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

1、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)用摘要： 上海為了建設(shè)全國(guó)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(shè)已為世人矚目，對(duì)上海經(jīng)濟(jì)持續(xù)高速發(fā)展將起到十分重要的拉動(dòng)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(zhǎng)31公里，是我國(guó)較為罕見的大型海洋工程。關(guān)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(dòng)脈，對(duì)上海深水港的正常運(yùn)轉(zhuǎn)起到不可或缺的支撐保障作用，因此在國(guó)內(nèi)首次采用100年設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期，可謂世紀(jì)工程。為保證東海大橋混凝土結(jié)構(gòu)

2、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(guó)目前大型海洋工程超長(zhǎng)壽命服役的相關(guān)技術(shù)規(guī)范，高性能混凝土的設(shè)計(jì)、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(jì)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(tái)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5070m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(tái)亦采用現(xiàn)澆混凝土?；炷恋脑O(shè)計(jì)強(qiáng)度根據(jù)不同部位在c30c60

3、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10.0032.00之間變化，屬?gòu)?qiáng)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(yán)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

4、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(guó)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(jìn)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(shí)【1】，海洋環(huán)境中混凝土的碳化速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(guó)內(nèi)外相關(guān)科研成果和長(zhǎng)期工程實(shí)踐調(diào)研顯示，當(dāng)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

5、【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(jí)配良好的粗細(xì)骨料，形成低水膠比，低缺陷，高密實(shí)、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(jià)格比已受到國(guó)際上研究和工程界的認(rèn)同。（2）提高混凝土保護(hù)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(jiǎn)單而且經(jīng)濟(jì)有效的方法。但是保護(hù)層厚度并不能不受限制的任意增加。當(dāng)保護(hù)層厚度過厚時(shí)，由于混凝土材料本身的脆性和收縮會(huì)導(dǎo)致混凝土保護(hù)層出現(xiàn)裂縫反而削弱其對(duì)鋼筋的保護(hù)作用。（3）混凝土保護(hù)涂層完好的混凝土保護(hù)涂層具有阻絕腐蝕性介質(zhì)與混

6、凝土接觸的特點(diǎn)，從而延長(zhǎng)混凝土和鋼筋混凝土的使用壽命。然而大部分涂層本身會(huì)在環(huán)境的作用下老化，逐漸喪失其功效，一般壽命在510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(píng)價(jià)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(duì)環(huán)氧涂層鋼筋的保護(hù)要求極其嚴(yán)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(hù)膜，從而延長(zhǎng)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

7、宜。（6）陰極保護(hù)該方法是通過引入一個(gè)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(zhǎng)海工混凝土的使用壽命。但是，由于陰極保護(hù)系統(tǒng)的制造、安裝和維護(hù)費(fèi)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(bǔ)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(duì)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(bǔ)充措施。而二者的有機(jī)結(jié)合就是綜合防腐措施。大量研究實(shí)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

8、，然后根據(jù)不同構(gòu)件和部位，經(jīng)可能提高鋼筋保護(hù)層厚度（一般不小于50mm），某些部位還可復(fù)合采用保護(hù)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(hù)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(jì)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(shí)，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(bǔ)充防腐措施，如內(nèi)摻鋼筋阻銹劑、混凝土外保護(hù)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(dá)到設(shè)計(jì)要求。對(duì)于具體工程而言，耐久性方案的設(shè)計(jì)必須考慮當(dāng)?shù)氐膶?shí)際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(jì)上的

9、合理性。也就是說應(yīng)該采取有針對(duì)性的，因地制宜的綜合防腐方案。根據(jù)設(shè)計(jì)院提出的東海大橋主要部位構(gòu)件的強(qiáng)度等級(jí)要求、構(gòu)件的施工工藝和環(huán)境條件，對(duì)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)耐久性方案結(jié)構(gòu)部位海洋環(huán)境分類保護(hù)層厚度mm混凝土強(qiáng)度等級(jí)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(dòng)區(qū)70c30大摻量摻合料混凝土上部為不拆除的鋼套筒承臺(tái)水位變動(dòng)區(qū)、浪濺區(qū)90c40高性能混凝土水位變動(dòng)區(qū)、浪濺區(qū)部位涂防腐蝕涂層墩柱水位變動(dòng)區(qū)、浪濺區(qū)70c40高性能混凝土水位變動(dòng)區(qū)、浪濺區(qū)部位涂防腐蝕涂層箱梁大氣區(qū)40c50高性能混

10、凝土橋面板大氣區(qū)40c60高性能混凝土塔柱下部為水位變動(dòng)區(qū)、浪濺區(qū)，上部為大氣區(qū)70c50高性能混凝土水位變動(dòng)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51試驗(yàn)用原材料及其物理化學(xué)性能5.1.1水泥試驗(yàn)中采用了p.52.5，有關(guān)性能參數(shù)見表2。表2 水泥物理化學(xué)分析物理分析密度g/cm3細(xì)度0.08mm篩余%比表面積m2/kg凝結(jié)時(shí)間(h)標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量(%)安定性抗折強(qiáng)度(mpa)抗壓強(qiáng)度(mpa)初凝終凝3d7d28d3d7d28d3.121.004271：453：1826.00合格6.38.610.033.158.967.9化學(xué)分析化學(xué)組成（）sio2al2o3fe2o3

11、caoso3k2ona2omgoloss21.485.443.1563.402.020.750.441.122.195.1.2磨細(xì)礦渣(礦渣微粉)磨細(xì)礦渣(礦渣微粉)的有關(guān)性能參數(shù)見表3表3磨細(xì)礦渣(礦渣微粉)物理化學(xué)分析物理分析流動(dòng)度比%比表面積（勃氏法）m2/kg7d活性指數(shù)%28d活性指數(shù)%密度g/cm3試驗(yàn)結(jié)果10247077982.91化學(xué)分析化學(xué)組成（）sio2al2o3fe2o3caoso3mgo試驗(yàn)結(jié)果31.014.22.0840.950.897.755.1.3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)分析物理分析45m篩余%需水量比%活性指數(shù)（28d抗壓強(qiáng)度比）

12、%含水率% 燒失量%so3%密度g/cm3試驗(yàn)結(jié)果10.510526.40.21.980.832.1化學(xué)分析化學(xué)組成（）sio2al2o3fe2o3caoso3k2ona2omgo試驗(yàn)結(jié)果51.0432.868.263.350.830.500.310.365.1.4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)分析物理分析45m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(yàn)結(jié)果1.0180001030.92.4925.1.5粗骨料混凝土配制試驗(yàn)用石為525mm連續(xù)級(jí)配碎石。2.2.1.6細(xì)骨料混凝土配制試驗(yàn)用砂檢驗(yàn)結(jié)果如表6。表6 砂檢驗(yàn)結(jié)果項(xiàng)目表面密度(k

13、g/m3)堆積密度(kg/m3)空隙率(%)含泥量(%)累 計(jì) 篩 余 （%）細(xì)度模數(shù)f10.05.002.501.250.630.3150.16試驗(yàn)結(jié)果2632153841.61.0016144884942.45.1.7減水劑試驗(yàn)采用lex-9h聚羧酸鹽類高性能混凝土減水劑，其性能指標(biāo)見表。表7 混凝土高效減水劑摻入混凝土中的性能試驗(yàn)結(jié)果 檢 驗(yàn) 項(xiàng) 目gb8076-1997高效減水劑規(guī)定值試驗(yàn)結(jié)果一等品合格品lex-9h減水率（%）不小于121027泌水率（%）不大于909527含氣量（%）3.04.02.9凝結(jié)時(shí)間之差（min）初凝-90+120+17終凝+15抗壓強(qiáng)度比（%）1d140

14、1301933d1301201837d12511517328d120110150收縮率比（%）不大于13599對(duì)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。52試驗(yàn)方案和主要試驗(yàn)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(yàn)中，以坍落度評(píng)價(jià)混凝土的工作性，以抗壓強(qiáng)度等評(píng)價(jià)混凝土的物理力學(xué)性能，以混凝土的電通量和氯離子擴(kuò)散系數(shù)(自然擴(kuò)散法)試驗(yàn)結(jié)果評(píng)價(jià)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(yàn)中所采用的主要試驗(yàn)方法有：(1)坍落度混凝土的坍落度按新拌混凝土性能試驗(yàn)方法gbj80-85測(cè)定。(2)抗壓強(qiáng)度混凝土的抗壓強(qiáng)度按普通混凝土

15、力學(xué)性能試驗(yàn)方法gbj81-85測(cè)定。(3) 混凝土的碳化、滲透和抗凍性能試驗(yàn)參照普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法（gbj82-85）進(jìn)行(4)混凝土的電通量和氯離子擴(kuò)散系數(shù)快速試驗(yàn)astm c 1202混凝土直流電量法滲透性能評(píng)價(jià)：參照國(guó)際上通用的astm c 1202直流電量法進(jìn)行混凝土滲透性能評(píng)價(jià)。試驗(yàn)儀器采用清華大學(xué)改進(jìn)的astm c 1202電量法測(cè)試儀。通過量測(cè)混凝土試件在60v直流電壓下通電6h通過的電量，以評(píng)價(jià)混凝土的滲透性。用濃度曲線法測(cè)試混凝土表觀氯離子擴(kuò)散系數(shù)的試驗(yàn)方法，參照nt build 443方法，將標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28天的混凝土試件浸泡于質(zhì)量濃度為3.0的nacl溶液

16、中至指定齡期（90d）后，用剖面切削機(jī)從混凝土表面以不大于2mm的厚度取樣，并用化學(xué)方法測(cè)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(jìn)行非線性回歸求得混凝土表觀氯離子擴(kuò)散系數(shù)。5.3 混凝土配合比設(shè)計(jì)試驗(yàn)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(hào)分別為普通混凝土(基準(zhǔn)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。表8混凝土配合比編號(hào)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(zhǔn)組0.36400068611683.635ii0.361202806681188

17、3.635iiii0.3612028066811883.650j基準(zhǔn)組0.32470064111394.2350ii0.3218828264111394.2350iiii0.3218828264111394.2354高性能混凝土性能試驗(yàn)結(jié)果及分析混凝土的物理力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果如表9所示，常規(guī)耐久性能試驗(yàn)結(jié)果如表10所示，抗氯離子滲透性能試驗(yàn)結(jié)果如表11所示。表9 高性能海工混凝土力學(xué)性能混凝土抗壓強(qiáng)度（mpa）劈拉強(qiáng)度（mpa）抗折強(qiáng)度（mpa）軸壓強(qiáng)度（mpa）彈性模量（104mpa）35基準(zhǔn)砼43.34.07.429.43.35海工i38.73.97.726.73.27海工ii41.04.1

18、7.628.93.5550基準(zhǔn)砼58.54.09.032.23.69海工i52.43.98.731.33.65海工ii66.74.59.932.94.13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(qiáng)度損失（）最大滲水壓力（mpa）滲水高度（mm）質(zhì)量損失（）相對(duì)動(dòng)彈性模量損失（）35基準(zhǔn)砼0.300.632.526.30.98.1海工i0.160.422.57.10.66.9海工ii0.160.462.56.50.67.250基準(zhǔn)砼0.250.502.520.50.77.2海工i0.170.382.56.60.

19、56.8海工ii0.140.372.55.40.46.4表11 高性能海工混凝土抗氯離子滲透性能編號(hào)電通量(c)表觀cl-擴(kuò)散系數(shù)da(e-12m2/s)備注35基準(zhǔn)砼12634.85此中da值為浸泡90天時(shí)的測(cè)試值海工i8261.28海工ii7411.1050基準(zhǔn)砼11124.26海工i7501.15海工ii6370.95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(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(kuò)散系數(shù)可小于2.01.0e-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(xiàng)系統(tǒng)工程。為保證整個(gè)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)性、完整性

20、、規(guī)范性、科學(xué)性和可行性，必然需要一個(gè)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(gè)以預(yù)先質(zhì)量控制與評(píng)估（preqc&qa），耐久性方案設(shè)計(jì)（design link to slp）和質(zhì)量控制與評(píng)估（qc&qa）的思想。為確保混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的目標(biāo)，須從圖1中所示三大環(huán)節(jié)進(jìn)行控制,即:（1）預(yù)先質(zhì)量控制與評(píng)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(diǎn)的基礎(chǔ)上，通過對(duì)材料性能的試驗(yàn)研究，建立混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)和依據(jù)，并預(yù)測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)的實(shí)際使用性能（2）耐久性方案設(shè)計(jì)（design link to slp），充分考慮各種可變因素對(duì)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(cè)系統(tǒng)，為耐久性方案的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)和依據(jù)。再以使用壽命預(yù)測(cè)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，制定有針對(duì)性的耐久性解決方案。（3）質(zhì)量控制與評(píng)估（qc&qa），是指在方案的實(shí)施過程中如何控制各方面的質(zhì)量以及如何對(duì)已完成部分的質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估的過程。在質(zhì)量控制與評(píng)估環(huán)節(jié)中，主要需要確立各種質(zhì)量控制措施和實(shí)施標(biāo)