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                   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(zhuǎn)起到不可或缺的支

2、撐保障作用，因此在國內(nèi)首次采用100年設(shè)計基準期，可謂世紀工程。為保證東海大橋混凝土結(jié)構(gòu)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。然而我國目前大型海洋工程超長壽命服役的相關(guān)技術(shù)規(guī)范，高性能混凝土的設(shè)計、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)計背景        1、東海大橋混

3、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、柱和承臺亦采用現(xiàn)澆混凝土?；炷恋脑O(shè)計強度根據(jù)不同部位在C30C60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

4、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(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】。       

5、 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(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(diào)查和科學研究結(jié)果表明，海洋環(huán)境下導致混凝土結(jié)構(gòu)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(diào)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

6、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        國內(nèi)外相關(guān)科研成果和長期工程實踐調(diào)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(shù)措施有【2、3、4、6、7】：        （1）高性能海工混凝土   

7、;     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。        （2）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

8、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。        （3）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510年，只能作輔助措施。        （4）涂層鋼筋&#

9、160;       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(jié)構(gòu)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(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

10、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。        （6）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(yīng)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(jié)構(gòu)中很少應(yīng)用。        四、東海大橋結(jié)構(gòu)混凝土耐久性

11、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,對主因和導因?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充措施。而二者的有機結(jié)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(jié)構(gòu)耐久性的基本措施，然后根據(jù)不同構(gòu)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(fù)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(chǔ)的綜合防護策

12、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，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(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?shù)氐膶嶋H情況如原材料的可及性、工藝設(shè)備的可行性等，以

13、及經(jīng)濟上的合理性。也就是說應(yīng)該采取有針對性的，因地制宜的綜合防腐方案。        根據(jù)設(shè)計院提出的東海大橋主要部位構(gòu)件的強度等級要求、構(gòu)件的施工工藝和環(huán)境條件，對各部位混凝土結(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                

14、;    結(jié)構(gòu)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&#

15、160;       備注            鉆孔灌注樁        水下區(qū)、樁頭水位變動區(qū)        70        C30  

16、60;     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)   

17、60;    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                 

18、;    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

19、腐蝕涂層                     箱梁        大氣區(qū)        40        C50  

20、0;     高性能混凝土                              橋面板        大氣區(qū)    

21、0;   40        C60        高性能混凝土                             

22、; 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

23、0;                五、東海大橋高性能混凝土性能研究        51試驗用原材料及其物理化學性能        試驗中采用了P.52.5，有關(guān)性能參數(shù)見表2。    表2 水泥物理化學分析     &

24、#160;              物理分析        密度    g/cm3        細度    0.08mm篩余    %   

25、60;    比表面積    m2/kg        凝結(jié)時間(h)        標準稠度用水量    (%)        安定性        抗折強度

26、(MPa)        抗壓強度(MPa)            初凝        終凝        3d        7d  &#

27、160;     28d        3d        7d        28d            3.12      

28、  1.00        427        1：45        3：18        26.00        合格    &#

29、160;   6.3        8.6        10.0        33.1        58.9        67.9  

30、0;         化學分析        化學組成（）            SiO2        Al2O3        Fe2O3

31、0;       CaO        SO3        K2O        Na2O        MgO        

32、LOSS            21.48        5.44        3.15        63.40        2.02 

33、0;      0.75        0.44        1.12        2.19                 

34、                                                  

35、                                                  

36、                                                  

37、                                               磨細礦渣(礦渣微粉)的有關(guān)性能參數(shù)見表3

38、60;   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   

39、0;    7d活性指數(shù)%        28d活性指數(shù)%        密度g/cm3            試驗結(jié)果        102     

40、;   470        77        98        2.91            化學分析        化學

41、組成（）            SiO2        Al2O3        Fe2O3        CaO        SO3  

42、      MgO            試驗結(jié)果        31.0        14.2        2.08     

43、;   40.95        0.89        7.75                            

44、0;                                                 

45、0;                                    粉煤灰的有關(guān)性能參數(shù)見表4。    表4：粉煤灰的物理化學分析      

46、              物理分析        45m篩余%        需水量比%        活性指數(shù)    （28d抗壓強度比）%   

47、     含水率%         燒失量%        SO3    %        密度    g/cm3         

48、0;  試驗結(jié)果        10.5        105        26.4        0.2        1.98    

49、    0.83        2.1            化學分析        化學組成（）            SiO2  

50、60;     Al2O3        Fe2O3        CaO        SO3        K2O        Na2O

51、0;       MgO            試驗結(jié)果        51.04        32.86        8.26   &

52、#160;    3.35        0.83        0.50        0.31        0.36          

53、;                                                  

54、;                                                  

55、;                                         硅粉的有關(guān)性能參數(shù)見表5。    表5：硅粉的物理化學分析 

56、60;                  物理分析        45m篩余    %        比表面積    （勃氏法）    m2

57、/kg        活性指數(shù)    %        含水率    %        燒失量    %        SiO2含量  &#

58、160; %            試驗結(jié)果        1.0        18000        103        0.9 &

59、#160;      2.4        92            混凝土配制試驗用石為525mm連續(xù)級配碎石。            混凝土配制試驗用砂檢驗結(jié)果如表6。    表6 砂檢驗結(jié)果&

60、#160;                         項目        表面    密度    (kg/m3)      

61、  堆積    密度    (kg/m3)        空隙率    (%)        含泥量    (%)        累   計 

62、0; 篩   余   （%）        細度模數(shù)    f            10.0        5.00        2.50 

63、60;      1.25        0.63        0.315        0.16            試驗    結(jié)果

64、        2632        1538        41.6        1.0        0       &#

65、160;1        6        14        48        84        94       

66、0;2.4            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。    表7 混凝土高效減水劑摻入混凝土中的性能試驗結(jié)果                         檢

67、驗 項 目        GB8076-1997    高效減水劑規(guī)定值        試驗結(jié)果            一等品        合格品    &#

68、160;   LEX-9H            減水率（%）不小于        12        10        27       

69、;     泌水率（%）不大于        90        95        27            含氣量（%）     &#

70、160;  3.0        4.0        2.9            凝結(jié)時間    之差（min）        初凝   

71、0;    -90+120        +17            終凝        +15            抗壓強度比（%）  

72、;      1d        140        130        193            3d     

73、0;  130        120        183            7d        125        115 

74、;       173            28d        120        110        150    &#

75、160;       收縮率比（%）不大于        135        99            對鋼筋銹蝕作用        鈍 化  &

76、#160;     鈍 化        注：LEX-9H外加劑摻量0.8%。        52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(jié)果評價混凝土的抗氯離子滲透性能

77、，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：        (1)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。        (2)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。

78、        (3) 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        (4)混凝土的電通量和氯離子擴散系數(shù)快速試驗        ASTM C1202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

79、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(zhì)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

80、設(shè)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。    表8混凝土配合比                    

81、0;   編號        摻合料類型        水膠比        每立方砼中材料用量(kg/m3)            水泥      

82、  摻合料        砂        石        外加劑            35J        基準組 

83、0;      0.36        400        0        686        1168        3.6

84、0;           35I        I        0.36        120        280    &#

85、160;   668        1188        3.6            35II        II       

86、0;0.36        120        280        668        1188        3.6      &#

87、160;     50J        基準組        0.32        470        0        641 

88、60;      1139        4.23            50I        I        0.32     

89、;   188        282        641        1139        4.23            

90、50II        II        0.32        188        282        641       

91、; 1139        4.23        54高性能混凝土性能試驗結(jié)果及分析        混凝土的物理力學性能試驗結(jié)果如表9所示，常規(guī)耐久性能試驗結(jié)果如表10所示，抗氯離子滲透性能試驗結(jié)果如表11所示。    表9 高性能海工混凝土力學性能      

92、60;                 混凝土        抗壓強度（MPa）        劈拉強度    （MPa）        抗折強度&#

93、160;   （MPa）        軸壓強度（MPa）        彈性模量（104MPa）            35基準砼        43.3    

94、60;   4.0        7.4        29.4        3.35            海工I       

95、0;38.7        3.9        7.7        26.7        3.27            海工II  

96、      41.0        4.1        7.6        28.9        3.55         

97、   50基準砼        58.5        4.0        9.0        32.2        3.69   &

98、#160;        海工I        52.4        3.9        8.7        31.3      &#

99、160; 3.65            海工II        66.7        4.5        9.9        32.9

100、0;       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)&

101、#160;       滲透高度(mm)        抗凍(凍融循環(huán)100次)            碳化深度    （mm）        強度損失（）    

102、60;   最大滲水壓力（MPa）        滲水高度    （mm）        質(zhì)量損失    （）        相對動彈性模量損失（）        

103、60;   35基準砼        0.30        0.63        2.5        26.3        0.9  

104、0;     8.1            海工I        0.16        0.42        2.5      

105、;  7.1        0.6        6.9            海工II        0.16        0.46&#

106、160;       2.5        6.5        0.6        7.2            50基準砼   

107、60;    0.25        0.50        2.5        20.5        0.7        7.2  

108、          海工I        0.17        0.38        2.5        6.6     &

109、#160;  0.5        6.8            海工II        0.14        0.37        2.5        5.4