淺談混凝土結構耐久性及高性能混凝土的應用

淺談混凝土結構耐久性及高性能混凝土的應用

摘要：青島是我國目前海洋工程十分迅速的城市之一，無論是高速公路建設還是海灣工程的建設已為世人所矚目，作為目前青島在建第二大海灣工程陳家貢灣特大橋位于膠南市瑯琊鎮的陳家貢海灣，起于陳家貢村西北，止于尹家圈村東北，屬濱海地貌，地形比較平坦。全橋總長1811.5米、孔數-孔徑為60-30m，為裝配式預應力混凝土連續T梁橋。是我國目前在建的較為罕見的大型海洋工程。
關鍵詞：特大橋  海工混凝土  耐久性  淺談  應用
        0 引言
        由于陳家貢灣特大橋處于海水環境，海水環境對于橋梁混凝土結構具有強腐蝕性，按照一級公路橋梁結構100年設計基準期和本工程使用年限的要求進行結構耐久性設計，為保證陳家貢灣特大橋混凝土結構的耐久性，本工程采取了以高性能混凝土技術為核心的綜合耐久性技術方案。然而我國目前尚沒有大型海洋工程超長壽命服役的相關技術規范，高性能混凝土的設計、生產、施工技術在工程中的應用尚為空白，因此結合陳家貢灣特大橋工程的具體要求，研究跨海大橋混凝土結構耐久性策略和高性能混凝土的應用技術極為迫切和重要。
        1 陳家貢灣特大橋混凝土結構布置和耐久性設計
        1.1 陳家貢灣特大橋混凝土結構布置 陳家貢灣特大橋孔數—孔徑（孔—米）為60—30m，為裝配式預應力混凝土連續T梁橋，橋梁上部結構：六孔一聯、全橋共十聯，行車道板與橋面鋪裝采用剪力鋼筋連接；橋梁下部結構：橋墩采用雙懸臂預應力薄壁墩，墩柱為主截面3×1.5米的帶豎肋矩形截面，基礎采用柱式臺、樁基礎或重力臺、擴大基礎。混凝土設計強度根據不同部位在C35～C50之間。
        1.2 陳家貢灣特大橋附近海域氣象環境 陳家貢灣特大橋地處東亞季風比較發達的黃海之濱，受季風和海洋氣候的影響，四季變化比較明顯，屬南溫帶濕潤季風氣候類型：夏季空氣濕潤，雨量充沛；冬季氣候干燥，時長稍寒。多年年平均最低氣溫為9.1℃、最高氣溫為15.9℃。最熱出現在八月，月平均氣溫為25℃，最冷出現在一月，月平均氣溫為-4.5℃。年平均相對濕度為72%，累年全年蒸發量平均為1462.2毫米，其中全年以五月份為最高，累年平均達到180.1毫米，一月最小，僅為54.8毫米，海區全年鹽度一般在15.00～34.00‰之間變化，屬強混合型海區，海洋環境特征明顯。
        1.3 陳家貢灣特大橋面臨的耐久性問題 在海洋環境下結構混凝土的腐蝕荷載主要由氣候和環境介質侵蝕引起，主要表現形式有鋼筋銹蝕、鹽類侵蝕、凍融循環、溶蝕、堿-集料反應和沖擊磨損等。陳家貢灣特大橋位于東亞季風比較發達的黃海之濱，因為天氣較暖，嚴重的凍融破環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破壞則可以通過控制混凝土組分來避免；這樣鋼筋銹蝕破壞就成為最主要的腐蝕荷載。混凝土中鋼筋銹蝕可由兩種因素誘發：一是海水中Cl-侵蝕，二是大氣中的CO2使混凝土碳化。國內外大量工程調查和研究結果表明：海洋環境下導致混凝土結構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，促使鋼筋產生電化學腐蝕。在陳家貢灣特大橋周邊沿海地區調查中亦證實，海洋環境中混凝土的碳化速度遠遠低于Cl-滲透速度，混凝土碳化速度平均為3mm/10年。因此，影響陳家貢灣特大橋結構混凝土耐久性的首要因素是混凝土的Cl-滲透速度。
        2 提高海工混凝土耐久性的技術措施
        提高海工耐久性混凝土的主要技術措施有：
        2.1 海工耐久性混凝土 其技術途徑是采用優質混凝土礦物摻和料和聚羧酸高效減水劑復合，配以與之相適應的水泥和級配良好的粗細骨料，形成低水膠比，高密實、高耐久的混凝土材料。
        2.2 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、簡單而且有效的方法。但是保護層厚度并不能不受限制的任意增加，當混凝土保護層過薄時，易形成裂縫等缺陷使保護層失去作用，鋼筋過早銹蝕，降低結構強度和延性；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裂縫反而削弱其對鋼筋的保護作用。
        2.3 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與混凝土接觸粘結的特點，其于砼粘結力不小于1.5Mpa，并且與砼表面的強堿性相適應，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境的作用下老化，逐漸喪失其功效，一般壽命在5～10年，只能作輔助措施。
        2.4 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定鋼筋表面的氧化物保護膜，其品質對混凝土的主要物理性能、力學性能無不利影響，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。
        3 加強陳家貢灣特大橋結構混凝土耐久性措施
        改善混凝土和鋼筋混凝土結構耐久性需采取的措施：①從材質本身的性能出發，提高混凝土材料本身的耐久性能，例如采用高效減水劑和高效活性礦物摻合料。②找出破壞混凝土耐久性作用的內在因素和外在因素，對主因和次因對癥施治，并根據具體情況采取除高性能混凝土以外的補充措施，例如綜合防腐措施。采用高性能混凝土是在惡劣的海洋環境下提高結構耐久性的基本措施，然后根據不同構件和部位，盡可能提高鋼筋保護層厚度（一般不小于50mm），某些部位還可復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的綜合防護策略，有效提高陳家貢灣特大橋混凝土結構的使用壽命。
        因此，陳家貢灣特大橋混凝土結構的耐久性基本方案是：首先，混凝土結構耐久性基本措施是采用高性能混凝土，同時依據混凝土構件所處結構部位及使用環境條件，采用必要的補充防腐措施，如摻加鋼筋阻銹劑、混凝土外涂保護層等。在保證施工質量和原材料品質的前提下，混凝土結構的耐久性將可以達到設計要求。
        對于具體工程而言，耐久性方案的設計必須考慮當地的實際情況，如原材料的耐久性指標、工藝設備的可行性等，以及混凝土配合比經濟上的合理性。也就是說應該采取有針對性的，因地制宜的制定防腐方案。
        根據設計院提出的陳家貢灣特大橋主要部位構件的強度等級要求、構件的施工工藝和環境條件，對各部位混凝土結構提出具體的耐久性方案。
        4 陳家貢灣特大橋高性能混凝土原材料耐久性
        4.1 試驗用原材料及其物理化學性能
        4.1.1 水泥 試驗中采用了P.Ⅱ52.5，有關性能參數見下表。
        4.1.2 高爐磨細礦渣(S95)
        高爐磨細礦渣(S95)的有關性能參數見表
        4.1.3 硅粉
        硅粉的有關性能參數見表
        4.1.4 粗骨料
        混凝土配制試驗用石為5～25mm連續級配碎石。
        4.1.5 細骨料
        混凝土配制試驗用砂檢驗結果如表
        4.1.6 減水劑
        試驗采用HSN-A聚羧酸高性能混凝土減水劑。
        4.1.7 拌和用水
        飲用水。         4.2 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，在原材料的優選試驗中，以混凝土的坍落度和擴展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(擴散法)試驗結果評價混凝土的抗氯離子滲透性能，并以耐久性能為首要要求。
        試驗中所采用的主要試驗方法有：
        4.2.1 坍落度、擴展度 混凝土的坍落度、擴展度按《新拌混凝土性能試驗方法》GBJ80-85測定。
        4.2.2 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。
        4.2.3 混凝土的抗凍性能 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。
        4.2.4 混凝土的電通量和氯離子擴散系數快速試驗 NEL-PER型混凝土電通量測定儀來評價混凝土抵抗氯離子滲透能力的標準。試驗儀器采用北京耐爾NEL-PER型混凝土電通量測定儀。通過在￠95×50mm的混凝土試樣兩端施加60V的直流電壓，通過檢測6hrs內流過的電量大小來評價混凝土的滲透性。
        用RCM-DH型氯離子擴散系數測定儀測定混凝土氯離子擴散系數的試驗方法，RCM法參照DuraCrete非靜態電遷移原理制定，定量評價混凝土抵抗氯離子擴散的能力，本方法適用于骨料最大粒徑不大于25mm的試驗室制作的或者從實體結構取芯獲得的混凝土試件。將標準養護28天的混凝土試件浸泡于質量濃度為3.0％的NaCl溶液中至指定齡期后，用混凝土切割機將混凝土試件切割成直徑＝100±1mm，高=50±2mm的試件。將試件放入電解槽的夾具中，注入1L 0.2mol/L KOH正極溶液與1L含5% NaCl的0.2mol/L KOH負極溶液，用測試機主機電源進行電遷移過程，劈開試件，用0.1mol/LAgNo3溶液測定顯色深度，最后用軟件混凝土試件的氯離子擴散系數。
        4.3 混凝土配合比設計 試驗主要研究C40和C50高性能海工混凝土的性能
        4.4 高性能混凝土性能試驗結果及分析 混凝土的物理力學性能試驗結果，常規耐久性能試驗結果
        高性能海工混凝土的氯離子擴散系數和抗凍性能
        高性能海工混凝土與普通混凝土相比較，具有優良的工作性能、相近的物理力學性能和優異的耐久性能，尤其是其耐海水腐蝕性能，混凝土氯離子擴散系數可小于3.0～1.0E-12m2/s
        5 海工耐久性混凝土的質量保證措施
        5.1 影響海工耐久性混凝土質量的因素 高性能海工耐久性混凝土一般通常具有較高的膠凝材料用量、低水膠比與摻入大量活性摻合料等配制特點，致使高性能混凝土的硬化特點與內部結構同傳統的普通混凝土相比具有很大的差異，隨之帶來了它的早期體積穩定性差、容易開裂等問題。而混凝土的裂縫正是在使用階段環境侵蝕性介質侵入的通道，進而削弱其耐久性。
        5.2 提高海工耐久性混凝土質量措施 在試驗過程中發現，澆筑的混凝土由于陽光直射溫度較高產生溫差過大的現象，同時由于海灣地區海風比較強烈也容易造成混凝土表面失水過快，混凝土表面收縮較大而導致混凝土開裂。因此，在實際澆筑混凝土過程中，T梁或其它結構的混凝土澆注完畢后應立即在頂面和四周采取保溫保濕措施。對于T梁等大型預制構件，由于預制場地的限制和施工進度要求，采用低溫蒸養的方式。
        對于現澆混凝土，混凝土成型抹面結硬后立即覆蓋土工布，砼初凝后立即進行澆水養護，養護用水為外運淡水,記錄每天的溫度和風向，避免混凝土干濕交替，拆模前12小時擰松加固螺栓，讓水從側面自然流下養護，側面拆模不小于48小時。
        6 結語
        根據現場工程環境條件分析，影響陳家貢灣特大橋混凝土結構耐久性的首要因素是混凝土的Cl-滲透速度和混凝土中的堿含量。針對這一具體情況，并考慮當地的實際情況—如原材料中的氯離子和堿含量以及施工工序的可行性等，混凝土配合比上合理性。陳家貢灣特大橋工程采取以高性能混凝土技術為核心的綜合耐久性施工理念，通過符合工程實際情況和技術水平的施工措施和質量控制措施，確保了高性能混凝土結構耐久性設計的要求。

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