混凝土结构耐久性关键技术——腐蚀环境调研及结构耐久性评估

2016-04-28李彦兵代希华

四川建筑 2016年1期

关键词：混凝土结构耐久性评估

鲜　荣，李彦兵，代希华

(广东省公路建设有限公司，广东广州 511447)

混凝土结构耐久性关键技术
——腐蚀环境调研及结构耐久性评估

鲜荣，李彦兵，代希华

(广东省公路建设有限公司，广东广州 511447)

【摘要】虎门二桥设置了两座超大跨度悬索桥，工程地处珠江入海口近海环境中,受淤泥、咸淡水、亚热带海洋气候、车辆废气、外部荷载等综合作用下，混凝土结构容易加速劣化，如何保证100年的设计使用寿命，成为急需解决的关键技术难题之一。通过对工程区域的自然环境进行调研，获取包括气温、降雨、风、潮汐等在内的气象水文地质资料,测试该水域水体中等腐蚀介质含量及pH值，监测类似工程环境中CO2浓度。同时在对类似环境的虎门大桥的墩柱、索塔等混凝土构件耐久性调查工作的基础上，开展腐蚀环境调研及耐久性评估，为虎门二桥混凝土耐久性设计、配合比、模板、施工工艺研究提供依据。

【关键词】虎门二桥；混凝土结构；腐蚀环境；耐久性；评估

1工程概况

虎门二桥设置两座超千米级大跨度悬索桥，引桥为30～62.5 m预应力混凝土桥(图1),设计寿命为100年。主塔承台(图2、图3)、边跨水中墩的浪溅区，受咸淡水作用已发生混凝土结构腐蚀。

图1　项目概况

图2　主塔基础1

图3　主塔基础2

本工程地处珠江入海口，水系发达，河网密布，径流量变幅大，淤积严重,淤泥中含有多种腐蚀介质。大沙、坭洲水道又均为潮汐水道，受径流作用和潮汐作用的共同影响，随海水潮位高低的不同，水体内氯盐含量发生较大幅度的变化，该水域属中等强度腐蚀性咸淡水交接近海环境。与此同时，作为过江通道工程，日益增长的车流量和重载、超载车辆的通行，在增大环境中二氧化碳浓度的同时，也给桥梁结构带来繁重的外部荷载。加上华南亚热带海洋性季风气候终年温暖湿润、雨量充沛，高温、高湿的气象环境易加速混凝土的劣化。如何保证工程达到100 年的设计使用寿命，成为急需解决的关键技术难题之一。

工程所处珠江入海口可能存在以下几种腐蚀情况：(1)咸淡水交接环境中的氯盐腐蚀；(2)交通车辆尾气引起的混凝土结构碳化；(3)水域潜在的硫酸盐等化学侵蚀；(4)高温、高湿的气象环境及超载车辆引起的耐久性加速劣化等。这些因素都有可能影响工程结构寿命，但影响程度有所不同，因此需根据构件类型及所处环境中的腐蚀介质成分及含量进行详细评估。

2腐蚀环境调研及结构耐久性评估

2.1腐蚀环境调研

与混凝土耐久性相关的环境条件包括工程区域内的气象、水文、地质及水质条件。气象条件主要包括大气环境的温度、湿度、风；水文条件主要包括水体成分、潮汐；地质条件包括地层分布、土质岩层条件等；水质条件包括氯离子、硫酸盐、pH 值等。

2.1.1水质调研

工程地处珠江入海口近海水域，地表水质受潮汐影响严重，具有咸淡水交接的特点，腐蚀介质含量随广州港潮位的不同而改变，以下分别对丰水季节和枯水季节的水质进行分析，指标变化范围如表1所示。

表1　水质分析

根据GB/T 50476-2008《混凝土结构耐久性设计规范》[1]，水中氯离子浓度高低划分为： 100～500 mg/L较低； 500～5000 mg/L较高； >5000 mg/L高。地表水中腐蚀介质的平均含量低于海水，变化范围介于175.1～841.2 mg/L，水中氯离子浓度属于规范中“较低”至“较高”级别。

2.1.2二氧化碳浓度监测

大桥上通行的车辆排出的尾气会提高桥梁周围局部的CO2浓度，导致混凝土碳化速度加快[2]。由于虎门大桥与本工程地理位置较近，环境及交通量具有一定可比性，因此认为虎门大桥与本工程环境中CO2浓度变化规律一致(图4、图5)。

由图5可知，对于桥面区而言，白天CO2浓度由449 mL/m3上升到598 mL/m3，夜晚逐渐回落至清晨水平。假设该曲线为抛物线，可推断该区域24 h 内CO2浓度均值为547 mL/m3。水面区CO2浓度基本不随时间及位置而改变，基本维持在575 mL/m3左右，比大气中的平均浓度高40%左右。

2.1.3工程区域酸雨调研

图4　虎门大桥空气温度及CO2浓度进行监测过程

(a)桥面　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(b)水面图5　空气CO2浓度监测

有关数据表明：广东省城市降水pH 均值范围在4.47(广州)～6.37(河源)之间，广州、深圳、佛山、江门、茂名、肇庆、惠州、东莞和中山等9 个城市属于重酸雨区。其中，广州2012年的酸雨pH 值为4.47，是全省“最酸”，酸雨频率为77.8%。

2.2类似工程混凝土结构耐久性调研

1997年5月1日建成通车的虎门大桥，桥梁结构及服役环境与本工程相似。2000 年已对其进行耐久性检测，在此基础上于2010 年重新开展虎门大桥实体混凝土结构耐久性检测与评估，两次调查数据的比较对研究此环境下的混凝土耐久性自然劣化规律具有较好的指导意义。

2.2.1大桥所属环境及相关技术指标

工程所处的环境与虎门大桥非常相似，均属典型的亚热带气候，气象及水文资料十分类似，但由于虎门大桥离珠江口更近，氯离子含量高达4 650 mg/L，较工程所在地175.1～841.2 mg/L 高。

2.2.2桥梁外观对比

(a)索塔　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(b)承台图6　虎门大桥外观

2000 年调查结果显示西引桥22#～37#墩柱中80%箍筋锈蚀外露，混凝土开裂、剥落，有的墩柱在一定高度范围内连续数根箍筋均出现顺筋裂纹，混凝土外观密实性较差，局部地方有砂斑、砂线，甚至骨料外露，用铁锤敲击开裂处的混凝土，箍筋表面均已锈蚀。而对于包括墩柱、索塔、锚体、T 梁、箱梁等在内的其它构件进行目测观察，除发现个别墩柱局部有钢筋锈蚀，混凝土开裂剥落外，其余构件外观良好，未发现钢筋锈蚀。2010 年调研结果显示，虎门大桥的索塔、承台等主要混凝土构件均采用不同的涂层防腐措施，混凝土无剥离露筋等缺陷，外观良好(图6)。由此可知涂层能够有效阻止外界有害物质的入侵，对延长结构使用寿命具有积极作用。

2.2.3混凝土保护层厚度测定

由表2数据显示，两次检测结果具有明差异，2010 年检测的索塔及锚体混凝土保护层厚度特征值均大于2000 年检测结果。这可能有两个原因：(1)不同构件保护层厚度的施工偏差较大；(2)使用3 年时虎门大桥混凝土出现劣化破损，在此期间对桥梁的重要构件进行维修加固，并外涂防腐涂层，因此保护层厚度有所增大。

表2　混凝土保护层厚度检测结果统计　mm

2.2.4混凝土碳化深度及回弹强度测试

依据相关规范，选取一定数量的测区进行碳化深度测量，同时采用回弹法对构件混凝土强度进行检测，根据回弹值、碳化深度与混凝土强度之间的换算关系得到测区混凝土强度值(表3)。两次检测数据的可比性较差，主要原因是2000 年检测后，对桥梁的重要构件进行维修加固，并进行了涂层防腐。

2.2.5混凝土氯离子渗透扩散情况检测

在混凝土构件不同区域钻芯取样，进行氯离子含量滴定，用以表征混凝土构件氯离子渗透情况(表4)。

由表4可知，2000 年检测的西引桥墩柱各层粉样中的氯离子浓度均较小，即使是表面0～20 mm 范围内的氯离子浓度也未超过临界浓度0.10%。而在2010年虎门大桥受检的混凝土构件中，锚体、索塔和墩柱的各层粉样中，氯离子浓度均远小于临界浓度0.10%，承台41～50 mm 层粉样中的氯离子浓度也小于临界浓度0.05%。因此这两次检测结果结合钢筋电位腐蚀数据可以说明，采用防腐涂层保护的构件，受氯离子侵蚀而导致钢筋锈蚀较小。

表3　虎门大桥混凝土构件回弹强度及碳化深度统计

2.3基于环境作用的工程耐久性评估

虎门大桥周围空气中CO2比大气中平均浓度高很多，且CO2浓度随着时间的推移不断增大，混凝土碳化是一个越来越严峻的问题。虎门大桥处于咸淡水交替环境，氯离子侵蚀也是影响结构耐久性的主要因素。因此，混凝土结构耐久性劣化的主导因素是碳化与氯离子侵蚀的交互式作用。由上述分析可以推断处于相似环境下的工程混凝土结构的环境作用类别划分和腐蚀等级如表5所示。

按照GB/T 50476-2008《混凝土结构耐久性设计规范》，根据各构件所处环境、耐久性极限状态及设计使用年限，确定了构件的最大水胶比和最小保护层厚度，耐久性关键参数如表6所示。

3结论

(1)虎门大桥各构件混凝土保护层厚度实测均值小于设计规定值；在没有防腐涂层的保护下，虎门大桥部分混凝土构件仅使用3 年就在CO2与氯离子的相互作用下出现裂纹，甚至沿箍筋顺筋方向开裂，采用涂层防腐部位未发现钢筋腐蚀。虎门大桥耐久性关键参数及破坏形式的调研结果，可供工程的耐久性设计参考。