跨海大桥混凝土耐久性设计探讨

张瑞雄

舟山市交通运输局

跨海大桥混凝土耐久性设计探讨

张瑞雄

舟山市交通运输局

桥梁在人们的日常生活中有着十分重要的作用，可以方便人们的生活。跨海大桥在建造过程中具有着技术难度较大，海水腐蚀混凝土等等问题，为了保证跨海大桥的质量，基于此，本文分析了混凝土耐久性设计分析。

跨海大桥；混凝土；耐久性；

引言

跨海大桥工程规模巨大，其气象、水文、地形、地质条件复杂，跨海大桥服役期受海水氯化物、炎热、潮湿、海水流速等诸多因素影响。为保证大桥服役寿命达到100年，跨海大桥混凝土结构耐久性设计的研究非常必要。首次提出服役寿命100年是20世纪80年代丹麦大贝尔特海峡大桥长6.5km双线桥，主跨长1624m的悬索桥，总长7km的公路桥。我国第一座跨外海桥梁的东海大桥、杭州湾跨海大桥、金塘大桥，厦漳跨海大桥的设计服役寿命均为100年。对耐久性主要破坏因素有：冻融破坏、碱骨料反应、硫酸盐侵蚀、钢筋锈蚀。跨海大桥一般处于地质条件复杂，恶劣环境中，海洋中大多混凝土结构部位所处的环境作用等级多为E～F级，即腐蚀非常严重或极端严重；加之海水盐度高、温差大、季节交替，对跨海大桥的耐久性都提出了严峻的挑战。

1 、环境混凝土结构损坏机理

1.1 腐蚀原理

由于硬化后的水泥混凝土含有大量Ca(OH)2，部分溶解在混凝土孔隙中，形成饱和Ca(OH)2溶液，其pH值达12～13，水泥的高碱性可使其内部钢筋表面产生一层致密钝化膜，牢牢吸附于钢筋表面，使钢筋很难继续进行阳极反应，即隔离钢筋与Cl-、(OH)-等有害离子接触。但在海水侵蚀环境，Cl-由混凝土表面逐渐渗入，随着Cl-浓度增加，混凝土的碱性(pH值)就降低，当钢筋表面处混凝土饱和溶液的pH降到11.5时，钝化膜开始变得不稳定；当pH降到9.5以下时，钝化膜消失，钢筋开始腐蚀。钢筋与Cl-反应生成易溶的FeCl2，FeCl2由钢筋表面向混凝土孔隙液迁移，但FeCl2是不稳定体，与孔隙液中的游离O2-结合，分解成Fe(OH)2并释放出Cl-、H+，Fe(OH)2沉积于钢筋周围，Cl-又回到钢筋表面，带出更多的Fe2+，如此循环，Cl-在钢筋腐蚀过程中成为催化剂，加速了钢筋锈蚀。钢筋锈蚀的后，有效截面积减小，承载力降低。且锈蚀物体积是原体积2.5～3倍，在混凝土内产生膨胀力，使混凝土出现沿钢筋的裂缝，降低了钢筋与混凝土之间的粘接；进一步的发展会使混凝土沿钢筋表面出现片状的剥落，钢筋与混凝土粘接失效，钢筋作用消失。

1.2 腐蚀条件

由钢筋混凝土构件损坏机理可以看出，Cl-对钢筋混凝土构件的损害有三个先决条件：一是Cl-浓度要达到一定值，小于这一浓度的Cl-对钢筋混凝土构件没有影响；如离海平面一定高度处，大气中Cl-浓度较低，渗入混凝土内速度缓慢，Cl-到达钢筋表面且其浓度达到使钢筋锈蚀的时间超过了构件寿命。二是要有氧气渗入混凝土内置换FeCl2中的Fe2+形成铁锈，如果混凝土表面封闭，没有氧气渗入，钢筋也不会生锈；如在水下或长期湿润的混凝土因氧气交换少，混凝土中的钢筋锈蚀也不严重。三是钢筋是能被腐蚀的材料，试验证明Cl-含量对素混凝土性能影响不大，而是Cl-引起混凝土中钢筋锈蚀导致构件破坏；如果将钢筋改为耐Cl-腐蚀材料，则构件不会出现Cl-侵蚀破坏。

2 、跨海大桥混凝土耐久性设计措施

2.1 混凝土原材料要求

水泥：选用Ⅱ型硅酸盐水泥，比表面积为300～350m2/kg，C3 A含量为6%～10%，碱含量低于0.6%，使用时温度低于60℃。粉煤灰：选用Ⅰ级或Ⅱ级低钙粉煤灰，需水量比小于100%。矿粉：比表面积为400～450m2/kg，28d活性指数大于95%，考虑早期水化放热的影响适当降低了7d活性指数要求。粗集料：选用两级配碎石，含泥量小于0.8%(C50及以上小于0.5%)，针片状小于10%(C50及以上小于7%)，压碎值小于20%。细集料：选用Ⅱ级配区中砂，细度模数控制在2.6～2.9，含泥量应低于2.0%，泥块含量应低于0.5%，水溶性氯化物含量低于0.02%。减水剂：选用聚羧酸类高性能减水剂，减水率应不低于25%，混凝土1h坍落度损失小于初始值的10%，泌水率比不大于60%，28d收缩率比不大于100%。

2.2 混凝土配制要求

应控制混凝土的单方用水量、最大水胶比和胶凝材料用量，混凝土用水量应小于160kg/m3，水胶比范围宜在0.30～0.38。

采用大掺量矿物掺合料配制海工混凝土是常用的技术手段，可提高混凝土的密实性，降低开裂敏感性。矿物掺合料复合掺入比例应根据桥梁不同结构部位合理选取。一般开裂性能要求较高的结构部位可增大粉煤灰掺量，对抗氯离子渗透性能要求较高的可适当增大磨细矿粉掺量。限制大体积混凝土强度发展要求。大体积混凝土24h抗压强度不大于12mPa，对抗裂要求较高的结构(如浪溅区承台)，宜分别不高于10mPa；对于有预应力张拉要求的结构，此要求可适当放宽。

2.3 保护层厚度控制

混凝土保护层作为阻止有害物质侵入的有效屏障，其质量的优劣直接影响对钢筋的保护作用，是保证结构使用寿命的关键，保护层厚度控制措施如下：使用统一预制的水泥基保护层定位块，其中桩基为轮型，其他结构为梅花型。垫块强度、抗渗透性能不劣于结构混凝土，外观颜色与结构混凝土相同，数量不小于4个/m2；混凝土浇筑前认真检查保护层定位块的数量、位置及其紧固程度，并指定专人作重复性检查以提高保护层厚度尺寸的施工质量保证率；保证模板的强度、刚度及安装精度，防止混凝土浇筑过程中的变形。保护层厚度保护层厚度指标以保护内部不受腐蚀为原则，为控制混凝土保护层厚度和施工质量，工程建议采用统一预制的海工细石混凝土垫块，抗腐蚀能力和抗压强度不得低于构件本体混凝土。浇筑混凝土前，钢筋安装时保护层厚度的允许偏差严格按照设计要求执行，保护层内不得有绑扎钢筋的铁丝伸入。浇筑混凝土前，检查保护层垫块的位置、数量及其紧固程度，提高保护层厚度尺寸的施工质量保证率；检查模板、钢筋、预埋件和预留孔的尺寸、规格、数量和位置，其偏差符合现行行业标准的有关规定；检查模板支撑的稳定性和接缝的密合情况等。现场混凝土保护层的实际厚度宜采用非破损检测确定。

2.4 裂缝控制措施

跨海大桥工程避免采用斜面结构，大倾斜面结构在施工中混凝土不易密实，气泡不易排除，外观质量控制难度大；同时，此类结构易出现45°剪切缝。承台、塔座大体积混凝土强度按56d评定，承台、塔座大体积混凝土处于浪溅区、控制裂缝要求严格，且加荷载时间晚，具备较长龄期评定的条件。较长龄期评定可以充分发挥掺合料后期强度，有利于降低该类混凝土结构的胶凝材料总量，对降低混凝土水化热、控制开裂具有重要意义。

2.5 混凝土养护

混凝土浇筑后定时监测混凝土内部温度变化、环境温度、相对湿度及风速等参数，以便根据环境参数变化及时调整养护工艺。对暴露于大气中的新浇混凝土表面及时进行保温、养护，养护水不能用海水。承台混凝土上表面尽可能采用蓄水养护，立面混凝土拆模宜使用自动喷雾系统，也可采取拆模后喷水、涂养护剂、外表面紧贴包裹塑料布的保湿措施。为控制温度裂缝，保证混凝土表面的接触物与混凝土表面温度之差不大于15℃。当相对湿度小、风速大、阳光强烈时，混凝土浇筑后上表面用塑料薄膜覆盖，防止水分蒸发，待抹面时卷起薄膜并再次覆盖，至终凝后撤除薄膜并进行保湿或蓄水养护。相邻布应至少重叠150mm，使整个混凝土表面形成完全防水覆盖。新浇结构物易与流动水接触时，采取防水措施，保证混凝土在浇筑后7d之内不受水的冲刷。对于浪溅区以下的新浇混凝土，保证混凝土在10d内，且强度达到设计等级值的70%以前，不受海水的侵袭。混凝土的拆模时间除考虑强度外，还应考虑混凝土的内外温差，避免其接触空气时降温过快而开裂。大体积混凝土拆模时间冬季不宜少于10天，夏季不宜少于7天。为避免温度裂缝，拆模时混凝土表面点与内部最高温度之差应小于20℃，拆除模板的混凝土表面应加强保温、保湿养护。

3 、结语

要满足跨海大桥耐久性要求，其前期的环境调查尤为重要，特别是主桥、引桥的地质水文、海水成分、腐蚀介质等环境条件；掌握国内外跨海大桥耐久性设计方式，清楚不同方法的优劣；结合项目的具体特点，采用海工高性能混凝土和适当增加混凝土保护层厚度的基本防腐措施，同时针对不同的结构部位增加相应的防腐附加措施，硅烷浸渍、外加电流阴极保护、不锈钢钢筋网片、透水模板布等措施。确定对处于腐蚀环境相对恶劣的混凝土结构，使其跨海大桥达到100年的服役寿命。

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