東海大橋混凝土結構耐久性策略及高性能混凝土在工程中的應用

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摘要：上海為了建設全國乃至世界的物流中心和開發(fā)海洋自然資源，海洋工程的發(fā)展十分迅速。上海深水港的建設已為世人矚目，對上海經(jīng)濟持續(xù)高速發(fā)展將起到十分重要的拉動作用。作為上海深水港重要組成之一的東海大橋南起浙江崎嶇列島小洋山島的深水港區(qū)，北至上海南匯蘆潮港的海港新城，跨越杭州灣北部海域，全長31公里，是我國較為罕見的大型海洋工程「1」

　　關鍵詞：橋梁 混凝土 耐久性

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

　　二、東海大橋混凝土結構布置和耐久性設計背景

　　1、東海大橋混凝土結構布置

　　東海大橋跨海段通航孔部分預應力連續(xù)梁、橋塔、墩柱和承臺均采用現(xiàn)澆混凝土；非通航孔部分以預制混凝土構件為主，其中50～70m的預應力混凝土箱梁是重量超過1000噸的巨型構件；陸上段梁、柱和承臺亦采用現(xiàn)澆混凝土?；炷恋脑O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、東北季風盛行區(qū)，受季風影響冬冷夏熱，四季分明，降水充沛，氣候變化復雜，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)境下結構混凝土的腐蝕荷載主要由氣候和環(huán)境介質侵蝕引起。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破壞則可以通過控制混凝土組分來避免；這樣鋼筋銹蝕破壞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)外大量工程調查和科學研究結果表明，海洋環(huán)境下導致混凝土結構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)生電化學腐蝕。在東海大橋周邊沿海碼頭調查中亦證實「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，影響東海大橋結構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措施

　　國內(nèi)外相關科研成果和長期工程實踐調研顯示，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措施有「2、3、4、6、7」：

　?。?）高性能海工混凝土

　　其技術途徑是采用優(yōu)質混凝土礦物摻和料和新型高效減水劑復合，配以與之相適應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。

　?。?）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。

　?。?）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。

　?。?）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用，其應用效果評價不一。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％，使鋼筋混凝土結構的整體力學性能有所降低；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用受到制約。

　?。?）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。

　?。?）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腐蝕反應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構中很少應用。

　　四、東海大橋結構混凝土耐久性策略

　　改善混凝土和鋼筋混凝土結構耐久性需采取根本措施和補充措施。根本措施是從材質本身的性能出發(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，對主因和導因對癥施治，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)境下提高結構耐久性的基本措施，然后根據(jù)不同構件和部位，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的綜合防護策略，有效提高大橋混凝土結構的使用壽命。

　　因此，東海大橋混凝土結構的耐久性方案的設計遵循的基本方案是：首先，混凝土結構耐久性基本措施是采用高性能混凝土。同時，依據(jù)混凝土構件所處結構部位及使用環(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。在保證施工質量和原材料品質的前提下，混凝土結構的耐久性將可以達到設計要求。

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

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

　　表1 東海大橋海上段混凝土結構耐久性方案

 

結構部位　 海洋環(huán)境分類　 保護層厚度mm　 混凝土強度等級　 混凝土品種　 輔助措施　 備注　 鉆孔灌注樁　 水下區(qū)、樁頭水位變動區(qū)　 70　 C30　 大摻量摻合料混凝土　 上部為不拆除的鋼套筒　 　　 承臺　 水位變動區(qū)、浪濺區(qū)　 90　 C40　 高性能混凝土　 水位變動區(qū)、浪濺區(qū)部位涂防腐蝕涂層　 　　 墩柱　 水位變動區(qū)、浪濺區(qū)　 70　 C40　 高性能混凝土　 水位變動區(qū)、浪濺區(qū)部位涂防腐蝕涂層　 　　 箱梁　 大氣區(qū)　 40　 C50　 高性能混凝土　 　　 　　 橋面板　 大氣區(qū)　 40　 C60　 高性能混凝土　 　　 　　 塔柱　 下部為水位變動區(qū)、浪濺區(qū)，上部為大氣區(qū)　 70　 C50　 高性能混凝土　 水位變動區(qū)、浪濺區(qū)部位涂防腐蝕涂層　 　　

 

　　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性能5.1.1水泥

　　試驗中采用了P.Ⅰ52.5，有關性能參數(shù)見表2.

　　表2 水泥物理化學分析

 

物理分析　 密度g/cm³　 細度0.08mm篩余%　 比表面積m²/kg　 凝結時間（h）　 標準稠度用水量（%）　 安定性　 抗折強度（MPa）　 抗壓強度（MPa）　 初凝　 終凝　 3d　 7d　 28d　 3d　 7d　 28d　 3.12　 1.00　 427　 1：45　 3：18　 26.00　 合格　 6.3　 8.6　 10.0　 33.1　 58.9　 67.9　 化學分析　 化學組成（%）　 SiO₂　 Al₂O₃　 Fe₂O₃　 CaO　 SO₃　 K₂O　 Na₂O　 MgO　 LOSS　 21.48　 5.44　 3.15　 63.40　 2.02　 0.75　 0.44　 1.12　 2.19　 　　 　　 　　 　　 　　 　　 　　 　　 　　 　　 　　 　　 　　 　　 　　 　　 　　 　　 　　 　　 　　 　　

 

　　5.1.2磨細礦渣（礦渣微粉）

　　磨細礦渣（礦渣微粉）的有關性能參數(shù)見表3

　　表3磨細礦渣（礦渣微粉）物理化學分析

 

物理分析　 流動度比%　 比表面積（勃氏法）m²/kg　 7d活性指數(shù)%　 28d活性指數(shù)%　 密度g/cm³　 試驗結果　 102　 470　 77　 98　 2.91　 化學分析　 化學組成（%）　 SiO₂　 Al₂O₃　 Fe₂O₃　 CaO　 SO₃　 MgO　 試驗結果　 31.0　 14.2　 2.08　 40.95　 0.89　 7.75　 　　 　　 　　 　　 　　 　　 　　 　　 　　 　　 　　

 

　　5.1.3粉煤灰

　　粉煤灰的有關性能參數(shù)見表4.

　　表4：粉煤灰的物理化學分析

 

物理分析　 45μm篩余%　 需水量比%　 活性指數(shù)（28d抗壓強度比）%　 含水率% 　 燒失量%　 SO₃%　 密度g/cm³　 試驗結果　 10.5　 105　 26.4　 0.2　 1.98　 0.83　 2.1　 化學分析　 化學組成（%）　 SiO₂　 Al₂O₃　 Fe₂O₃　 CaO　 SO₃　 K₂O　 Na₂O　 MgO　 試驗結果　 51.04　 32.86　 8.26　 3.35　 0.83　 0.50　 0.31　 0.36　 　　 　　 　　 　　 　　 　　 　　 　　 　　 　　 　　 　　 　　 　　 　　

 

　　5.1.4硅粉

　　硅粉的有關性能參數(shù)見表5.

　　表5：硅粉的物理化學分析

 

物理分析　 45μm篩余%　 比表面積（勃氏法）m²/kg　 活性指數(shù)%　 含水率%　 燒失量%　 SiO₂含量%　 試驗結果　 1.0　 18000　 103　 0.9　 2.4　 92　

 

　　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果如表6.

　　表6 砂檢驗結果

 

項目　 表面
密度
（kg/m³）　 堆積
密度
（kg/m³）　 空隙率
（%）　 含泥量
（%）　 累 計 篩 余 （%）　 細度模數(shù)
μ_f　 10.0　 5.00　 2.50　 1.25　 0.63　 0.315　 0.16　 試驗
結果　 2632　 1538　 41.6　 1.0　 0　 1　 6　 14　 48　 84　 94　 2.4　

 

　　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果

 

檢 驗 項 目　 GB8076-1997
高效減水劑規(guī)定值　 試驗結果　 一等品　 合格品　 LEX-9H　 減水率（%）不小于　 12　 10　 27　 泌水率（%）不大于　 90　 95　 27　 含氣量（%）　 ≤3.0　 ≤4.0　 2.9　 凝結時間
之差（min）　 初凝　 -90~+120　 +17　 終凝　 +15　 抗壓強度比（%）　 1d　 140　 130　 193　 3d　 130　 120　 183　 7d　 125　 115　 173　 28d　 120　 110　 150　 收縮率比（%）不大于　 135　 99　 對鋼筋銹蝕作用　 鈍 化　 鈍 化　

 

　　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：

　?。?）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。

　?。?）抗壓強度

　　混凝土的抗壓強度按《普通混凝土力學性能試驗方法》GBJ81-85測定。

　?。?） 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

　?。?）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

 

編號　 摻合料類型　 水膠比　 每立方砼中材料用量（kg/m³）　 水泥　 摻合料　 砂　 石　 外加劑　 35J　 基準組　 0.36　 400　 0　 686　 1168　 3.6　 35I　 I　 0.36　 120　 280　 668　 1188　 3.6　 35II　 II　 0.36　 120　 280　 668　 1188　 3.6　 50J　 基準組　 0.32　 470　 0　 641　 1139　 4.23　 50I　 I　 0.32　 188　 282　 641　 1139　 4.23　 50II　 II　 0.32　 188　 282　 641　 1139　 4.23　

 

　　5.4高性能混凝土性能試驗結果及分析

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

　　表9 高性能海工混凝土力學性能

 

混凝土　 抗壓強度（MPa）　 劈拉強度
（MPa）　 抗折強度
（MPa）　 軸壓強度（MPa）　 彈性模量（10⁴MPa）　 35基準砼　 43.3　 4.0　 7.4　 29.4　 3.35　 海工I　 38.7　 3.9　 7.7　 26.7　 3.27　 海工II　 41.0　 4.1　 7.6　 28.9　 3.55　 50基準砼　 58.5　 4.0　 9.0　 32.2　 3.69　 海工I　 52.4　 3.9　 8.7　 31.3　 3.65　 海工II　 66.7　 4.5　 9.9　 32.9　 4.13　

 

表 10 高性能海工混凝土的碳化、滲透和抗凍性能
 

混凝土　 碳化深度（mm）　 滲透高度（mm）　 抗凍（凍融循環(huán)100次）　 碳化深度
（mm）　 強度損失（%）　 最大滲水壓力（MPa）　 滲水高度
（mm）　 質量損失
（%）　 相對動彈性模量損失（%）　 35基準砼　 0.30　 0.63　 2.5　 26.3　 0.9　 8.1　 海工I　 0.16　 0.42　 2.5　 7.1　 0.6　 6.9　 海工II　 0.16　 0.46　 2.5　 6.5　 0.6　 7.2　 50基準砼　 0.25　 0.50　 2.5　 20.5　 0.7　 7.2　 海工I　 0.17　 0.38　 2.5　 6.6　 0.5　 6.8　 海工II　 0.14　 0.37　 2.5　 5.4　 0.4　 6.4　

表11 高性能海工混凝土抗氯離子滲透性能
 

編號　 電通量（C）　 表觀Cl^-擴散系數(shù)Da（E-12m²/s）　 備注　 35基準砼　 1263　 4.85　 此中Da值為浸泡90天時的測試值　 海工I　 826　 1.28　 海工II　 741　 1.10　 50基準砼　 1112　 4.26　 海工I　 750　 1.15　 海工II　 637　 0.95　

　　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。為保證整個設計的系統(tǒng)性、完整性、規(guī)范性、科學性和可行性，必然需要一個完善的整體思路和框架。因此，在建設過程中我們遵循了一個以預先質量控制與評估（PreQC&QA），耐久性方案設計（Design link to SLP）和質量控制與評估（QC&QA）的思想。為確保混凝土結構耐久性的目標，須從圖1中所示三大環(huán)節(jié)進行控制，即：

　?。?）預先質量控制與評估（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上，通過對材料性能的試驗研究，建立混凝土結構耐久性設計的數(shù)據(jù)和依據(jù)，并預測混凝土結構的實際使用性能

　?。?）耐久性方案設計（Design link to SLP），充分考慮各種可變因素對鋼筋混凝土結構使用壽命的影響，如環(huán)境溫度、混凝土內(nèi)應力、裂縫等，以建立使用壽命預測系統(tǒng)，為耐久性方案的設計提供指導和依據(jù)。再以使用壽命預測系統(tǒng)為基礎，制定有針對性的耐久性解決方案。

　?。?）質量控制與評估（QC&QA），是指在方案的實施過程中如何控制各方面的質量以及如何對已完成部分的質量進行評估的過程。在質量控制與評估環(huán)節(jié)中，主要需要確立各種質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計要求。

　　對于實際施工過程中，質量控制與評估（QC&QA）將是重中之重。相對普通混凝土的質量控制而言，高性能混凝土施工質量控制主要涉及原材料質量、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。

　?。?）高性能混凝土保護層厚度質量控制和保證措施

　　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標準。如下圖所示的混凝土墊塊是其中一種形式。

　?。?）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。對于預制箱梁等大型預制構件，由于預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，讓水從側面自然流下養(yǎng)護，側面拆模不小于48小時。

　　七、結語

　　根據(jù)工程調研和環(huán)境條件分析，影響東海大橋結構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水平的施工措施和質量保證措施，確保了高性能混凝土的質量符合耐久性設計的要求。