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淺談混凝土結(jié)構(gòu)耐久性及高性能混凝土的應(yīng)用
摘要：青島是我國(guó)目前海洋工程十分迅速的城市之一，無(wú)論是高速公路建設(shè)還是海灣工程的建設(shè)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(zhèn)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(zhǎng)1811.5米、孔數(shù)-孔徑為60-30m，為裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)T梁橋。是我國(guó)目前在建的較為罕見(jiàn)的大型海洋工程。關(guān)鍵詞：特大橋 海工混凝土 耐久性 淺談 應(yīng)用
0 引言
由于陳家貢灣特大橋處于海水環(huán)境，海水環(huán)境對(duì)于橋梁混凝土結(jié)構(gòu)具有強(qiáng)腐蝕性，按照一級(jí)公路橋梁結(jié)構(gòu)100年設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期和本工程使用年限的要求進(jìn)行結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)，為保證陳家貢灣特大橋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，本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)目前尚沒(méi)有大型海洋工程超長(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)用尚為空白，因此結(jié)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(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。
1 陳家貢灣特大橋混凝土結(jié)構(gòu)布置和耐久性設(shè)計(jì)
1.1 陳家貢灣特大橋混凝土結(jié)構(gòu)布置 陳家貢灣特大橋孔數(shù)—孔徑（孔—米）為60—30m，為裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)T梁橋，橋梁上部結(jié)構(gòu)：六孔一聯(lián)、全橋共十聯(lián)，行車道板與橋面鋪裝采用剪力鋼筋連接；橋梁下部結(jié)構(gòu)：橋墩采用雙懸臂預(yù)應(yīng)力薄壁墩，墩柱為主截面3×1.5米的帶豎肋矩形截面，基礎(chǔ)采用柱式臺(tái)、樁基礎(chǔ)或重力臺(tái)、擴(kuò)大基礎(chǔ)�；炷猎O(shè)計(jì)強(qiáng)度根據(jù)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(huán)境 陳家貢灣特大橋地處東亞季風(fēng)比較發(fā)達(dá)的黃海之濱，受季風(fēng)和海洋氣候的影響，四季變化比較明顯，屬南溫帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候類型：夏季空氣濕潤(rùn)，雨量充沛；冬季氣候干燥，時(shí)長(zhǎng)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(xiàn)在八月，月平均氣溫為25℃，最冷出現(xiàn)在一月，月平均氣溫為-4.5℃。年平均相對(duì)濕度為72%，累年全年蒸發(fā)量平均為1462.2毫米，其中全年以五月份為最高，累年平均達(dá)到180.1毫米，一月最小，僅為54.8毫米，海區(qū)全年鹽度一般在15.00～34.00‰之間變化，屬?gòu)?qiáng)混合型海區(qū)，海洋環(huán)境特征明顯。
1.3 陳家貢灣特大橋面臨的耐久性問(wèn)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、鹽類侵蝕、凍融循環(huán)、溶蝕、堿-集料反應(yīng)和沖擊磨損等。陳家貢灣特大橋位于東亞季風(fēng)比較發(fā)達(dá)的黃海之濱，因?yàn)樘鞖廨^暖，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(guò)控制混凝土組分來(lái)避免；這樣鋼筋銹蝕破壞就成為最主要的腐蝕荷載�；炷林袖摻钿P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使混凝土碳化。國(guó)內(nèi)外大量工程調(diào)查和研究結(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。在陳家貢灣特大橋周邊沿海地區(qū)調(diào)查中亦證實(shí)，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，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(jié)構(gòu)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(shù)措施
提高海工耐久性混凝土的主要技術(shù)措施有：
2.1 海工耐久性混凝土 其技術(shù)途徑是采用優(yōu)質(zhì)混凝土礦物摻和料和聚羧酸高效減水劑復(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，高密實(shí)、高耐久的混凝土材料。
2.2 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)混凝土保護(hù)層過(guò)薄時(shí)，易形成裂縫等缺陷使保護(hù)層失去作用，鋼筋過(guò)早銹蝕，降低結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和延性；當(dāng)保護(hù)層厚度過(guò)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。
2.3 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)與混凝土接觸粘結(jié)的特點(diǎn)，其于砼粘結(jié)力不小于1.5Mpa，并且與砼表面的強(qiáng)堿性相適應(yīng)，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5～10年，只能作輔助措施。
2.4 阻銹劑 阻銹劑通過(guò)提高氯離子促使鋼筋腐蝕的臨界濃度來(lái)穩(wěn)定鋼筋表面的氧化物保護(hù)膜，其品質(zhì)對(duì)混凝土的主要物理性能、力學(xué)性能無(wú)不利影響，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宜。
3 加強(qiáng)陳家貢灣特大橋結(jié)構(gòu)混凝土耐久性措施
改善混凝土和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性需采取的措施：①?gòu)牟馁|(zhì)本身的性能出發(fā)，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(nèi)在因素和外在因素，對(duì)主因和次因?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，例如綜合防腐措施。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，盡可能提高鋼筋保護(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，有效提高陳家貢灣特大橋混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命。
因此，陳家貢灣特大橋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性基本方案是：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，如摻加鋼筋阻銹劑、混凝土外涂保護(hù)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，如原材料的耐久性指標(biāo)、工藝設(shè)備的可行性等，以及混凝土配合比經(jīng)濟(jì)上的合理性。也就是說(shuō)應(yīng)該采取有針對(duì)性的，因地制宜的制定防腐方案。
根據(jù)設(shè)計(jì)院提出的陳家貢灣特大橋主要部位構(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。
4 陳家貢灣特大橋高性能混凝土原材料耐久性
4.1 試驗(yàn)用原材料及其物理化學(xué)性能
4.1.1 水泥 試驗(yàn)中采用了P.Ⅱ52.5，有關(guān)性能參數(shù)見(jiàn)下表。
4.1.2 高爐磨細(xì)礦渣(S95)
高爐磨細(xì)礦渣(S95)的有關(guān)性能參數(shù)見(jiàn)表
4.1.3 硅粉
硅粉的有關(guān)性能參數(shù)見(jiàn)表
4.1.4 粗骨料
混凝土配制試驗(yàn)用石為5～25mm連續(xù)級(jí)配碎石。
4.1.5 細(xì)骨料
混凝土配制試驗(yàn)用砂檢驗(yàn)結(jié)果如表
4.1.6 減水劑
試驗(yàn)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(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，以混凝土的坍落度和擴(kuò)展度評(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)(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：
4.2.1 坍落度、擴(kuò)展度 混凝土的坍落度、擴(kuò)展度按《新拌混凝土性能試驗(yàn)方法》GBJ80-85測(cè)定。
4.2.2 抗壓強(qiáng)度 混凝土的抗壓強(qiáng)度按《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法》GBJ81-85測(cè)定。
4.2.3 混凝土的抗凍性能 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。
4.2.4 混凝土的電通量和氯離子擴(kuò)散系數(shù)快速試驗(yàn) NEL-PER型混凝土電通量測(cè)定儀來(lái)評(píng)價(jià)混凝土抵抗氯離子滲透能力的標(biāo)準(zhǔn)。試驗(yàn)儀器采用北京耐爾NEL-PER型混凝土電通量測(cè)定儀。通過(guò)在￠95×50mm的混凝土試樣兩端施加60V的直流電壓，通過(guò)檢測(cè)6hrs內(nèi)流過(guò)的電量大小來(lái)評(píng)價(jià)混凝土的滲透性。
用RCM-DH型氯離子擴(kuò)散系數(shù)測(cè)定儀測(cè)定混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)的試驗(yàn)方法，RCM法參照DuraCrete非靜態(tài)電遷移原理制定，定量評(píng)價(jià)混凝土抵抗氯離子擴(kuò)散的能力，本方法適用于骨料最大粒徑不大于25mm的試驗(yàn)室制作的或者從實(shí)體結(jié)構(gòu)取芯獲得的混凝土試件。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溶液中至指定齡期后，用混凝土切割機(jī)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(fù)極溶液，用測(cè)試機(jī)主機(jī)電源進(jìn)行電遷移過(guò)程，劈開(kāi)試件，用0.1mol/LAgNo3溶液測(cè)定顯色深度，最后用軟件混凝土試件的氯離子擴(kuò)散系數(shù)。
4.3 混凝土配合比設(shè)計(jì) 試驗(yàn)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(yàn)結(jié)果及分析 混凝土的物理力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果，常規(guī)耐久性能試驗(yàn)結(jié)果
高性能海工混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)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(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3.0～1.0E-12m2/s
5 海工耐久性混凝土的質(zhì)量保證措施
5.1 影響海工耐久性混凝土質(zhì)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(diǎn)，致使高性能混凝土的硬化特點(diǎn)與內(nèi)部結(jié)構(gòu)同傳統(tǒng)的普通混凝土相比具有很大的差異，隨之帶來(lái)了它的早期體積穩(wěn)定性差、容易開(kāi)裂等問(wèn)題。而混凝土的裂縫正是在使用階段環(huán)境侵蝕性介質(zhì)侵入的通道，進(jìn)而削弱其耐久性。
5.2 提高海工耐久性混凝土質(zhì)量措施 在試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，澆筑的混凝土由于陽(yáng)光直射溫度較高產(chǎn)生溫差過(guò)大的現(xiàn)象，同時(shí)由于海灣地區(qū)海風(fēng)比較強(qiáng)烈也容易造成混凝土表面失水過(guò)快，混凝土表面收縮較大而導(dǎo)致混凝土開(kāi)裂。因此，在實(shí)際澆筑混凝土過(guò)程中，T梁或其它結(jié)構(gòu)的混凝土澆注完畢后應(yīng)立即在頂面和四周采取保溫保濕措施。對(duì)于T梁等大型預(yù)制構(gòu)件，由于預(yù)制場(chǎng)地的限制和施工進(jìn)度要求，采用低溫蒸養(yǎng)的方式。
對(duì)于現(xiàn)澆混凝土，混凝土成型抹面結(jié)硬后立即覆蓋土工布，砼初凝后立即進(jìn)行澆水養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)用水為外運(yùn)淡水,記錄每天的溫度和風(fēng)向，避免混凝土干濕交替，拆模前12小時(shí)擰松加固螺栓，讓水從側(cè)面自然流下養(yǎng)護(hù)，側(cè)面拆模不小于48小時(shí)。
6 結(jié)語(yǔ)
根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工程環(huán)境條件分析，影響陳家貢灣特大橋混凝土結(jié)構(gòu)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(duì)這一具體情況，并考慮當(dāng)?shù)氐膶?shí)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(shù)為核心的綜合耐久性施工理念，通過(guò)符合工程實(shí)際情況和技術(shù)水平的施工措施和質(zhì)量控制措施，確保了高性能混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)的要求。
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