東海大橋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性策略及高性能混凝土在工程中的應(yīng)用

一、前言

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(zhuǎn)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(shè)計基準期，可謂世紀工程。為保證東海大橋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，工程采取了以高性能混凝土技術(shù)為核心的綜合耐久性技術(shù)方案。然而我國目前大型海洋工程超長壽命服役的相關(guān)技術(shù)規(guī)范，高性能混凝土的設(shè)計、生產(chǎn)、施工技術(shù)在工程中的應(yīng)用方面尚為空白，因此結(jié)合東海大橋工程的具體需要，研究跨海大橋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性策略和高性能混凝土的應(yīng)用技術(shù)極為迫切和重要。

二、東海大橋混凝土結(jié)構(gòu)布置和耐久性設(shè)計背景

1、東海大橋混凝土結(jié)構(gòu)布置

東海大橋跨海段通航孔部分預(yù)應(yīng)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(yù)制混凝土構(gòu)件為主，其中50～70m的預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁是重量超過1000噸的巨型構(gòu)件；陸上段梁、柱和承臺亦采用現(xiàn)澆混凝土?；炷恋脑O(shè)計強度根據(jù)不同部位在C30～C60之間。

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(fēng)盛行區(qū)，受季風(fēng)影響冬冷夏熱，四季分明，降水充沛，氣候變化復(fù)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(jié)構(gòu)混凝土的腐蝕荷載主要由氣候和環(huán)境介質(zhì)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(yīng)和沖擊磨損等【2、5、7、8、10】。

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(yīng)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【1】。

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(diào)查和科學(xué)研究結(jié)果表明，海洋環(huán)境下導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)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(xué)腐蝕。在東海大橋周邊沿海碼頭調(diào)查中亦證實【1】，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(zhì)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(jié)構(gòu)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(shù)措施

國內(nèi)外相關(guān)科研成果和長期工程實踐調(diào)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(shù)措施有【2、3、4、6、7】：

（1）高性能海工混凝土

其技術(shù)途徑是采用優(yōu)質(zhì)混凝土礦物摻和料和新型高效減水劑復(fù)合，配以與之相適應(yīng)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(dǎo)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(zhì)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(yīng)用，其應(yīng)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(jié)構(gòu)的整體力學(xué)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(yīng)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(xué)腐蝕反應(yīng)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(jié)構(gòu)中很少應(yīng)用。

四、東海大橋結(jié)構(gòu)混凝土耐久性策略

改善混凝土和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性需采取根本措施和補充措施。根本措施是從材質(zhì)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(dǎo)因?qū)ΠY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(jié)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(jié)構(gòu)耐久性的基本措施，然后根據(jù)不同構(gòu)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(fù)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(chǔ)的綜合防護策略，有效提高大橋混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命。

因此，東海大橋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性方案的設(shè)計遵循的基本方案是：首先，混凝土結(jié)構(gòu)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(gòu)件所處結(jié)構(gòu)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(zhì)量和原材料品質(zhì)的前提下，混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性將可以達到設(shè)計要求。

對于具體工程而言，耐久性方案的設(shè)計必須考慮當?shù)氐膶嶋H情況——如原材料的可及性、工藝設(shè)備的可行性等，以及經(jīng)濟上的合理性。也就是說應(yīng)該采取有針對性的，因地制宜的綜合防腐方案。

根據(jù)設(shè)計院提出的東海大橋主要部位構(gòu)件的強度等級要求、構(gòu)件的施工工藝和環(huán)境條件，對各部位混凝土結(jié)構(gòu)提出具體的耐久性方案。下表1為海上段部分混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性方案【1】。

表1 東海大橋海上段混凝土結(jié)構(gòu)耐久性方案

五、東海大橋高性能混凝土性能研究

5．1試驗用原材料及其物理化學(xué)性能
5.1.1水泥

試驗中采用了P.Ⅰ52.5，有關(guān)性能參數(shù)見表2。

表2 水泥物理化學(xué)分析

5.1.2磨細礦渣(礦渣微粉)

磨細礦渣(礦渣微粉)的有關(guān)性能參數(shù)見表3

表3磨細礦渣(礦渣微粉)物理化學(xué)分析

5.1.3粉煤灰

粉煤灰的有關(guān)性能參數(shù)見表4。

表4：粉煤灰的物理化學(xué)分析

5.1.4硅粉

硅粉的有關(guān)性能參數(shù)見表5。

表5：硅粉的物理化學(xué)分析

5.1.5粗骨料

混凝土配制試驗用石為5～25mm連續(xù)級配碎石。

2.2.1.6細骨料

混凝土配制試驗用砂檢驗結(jié)果如表6。

表6 砂檢驗結(jié)果

5.1.7減水劑

試驗采用LEX-9H聚羧酸鹽類高性能混凝土減水劑，其性能指標見表７。

表7 混凝土高效減水劑摻入混凝土中的性能試驗結(jié)果

注：LEX-9H外加劑摻量0.8%。
5.1.8拌和用水

可飲用水。

5．2試驗方案和主要試驗方法

從高性能海工混凝土的基本要求出發(fā)，在原材料的優(yōu)選試驗中，以坍落度評價混凝土的工作性，以抗壓強度等評價混凝土的物理力學(xué)性能，以混凝土的電通量和氯離子擴散系數(shù)(自然擴散法)試驗結(jié)果評價混凝土的抗氯離子滲透性能，并以耐久性能為首要要求。

試驗中所采用的主要試驗方法有：

(1)坍落度

混凝土的坍落度按《新拌混凝土性能試驗方法》GBJ80-85測定。

(2)抗壓強度

混凝土的抗壓強度按《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法》GBJ81-85測定。

(3) 混凝土的碳化、滲透和抗凍性能

試驗參照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》（GBJ82-85）進行

(4)混凝土的電通量和氯離子擴散系數(shù)快速試驗

ASTM C 1202混凝土直流電量法滲透性能評價：參照國際上通用的ASTM C 1202直流電量法進行混凝土滲透性能評價。試驗儀器采用清華大學(xué)改進的ASTM C 1202電量法測試儀。通過量測混凝土試件在60V直流電壓下通電6h通過的電量，以評價混凝土的滲透性。
用濃度曲線法測試混凝土表觀氯離子擴散系數(shù)的試驗方法，參照NT Build 443方法，將標準養(yǎng)護28天的混凝土試件浸泡于質(zhì)量濃度為3.0％的NaCl溶液中至指定齡期（90d）后，用剖面切削機從混凝土表面以不大于2mm的厚度取樣，并用化學(xué)方法測試樣本氯離子濃度，做混凝土氯離子濃度-深度曲線并用Fick第二定律進行非線性回歸求得混凝土表觀氯離子擴散系數(shù)。
5.3 混凝土配合比設(shè)計

試驗研究主要考察C35和C50兩系列高性能海工混凝土的性能，其編號分別為普通混凝土(基準組)的35J/50J，摻I型摻合料的35I/50I組，摻II型摻合料的35II/50II組，混凝土配合比見表８。

表8混凝土配合比

5．4高性能混凝土性能試驗結(jié)果及分析

混凝土的物理力學(xué)性能試驗結(jié)果如表9所示，常規(guī)耐久性能試驗結(jié)果如表10所示，抗氯離子滲透性能試驗結(jié)果如表11所示。

表9 高性能海工混凝土力學(xué)性能

表 10 高性能海工混凝土的碳化、滲透和抗凍性能 lang=EN-US style='font-family:宋體'>

style='font-family:宋體'>表11 高性能海工混凝土抗氯離子滲透性能

與普通混凝土相比較，高性能海工混凝土具有優(yōu)良的工作性能、相近的物理力學(xué)性能和優(yōu)異的耐久性能，尤其是其耐海水腐蝕性能，混凝土氯離子擴散系數(shù)可小于2.0～1.0E-12m2/s。

六、高性能混凝土的質(zhì)量保證措施

高性能海工混凝土工程耐久性是一項系統(tǒng)工程。為保證整個設(shè)計的系統(tǒng)性、完整性、規(guī)范性、科學(xué)性和可行性，必然需要一個完善的整體思路和框架。因此，在建設(shè)過程中我們遵循了一個以預(yù)先質(zhì)量控制與評估（PreQC&QA），耐久性方案設(shè)計（Design link to SLP）和質(zhì)量控制與評估（QC&QA）的思想。為確保混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的目標，須從圖1中所示三大環(huán)節(jié)進行控制,即:
（1）預(yù)先質(zhì)量控制與評估（PreQC&QA），是在了解工程背景、使用環(huán)境以及混凝土材料在海洋環(huán)境中的性能特點的基礎(chǔ)上，通過對材料性能的試驗研究，建立混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計的數(shù)據(jù)和依據(jù)，并預(yù)測混凝土結(jié)構(gòu)的實際使用性能
（2）耐久性方案設(shè)計（Design link to SLP），充分考慮各種可變因素對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)使用壽命的影響，如環(huán)境溫度、混凝土內(nèi)應(yīng)力、裂縫等，以建立使用壽命預(yù)測系統(tǒng)，為耐久性方案的設(shè)計提供指導(dǎo)和依據(jù)。再以使用壽命預(yù)測系統(tǒng)為基礎(chǔ)，制定有針對性的耐久性解決方案。
（3）質(zhì)量控制與評估（QC&QA），是指在方案的實施過程中如何控制各方面的質(zhì)量以及如何對已完成部分的質(zhì)量進行評估的過程。在質(zhì)量控制與評估環(huán)節(jié)中，主要需要確立各種質(zhì)量控制措施和實施標準，建立各種性能試驗的評價體系，保證混凝土性能符合方案設(shè)計要求。

對于實際施工過程中，質(zhì)量控制與評估（QC&QA）將是重中之重。相對普通混凝土的質(zhì)量控制而言，高性能混凝土施工質(zhì)量控制主要涉及原材料質(zhì)量、配合比、拌和、施工、保護層厚度、養(yǎng)護等方面，其重點和難點在于保護層厚度和養(yǎng)護等方面。

（1）高性能混凝土保護層厚度質(zhì)量控制和保證措施

高性能混凝土保護層墊塊采用變形多面體形式，高性能細石混凝土預(yù)制，墊塊材料的強度及抗?jié)B透性均不低于本體高性能混凝土的技術(shù)標準。如下圖所示的混凝土墊塊是其中一種形式。

(2)高性能混凝土的養(yǎng)護

在試驗過程中發(fā)現(xiàn)，頂面混凝土由于陽光直射溫度較高產(chǎn)生溫差過大的現(xiàn)象，同時由于風(fēng)速較大也容易造成混凝土表面失水過快，混凝土表面收縮較大而導(dǎo)致混凝土開裂。因此，在實際施工過程中，箱梁混凝土澆注完畢后即在頂面加蓋塑料薄膜頂棚以保溫保濕。對于預(yù)制箱梁等大型預(yù)制構(gòu)件，由于預(yù)制場地的限制和施工進度要求，采用低溫蒸養(yǎng)的方式。

對于現(xiàn)澆混凝土，混凝土成型抹面結(jié)硬后立即覆蓋土工布，砼初凝后立即進行澆水養(yǎng)護，養(yǎng)護用水為外運淡水，拆模前12小時擰松加固螺栓，讓水從側(cè)面自然流下養(yǎng)護，側(cè)面拆模不小于48小時。

七、結(jié)語 lang=EN-US style='font-family:宋體'>

根據(jù)工程調(diào)研和環(huán)境條件分析，影響東海大橋結(jié)構(gòu)混凝土耐久性的首要因素是混凝土的Cl-滲透速度。針對這一具體情況，并考慮當?shù)氐膶嶋H情況——如原材料的可及性、工藝設(shè)備的可行性等，以及經(jīng)濟上的合理性，東海大橋工程采取以高性能混凝土技術(shù)為核心的綜合耐久性策略和方案。通過符合現(xiàn)階段工程實際情況和技術(shù)水平的施工措施和質(zhì)量保證措施，確保了高性能混凝土的質(zhì)量符合耐久性設(shè)計的要求。