—2002[6]的相關(guān)規(guī)定測(cè)試。碳化深度、28 d電通量及28 d氯離子滲透系數(shù)按照GB/T 50082—2009[7]的相關(guān)規(guī)定測(cè)試。

表4 普通混凝土和高性能混凝土的配合比Table4 Mix proportion of ordinary concrete and high performance concrete

表5 各配合比混凝土的性能Table5 Performance of concrete with different mix proportion

由表5可知，摻加礦物摻和料的高性能混凝土抗壓強(qiáng)度、彈性模量及抵抗碳化的性能均優(yōu)于普通混凝土，特別是抗氯離子滲透的性能得到了顯著改善，且滿足JTG/T B07-01—2006[5]中的有關(guān)要求。

3.3 混凝土施工控制

3.3.1 保護(hù)層厚度

混凝土保護(hù)層小于設(shè)計(jì)厚度會(huì)造成鋼筋過(guò)早銹蝕，無(wú)法達(dá)到預(yù)期保護(hù)效果；而大于設(shè)計(jì)厚度則容易導(dǎo)致混凝土開(kāi)裂，同樣不利于耐久性。因此，在施工過(guò)程中應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格控制混凝土的保護(hù)層厚度。本項(xiàng)目在施工中將采用合適類型的高性能細(xì)石混凝土預(yù)制墊塊，并嚴(yán)格檢查和控制保護(hù)層厚度，浪濺區(qū)允許偏差0耀+10 mm，其它部位允許偏差-5耀+10 mm。

3.3.2 裂縫控制

混凝土有害裂縫的存在不僅影響結(jié)構(gòu)外觀，而且在一定程度上會(huì)加速結(jié)構(gòu)的耐久性失效。然而，由于眾多因素的綜合影響，混凝土裂縫的產(chǎn)生難以避免，因此應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格控制其寬度并及時(shí)修補(bǔ)以盡量減少其對(duì)耐久性的危害。裂縫控制的要求如下：環(huán)境作用等級(jí)為D、E、F的構(gòu)件或部位的最大裂縫寬度限值分別為0.2 mm、0.15 mm和0.1 mm。

3.3.3 混凝土的養(yǎng)護(hù)

混凝土膠凝材料具有水硬性，保持其含有充足的水分，對(duì)保障混凝土質(zhì)量極其重要。溫度收縮會(huì)導(dǎo)致混凝土早期開(kāi)裂，故控制溫度對(duì)保障混凝土質(zhì)量同樣重要。因此，混凝土養(yǎng)護(hù)的要點(diǎn)就是溫度和濕度的控制。日照條件、風(fēng)速、氣溫等因素會(huì)對(duì)混凝土水分及溫度造成影響，因此應(yīng)根據(jù)上述條件選擇適當(dāng)?shù)拇胧┍ＷC溫度和濕度的控制?；炷琉B(yǎng)護(hù)的要求如下：混凝土抹面結(jié)束后應(yīng)立即覆蓋，防止風(fēng)吹和曝曬造成的水分流失，終凝后應(yīng)立即開(kāi)始持續(xù)潮濕養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)時(shí)間不得少于15 d；對(duì)于斷面最小尺寸大于0.3 m的構(gòu)件，混凝土內(nèi)部最高溫度應(yīng)不高于70益，與表層溫度之間的溫差不宜超過(guò)20益。

3.3.4 涂層施工

混凝土涂裝時(shí)的齡期不宜少于28 d，且混凝土質(zhì)量應(yīng)驗(yàn)收合格。涂裝前應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)要求和涂料使用要求進(jìn)行小區(qū)試驗(yàn)。實(shí)施涂裝前應(yīng)進(jìn)行表面處理，修補(bǔ)混凝土表面的麻面、露石、氣泡等缺陷，并清除表面的浮漿、油污、脫模劑、酸堿鹽等附著物。涂裝過(guò)程中發(fā)現(xiàn)漏涂、流掛等缺陷應(yīng)當(dāng)及時(shí)處理，每道涂裝施工前應(yīng)當(dāng)對(duì)上道涂層進(jìn)行檢查，合格后方能進(jìn)行下道施工。

3.4 質(zhì)量控制

混凝土耐久性的質(zhì)量控制及檢驗(yàn)的主要內(nèi)容如下：

1）測(cè)定混凝土保護(hù)層的實(shí)際厚度；

2）評(píng)估保護(hù)層混凝土的密實(shí)性質(zhì)量；

3）測(cè)定表層混凝土的抗?jié)B性；

4）測(cè)定混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)；

5）檢驗(yàn)混凝土表面涂層的質(zhì)量。

3.5 耐久性維護(hù)

隨著外部環(huán)境（荷載、運(yùn)營(yíng)期環(huán)境、不可預(yù)見(jiàn)的外力作用等）的變化和材料自身的劣化，混凝土結(jié)構(gòu)在服役期間不可避免會(huì)出現(xiàn)耐久性損傷問(wèn)題。要保證結(jié)構(gòu)的耐久性，除合理選材、設(shè)計(jì)及嚴(yán)格的質(zhì)量控制外，還應(yīng)當(dāng)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行日常檢查和定期檢測(cè)（可安裝耐久性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)），及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理耐久性損傷，必要時(shí)進(jìn)行耐久性再設(shè)計(jì)，排除安全隱患，實(shí)現(xiàn)全壽命周期的耐久性維護(hù)，確保預(yù)定服役期內(nèi)不出現(xiàn)影響結(jié)構(gòu)安全的耐久性問(wèn)題。

4 結(jié)語(yǔ)

南海明珠大橋處在具有高溫、高濕、高鹽、高日照、風(fēng)浪大等特點(diǎn)的腐蝕環(huán)境下，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)耐久性。分析表明，炎熱海洋環(huán)境下的氯離子侵蝕是影響結(jié)構(gòu)耐久性的首要因素。針對(duì)上述情況，從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、安全等角度出發(fā)，提出高性能混凝土+附加防腐措施的耐久性策略，以及實(shí)現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性目標(biāo)的保障措施?？梢灶A(yù)期，通過(guò)合理的選材、可靠的設(shè)計(jì)、嚴(yán)格的施工控制及科學(xué)的維護(hù)管理，可實(shí)現(xiàn)南海明珠大橋100 a設(shè)計(jì)使用壽命的目標(biāo)。

[1]高雷，姜雪峰.提高東海大橋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的措施[J].中國(guó)港灣建設(shè)，2007（3）：65-68.GAO Lei,JIANG Xue-feng.Measures to improve durability of con原crete structures of Donghai Bridge[J].China Harbour Engineering,2007(3):65-68.

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[6]GB/T 50081—2002，普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[S].GB/T 50081—2002,Standard for test method of mechanical prop原erties on ordinary concrete[S].

[7]GB/T 50082—2009，普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[S].GB/T 50082—2009,Standard for test method of long-term perfor原mance and durability of ordinary concrete[S].

Durability strategy for concrete structures of Nanhaimingzhu Bridge

HUANG Guang-zong
（HNA Real Estate Group Ltd.,Haikou,Hainan 570203,China）

The Nanhaimingzhu Bridge is in the edge of tropical and subtropical ocean regions,which has characteristics such as high temperature,high humidity,high salinity,high sunshine hours,heavy wave,etc.That seriously affects the durability of concrete structures.The analysis result indicates that chloride penetration in the hot marine environment is the leading cause of the durability deterioration for Nanhaimingzhu Bridge.Aiming at this problem,based on the analysis on environmental action grade and durability assurance measures,considering the structural location,economic cost,technical feasibility,safety requirements,construction,maintenance management and service life,etc.,we put forward the durability strategy of high performance concrete and additional anticorrosion measures.From the selection of raw materials,mix design,construction control,quality control,durability maintenance,etc.to ensure the realization of concrete structure durability target.

sea-crossing bridge;high temperature;durability;chloride penetration;high performance concrete;anticorrosion measures

U445.57

A

2095-7874（2017）12-0047-05

10.7640/zggwjs201712011

2017-09-12

黃光樅（1981— ），男，海南屯昌人，工程師，路橋工程專業(yè)。E-mail：52965912@qq.com