浅论海域混凝土桥梁的耐久性设计

2011-08-08陈勇

城市道桥与防洪 2011年9期

陈勇

（同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司，上海市 200092）

0 前言

随着经济的高速发展，近年来我国修建了大量的近海和跨海桥梁。在进行海域桥梁设计时,除应满足结构的安全性外，结构的耐久性设计至关重要。在海洋环境下，混凝土结构由于长期受到氯离子等的侵蚀作用，发生钢筋锈蚀并导致耐久性失效的现象十分常见。在已建成的桥梁中，有相当数量因无法满足耐久性要求而过早破坏，维修代价巨大，造成了严重的经济损失。因此，研究影响海域混凝土桥梁耐久性的因素，并有针对性地采取对策是十分必要的。

影响混凝土桥梁耐久性的因素分为内因和外因两个方面。内因主要是混凝土结构的水泥品种、水泥用量、水灰比、外加剂、保护层厚度、构件的应力状况、裂缝等。外因主要是荷载作用、环境腐蚀等。

1 海域混凝土桥梁侵蚀机理

根据美国学者Mehta的研究成果，海域环境下混凝土结构的破坏原因主要有：钢筋锈蚀、冻融破坏、侵蚀环境的物理化学作用。

（1）钢筋锈蚀

海水中的氯离子是造成钢筋锈蚀的主要原因。水泥水化反应而形成的高碱性使混凝土内钢筋表面产生一层致密的钝化膜，从而阻止钢筋锈蚀。氯离子是极强的去钝化剂，其吸附于局部钝化膜处，使该处的PH值迅速降低，从而破坏钢筋表面钝化膜。当钢筋局部钝化膜破坏后，由于该处的铁基体与完好的钝化膜之间存在电位差，大面积钝化膜区域作为阴极，铁基体作为阳极而受到腐蚀。由于是大阴极对应小阳极，腐蚀速度很快。钢筋锈蚀后体积膨胀，造成混凝土开裂严重进而丧失工作能力。

（2）冻融破坏

在寒冷气候中，海水通常不会结冰。但由于潮汐的影响，使得潮差区和浪溅区每日受到两次冻融循环作用。

钢筋混凝土作为一种复合材料结构，结构的性能不仅取决于钢筋和混凝土各自的物理力学性能，而且也与钢筋和混凝土的协同工作能力有关，钢筋与混凝土之间的粘结锚固性能是保证两种不同材料共同工作的基本前提。在冻融循环作用下，产生的静水压力将会破坏钢筋与混凝土之间的粘结性能，从而影响结构物的耐久性。

（3）物理化学作用

海洋环境对混凝土的物理化学腐蚀因素主要有：氯离子侵蚀、碳化作用、镁盐及硫酸盐侵蚀、碱-骨料反应等。

如前所述，氯离子侵蚀是钢筋锈蚀的主要原因。

碳化作用是指环境中的二氧化碳气体，通过混凝土内部孔隙进入混凝土中，与混凝土中的Ca（OH）2发生化学反应，生成CaCO3和水的过程。混凝土碳化以后，pH值将急剧下降，从而破坏钢筋钝化膜赖以生存的环境。

镁盐及硫酸盐侵蚀。由于海水渗入，海水中的镁盐、硫酸盐和水泥石中的Ca（OH）2发生化学反应，将会造成混凝土体积膨大，在混凝土内引起很大的内应力，致使混凝土开裂；且生成的反应物容易使混凝土强度下降并变脆。

碱-骨料反应是混凝土中某些活性矿物集料与混凝土孔隙中的碱性溶液之间发生化学反应，引起混凝土内部自膨胀应力而开裂的现象。高温、湿度和含盐量对碱-骨料反应有促进作用。因此在海洋环境下，必须更加重视碱-骨料反应的危害。

2 桥梁所处环境类别的判定

在《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》中，将结构所处的环境条件分为四类，其中Ⅲ类环境为海水环境，滨海环境归为Ⅱ类环境，但未对海水环境和滨海环境的区分做出明确的说明。参照《公路混凝土结构防腐蚀技术规范》中对近海或海洋环境作用等级的具体分类，可以理解为：在离涨潮海岸线300 m以外的陆上环境，按照滨海环境设计；在海水中、海面以上、离涨潮海岸线300 m以内的陆上环境，均应按Ⅲ类环境即海水环境进行设计。

近海或海洋环境作用等级见表1。

表1 近海或海洋环境作用等级

从表1可知，同为海水环境，桥梁不同部位的腐蚀程度还可以分为D、E、F三种等级。潮汐区和浪溅区的环境腐蚀最为强烈，而浸泡在海水中墩柱和埋于土中的桩基由于环境相对恒定，腐蚀作用反而较弱。

根据桥涵设计规范中结构混凝土耐久性的基本要求，在不同的环境作用下，对混凝土最低强度等级、最大水灰比、最小水泥用量、最大氯离子含量、最大碱含量、最小保护层厚度等有相应的要求。上述要求应作为最低要求并可视具体情况做出更严格的规定。

3 混凝土防护措施

（1）混凝土原材料及配合比

混凝土结构的耐久性在很大程度上取决于原材料的选用与混凝土材料的密实性。

配制海工混凝土的水泥要求耐腐蚀能力强、抗冻融性好、水化热低，应优先选用普通硅酸盐水泥或其他耐腐蚀水泥，避免采用快硬性硅酸盐水泥等。掺入矿渣、火山灰、粉煤灰等活性熟料可有效阻止腐蚀性离子向混凝土内部渗透。

水灰比是影响混凝土密实性的重要因素。密实度越高，混凝土的孔隙越少，混凝土与海水接触面积也越小，因而混凝土的抗渗性和抗侵蚀能力更强。

海洋环境下混凝土的最低强度及原材料要求见表2。

表2 海洋环境下普通混凝土的性能及各组分要求

（2）混凝土表面涂层

在混凝土结构表面施加涂层，是一种比较简单、经济和有效的辅助性保护措施。混凝土表面实施涂装保护，可阻止或减缓环境介质中氯离子的侵入，增加结构的耐久性，同时也能起到装饰效果。

混凝土表面涂层可以分为隔离型和侵入型两种。隔离型涂料具有低粘度和高渗透能力，能渗透到混凝土内起到封闭孔隙，将混凝土和侵蚀型介质隔离开。侵入型涂料不能在混凝土表面成膜，不会形成隔离层，也不能充满混凝土毛细孔隙，但是它能显著降低混凝土的吸水性。

4 钢筋锈蚀的防护措施

（1）保护层厚度

保护层是防止钢筋锈蚀的第一道屏障，必须有足够的厚度。保护层厚度对钢筋锈蚀的影响呈线性关系，混凝土保护层厚度增加，则氯离子渗入混凝土到达钢筋的时间就会增加。这是延迟混凝土内部钢筋开始锈蚀很有效的一种方法。但是，保护层厚度过大会导致混凝土容易开裂，且造成经济上的浪费。设计时应根据桥梁不同部位的环境作用情况恰当选取保护层厚度。

（2）钢筋阻锈剂

在混凝土中加入阻锈剂可有效减缓钢筋锈蚀，提高混凝土的耐久性。

钢筋阻锈剂通过影响钢筋和电介质之间的电化学反应，可以有效地阻止钢筋腐蚀发生。即使钝化膜遭到破坏，只要环境适宜，由于阻锈剂的存在，钢筋表面的钝化膜可以自行再生，自动维持。从而达到延缓钢筋锈蚀的作用。

目前使用较多的是内掺型阻锈迹，在拌制混凝土时掺加进去，适合在新建工程中使用。

渗透型阻锈剂直接喷涂于混凝土外表面即可。它通过渗透作用进入混凝土中，吸附于钢筋表面形成保护层，对钢筋阴阳两极同时进行保护。渗透型阻锈剂在对已建工程的修复上能够发挥巨大的作用。

（3）使用环氧涂层钢筋

环氧涂层钢筋的表面涂层可以将钢筋与周围的混凝土隔开，保护钢筋不受侵蚀。由于环氧树脂涂层具有极佳的化学抗腐蚀性能，不与酸、碱等产生反应，形成后的涂层呈绝对惰性，能够阻隔钢筋与外界环境接触。即使氯离子等已经大量侵入混凝土，它还是可以在相当长的时间内保护钢筋不被锈蚀。

使用环氧涂层钢筋会造成钢筋与混凝土之间的粘结性能有所降低。可以通过采用直径较小的钢筋、增加混凝土的保护层厚度、适当延长锚固和绑扎长度、提高混凝土强度等措施予以解决。