南海明珠大桥混凝土结构耐久性策略

黄光枞

（海航地产集团有限公司，海南 海口 570203）

南海明珠大桥混凝土结构耐久性策略

黄光枞

（海航地产集团有限公司，海南 海口 570203）

南海明珠大桥地处亚热带及热带边缘海区，具有高温、高湿、高盐、高日照、风浪大等特点，严重影响混凝土结构耐久性。分析认为，炎热海洋环境下的氯离子侵蚀是影响南海明珠大桥耐久性的首要因素。针对该问题，在环境作用等级及耐久性保障措施分析基础上，综合考虑结构部位、经济成本、技术可行性、安全要求、施工、维护管理、服役寿命等因素，提出高性能混凝土+附加防腐措施的耐久性策略。从原材料选择、配合比设计、施工控制、质量控制、耐久性维护等多角度保证措施，确保实现混凝土结构耐久性目标。

跨海大桥；高温；耐久性；氯离子侵蚀；高性能混凝土；附加防腐措施

0 引言

海洋腐蚀所造成的混凝土结构破坏是导致跨海大桥耐久性不足的主要原因之一。因此，海洋环境下混凝土结构的耐久性问题受到了国内外学者的高度重视。南海明珠大桥地处亚热带及热带边缘海区，具有高温、高湿、高盐、高日照、风浪大等特点，大桥在其中服役时面临严重的腐蚀威胁。针对跨海大桥的耐久性问题，国内已有诸如东海大桥、杭州湾大桥、青岛海湾大桥、港珠澳大桥等工程的建设经验[1-4]。然而，南海明珠大桥所处海域不同、结构不同、耐久性需求也不同，因此所面临的具体耐久性问题也不尽相同。本文从南海明珠大桥所处环境特点及具体需求出发，提出南海明珠大桥混凝土结构的耐久性策略及技术措施。

1 南海明珠大桥及其所处环境分析

1.1 南海明珠大桥概况

南海明珠大桥作为连接海口湾南海明珠生态岛与内陆的重要陆路通道，路线全长2.343 km，其中跨海桥梁长度约2.06 km，主桥为（60+3伊100+60）m矮塔斜拉桥，引桥主要采用40 m先简支后连续小箱梁，工程按照城市主干道、双向四车道、设计车速为60 km/h的标准建设，桥梁结构设计基准期为100 a。南海明珠大桥的桩基、承台、墩柱、盖梁及箱梁等主体结构均采用高性能海工混凝土，根据不同部位混凝土的设计强度在 C35耀C60之间。

南海明珠大桥地处亚热带南缘、热带北缘，属于季风性热带气候区，大风频繁，降水充沛，多年平均气温为24.1益，年平均相对湿度为85%，海区全年盐度一般在3.7%耀3.8%之间变化，属高盐雾型海区，海洋环境特征明显，海洋性气候变化复杂。

1.2 所处环境分析

南海明珠大桥所处环境属于典型的亚热带及热带边缘海区，具有高温、高湿、高盐、高日照、风浪大等特点，严重影响南海明珠大桥混凝土结构的耐久性。大桥所处环境全年盐度在3.7%耀3.8%之间，氯离子侵蚀是首先需考虑的因素。由于大气中存在一定量的CO2，混凝土碳化也存在，但在海洋环境中，碳化速度远低于氯离子侵蚀速度[1]。大桥所处环境多年平均温度为24.1益，可不考虑冻融循环、除冰盐造成的腐蚀破坏，以及浮冰漂移造成的磨蚀。综上可知，炎热海洋环境下的氯离子侵蚀是影响南海明珠大桥混凝土结构耐久性的首要因素。

根据大桥的结构特点，存在不同腐蚀区带，这些区带的腐蚀特征也不尽相同。其中，浪溅区和水位变动区长期遭受海水飞沫和海浪的作用，加之干湿交替频繁、供氧充分、日照充足、含盐颗粒量大等，腐蚀破坏程度最为严重。大气区受盐雾颗粒、氧、水分等腐蚀介质的影响，腐蚀破坏程度也较为严重。而水下区由于缺氧等原因，腐蚀破坏程度相对较轻。依据JTG/T B07-01—2006[5]的相关规定，南海明珠大桥所涉及的环境条件及作用等级见表1。

表1 南海明珠大桥所涉及的环境条件及作用等级Table1 Environmental conditions and function grades of Nanhaimingzhu Bridge

综上所述，由于桥梁所处环境具有高温、高湿、高盐、高日照、风浪大等特点，南海明珠大桥面临着严峻的耐久性问题，需采取一系列防腐技术措施。

2 混凝土结构耐久性方案

2.1 耐久性保障措施分析

混凝土结构耐久性保障是一个复杂的系统工程，涉及材料、设计、施工、检测、维护等多方面内容。混凝土结构耐久性保障措施通常可分为基本措施和附加防腐措施两类。基本措施主要通过原材料质量控制、合理的结构及耐久性设计、严格的施工及混凝土质量控制等来确保混凝土结构耐久性，其本质是通过提高混凝土自身性能限制腐蚀介质的侵入，从而延长结构耐久性。附加防腐措施主要指在基本措施基础上所采取的防腐蚀措施，如混凝土涂层、硅烷浸渍、环氧涂层钢筋、不锈钢钢筋、阴极保护、阻锈剂等。

如前所述，氯离子侵蚀是影响结构耐久性的首要原因。以低水胶比和大掺量矿物掺和料为特点的高性能混凝土具有显著的抗氯离子渗透能力，在海洋环境下具有良好的耐久性，且具有强度高、工作性能良好、体积稳定性高等优点。因此，首先考虑采取以高性能混凝土为基础的基本措施来提高混凝土结构本身的耐久性。其次，基于桥梁的重要性及腐蚀作用的严酷性，还需针对不同腐蚀部位或构件采取必要的附加防腐措施，形成以基本措施为基础的综合防腐体系，有效保障混凝土结构耐久性。表2为混凝土结构常用附加防腐措施的分析。

2.2 耐久性策略的确定

南海明珠大桥处在严酷的海洋腐蚀环境下，且要达到百年的耐久性要求，因此必须采用综合性的耐久性保障措施。根据上述分析，大桥混凝土结构将采用基本措施和防腐附加措施相结合的方式来保证结构耐久性。大桥将采用高性能混凝土作为主体结构的材料，并通过设置合理的保护层厚度、严格控制裂缝等措施确保混凝土自身的耐久性。在此基础上，根据所处部位及使用环境，对腐蚀严重的部位或构件采用适当的附加防腐措施，如涂层保护、掺加钢筋阻锈剂等。此外，由于灌注桩将长期浸泡在海水之中，考虑保留基桩周围的钢护筒，用以缓解或阻止氯离子的侵蚀，从而达到对钻孔灌注桩长效保护的目的。

表2 混凝土结构常用附加防腐措施分析Table2 Analysis of additional anticorrosion measures used in concrete structures

综合考虑结构部位、经济成本、技术可行性、安全要求、施工、维护管理、服役寿命等因素，提出了南海明珠大桥混凝土结构的耐久性方案，具体见表3。

表3 南海明珠大桥混凝土结构的耐久性方案Table3 Durability schemes of concrete structure of Nanhaimingzhu Bridge

3 实现混凝土结构耐久性目标的保证措施

混凝土结构耐久性保障是一项复杂的系统工程，必须从原材料选择、配合比设计、施工控制、质量控制、耐久性维护等多个角度出发，确保混凝土结构的总体耐久性目标。

3.1 原材料选择

为确保混凝土结构的耐久性，应对原材料的选择严格控制。原材料选择的要求如下：1）宜采用硅酸盐水泥或低热水泥，水泥中的C3A含量不宜超过8%，水泥细度不宜超过350 m2/kg，游离氧化钙不宜超过1.5%；2）混凝土中因原材料（水泥、集料、掺和料、拌合水等）引入的水溶性氯离子总量应不超过胶凝材料重量的0.1%；3）应掺加大掺量或较大掺量的矿物掺和料，通常可选用I级、II级粉煤灰或S95矿粉等；4）粗集料应质地均匀、粒形和级配良好、洁净且坚实，针片状颗粒含量约7%、压碎指标臆10%、吸水率臆2%，且最大粒径不宜超过25 mm，细集料为级配良好的中粗河沙；5）选用适当的高效减水剂或复合减水剂，且高效减水剂中的硫酸钠含量不大于减水剂固体净重的15%；6）混凝土表面涂层体系性能要求为：抗氯离子渗透性臆1.0伊10-3mg/（cm2·d），耐老化性逸4 000 h，附着力逸2.0 MPa，耐碱性逸720 h，涂层外观质量合格。

3.2 混凝土配合比设计

高性能混凝土配合比设计的原则如下：1）选用低水胶比，降低混凝土用水量；2）选用质地坚硬、洁净、无碱活性、级配优良的集料；3）合理使用水泥、矿物掺和料等材料，多种胶凝材料按最佳比例搭配。下面以C35和C50的混凝土为例，介绍混凝土的配合比设计情况，并对相同材料（除掺和料外）所配制高性能混凝土与普通混凝土的性能差异。表4为普通混凝土和高性能混凝土的配合比。

为明确各配合比混凝土的性能，进行了抗压强度、弹性模量、碳化深度、28 d电通量及28 d氯离子渗透系数测试，结果见表5。抗压强度及弹性模量按照GB/T 50081—2002[6]的相关规定测试。碳化深度、28 d电通量及28 d氯离子渗透系数按照GB/T 50082—2009[7]的相关规定测试。

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，掺加矿物掺和料的高性能混凝土抗压强度、弹性模量及抵抗碳化的性能均优于普通混凝土，特别是抗氯离子渗透的性能得到了显著改善，且满足JTG/T B07-01—2006[5]中的有关要求。

3.3 混凝土施工控制

3.3.1 保护层厚度

混凝土保护层小于设计厚度会造成钢筋过早锈蚀，无法达到预期保护效果；而大于设计厚度则容易导致混凝土开裂，同样不利于耐久性。因此，在施工过程中应当严格控制混凝土的保护层厚度。本项目在施工中将采用合适类型的高性能细石混凝土预制垫块，并严格检查和控制保护层厚度，浪溅区允许偏差0耀+10 mm，其它部位允许偏差-5耀+10 mm。

3.3.2 裂缝控制

混凝土有害裂缝的存在不仅影响结构外观，而且在一定程度上会加速结构的耐久性失效。然而，由于众多因素的综合影响，混凝土裂缝的产生难以避免，因此应当严格控制其宽度并及时修补以尽量减少其对耐久性的危害。裂缝控制的要求如下：环境作用等级为D、E、F的构件或部位的最大裂缝宽度限值分别为0.2 mm、0.15 mm和0.1 mm。

3.3.3 混凝土的养护

混凝土胶凝材料具有水硬性，保持其含有充足的水分，对保障混凝土质量极其重要。温度收缩会导致混凝土早期开裂，故控制温度对保障混凝土质量同样重要。因此，混凝土养护的要点就是温度和湿度的控制。日照条件、风速、气温等因素会对混凝土水分及温度造成影响，因此应根据上述条件选择适当的措施保证温度和湿度的控制。混凝土养护的要求如下：混凝土抹面结束后应立即覆盖，防止风吹和曝晒造成的水分流失，终凝后应立即开始持续潮湿养护，养护时间不得少于15 d；对于断面最小尺寸大于0.3 m的构件，混凝土内部最高温度应不高于70益，与表层温度之间的温差不宜超过20益。

3.3.4 涂层施工

混凝土涂装时的龄期不宜少于28 d，且混凝土质量应验收合格。涂装前应根据设计要求和涂料使用要求进行小区试验。实施涂装前应进行表面处理，修补混凝土表面的麻面、露石、气泡等缺陷，并清除表面的浮浆、油污、脱模剂、酸碱盐等附着物。涂装过程中发现漏涂、流挂等缺陷应当及时处理，每道涂装施工前应当对上道涂层进行检查，合格后方能进行下道施工。

3.4 质量控制

混凝土耐久性的质量控制及检验的主要内容如下：

1）测定混凝土保护层的实际厚度；

2）评估保护层混凝土的密实性质量；

3）测定表层混凝土的抗渗性；

4）测定混凝土的氯离子扩散系数；

5）检验混凝土表面涂层的质量。

3.5 耐久性维护

随着外部环境（荷载、运营期环境、不可预见的外力作用等）的变化和材料自身的劣化，混凝土结构在服役期间不可避免会出现耐久性损伤问题。要保证结构的耐久性，除合理选材、设计及严格的质量控制外，还应当对混凝土结构进行日常检查和定期检测（可安装耐久性监测系统），及时发现并处理耐久性损伤，必要时进行耐久性再设计，排除安全隐患，实现全寿命周期的耐久性维护，确保预定服役期内不出现影响结构安全的耐久性问题。

4 结语

南海明珠大桥处在具有高温、高湿、高盐、高日照、风浪大等特点的腐蚀环境下，严重影响结构耐久性。分析表明，炎热海洋环境下的氯离子侵蚀是影响结构耐久性的首要因素。针对上述情况，从技术、经济、安全等角度出发，提出高性能混凝土+附加防腐措施的耐久性策略，以及实现混凝土结构耐久性目标的保障措施。可以预期，通过合理的选材、可靠的设计、严格的施工控制及科学的维护管理，可实现南海明珠大桥100 a设计使用寿命的目标。

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[6]GB/T 50081—2002，普通混凝土力学性能试验方法标准[S].GB/T 50081—2002,Standard for test method of mechanical prop原erties on ordinary concrete[S].

[7]GB/T 50082—2009，普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准[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

黄光枞（1981— ），男，海南屯昌人，工程师，路桥工程专业。E-mail：52965912@qq.com