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1、耐久性混凝土在跨海大桥中的应用 卢胜坤 中铁二十二局集团公司广州新客站项目部 - 一_ J 一 一、月U 昌 为保证跨海大桥混凝土结构的耐久性，工程采取了以高性能混凝土技术为核心的综 合耐久性技术方案。然而我国目前大型海洋工程超长寿命服役的相关技术规范，高性能 混凝土的设计、生产、施工技术在工程中的应用方面尚为空白，因此结合跨海大桥工程 的具体需要，研究跨海大桥混凝土结构耐久性策略和高性能混凝土的应用技术极为迫切 和重要。 二、跨海大桥混凝土结构布置和耐久性设计背景 1 、跨海大桥混凝土结构布置 跨海大桥跨海段通航孔部分预应力连续梁、墩柱和承台均采用现浇混凝土；非通航 孔部分以预制混凝土构件为
2、主，其中5 0 , - 一7 0 m 的预应力混凝土箱梁是重量超过1 0 0 0 吨 的巨型构件；陆上段梁、柱和承台亦采用现浇混凝土。混凝土的设计强度根据不同部位 在C 3 0 C 6 0 之间。 2 、跨海大桥附近海域气象环境 跨海大桥地处北亚热带南缘、东北季风盛行区，受季风影响冬冷夏热，四季分明， 降水充沛，气候变化复杂，多年平均气温为1 5 8 ，海区全年盐度一般在1 0 0 0 - - - 3 2 0 0 之间变化，属强混合型海区，海洋环境特征明显。 3 、跨海大桥面临的耐久性问题 在海洋环境下结构混凝土的腐蚀荷载主要由气候和环境介质侵蚀引起。主要表现形 式有钢筋锈蚀、冻融循环、盐类侵
3、蚀、溶蚀、碱一集料反应和冲击磨损等。 跨海大桥位于典型的亚热带地区，严重的冻融破环和浮冰的冲击磨损可不予考虑： 镁盐、硫酸盐等盐类侵蚀和碱骨料反应破坏则可以通过控制混凝土组分来避免；这样钢 筋锈蚀破环就成为最主要的腐蚀荷载。 混凝土中钢筋锈蚀可由两种因素诱发，一是海水中C l _ 侵蚀，二是大气中的C 0 ：使混 凝土中性化。国内外大量工程调查和科学研究结果表明，海洋环境下导致混凝土结构中 钢筋锈蚀破坏的主要因素是C 1 一进入混凝土中，并在钢筋表面集聚，促使钢筋产生电化 学腐蚀。在跨海大桥周边沿海码头调查中亦证实1 ，海洋环境中混凝土的碳化速度远远 低于C 1 一渗透速度，中等质量的混凝土自
4、然碳化速度平均为3 m m l O 年。因此，影响跨海 大桥结构混凝土耐久性的首要因素是混凝土的C 1 一渗透速度。 三、提高海工混凝土耐久性的技术措施 国内外相关科研成果和长期工程实践调研显示，当前较为成熟的提高海洋钢筋混凝 土工程耐久性的主要技术措施有： ( 1 ) 高性能海工混凝土 其技术途径是采用优质混凝土矿物掺和料和新型高效减水剂复合，配以与之相适应 的水泥和级配良好的粗细骨料，形成低水胶比，低缺陷，高密实、高耐久的混凝土材料。 高性能海工混凝土较高的抗氯离子渗透性为特征，其优异的耐久性和性能价格比已受到 国际上研究和工程界的认同。 ( 2 ) 提高混凝土保护层厚度 这是提高海洋工程
5、钢筋混凝土使用寿命的最为直接、简单而且经济有效的方法。但 是保护层厚度并不能不受限制的任意增加。当保护层厚度过厚时，由于混凝土材料本身 的脆性和收缩会导致混凝土保护层出现裂缝反而削弱其对钢筋的保护作用。 ( 3 ) 混凝土保护涂层 完好的混凝土保护涂层具有阻绝腐蚀性介质与混凝土接触的特点，从而延长混凝土 和钢筋混凝土的使用寿命。然而大部分涂层本身会在环境的作用下老化，逐渐丧失其功 效，一般寿命在5 1 0 年，只能作辅助措施。 ( 4 ) 涂层钢筋 钢筋表面采用致密材料涂覆，如环氧涂层环氧涂层钢筋在欧美也有一定的应用，其 应用效果评价不一。主要不利方面是，环氧涂层钢筋与混凝土的握裹力降低3 5
6、 ，使钢 筋混凝土结构的整体力学性能有所降低；施工过程中对环氧涂层钢筋的保护要求极其严 格，加大了施工难度；另外成本的明显增加也是其推广应用受到制约。 ( 5 ) 阻锈剂 阻锈剂通过提高氯离子促使钢筋腐蚀的临界浓度来稳定钢筋表面的氧化物保护膜， 从而延长钢筋混凝土的使用寿命。但由于其有效用量较大，作为辅助措施较为适宜。 ( 6 ) 阴极保护 该方法是通过引入一个外加牺牲阳极或直流电源来抑制钢筋电化学腐蚀反应过程 从而延长海工混凝土的使用寿命。但是，由于阴极保护系统的制造、安装和维护费用过 于昂贵且稳定性不高，目前在海工钢筋混凝土结构中很少应用。 四、跨海大桥结构混凝土耐久- 陛策略 改善混凝土
7、和钢筋混凝土结构耐久性需采取根本措施和补充措施。根本措施是从材 质本身的性能出发，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 坏作用的主次先后，对主因和导因对症施治，并根据具体情况采取除高性能混凝土以外 的补充措施。而二者的有机结合就是综合防腐措施。大量研究实践表明，采用高性能混 凝土是在恶劣的海洋环境下提高结构耐久性的基本措施，然后根据不同构件和部位，经 可能提高钢筋保护层厚度( 一般不小于5 0 r a m ) ，某些部位还可复合采用保护涂层或阻锈 剂等辅助措施，形成以高性能海工混凝土为基础的综合防护策略，有效提高大桥混凝土 结构的使用寿命。 因此，跨海大桥混凝土结构的耐久
8、性方案的设计遵循的基本方案是：首先，混凝土 结构耐久性基本措施是采用高性能混凝土。同时，依据混凝土构件所处结构部位及使用 环境条件，采用必要的补充防腐措施，如内掺钢筋阻锈剂、混凝土外保护涂层等。在保 证施工质量和原材料品质的前提下，混凝土结构的耐久性将可以达到设计要求。 对于具体工程而言，耐久性方案的设计必须考虑当地的实际情况如原材料的可 及性、工艺设备的可行性等，以及经济上的合理性。也就是说应该采取有针对性的，因 地制宜的综合防腐方案。根据设计院提出的跨海大桥主要部位构件的强度等级要求、 构件的施工工艺和环境条件，对各部位混凝土结构提出具体的耐久性方案。下表1 为海 上段部分混凝土结构的耐久
9、性方案。表1 跨海大桥海上段混凝土结构耐久性方案 表1海上段部分混凝土结构的耐久性方案 i 结构部海洋环保护层厚度 混凝土 混凝土品种 辅助措施备注 l 位 境分类 m m 强度等级 钻孔灌水下区、桩头水位 7 0C 3 0大掺量掺合料混凝土 上部为不拆除的钢 注桩 变动区套筒 水位变动区、浪溅水位变动区、浪溅区 承台 9 0C 4 0 高性能混凝土 区部位涂防腐蚀涂层 水位变动区、浪溅水位变动区、浪溅区 墩柱 7 0C 4 0 高性能混凝土 区部位涂防腐蚀涂层 箱梁大气区 4 0C 5 0 高性能混凝土 桥面板大气区 4 0C 6 0高性能混凝土 下部为水位变动 水位变动区、浪溅区 塔柱区、
10、浪溅区，上部 7 0 C 5 0 高性能混凝土 为大气区 部位涂防腐蚀涂层 五、跨海大桥高性能混凝土性能研究 5 1 试验用原材料及其物理化学性能 5 1 1 水泥 试验中采用了P I5 2 5 ，有关性能参数见表2 。 表2水泥物理化学分析 物理分 密度 细度比表面凝结时间( h )标准稠 安定 抗折强度( 归a )抗压强度( 肝a ) g c m 3 0 0 8 m m积度用水 析筛余m 2 k g 初凝终凝 性 3 d7 d2 8 d3 d7 d2 8 d 量( ) 3 1 21 O O4 2 71 ：4 53 ：1 8 2 6 O O合格6 38 6l O O3 3 15 8 9 6
11、7 9 化学分 化学组成( ) S i o zA 1 2 0 3F e 2 0 3 C a oS 0 3 K 2 0N a 2 0M 9 0 L O S S 析 2 1 4 85 4 43 1 56 3 4 02 0 2O 7 5O 4 4l - 1 22 1 9 5 1 2 磨细矿渣( 矿渣微粉) 磨细矿渣( 矿渣微粉) 的有关性能参数见表3 。 表3磨细矿渣( 矿渣微粉) 物理化学分析 比表面积( 勃氏法) 物理分析流动度比7 d 活性指数2 8 d 活性指数密度g c m 3 m 2 k g 试验结果1 0 24 7 0 7 7 9 82 9 1 化学组成( ) 化学分析 S i 0 2
12、A 1 2 0 3F e 2 0 3C a OS 0 3 M g O 试验结果3 1 O1 4 22 0 84 0 9 5O 8 97 7 5 5 1 3 粉煤灰 粉煤灰的有关性能参数见表4 。 表4粉煤灰的物理化学分析 4 5 皿筛余需水量活性指数( 2 8 d 抗压密度 物理分析含水率烧失量 S 0 3 比强度比) g c m 3 试验结果1 0 51 0 52 6 4O 21 9 80 8 32 1 化学组成( ) 化学分析 S i 0 2h 1 2 0 3F e 2 0 3C a OS O ，K 2 0N a l 0 M g o I 试验结果 5 1 0 43 2 8 68 2 63
13、3 5O 8 30 5 0O 3 1 0 3 6 5 1 4 硅粉 硅粉的有关性能参数见表5 。 4 8 0 表5 硅粉的物理化学分析 比表回积( 勃 物理分析4 5F 皿筛余 活性指数含水率 烧失量 S i 0 2 含量 氏法) m ：k g 试验结果1 O1 8 0 0 01 0 3O 9 2 49 2 5 1 5 骨料 混凝土配制试验用石为5 - - 一2 5 m m 连续级配碎石。细骨混凝土配制试验用砂检验结果 如表6 。 表6砂检验果 表面密堆积密 空隙率含泥量 累计 筛余 ( ) 细度 项目 度度 ( )( ) 1 0 0 5 O O 2 5 01 2 5O 6 3O 3 1 50
14、 1 6 模数 ( k g m 3 )( k g m 3 )2 ， I 试验结 果 2 6 3 21 5 3 84 1 61 OOl6 1 44 88 49 42 4 5 1 7 减水剂 试验采用L E X 一9 H 聚羧酸盐类高性能混凝土减水剂，其性能指标见表7 。 表7 混凝土高效减水剂掺入混凝土中的性能试验结果 G B 8 0 7 6 1 9 9 7 高效减水剂规定值试验结果 检验项目 一等品 合格品 L E X - 9 H 减水率( ) 不小于 1 2 1 02 7 泌水率( ) 不大于 9 09 5 2 7 含气量( )3 04 0 2 9 初凝+ 1 7 凝结时间之差( m i n
15、 )一9 0 + 1 2 0 终凝+ 1 5 l d1 4 01 3 0 1 9 3 3 d1 3 0 1 2 01 8 3 抗压强度比( ) 7 d1 2 5 1 1 51 7 3 2 8 d1 2 01 1 0 1 5 0 收缩率比( ) 不大于1 3 59 9 对钢筋锈蚀作用钝化钝化 5 1 8 拌和用水可饮用水。 5 2 试验方案和主要试验方法 从高性能海工混凝土的基本要求出发，在原材料的优选试验中，以坍落度评价混凝 土的工作性，以抗压强度等评价混凝土的物理力学性能，以混凝土的电通量和氯离子扩 散系数( 自然扩散法) 试验结果评价混凝土的抗氯离子渗透性能，并以耐久性能为首要要 求。试验
16、中所采用的主要试验方法有： ( 1 ) 坍落度 混凝土的坍落度按新拌混凝土性能试验方法G B J 8 0 - 8 5 测定。 ( 2 ) 抗压强度 混凝土的抗压强度按普通混凝土力学性能试验方法G B J 8 1 - 8 5 测定。 ( 3 ) 混凝土的碳化、渗透和抗冻性能 试验参照普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法( G B J 8 2 8 5 ) 进行 ( 4 ) 混凝土的电通量和氯离子扩散系数快速试验 A S T MC1 2 0 2 混凝土直流电量法渗透性能评价：参照国际上通用的A S T MC1 2 0 2 直 流电量法进行混凝土渗透性能评价。试验仪器采用清华大学改进的A S T MC1 2 0 2 电量法 测试仪。通过量测混凝土试件在6 0 V 直流电压下通电6 h 通过的电量，以评价混凝土的
