大桥混凝土结构耐久性策略及高性能混凝土在工程中的应用

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一、前言

    由于东海大桥是连接港区和大陆的集装箱物流输送动脉，对上海深水港的正常运转起到不可或缺的支撑保障作用，因此在国内首次采用100年设计基准期，可谓世纪工程。为保证东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，因此结合东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、东海大桥混凝土结构布置和耐久性设计背景     1、东海大桥混凝土结构布置     东海大桥跨海段通航孔部分预应力连续梁、桥塔、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主，其中50～70m的预应力混凝土箱梁是重量超过1000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C30～C60之间。     2、东海大桥附近海域气象环境     东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15.8℃，海区全年盐度一般在10.00～32.00‰之间变化，属强混合型海区，海洋环境特征明显。     3、东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、盐类侵蚀、溶蚀、碱-集料反应和冲击磨损等^{【2、5、7、8、10】}。     东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^【1】。     混凝土中钢筋锈蚀可由两种因素诱发，一是海水中Cl^-侵蚀，二是大气中的CO₂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Cl^-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。在东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Cl^-渗透速度，中等质量的混凝土自然碳化速度平均为3mm/10年。因此，影响东海大桥结构混凝土耐久性的首要因素是混凝土的Cl^-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^{【2、3、4、6、7】}：     （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5～10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35％，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、东海大桥结构混凝土耐久性策略     改善混凝土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50mm），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，东海大桥混凝土结构的耐久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。     根据设计院提出的东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性方案^【1】。 表1 东海大桥海上段混凝土结构耐久性方案 结构部位 海洋环境分类 保护层厚度mm 混凝土强度等级 混凝土品种 辅助措施 备注 钻孔灌注桩 水下区、桩头水位变动区 70 C30 大掺量掺合料混凝土 上部为不拆除的钢套筒   承台 水位变动区、浪溅区 90 C40 高性能混凝土 水位变动区、浪溅区部位涂防腐蚀涂层   墩柱 水位变动区、浪溅区 70 C40 高性能混凝土 水位变动区、浪溅区部位涂防腐蚀涂层   箱梁 大气区 40 C50 高性能混凝土     桥面板 大气区 40 C60 高性能混凝土     塔柱 下部为水位变动区、浪溅区，上部为大气区 70 C50 高性能混凝土 水位变动区、浪溅区部位涂防腐蚀涂层       五、东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.Ⅰ52.5，有关性能参数见表2。 表2 水泥物理化学分析 物理分析 密度 g/cm³ 细度 0.08mm筛余 % 比表面积 m²/kg 凝结时间(h) 标准稠度用水量 (%) 安定性 抗折强度(MPa) 抗压强度(MPa) 初凝 终凝 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 化学分析 化学组成（％） 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 物理分析 流动度比% 比表面积（勃氏法）m²/kg 7d活性指数% 28d活性指数% 密度g/cm³ 试验结果 102 470 77 98 2.91 化学分析 化学组成（％） SiO₂ Al₂O₃ Fe₂O₃ CaO SO₃ MgO 试验结果 31.0 14.2 2.08 40.95 0.89 7.75                           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 物理分析 45μm筛余% 需水量比% 活性指数 （28d抗压强度比）% 含水率% 烧失量% SO₃ % 密度 g/cm³ 试验结果 10.5 105 26.4 0.2 1.98 0.83 2.1 化学分析 化学组成（％） SiO₂ Al₂O₃ Fe₂O₃ CaO SO₃ K₂O Na₂O MgO 试验结果 51.04 32.86 8.26 3.35 0.83 0.50 0.31 0.36                                   5.1.4硅粉     硅粉的有关性能参数见表5。 表5：硅粉的物理化学分析 物理分析 45μm筛余 % 比表面积 （勃氏法） m²/kg 活性指数 % 含水率 % 烧失量 % SiO₂含量 % 试验结果 1.0 18000 103 0.9 2.4 92     5.1.5粗骨料     混凝土配制试验用石为5～25mm连续级配碎石。     2.2.1.6细骨料     混凝土配制试验用砂检验结果如表6。 表6 砂检验结果   项目 表面 密度 (kg/m³) 堆积 密度 (kg/m³) 空隙率 (%) 含泥量 (%) 累   计   筛   余   （%） 细度模数 μ_f 10.0 5.00 2.50 1.25 0.63 0.315 0.16 试验 结果 2632 1538 41.6 1.0 0 1 6 14 48 84 94 2.4     5.1.7减水剂     试验采用LEX-9H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 检 验 项 目 GB8076-1997 高效减水剂规定值 试验结果 一等品 合格品 LEX-9H 减水率（%）不小于 12 10 27 泌水率（%）不大于 90 95 27 含气量（%） ≤3.0 ≤4.0 2.9 凝结时间 之差（min） 初凝 -90~+120 +17 终凝 +15 抗压强度比（%） 1d 140 130 193 3d 130 120 183 7d 125 115 173 28d 120 110 150 收缩率比（%）不大于 135 99 对钢筋锈蚀作用 钝 化 钝 化     注：LEX-9H外加剂掺量0.8%。
    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》GBJ80-85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》GBJ81-85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》（GBJ82-85）进行     (4)混凝土的电通量和氯离子扩散系数快速试验     ASTM C1202混凝土直流电量法渗透性能评价：参照国际上通用的ASTM C 1202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ASTM C 1202电量法测试仪。通过量测混凝土试件在60V直流电压下通电6h通过的电量，以评价混凝土的渗透性。
    用浓度曲线法测试混凝土表观氯离子扩散系数的试验方法，参照NT Build 443方法，将标准养护28天的混凝土试件浸泡于质量浓度为3.0％的NaCl溶液中至指定龄期（90d）后，用剖面切削机从混凝土表面以不大于2mm的厚度取样，并用化学方法测试样本氯离子浓度，做混凝土氯离子浓度-深度曲线并用Fick第二定律进行非线性回归求得混凝土表观氯离子扩散系数。
    5.3 混凝土配合比设计     试验研究主要考察C35和C50两系列高性能海工混凝土的性能，其编号分别为普通混凝土(基准组)的35J/50J，掺I型掺合料的35I/50I组，掺II型掺合料的35II/50II组，混凝土配合比见表８。 表8混凝土配合比 编号 掺合料类型 水胶比 每立方砼中材料用量(kg/m³) 水泥 掺合料 砂 石 外加剂 35J 基准组 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 基准组 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高性能混凝土性能试验结果及分析     混凝土的物理力学性能试验结果如表9所示，常规耐久性能试验结果如表10所示，抗氯离子渗透性能试验结果如表11所示。 表9 高性能海工混凝土力学性能 混凝土 抗压强度（MPa） 劈拉强度 （MPa） 抗折强度 （MPa） 轴压强度（MPa） 弹性模量（10⁴MPa） 35基准砼 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基准砼 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、渗透和抗冻性能 混凝土 碳化深度(mm) 渗透高度(mm) 抗冻(冻融循环100次) 碳化深度 （mm） 强度损失（％） 最大渗水压力（MPa） 渗水高度 （mm） 质量损失 （％） 相对动弹性模量损失（％） 35基准砼 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基准砼 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离子渗透性能 编号 电通量(C) 表观Cl^-扩散系数Da(E-12m²/s) 备注 35基准砼 1263 4.85 此中Da值为浸泡90天时的测试值 海工I 826 1.28 海工II 741 1.10 50基准砼 1112 4.26 海工I 750 1.15 海工II 637 0.95       与普通混凝土相比较，高性能海工混凝土具有优良的工作性能、相近的物理力学性能和优异的耐久性能，尤其是其耐海水腐蚀性能，混凝土氯离子扩散系数可小于2.0～1.0E-12m²/s。     六、高性能混凝土的质量保证措施     高性能海工混凝土工程耐久性是一项系统工程。为保证整个设计的系统性、完整性、规范性、科学性和可行性，必然需要一个完善的整体思路和框架。因此，在建设过程中我们遵循了一个以预先质量控制与评估（PreQC&QA），耐久性方案设计（Design link to SLP）和质量控制与评估（QC&QA）的思想。为确保混凝土结构耐久性的目标，须从图1中所示三大环节进行控制,即:
    （1）预先质量控制与评估（PreQC&QA），是在了解工程背景、使用环境以及混凝土材料在海洋环境中的性能特点的基础上，通过对材料性能的试验研究，建立混凝土结构耐久性设计的数据和依据，并预测混凝土结构的实际使用性能
    （2）耐久性方案设计（Design link to SLP），充分考虑各种可变因素对钢筋混凝土结构使用寿命的影响，如环境温度、混凝土内应力、裂缝等，以建立使用寿命预测系统，为耐久性方案的设计提供指导和依据。再以使用寿命预测系统为基础，制定有针对性的耐久性解决方案。
    （3）质量控制与评估（QC&QA），是指在方案的实施过程中如何控制各方面的质量以及如何对已完成部分的质量进行评估的过程。在质量控制与评估环节中，主要需要确立各种质量控制措施和实施标准，建立各种性能试验的评价体系，保证混凝土性能符合方案设计要求。     对于实际施工过程中，质量控制与评估（QC&QA）将是重中之重。相对普通混凝土的质量控制而言，高性能混凝土施工质量控制主要涉及原材料质量、配合比、拌和、施工、保护层厚度、养护等方面，其重点和难点在于保护层厚度和养护等方面。     （1）高性能混凝土保护层厚度质量控制和保证措施     高性能混凝土保护层垫块采用变形多面体形式，高性能细石混凝土预制，垫块材料的强度及抗渗透性均不低于本体高性能混凝土的技术标准。如下图所示的混凝土垫块是其中一种形式。     （2）高性能混凝土的养护     在试验过程中发现，顶面混凝土由于阳光直射温度较高产生温差过大的现象，同时由于风速较大也容易造成混凝土表面失水过快，混凝土表面收缩较大而导致混凝土开裂。因此，在实际施工过程中，箱梁混凝土浇注完毕后即在顶面加盖塑料薄膜顶棚以保温保湿。对于预制箱梁等大型预制构件，由于预制场地的限制和施工进度要求，采用低温蒸养的方式。     对于现浇混凝土，混凝土成型抹面结硬后立即覆盖土工布，砼初凝后立即进行浇水养护，养护用水为外运淡水，拆模前12小时拧松加固螺栓，让水从侧面自然流下养护，侧面拆模不小于48小时。     七、结语     根据工程调研和环境条件分析，影响东海大桥结构混凝土耐久性的首要因素是混凝土的Cl^-渗透速度。针对这一具体情况，并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，东海大桥工程采取以高性能混凝土技术为核心的综合耐久性策略和方案。通过符合现阶段工程实际情况和技术水平的施工措施和质量保证措施，确保了高性能混凝土的质量符合耐久性设计的要求。