泉州湾跨海大桥海工混凝土耐久性解决方案
2016-01-14颜明煌,周清长,刘以庆
泉州湾跨海大桥海工混凝土耐久性解决方案
颜明煌，周清长，刘以庆
(泉州湾跨海大桥有限责任公司,泉州 362100)
摘要：分析了泉州湾跨海大桥混凝土结构所处的腐蚀环境特点，提出了桥梁海工混凝土耐久性解决方案。研究表明，采用低渗透高抗裂海工混凝土，提出合理的混凝土保护层最小厚度、裂缝宽度允许值，同时根据不同混凝土结构采取必要的附加防腐蚀措施，加强施工过程中混凝土质量、保护层厚度以及裂缝控制等系列措施确保桥梁混凝土的耐久性。
关键词：泉州湾跨海大桥；海工混凝土；耐久性设计；耐久性措施
doi:10.3963/j.issn.1674-6066.2015.04.005
Abstract:This paper analyzed the environmental corrosion characteristics of Quanzhou Bay Bridge concrete structure and proposed solutions of the durability of bridge marine concrete. Results show that using low permeability and highly crack-resistant marine concrete, presenting proper minimum thickness of concrete cover and allowable crack width and adopting necessary additional corrosion protecting measures can improve the durability of concrete effectively. Meanwhile, strengthening the regulatory measures of the quality of concrete,thickness of concrete cover and crack prevention can ensure the durability of bridge concrete.
收稿日期：2015-06-10.
作者简介：颜明煌(1981-)，高级工程师.E-mail:10662420@qq.com
Research of Durability Design and Life Prediction for
the Quanzhou Bay Bridge Marine Concrete Structure
YANMing-huang，ZHOUQing-chang，LIUYi-qing
(Quanzhou Bay Bridge Co,Ltd,Quanzhou 362100,China)
Key words:Quanzhou Bay Bridge;marine concrete;durability design;durability measure
随着多座跨海大桥的修建，我国在海洋环境下桥梁混凝土的耐久性方面积累了一定的经验，形成了相应的技术体系[1-3]。但海洋环境下混凝土耐久性十分复杂、耐久性影响因素众多，同时，随着海水腐蚀介质浓度、潮位变化、气温等的不同，影响程度差异较大。因此，针对特定海洋环境下混凝土的耐久性解决方案需专门开展研究。
泉州湾跨海大桥工程路线全长26.676 km，其中跨海桥梁部分约12.455 km，工程结构材料主要采用钢筋混凝土，设计使用寿命为100年。跨海桥梁位于海洋环境，具有以下几个方面的特点：1)盐浓度高。海水中Cl-含量最高达23.60 g/L；2)气温高。建设地属亚热带海洋性季风气候，气温高，腐蚀介质渗透速率快；3)海水流速大。
针对以上特点，研究依托泉州湾跨海大桥工程开展混凝土耐久性设计。根据水文地质和腐蚀介质浓度资料划分腐蚀环境及作用等级，从混凝土材料、混凝土保护层最小厚度选取、裂缝宽度允许值、附加防腐蚀措施以及施工控制要求等环节提出详细方案，确保桥梁混凝土结构耐久性设计使用年限要求。
1工程腐蚀环境分析
泉州湾跨海大桥桥址区海水水质分析结果如表1所示。由表可知，混凝土结构可能发生的劣化因素包括：氯盐引起混凝土内部钢筋的锈蚀、海水中盐类对混凝土的化学腐蚀、碳化引起混凝土内部钢筋的锈蚀三个方面，其中氯盐引起的钢筋锈蚀为耐久性的主要影响因素。
表1 海水水质分析测试结果 [4]
2耐久性设计
2.1 耐久性设计总体思路
该耐久性方案以耐久性基本措施与附加防腐蚀措施相结合。耐久性基本采用低渗透高抗裂海工混凝土，充分发挥海工混凝土自身的防腐性能；附加防腐蚀措施在菲克模型计算的基础上，根据腐蚀环境特点、各类附加防腐措施的适用范围，有针对性的进行组合使用。
2.2 环境作用等级划分
桥梁混凝土结构为无掩护条件的海水环境，根据水文资料与地质勘察数据，采用《海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范》将环境划分为大气区、浪溅区、水位变动区及水下区，见表2。同时，依据《公路工程混凝土结构防腐蚀技术规范》进行环境作用等级划分，见表3。
表2 环境分区结果
表3 环境作用等级划分
2.3 构造设计和裂缝控制
根据不同结构所处的环境作用等级，参考《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》和《公路工程混凝土结构防腐蚀技术规范》的要求，提出了混凝土最小保护层厚度(表4)和混凝土表面裂缝表面裂缝宽度允许值(表5)，当同一构件处于不同环境作用等级时，相关要求按照最严重的环境作用等级考虑；混凝土最小保护层厚度设计时桩基、承台和索塔结构适当增大了保护层厚度；混凝土表面裂缝宽度允许值基于混凝土耐久性要求选取，关于结构设计对裂缝宽度的限值应满足设计文件和现行结构设计规范的要求。
表4 混凝土保护层厚度控制指标
注：钢筋净保护层最小保护层厚度为外侧钢筋(包括主筋、箍筋和分布筋)外边缘至混凝土表面的距离，不包括施工允差。
表5 混凝土表面裂缝宽度允许值
2.4 混凝土技术性能要求
混凝土强度等级及抗渗性能要求见表6。混凝土强度等级参考《公路工程混凝土结构防腐蚀技术规范》和类似的跨海桥梁工程选取。承台和墩结构在混凝土抗渗透性能满足要求的情况，考虑裂缝控制的要求，适当降低了混凝土强度等级。混凝土氯离子扩散系数根据类似的跨海桥梁工程选取，测试方法选用了《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中更为严格的RCM方法，有利于抗渗性能的控制。
表6 混凝土强度等级及抗渗性能要求
3附加防腐蚀措施
根据类似工程经验表明，低渗透高抗裂混凝土可成为海洋环境下混凝土耐久性的重要防线，但腐蚀环境作用等级严酷的结构还需采取必要的附加防腐蚀措施才能确保混凝土耐久性[5,6]。附加防腐蚀措施在菲克模型验算的基础上，选用了不锈钢钢筋防裂网片、涂覆硅烷、钢筋阻锈剂、外加电流阴极保护和透水模板布等措施。具体附加防腐蚀方案见表7。
表7 泉州湾跨海大桥混凝土结构附加防腐蚀措施
注：涂覆硅烷设计使用年限为15年，外加电流阴极保护设计使用年限为50年。
4施工技术要求
为实现耐久性的要求，从混凝土原材料、配制要求、保护层厚度控制和裂缝控制制定了详细的规定。
4.1 混凝土原材料要求
1)水泥：选用Ⅱ型硅酸盐水泥，比表面积为300~350 m2/kg，C3A含量为6%~10%，碱含量低于0.6%，使用时温度低于60 ℃。
2)粉煤灰：选用Ⅰ级或Ⅱ级低钙粉煤灰，需水量比小于100%。
3)矿粉：比表面积为400~450 m2/kg，28 d活性指数大于95%，考虑早期水化放热的影响适当降低了7 d活性指数要求。
4)粗集料：选用两级配碎石，含泥量小于0.8%(C50及以上小于0.5%)，针片状小于10%(C50及以上小于7%)，压碎值小于20%。
5)细集料：选用Ⅱ级配区中砂，细度模数控制在2.6~2.9，含泥量应低于2.0%，泥块含量应低于0.5%，水溶性氯化物含量低于0.02%。
6)减水剂：选用聚羧酸类高性能减水剂，减水率应不低于25%，混凝土1 h坍落度损失小于初始值的10%，泌水率比不大于60%，28 d收缩率比不大于100%。
4.2 混凝土配制要求
1)应控制混凝土的单方用水量、最大水胶比和胶凝材料用量，混凝土用水量应小于160 kg/m3，水胶比范围宜在0.30～0.38。
2)采用大掺量矿物掺合料配制海工混凝土是常用的技术手段，可提高混凝土的密实性，降低开裂敏感性。矿物掺合料复合掺入比例应根据桥梁不同结构部位合理选取。一般开裂性能要求较高的结构部位可增大粉煤灰掺量，对抗氯离子渗透性能要求较高的可适当增大磨细矿粉掺量。
3)限制大体积混凝土强度发展要求。大体积混凝土24 h抗压强度不大于12 MPa，对抗裂要求较高的结构(如浪溅区承台)，宜分别不高于10 MPa；对于有预应力张拉要求的结构，此要求可适当放宽。
4.3 保护层厚度控制
混凝土保护层作为阻止有害物质侵入的有效屏障，其质量的优劣直接影响对钢筋的保护作用，是保证结构使用寿命的关键，保护层厚度控制措施如下：
1)使用统一预制的水泥基保护层定位块，其中桩基为轮型，其他结构为梅花型。垫块强度、抗渗透性能不劣于结构混凝土，外观颜色与结构混凝土相同，数量不小于4个/m2；
2)混凝土浇筑前认真检查保护层定位块的数量、位置及其紧固程度，并指定专人作重复性检查以提高保护层厚度尺寸的施工质量保证率；
3)保证模板的强度、刚度及安装精度，防止混凝土浇筑过程中的变形。
4.4 裂缝控制措施
1)承台、塔座等大体积混凝土采用56 d强度评定；
2)大体积混凝土施工时，应根据现场工况进行混凝土温度、应力计算，制定相应的温控标准和温控措施。混凝土夏季最高浇筑温度不得超过30 ℃，混凝土内部最高温度不得超过75 ℃；
3)加强浇筑温度控制。夏季使用低温水拌和混凝土，如使用制冷水或在水中加碎冰等措施；
4)采用通循环冷却水降低混凝土内部最高温度；
5)加强拆模后混凝土的保温保湿养护；拆模时混凝土内表温差应小于20 ℃，且不能在新拆模混凝土表面浇凉水，以免造成冷击。
5实施效果
2015年5月，泉州湾大桥顺利建成通车。现场施工过程中，混凝土外观质量良好、未出现有害裂缝，保护层厚度合格率符合规范要求，现场留样混凝土抗压强度及氯离子扩散系数(表8)均满足要求，且氯离子扩散系数远低于设计值，表明混凝土抗渗性能良好。
表8 现场留样混凝土试件氯离子扩散系数
6结语
根据跨海大桥混凝土耐久性影响关键因素，提出了依靠海工混凝土自身防腐性能，针对水位变动区和浪溅区腐蚀环境严酷的结构部位，采用不锈钢钢筋网片、涂覆硅烷、外加电流阴极保护和透水模板布等附加防腐蚀措施；同时从混凝土原材料、配合比、保护层厚度、裂缝控制等各方面提出具体施工技术方案，确保了桥梁海工混凝土的耐久性。
参考文献
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