海洋环境混凝土桥梁防腐技术与耐久性设计

2011-03-10卢昌明

山西建筑 2011年12期

卢昌明

1 概述

在我国近海地区的桥梁中，常有因腐蚀防护措施不到位或耐久性设计不完善等原因，发生严重钢筋锈蚀破坏而重建或加固的事例。根据JTG/T B07-01-2006公路工程混凝土结构防腐蚀技术规范的相关规定，海洋环境对应的环境作用等级为D—F级，即腐蚀程度为严重到极端严重。因此，在海洋环境中建设混凝土桥梁时，因钢筋腐蚀导致的结构耐久性问题必须引起我们的充分重视。本文介绍了钢筋腐蚀与结构耐久性的关系，以及目前桥梁上常用的腐蚀防护技术，并结合现行规范和国内外相关耐久性设计资料，针对混凝土桥梁提出了耐久性设计要点，以供海洋环境中的混凝土桥梁的耐久性设计参考借鉴。

2 钢筋腐蚀与结构耐久性的关系

2.1 钢筋腐蚀的危害

钢筋腐蚀的具体危害主要归结为以下三点：1)胀裂破坏。由钢筋锈蚀后体积膨胀所引起的拉应力将使混凝土顺筋开裂，这将进一步加剧了钢筋的锈蚀速度。2)影响钢筋与混凝土之间的粘结性能。钢筋锈蚀后，将从胶结力、摩擦力和机械咬合力三方面弱化钢筋与混凝土之间的粘结。3)引起钢筋的应力腐蚀与脆断。

2.2 钢筋腐蚀与结构寿命的关系

一般地，钢筋腐蚀与结构寿命的关系如图1所示。t0～t1阶段，碳化前锋面逐渐到达钢筋表面或Cl－在钢筋表面的浓度积累达到临界值，钢筋钝化膜不再稳定，开始活化。t1～t2阶段，钢筋开始发生局部腐蚀，腐蚀产物积累膨胀最终导致混凝土保护层开裂。t2～t3阶段，钢筋严重锈蚀，混凝土保护层大面积开裂，钢筋与混凝土粘结力逐渐丧失，导致计算简图彻底改变，结构承载力丧失。对于常见的海工混凝土结构使用年限预测模型，一般将临界锈蚀点t1或胀裂点t2视作耐久性极限状态［1］。

3 常用腐蚀防护技术

1)采用高性能混凝土。掺粉煤灰的低水胶比的高性能混凝土，与同水胶比的未掺粉煤灰的混凝土相比，氯化物的渗透性能要低1个～2个数量级。通过有效地提高抗渗性能、抑制碱集料反应及增强护筋效果，提高了混凝土耐久性。

2)采用涂层保护技术。混凝土表面的涂层可以阻止氯离子侵蚀和混凝土碳化深入混凝土内部。常用的主要有聚合物改性水泥砂浆和渗透型涂层两种。

3)采用钢筋阻锈剂。阻锈剂通过提高氯离子产生腐蚀的临界值来稳定钢筋表面的氧化物保护膜，从而达到延长使用寿命的目的。该技术被美国混凝土委员会(ACI)确认为钢筋防护的长期有效措施之一。

4)采用环氧涂层钢筋。环氧涂层钢筋利用环氧涂层与钢筋优良的粘结力，阻隔外界腐蚀介质对钢筋的侵入，从而延长混凝土结构的使用寿命。美国试验与材料学会的调查结果显示，采用环氧涂层钢筋可延长结构使用寿命20年左右。鉴于其优点，杭州湾跨海大桥在腐蚀严重的浪溅区现浇墩身中采用了环氧涂层钢筋［1］。但是，在涂层不完整情况下，局部锈蚀发展常常比无涂层钢筋还快。因此保证膜层的完整性是环氧涂层钢筋有效性的关键。

5)采用纤维增强塑料(FRP)筋。FRP筋具有轻质、高强、耐腐蚀性强等优点。单向碳纤维束配合高性能混凝土使用，将彻底解决针对预应力钢筋的腐蚀所引起的混凝土桥梁破坏问题，并可使结构使用寿命长达100年。目前，经济因素是FRP筋替代普通预应力钢筋的最大障碍，但在恶劣的海洋环境中建设桥梁时，其适用性和经济效益值得进一步探讨研究。

6)采用阴极防护技术。阴极保护法(CP法)是最常用的一种电化学保护法，主要有牺牲阳极CP法和外加电流CP法两种。近年来，阴极防护技术不仅应用于已受氯离子腐蚀的结构的修复，还应用于新建结构，并取得了良好效果。杭州湾跨海大桥作为我国首个应用阴极防护技术的钢筋混凝土结构，在南、北航道桥主墩承台、塔座及下塔柱处浪溅区，设置了外加电流阴极防护系统。采用全自动监控系统自动调节电量的方法，使结构钢筋始终处于阴极状态而不发生锈蚀，保证最少100年的使用年限［2］。

4 桥梁结构的耐久性设计要点

4.1 严格控制混凝土的水胶比与强度等级

影响混凝土结构耐久性的首要因素是混凝土的密实性，所以为了保证混凝土的密实性，首先要规定最大水胶比的限制。《公路工程混凝土结构防腐蚀技术规范》提出以最低强度等级与最大水胶比进行双控。此外，关于最小水泥用量、最大氯离子含量和矿物掺加料比例等限制规定，设计时应遵照执行。

4.2 严格选取最小混凝土保护层厚度

一般来说，钢筋的锈蚀总是从最外侧分布筋及箍筋开始的，并能引起混凝土开裂和剥落。所以在耐久性设计中，混凝土保护层厚度的选取首先要考虑到分布筋及箍筋的需要，同时应充分考虑到保护层施工偏差的影响。故建议采用的保护层厚度，应该是规范规定的最小厚度与一定施工允许误差之和。

4.3 采用塑料波纹管和真空辅助压浆

对于预应力混凝土结构，孔道的不密实极易造成高应力状态下预应力筋的锈蚀。为增强预应力孔道压浆的密实性，提高预应力体系的耐久性，桥梁预应力混凝土梁采用耐腐蚀、密封性能好的塑料波纹管配合真空辅助压浆技术，作为预应力混凝土结构的耐久性措施之一。

浆体性能是真空辅助压浆成败的关键，为此专门需根据《公路桥涵施工技术规范》进行了浆体配合比设计。浆体水灰比要求控制在0.30～0.35，浆体强度不小于主体结构混凝土强度的80%。灌浆方向由下往上，灌浆速度控制在30 L/min～45 L/min，当孔道各处浆体一致时，方能停止灌浆［4］。

杭州湾跨海大桥的相关试验表明［1］：采用高性能真空辅助压浆助剂配置的浆体和配套的压浆工艺进行真空压浆，孔道浆体饱满、密实，可有效提高预应力系统的耐久性。

4.4 采用多束少根的预应力束，对锚头采取多重保护［4］

增加钢绞线束的数量，减少每束中的钢绞线根数，以减轻在单束遭受腐蚀或更换时对整个桥梁的影响。对锚头至少采取四重保护，包括灌浆、带O形环的耐磨塑料锚帽、封锚涂层以及封锚混凝土。

4.5 加强构造配筋，防止和控制混凝土裂缝

当混凝土开裂后，侵蚀速度将大大加快，使耐久性进一步退化。控制混凝土裂缝，除了按规范要求进行正常使用状态的检算外，更重要的是通过构造措施控制施工及使用过程中出现的大量非工作裂缝。重视水平构造钢筋和箍筋在控制温度裂缝和收缩裂缝中的作用，提高相应部位钢筋的配筋率和钢筋间距。

4.6 加强桥面防水设计，保证桥梁密水性

桥面铺装应采用密实性较好的C30以上的混凝土，混凝土铺装层内应设置钢筋网，防止混凝土开裂，并采用复合纤维混凝土和在混凝土中掺入水泥基渗透结晶材料。桥面铺装层顶面应设防水层，特别是负弯矩段更应十分重视防水层设计。加强泄水管及伸缩缝处的细部排水设计，防止水分从该处渗入梁内。对阶段施工的桥梁，各节段间应该用环氧树脂密封。尽量避免在桥面上开孔，不得已开孔时，应开锥形孔，以便于回堵［4］。