土材論文—跨海橋梁混凝土耐久性分析.doc

跨海大橋混凝土耐久性分析 跨海大橋混凝土耐久性分析學(xué)院：土木建筑工程學(xué)院班級：1104學(xué)號：11231101姓名：閆慶 目錄摘要2關(guān)鍵詞2正文21.跨海大橋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計背景21.1 跨海大橋附近海域氣象環(huán)境21.2 跨海大橋面臨的耐久性問題21.3影響跨海大橋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性因素的分析32.提高海洋工程中混凝土耐久性的技術(shù)措施與方案設(shè)計4 2.1 技術(shù)措施4 2.2 方案設(shè)計63.杭州灣大橋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性分析與說明63.1 杭州灣大橋相關(guān)信息6 3.2 杭州灣大橋耐久性分析與總體方案6 3.3 杭州灣大橋耐久性措施的具體說明74.結(jié)論9參考文獻(xiàn)10【摘要】伴隨著經(jīng)濟的發(fā)展，跨海通道（橋梁、隧道）的建設(shè)日益增多。然而，由于跨海通道自身的特殊環(huán)境，建筑結(jié)構(gòu)的耐久性面臨新的挑戰(zhàn)，研究跨海大橋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性策略變得極為迫切和需要。筆者先從耐久性的設(shè)計背景入手，分析影響耐久性的因素。然后分析提高混凝土耐久性的技術(shù)措施與方案設(shè)計。最后，筆者將以杭州灣大橋為例，具體分析其混凝土結(jié)構(gòu)耐久性方案?！娟P(guān)鍵詞】 混凝土結(jié)構(gòu) 跨海橋梁 耐久性 技術(shù)措施 【正文】1.跨海大橋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計背景1.1 跨海大橋附近海域氣象環(huán)境海域氣象環(huán)境，對于跨海大橋的設(shè)計、施工及維護均起著重要影響。統(tǒng)計資料來看，我國跨海大橋目前有24座。其中，港澳地區(qū)7座，大陸地區(qū)10座。大陸地區(qū)這10做跨海大橋中，東南沿海地區(qū)8座，北部海域2座。由此可見，這些跨海大橋大多分布在東南沿海，處于北亞熱帶南緣、東北季風(fēng)盛行區(qū)，受季風(fēng)影響較大，年平均氣溫及海水水溫較高，常伴有海霧天氣的出現(xiàn)。海洋環(huán)境特征明顯。1.2跨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。我國多數(shù)跨海大橋位于亞熱帶地區(qū)，嚴(yán)重的凍融破壞以及海面浮冰的沖擊磨損可以先不予以考慮。對于鎂鹽、硫酸鹽等鹽類侵蝕和堿骨料反應(yīng)破壞，可以通過控制混凝土組分來避免。那么，鋼筋銹蝕破壞就成為最主要的腐蝕荷載。海洋環(huán)境下，混凝土中鋼筋銹蝕可由兩種因素誘發(fā)：一是海水中氯離子的侵蝕，二是大氣中的使混凝土中性化。筆者查閱了部分資料，通過國內(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進入混凝土中，并在鋼筋表面聚集，促使鋼筋產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕。資料亦表明，在跨海大橋周邊的港口設(shè)施中，海洋環(huán)境下混凝土的碳化速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于氯離子的滲透速度，中等質(zhì)量的混凝土自然碳化速度平均為3/年。1.3影響跨海大橋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的主要因素資料表明，我國沿海海水中各種鹽類的總含量，即鹽度為2035。其中，約占總鹽量的78%，其余是等，約占22%。這些鹽分隨著海水、海風(fēng)、海霧緩慢侵入橋墩、喬塔以及橋面，對橋梁的結(jié)構(gòu)造成腐蝕。總的來說，海洋環(huán)境下，影響混凝土的結(jié)構(gòu)耐久性因素主要有：鹽類侵蝕、堿集料反應(yīng)以及海洋環(huán)境情況。（1）鹽類侵蝕氯鹽(Cl-)最主要的破壞作用是對被混凝土包裹的鋼筋進行腐蝕。氯離子與鋼筋直接發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，像催化劑一樣促使鋼筋的鈍化膜破壞，使鋼筋產(chǎn)生銹蝕。除氯鹽外，海洋環(huán)境中還有一定的硫酸鹽和鎂鹽。其中，以硫酸鎂的侵蝕最為強烈。和均作為侵蝕源，構(gòu)成嚴(yán)重的復(fù)合侵蝕硫酸鹽侵蝕和鎂鹽侵蝕。通過反應(yīng)生成石膏，導(dǎo)致固相體積增大，產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力，引起混凝土的膨脹開裂；同時，反應(yīng)生成大量的，引起水化產(chǎn)物的分解，造成混凝土強度和粘結(jié)性的損失，生成鈣礬石，而鈣礬石的生成過程中又結(jié)合了大量的水，使得固相體積繼續(xù)增大，引起混凝土的膨脹、開裂，甚至解體。（2）堿集料反應(yīng)堿活性集料、堿含量和水分的存在，是混凝土發(fā)生堿集料反應(yīng)（AAR）的充分必要條件。海洋潮濕的環(huán)境使橋梁內(nèi)部長期保持著較高的濕度。同時，滲入的海水可提供堿集料反應(yīng)所需的。研究表明，當(dāng)混凝土內(nèi)多孔溶液中的濃度超過時，若發(fā)生堿集料反應(yīng)，周圍溶液中的起著催化作用。那么，當(dāng)混凝土中的堿含量(OH-)較高時，海水中的可能發(fā)揮著類似的催化作用。因此，處于海洋環(huán)境中的橋梁混凝土具有較大的堿集料反應(yīng)風(fēng)險。堿集料反應(yīng)生成的堿硅酸鹽凝膠吸水膨脹，體積增大，引起混凝土局部過度膨脹，從而誘發(fā)裂縫并加速侵蝕破壞。（3）海洋環(huán)境情況研究表明，溫度每升高10，侵蝕反應(yīng)速度增加1倍。與此同時，高溫可以大大縮短鋼筋脫離鈍化膜的時間，這便加速了侵蝕破壞的進程。比如，在廈門、杭州、青島等沿海地區(qū)，由于夏季氣溫常年偏高，海水水溫也較高，有助于侵蝕反應(yīng)的發(fā)生。同時，在多孔的混凝土中，當(dāng)混凝土空隙中的水分蒸發(fā)，導(dǎo)致水溶液濃度大于飽和濃度時，水中的鹽分便會產(chǎn)生結(jié)晶，相應(yīng)的結(jié)晶壓力可以使混凝土開裂、剝落。可以想到，在潮汐作用下，橋墩部分處于干濕交替的狀態(tài)，常常發(fā)生連續(xù)結(jié)晶溶解循環(huán)過程，使混凝土表層發(fā)生剝落。上述因素相互關(guān)聯(lián)、相互影響，它們共同造成了跨海橋梁混凝土結(jié)構(gòu)的破壞。例如，存在細(xì)微裂縫的混凝土常常因孔隙中鹽的結(jié)晶作用及鹽離子與混凝土組分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而膨脹開裂，這又加劇了海水的侵入，加強了海水與混凝土組分之間的反應(yīng)，造成混凝土的孔隙率增大，引起混凝土強度與剛度的損失。于此同時，海水侵入縮短了氯離子到達(dá)鋼筋表面的時間，促進了鋼筋銹蝕，這又加劇了混凝土的開裂破壞。2. 提高海洋工程中混凝土耐久性的技術(shù)措施與方案設(shè)計2.1技術(shù)措施在國內(nèi)外相關(guān)成果及工程實踐調(diào)研中顯示，目前較為成熟的提高海洋工程混凝土耐久性的技術(shù)措施有：選用高性能混凝土、提高混凝土保護層厚度、設(shè)置混凝土保護涂層、選用涂層鋼筋、添加阻銹劑以及設(shè)置陰極保護等。（1）選用高性能混凝土技術(shù)途徑是采用優(yōu)質(zhì)混凝土礦物摻合料和新型高效減水劑復(fù)合，配以相應(yīng)的水泥和級配良好的粗細(xì)骨料，形成低水膠比，低缺陷，高密實，高耐久性的混凝土材料。（2）提高混凝土保護層厚度 這是提高海洋工程混凝土使用壽命最為直接，并且簡單、經(jīng)濟有效的方法。需要注意的是，保護層的厚度不能不受限制地任意增加。當(dāng)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(dǎo)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。（3）設(shè)置混凝土保護涂層 完好的混凝土保護涂層具有阻絕腐蝕性介質(zhì)與混凝土接觸的特點，從而延長混凝土的使用壽命。然而，涂層會在外界環(huán)境條件作用（如海水潮汐作用、氯離子滲透作用等）下逐漸老化，從而喪失了自身功效?；炷帘Ｗo涂層的壽命在510年左右，對于設(shè)計使用壽命在100年的跨海橋梁而言。只能作為輔助措施。（4）選用涂層鋼筋在鋼筋的表面采用致密材料涂覆，例如環(huán)氧涂層鋼筋。涂層一般用環(huán)氧樹脂粉末以靜電噴涂方法制作，將普通鋼筋表面進行除銹、打毛等處理后加熱，再講帶電的環(huán)氧樹脂粉末噴射到鋼筋表面，吸附并與其融合，經(jīng)過一定養(yǎng)護固化后便形成一層完整、連續(xù)、包裹住整個鋼筋表面的環(huán)氧樹脂薄膜保護層。該方法不利的地方在于，環(huán)氧涂層鋼筋使得混凝土結(jié)構(gòu)的整體力學(xué)性能有所降低；施工過程中對環(huán)氧涂層鋼筋的保護要求極其嚴(yán)格，加大了施工難度；此外，成本的明顯增加也使其推廣收到制約。（5）添加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薄膜，從而延長鋼筋混凝土的使用壽命。作為輔助措施較為適宜。（6）陰極保護這種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(xué)腐蝕反應(yīng)過程，從而延長海洋工程混凝土的使用壽命。根據(jù)金屬腐蝕的電化學(xué)原理，金屬在自然狀態(tài)相愛，表面會形成陽極區(qū)和陰極區(qū)。陽極區(qū)放出自由電子，金屬收到腐蝕；陰極區(qū)得到電子，金屬受到保護。外加電流陰極防護的原理就是通過外加電流，把電源正極連接在難溶性輔助陽極上強制形成陽極區(qū)；把電源的負(fù)極連接在受保護的鋼筋上，強制形成陰極區(qū)。陽極與被保護的鋼筋均處于連續(xù)的電介質(zhì)中，使被保護的鋼筋接觸電解質(zhì)的全部表面都充分而且均勻地接受自由電子，從而受到陰極保護。然而，由于陰極保護系統(tǒng)的制造、安裝及維護費用過于昂貴，該方法的使用較少。在杭州灣跨海大橋的施工中用到了這種方法，筆者將在后文中進行探討。2.2方案設(shè)計在上文中，筆者已經(jīng)說明：改善混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的根本措施是從材料本身的性能出發(fā)，即提高混凝土材料自身的耐久性能，采用高性能混凝土。然后再找出影響耐久性的其余因素，一一對癥施治。兩種措施有機結(jié)合，從而有效提升混凝土的耐久性。跨海大橋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計遵循的基本方案是：首先，采用高性能混凝土。同時，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，采用必要的補充措施，如內(nèi)摻鋼筋阻銹劑、混凝土外保護涂層等。在保證施工質(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)計要求。對于具體工程而言，耐久性方案的設(shè)計必須考慮當(dāng)?shù)氐膶嶋H情況。如：原材料的可及性、工藝設(shè)備的可行性以及經(jīng)濟上的合理性。3.杭州灣大橋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性分析與說明筆者已經(jīng)將跨海橋梁的結(jié)構(gòu)耐久性影響因素以及技術(shù)措施在上文中作了闡述，下面，筆者將以杭州灣大橋為例，進行具體的說明與分析。3.1杭州灣大橋相關(guān)信息簡介杭州灣大橋全長36公里，設(shè)計使用年限100年，主體結(jié)構(gòu)除南、北航道橋為鋼箱梁外，其余均為混凝土結(jié)構(gòu)，全橋混凝土用量近250萬m。工程所處的杭州灣是世界三大強潮海灣之一，風(fēng)浪大，潮差高，海流急。海水雖受長江、錢塘江等沖淡影響，但實測氯離子含量在5.54-15.91之間，為pH值大于8的弱堿性型咸水。受潮汐和地形影響，海潮流速較大，平均最大流速在以上。海水含砂量較大，實測含砂量為0.041-9.065. 杭州灣跨海大橋按雙向六車道高速公路設(shè)計，設(shè)計時速100 kmh，引橋采用30-80 m不等的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)。橋位區(qū)樁基地質(zhì)以黏性土、亞砂土、粉砂土、淤泥質(zhì)黏土為主。氣溫隨季節(jié)變化明顯，最熱月(7月)平均氣溫283，最冷月(1月)平均氣溫37。極端最高氣溫391，出現(xiàn)在78月，全年平均風(fēng)速3 ms左右，實測最大風(fēng)速226 ms”。承臺、墩身的混凝土配合比要求為水膠比O33-038，膠凝材料用量380-450 kgm3，坍落度(18020)miil，擴展度(45050)into，設(shè)計強度等級C30，混凝土氯離子擴散系數(shù)25x1012m：s。3.2杭州灣大橋耐久性分析與總體方案杭州灣地區(qū)在役混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕狀況的調(diào)查結(jié)果顯示，混凝土中性化、堿骨料反應(yīng)、硫酸鹽侵蝕、海洋生物及海流沖刷等并不是混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生劣化的主要原因。杭州灣地區(qū)冬季月平均氣溫較高，基本不存在凍融循環(huán)破壞。影響杭州灣大橋工程混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的主導(dǎo)因素是氯離子的侵蝕。針對混凝土結(jié)構(gòu)破壞的成因不同，該工程制訂了不同層次的混凝土結(jié)構(gòu)耐久性措施。（1）基本措施：通過限制氯離子擴散和設(shè)置合理的鋼筋保護層，作為保證大橋鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)100年設(shè)計使用年限的基本措施。采用的海洋工程耐久混凝土，主要以氯離子擴散系數(shù)為控制參數(shù)，在原材料的選擇方面，主要考慮使混凝土具備高抗氯離子擴散能力、高抗裂性能、高工作性能。查閱相關(guān)資料，國外的大型海上工程，如：英吉利海峽隧道等，均采用了低水膠比的雙摻高性能混凝土并設(shè)置適當(dāng)?shù)匿摻畋Ｗo層厚度作為保證混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限的基本措施。（2）附加措施：根據(jù)不同的情況和環(huán)境采用混凝土結(jié)構(gòu)表面防腐涂層、預(yù)應(yīng)力筋保護、滲透性控制模板、局部使用環(huán)氧鋼筋和阻銹劑等附加措施。在斜拉主橋墩承臺、塔座和浪濺區(qū)的下塔柱進行了外加電流陰極保護技術(shù)的應(yīng)用。（3）監(jiān)測措施：設(shè)置了預(yù)埋式耐久性監(jiān)測系統(tǒng)，用于長期動態(tài)獲取耐久性參數(shù)，從而制定耐久性預(yù)案。（4）驗證措施：建立耐久性暴露試驗站，對上述措施進行驗證和參數(shù)校核，為后續(xù)工程提供經(jīng)驗，并為國家規(guī)范的修訂提供資料。3.3杭州灣大橋耐久性措施的具體說明（1）海洋工程耐久混凝土針對工程不同結(jié)構(gòu)部件、不同設(shè)計要求、不同腐蝕環(huán)境，制訂了不同的配合比設(shè)計原則和質(zhì)量要求。杭州灣大橋所使用的混凝土，其配置原則包括：選用低水化熱和較低含堿量的水泥；選用高效減水劑，取用偏低的拌合水量；限制混凝土中膠凝材料的最低和最高用量，并盡可能降低膠凝材料中硅酸鹽水泥用量；摻用粉煤灰、磨細(xì)礦渣等礦物摻合料。在潮差區(qū)和浪濺區(qū)侵蝕環(huán)境的混凝土構(gòu)件加入了鋼筋阻銹劑；通過適當(dāng)引氣來提高混凝土的耐久性；對混凝土拌合物中各種原材料引入的氯離子總量進行控制。（2）合理的鋼筋保護層杭州灣大橋工程結(jié)合國外跨海工程實例，參考國內(nèi)規(guī)范及現(xiàn)場環(huán)境情況，制訂了不同部位混凝土的保護層厚度。鉆孔樁由于在水下及海底中土區(qū)分布，其保護層厚度為75；承臺位于海上的水位變動區(qū)，其保護層厚度達(dá)到了90；橋墩分布在浪濺區(qū)及大氣區(qū)，保護層厚度為60；箱梁分布在大氣區(qū)，受腐蝕影響較小，其保護層厚度為40。在施工中，通過嚴(yán)格控制鋼筋下料尺寸和綁扎質(zhì)量、定制和合理分布保護層的定位架、加強保護層厚度無損檢查等手段，保證鋼筋保護層厚度達(dá)到相應(yīng)的設(shè)計要求。（3）環(huán)氧涂層鋼筋鑒于環(huán)氧涂層鋼筋的優(yōu)點，杭州灣跨海大橋在腐蝕最為嚴(yán)重的浪濺區(qū)橋墩中采用了環(huán)氧涂層鋼筋，其原材料、加工工藝、質(zhì)量檢驗和驗收標(biāo)準(zhǔn)按JG30421997環(huán)氧樹脂涂層鋼筋的要求進行。（4）鋼筋阻銹劑與海洋工程耐久混凝土相配合，鋼筋阻銹劑能大幅度提高對鋼筋的防護能力。在該工程潮差區(qū)的承臺和浪濺區(qū)的墩身部位使用了摻入型阻銹劑，作為保證混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的補充措施。選用的阻銹劑均按JTJ27098水運工程滬寧圖試驗規(guī)程進行了試驗，其合理摻量也通過試驗進行了確定，并測試了與其他外加劑的相容性。（5）混凝土表面涂層涂覆型涂層防腐蝕措施是針對海洋環(huán)境混凝土結(jié)構(gòu)的表面防護技術(shù)之一。該措施的特點是隔絕氯離子、酸性氣體等有害介質(zhì)在混凝土內(nèi)的滲透和擴散。在杭州灣大橋工程中，海中承臺以上混凝土結(jié)構(gòu)均采用封閉型2涂裝體系進行表面涂裝，涂層設(shè)計使用年限為20年。承臺為表濕區(qū)，采用具有濕固化和快固結(jié)性能的涂料。梁部結(jié)構(gòu)和墩身表面為表干區(qū)，采用耐候性、保光和保色性能良好的涂料。表干區(qū)混凝土涂層中，底層用噴涂的方式涂以環(huán)氧樹脂封閉漆；中間層用刮涂的方式涂以環(huán)氧膩子，或者用噴涂的方式涂以環(huán)氧樹脂漆，涂層厚度為260m；表面層則用噴涂的方式涂以氟碳漆，涂層厚度為90m。所有涂層的總厚度為350m。（6）外加電流陰極保護在南、北航道主橋墩承臺、塔座及下塔柱處于潮差區(qū)和浪濺區(qū)，采用了外加電流陰極防護系統(tǒng)。防護系統(tǒng)采用歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN12962000混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋的陰極保護進行設(shè)計，包括：鈦網(wǎng)、參比電極、連接裝置、供電裝置、計算機控制、遙控監(jiān)控管理系統(tǒng)等。外加電流陰極防護系統(tǒng)的設(shè)計要點包括：陽極材料在正常運行的電流密度條件下，保證最少100年的使用年限，從而保證結(jié)構(gòu)鋼筋始終處于陰極狀態(tài)而不發(fā)生銹蝕；充分考慮腐蝕環(huán)境的不同，針對不同區(qū)域進行相應(yīng)的設(shè)計，采用全自動監(jiān)控系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)電量，以確保100%的電流分布與傳遞，并避免過度保護現(xiàn)象；采用合適的參比電極，使防護系統(tǒng)能夠自動調(diào)節(jié)和長期監(jiān)測。4.結(jié)論（1）影響海洋環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)耐久性最主要的因素是氯離子滲透引發(fā)的鋼筋腐蝕。提高耐久性的最根本途徑是提高混凝土本身抗氯離子滲透的能力和設(shè)置合理的鋼筋保護層厚度。這也是最經(jīng)濟、可靠，并且有效的耐久性措施。（2）在基本措施不能完全保證結(jié)構(gòu)使用壽命的部位，采取