海水环境下某工程的结构耐久性设计及思考

马超明

1 工程概况

某临海排洪工程,采用三孔箱涵延伸入海,箱涵单孔孔径5.5 m×2.9 m,其中入海段长约1 km。整个结构采用钢筋混凝土薄板闭口结构形式。箱涵结构外底黄海高程为-0.86 m～-2.0 m,正常情况下,箱涵处于海水的半淹没状态。根据水质分析报告显示,海水对混凝土结构具中等腐蚀性,对钢筋具强腐蚀性。部分箱涵位于重载货车运行的场地之下,该场地是受严格监控的重要区域,要求不得随意进行箱涵结构的后期维护服务,鉴于此,本工程除满足承载能力极限状态下的结构设计工作外,在海水环境下,结构耐久性设计将是本工程考虑的重点。

2 工程耐久性设计及施工中面临的部分问题

2.1 工程耐久性设计主要措施

1)结构采用高性能混凝土,混凝土强度等级C45,高性能混凝土的各项性能指标需要符合《海港规范》第6章的相关规定。2)采用特殊防腐蚀措施,于高性能混凝土中添加钢筋阻锈剂(浓度为30%的亚硝酸钙溶液)。3)混凝土保护层厚度取65 mm。4)结构计算最大裂缝控制不大于0.2 mm。5)混凝土抗渗等级不小于S8。根据GB 50108-2001地下工程防水技术规范的规定,当工程埋置深度小于10 m时,防水混凝土设计抗渗等级可取S6,本工程提高一级,取为S8。

2.2 工程施工中面临的部分问题及思考

2.2.1 关于非结构裂缝和结构裂缝

1)高性能混凝土早期非结构裂缝控制。a.高性能混凝土早期非结构裂缝的产生。本工程结构板面(主要是顶板面)出现了大量不规则裂缝,裂缝开展宽度明显大于《海港规范》所规定的结构最大裂缝开展宽度限值,根据现场测量,裂缝一般不深于20 mm。裂缝开展全部集中在混凝土浇筑完成后的48 h以内。显然,此阶段开展的裂缝与结构荷载效应没有任何关系。b.高性能混凝土早期非结构裂缝产生的原因分析。首先,高性能混凝土的水泥用量较多,水化热量大,混凝土在凝结过程中的前后温差较大,很容易引起较高的温降收缩应力而导致混凝土发生早期开裂。其次,高性能混凝土的水灰比较低,相比于一般普通混凝土,在强度成长的早期,其自身收缩和干燥收缩的总量一般要大于普通混凝土。再次,高性能混凝土用水量很低,基本上不泌水,因此,新拌混凝土的表面水分蒸发速率大于混凝土内部向表面泌水的速度,表面失水干燥而引起收缩,由此产生塑性开裂。c.高性能混凝土的早期非结构裂缝控制思考。其一,需要合理选择混凝土原材料和配方(如合理的外加剂、优质的活性掺合料等),采取适当的构造措施,如混凝土温度控制,养护控制等等。其二,可以考虑在结构中添加适当微膨胀剂来抵抗混凝土的初期收缩裂缝开展。其三,可以考虑采用纤维混凝土,但钢纤维有腐蚀问题,不宜采用。聚丙烯纤维有较好的抗海水腐蚀性,但其实际效果有待验证。其四,可以考虑于混凝土保护层内添加钢丝网来抵抗非结构裂缝。

2)厚保护层和结构裂缝控制。本工程中,结构板厚采用了600 mm和550 mm两种较厚的断面,这也是结构裂缝控制的必然要求。根据相关文献资料介绍,当混凝土实际保护层厚度大于30 mm时,可直接采用30 mm的保护层厚度代入GB 50010-2002混凝土结构设计规范的裂缝宽度计算公式来解决结构裂缝难以计算通过的问题。但如此处理后的结构裂缝开展情况实际到达一个怎样的水平,需要工程实践和理论研究来进一步证实。

2.2.2 关于部分耐久性构造措施

1)海水环境下混凝土保护层垫块设计。《海港规范》规定:混凝土保护层垫块宜为工字形或锥形,其强度和密实性应高于构件本体混凝土。垫块宜采用水灰比不大于0.40的砂浆、细石混凝土或耐碱和抗老化性能好,抗压强度不小于50 MPa的工程塑料制作。

实际工程中,如果采用细石混凝土垫块,要求其强度等级高于本体混凝土,则对于高性能混凝土而言,混凝土强度等级至少应达到C50。如此高的强度等级和密实性能要求,在普遍采用商品化混凝土的当前,难以在施工现场完成。因此,虽然是混凝土垫块,也需要在工厂特别定制。这除了增加成本外,考虑到混凝土保护层垫块体量都比较小(一般边长不大于7 cm),加工精度较高,需要特别的加工模板,因此,如果工程量需求较少,则混凝土生产商也往往不愿意生产此混凝土垫块,更不用说把垫块形状做成工字形或锥形。

当然,如果采用工程塑料来做保护层垫块,则市场上品种较多,而且也能比较好的保证加工精度和施工质量。但根据目前一般工程所使用的塑料垫块实际情况来看,要达到其抗压强度不小于50 MPa的要求,则市面上基本没有。另一方面,目前所使用的塑料垫块,如果用在海水环境下,由于其本身材料性能和混凝土本体有很大区别,因此,其与混凝土的接触界面必然成为天然的耐久性薄弱环节,在工程竣工若干年后,当塑料老化到一定程度,势必需要担忧塑料垫块的有效性。

本工程在实际操作中,采用的是高出本体混凝土强度等级一级的细石混凝土,并且采用的是立方体形状,没有采用异形垫块。

2)固定模板用的拉结钢筋的设置。结构施工中,为浇筑墙体混凝土,则立模需要采用钢筋拉结固定准确后方可浇筑。根据工程实际需要,拉结钢筋一般布置间距约为600 mm×600 mm,因此,如果工程规模较大,则混凝土墙体模板需要大量拉结钢筋来作为模板固定钢筋。

在海水环境下,究竟采用何种模板固定形式,将直接关系到结构耐久性设计的可靠性,一般情况下,可以考虑于模板外侧进行支撑,而不再使用拉结钢筋,但此种方法缺点是外支撑工程量较大,而且难以保证模板尺寸精度要求,并容易跑模,一般施工单位也不愿意采用此种方法。

另一种方法是采用传统的钢筋进行拉结,拉结具体形式有两种,一种是在钢筋外侧套上一层塑料套管,待模板拆除时抽出钢筋而留下塑料套管在混凝土内,这样的方法使拉结钢筋可以重复利用,工程施工成本较低,但从耐久性的角度考虑,担心塑料套管与混凝土之间不同材料接触的有效性以及塑料制品的老化是有必要的。因此,此种方法在耐久性方面的有效性仍有待验证。事实上,如果采用在套管内灌浆,则效果会好些,但灌浆的密实性难以保证(管径一般很小),同时也将难以施工和增加工程成本,而且经济有效的灌浆材料选择也是一个难题。因此,本工程没有采用此方法进行模板拉结处理。另一种形式是直接采用传统方法,模板拉结钢筋(未埋套管)不拔除,而直接留在混凝土内,但钢筋于混凝土墙体两侧保护层内的部分直接烧断。拉结钢筋露头处,留出的混凝土保护层范围内的空洞(一般留出50 mm×50 mm的平面,深度同保护层厚度的方坑,混凝土浇筑过程中,先用木块或其他易于拆除的材料套在钢筋拉杆相应准确位置上即可)采用特殊配方的材料封堵。这种方法虽然简单,但封堵材料的选择却是耐久性是否可靠的关键因素。

3)模板拉结钢筋端部预留洞堵缝材料的选择。在一般普通工程中,孔洞封堵方法可采用如下几种:a.普通砂浆;b.高于结构混凝土强度等级配方的细石混凝土;c.化学试剂封堵(如环氧树脂砂浆材料)。

在海水环境下,普通砂浆密实性得不到保证,因此不适于作为堵洞材料。而细石混凝土材料虽然可以满足要求,但在目前一般使用商品混凝土的情况下,如果现场对堵缝材料总方量需求有限时,混凝土生产商一般不愿意进行生产。同时,混凝土由生产厂运至现场后,考虑到初凝时间需要,应在尽可能短的时间内使用完毕。并且,堵洞工作需要人工来进行操作,这样一来,现场需要很多工人同时进行作业,施工界面要求很大,且不同操作人员的施工质量将难以保证。因此,本工程在充分考虑后认为,采用细石混凝土不可取。

如果采用环氧树脂砂浆进行保护层封堵,则无论从材料强度、施工时间控制、施工人力控制和质量控制,以及防腐蚀的实际效果,都是比较理想的。但通过市场调查,此种材料价格昂贵,是普通混凝土材料的几十倍,考虑到造价控制,建设单位未同意采用环氧树脂砂浆进行作业。如果工程实际许可,应该采用此种材料。

本工程中,根据上述实际情况,参考《海港规范》对高性能混凝土的控制参数,提出堵缝材料实际指导配方参数如下:a.采用水胶比不大于0.35的水泥砂浆;b.每立方米材料中,胶凝物质总量不小于400 kg,但一般情况下不得超过550 kg/m3;c.标准试块轴心抗压强度标准值需大于30 MPa;d.坍落度根据施工实际需要试验确定;e.需掺加相互兼容的钢筋阻锈剂和微膨胀剂,外加剂对砂浆的质量应无不利影响,外加剂氯离子含量不宜大于水泥质量的0.02%。

3 结语

1)采用高性能混凝土进行结构耐久性设计的情况下,早期混凝土的非结构裂缝开展是一个普遍现象。海水环境下的结构设计和施工构造措施会影响结构耐久性设计的性能目标。

2)海水环境下结构耐久性控制需要设计单位、建设单位、施工单位、监理单位、原材料供应单位、质量检测单位、质量监督单位的全方位配合和紧密协作,它是一个系统工程,只有各个环节都达到要求,才可能达到整个结构的耐久性预期目标。因此,建议结构设计人员采用耐久性设计专篇的方式对结构实施的全过程进行必要控制,以期比较好的完成规范规定的耐久性控制目标。

[1] GB 50010-2002,混凝土结构设计规范[S].

[2] JTJ 275-2000,海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范[S].

[3] 中国土木工程学会,高强与高性能混凝土委员会.高强混凝土结构设计与施工指南[M].第2版.北京:中国建筑工业出版社,2002.

[4] CCES 01-2004(2005年修订版),混凝土结构耐久性设计与施工指南[S].