论文题目：跨海桥梁混凝土耐久性分析

学院：土木建筑工程学院

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摘要

关键词

正文

1.跨海大桥混凝土结构耐久性设计背景

1.1 跨海大桥附近海域气象环境

1.2 跨海大桥面临的耐久性问题

1.3影响跨海大桥混凝土结构耐久性因素的分析

2.提高海洋工程中混凝土耐久性的技术措施与方案设计

   2.1  技术措施

   2.2  方案设计

3.杭州湾大桥混凝土结构耐久性分析与说明

3.1 杭州湾大桥相关信息

   3.2 杭州湾大桥耐久性分析与总体方案

   3.3 杭州湾大桥耐久性措施的具体说明

4.结论

参考文献

【摘要】伴随着经济的发展，跨海通道（桥梁、隧道）的建设日益增多。然而，由于跨海通道自身的特殊环境，建筑结构的耐久性面临新的挑战，研究跨海大桥混凝土结构耐久性策略变得极为迫切和需要。笔者先从耐久性的设计背景入手，分析影响耐久性的因素。然后分析提高混凝土耐久性的技术措施与方案设计。最后，笔者将以杭州湾大桥为例，具体分析其混凝土结构耐久性方案。

【关键词】 混凝土结构 跨海桥梁 耐久性 技术措施 

【正文】

1.跨海大桥混凝土结构耐久性设计背景

1.1跨海大桥附近海域气象环境

海域气象环境，对于跨海大桥的设计、施工及维护均起着重要影响。统计资料来看，我国跨海大桥目前有24座。其中，港澳地区7座，地区10座。地区这10做跨海大桥中，东南沿海地区8座，北部海域2座。由此可见，这些跨海大桥大多分布在东南沿海，处于北亚热带南缘、东北季风盛行区，受季风影响较大，年平均气温及海水水温较高，常伴有海雾天气的出现。海洋环境特征明显。

1.2跨海大桥面临的耐久性问题

在海洋环境下结构混凝土的腐蚀荷载主要由气候和环境介质侵蚀引起。主要表现形式有钢筋锈蚀、冻融循环、盐类侵蚀、溶蚀、碱-集料反应和冲击磨损等。

我国多数跨海大桥位于亚热带地区，严重的冻融破坏以及海面浮冰的冲击磨损可以先不予以考虑。对于镁盐、硫酸盐等盐类侵蚀和碱骨料反应破坏，可以通过控制混凝土组分来避免。那么，钢筋锈蚀破坏就成为最主要的腐蚀荷载。

海洋环境下，混凝土中钢筋锈蚀可由两种因素诱发：一是海水中氯离子的侵蚀，二是大气中的使混凝土中性化。笔者查阅了部分资料，通过国内外大量工程调查和科学研究结果表明，海洋环境下导致混凝土结构中钢筋锈蚀破坏的主要因素是进入混凝土中，并在钢筋表面聚集，促使钢筋产生电化学腐蚀。资料亦表明，在跨海大桥周边的港口设施中，海洋环境下混凝土的碳化速度远远低于氯离子的渗透速度，中等质量的混凝土自然碳化速度平均为3㎜/年。

1.3影响跨海大桥混凝土结构耐久性的主要因素

资料表明，我国沿海海水中各种盐类的总含量，即盐度为20‰—35‰。其中，约占总盐量的78%，其余是等，约占22%。这些盐分随着海水、海风、海雾缓慢侵入桥墩、乔塔以及桥面，对桥梁的结构造成腐蚀。

总的来说，海洋环境下，影响混凝土的结构耐久性因素主要有：盐类侵蚀、碱集料反应以及海洋环境情况。

（1）盐类侵蚀

氯盐(Cl-)最主要的破坏作用是对被混凝土包裹的钢筋进行腐蚀。氯离子与钢筋直接发生电化学反应，像催化剂一样促使钢筋的钝化膜破坏，使钢筋产生锈蚀。

除氯盐外，海洋环境中还有一定的硫酸盐和镁盐。其中，以硫酸镁的侵蚀最为强烈。和均作为侵蚀源，构成严重的复合侵蚀——硫酸盐侵蚀和镁盐侵蚀。通过反应生成石膏，导致固相体积增大，产生很大的内应力，引起混凝土的膨胀开裂；同时，反应生成大量的，引起水化产物的分解，造成混凝土强度和粘结性的损失，生成钙矾石，而钙矾石的生成过程中又结合了大量的水，使得固相体积继续增大，引起混凝土的膨胀、开裂，甚至解体。

（2）碱集料反应

碱活性集料、碱含量和水分的存在，是混凝土发生碱集料反应（AAR）的充分必要条件。海洋潮湿的环境使桥梁内期保持着较高的湿度。同时，渗入的海水可提供碱集料反应所需的。研究表明，当混凝土内多孔溶液中的浓度超过时，若发生碱集料反应，周围溶液中的起着催化作用。那么，当混凝土中的碱含量(OH-)较高时，海水中的可能发挥着类似的催化作用。因此，处于海洋环境中的桥梁混凝土具有较大的碱集料反应风险。碱集料反应生成的碱—硅酸盐凝胶吸水膨胀，体积增大，引起混凝土局部过度膨胀，从而诱发裂缝并加速侵蚀破坏。

（3）海洋环境情况

研究表明，温度每升高10℃，侵蚀反应速度增加1倍。与此同时，高温可以大大缩短钢筋脱离钝化膜的时间，这便加速了侵蚀破坏的进程。比如，在厦门、杭州、青岛等沿海地区，由于夏季气温常年偏高，海水水温也较高，有助于侵蚀反应的发生。

同时，在多孔的混凝土中，当混凝土空隙中的水分蒸发，导致水溶液浓度大于饱和浓度时，水中的盐分便会产生结晶，相应的结晶压力可以使混凝土开裂、剥落。可以想到，在潮汐作用下，桥墩部分处于干湿交替的状态，常常发生连续结晶—溶解循环过程，使混凝土表层发生剥落。

上述因素相互关联、相互影响，它们共同造成了跨海桥梁混凝土结构的破坏。例如，存在细微裂缝的混凝土常常因孔隙中盐的结晶作用及盐离子与混凝土组分发生化学反应而膨胀开裂，这又加剧了海水的侵入，加强了海水与混凝土组分之间的反应，造成混凝土的孔隙率增大，引起混凝土强度与刚度的损失。于此同时，海水侵入缩短了氯离子到达钢筋表面的时间，促进了钢筋锈蚀，这又加剧了混凝土的开裂破坏。

2. 提高海洋工程中混凝土耐久性的技术措施与方案设计

2.1技术措施

在国内外相关成果及工程实践调研中显示，目前较为成熟的提高海洋工程混凝土耐久性的技术措施有：选用高性能混凝土、提高混凝土保护层厚度、设置混凝土保护涂层、选用涂层钢筋、添加阻锈剂以及设置阴极保护等。

（1）选用高性能混凝土

技术途径是采用优质混凝土矿物掺合料和新型高效减水剂复合，配以相应的水泥和级配良好的粗细骨料，形成低水胶比，低缺陷，高密实，高耐久性的混凝土材料。

（2）提高混凝土保护层厚度

 这是提高海洋工程混凝土使用寿命最为直接，并且简单、经济有效的方法。需要注意的是，保护层的厚度不能不受地任意增加。当保护层厚度过厚时，由于混凝土材料本身的脆性和收缩，会导致混凝土保护层出现裂缝反而削弱其对钢筋的保护作用。

（3）设置混凝土保护涂层

 完好的混凝土保护涂层具有阻绝腐蚀性介质与混凝土接触的特点，从而延长混凝土的使用寿命。然而，涂层会在外界环境条件作用（如海水潮汐作用、氯离子渗透作用等）下逐渐老化，从而丧失了自身功效。混凝土保护涂层的寿命在5—10年左右，对于设计使用寿命在100年的跨海桥梁而言。只能作为辅助措施。

（4）选用涂层钢筋

在钢筋的表面采用致密材料涂覆，例如环氧涂层钢筋。涂层一般用环氧树脂粉末以静电喷涂方法制作，将普通钢筋表面进行除锈、打毛等处理后加热，再讲带电的环氧树脂粉末喷射到钢筋表面，吸附并与其融合，经过一定养护固化后便形成一层完整、连续、包裹住整个钢筋表面的环氧树脂薄膜保护层。

该方法不利的地方在于，环氧涂层钢筋使得混凝土结构的整体力学性能有所降低；施工过程中对环氧涂层钢筋的保护要求极其严格，加大了施工难度；此外，成本的明显增加也使其推广收到制约。

（5）添加阻锈剂

阻锈剂通过提高氯离子促使钢筋腐蚀的临界浓度来稳定钢筋表面的氧化物薄膜，从而延长钢筋混凝土的使用寿命。作为辅助措施较为适宜。

（6）阴极保护

这种方法是通过引入一个外加牺牲阳极或直流电源来抑制钢筋电化学腐蚀反应过程，从而延长海洋工程混凝土的使用寿命。根据金属腐蚀的电化学原理，金属在自然状态相爱，表面会形成阳极区和阴极区。阳极区放出自由电子，金属收到腐蚀；阴极区得到电子，金属受到保护。外加电流阴极防护的原理就是通过外加电流，把电源正极连接在难溶性辅助阳极上强制形成阳极区；把电源的负极连接在受保护的钢筋上，强制形成阴极区。阳极与被保护的钢筋均处于连续的电介质中，使被保护的钢筋接触电解质的全部表面都充分而且均匀地接受自由电子，从而受到阴极保护。

然而，由于阴极保护系统的制造、安装及维护费用过于昂贵，该方法的使用较少。在杭州湾跨海大桥的施工中用到了这种方法，笔者将在后文中进行探讨。

2.2方案设计

在上文中，笔者已经说明：改善混凝土结构耐久性的根本措施是从材料本身的性能出发，即提高混凝土材料自身的耐久性能，采用高性能混凝土。然后再找出影响耐久性的其余因素，一一对症施治。两种措施有机结合，从而有效提升混凝土的耐久性。

跨海大桥混凝土结构的耐久性设计遵循的基本方案是：首先，采用高性能混凝土。同时，依据混凝土构件所处结构部位及使用环境条件，采用必要的补充措施，如内掺钢筋阻锈剂、混凝土外保护涂层等。在保证施工质量和原材料品质的前提下，混凝土结构的耐久性将可以达到设计要求。

对于具体工程而言，耐久性方案的设计必须考虑当地的实际情况。如：原材料的可及性、工艺设备的可行性以及经济上的合理性。

3.杭州湾大桥混凝土结构耐久性分析与说明

笔者已经将跨海桥梁的结构耐久性影响因素以及技术措施在上文中作了阐述，下面，笔者将以杭州湾大桥为例，进行具体的说明与分析。

3.1杭州湾大桥相关信息简介

杭州湾大桥全长36公里，设计使用年限100年，主体结构除南、北航道桥为钢箱梁外，其余均为混凝土结构，全桥混凝土用量近250万m³。工程所处的杭州湾是世界三大强潮海湾之一，风浪大，潮差高，海流急。海水虽受长江、钱塘江等冲淡影响，但实测氯离子含量在5.54-15.91之间，为pH值大于8的弱碱性型咸水。受潮汐和地形影响，海潮流速较大，平均最大流速在以上。海水含砂量较大，实测含砂量为0.041-9.065.

3.2杭州湾大桥耐久性分析与总体方案

杭州湾地区在役混凝土结构腐蚀状况的调查结果显示，混凝土中性化、碱骨料反应、硫酸盐侵蚀、海洋生物及海流冲刷等并不是混凝土结构发生劣化的主要原因。杭州湾地区冬季月平均气温较高，基本不存在冻融循环破坏。影响杭州湾大桥工程混凝土结构耐久性的主导因素是氯离子的侵蚀。

针对混凝土结构破坏的成因不同，该工程制订了不同层次的混凝土结构耐久性措施。

（1）基本措施：通过氯离子扩散和设置合理的钢筋保护层，作为保证大桥钢筋混凝土结构100年设计使用年限的基本措施。采用的海洋工程耐久混凝土，主要以氯离子扩散系数为控制参数，在原材料的选择方面，主要考虑使混凝土具备高抗氯离子扩散能力、高抗裂性能、高工作性能。查阅相关资料，国外的大型海上工程，如：英吉利海峡隧道等，均采用了低水胶比的双掺高性能混凝土并设置适当的钢筋保护层厚度作为保证混凝土结构设计使用年限的基本措施。

（2）附加措施：根据不同的情况和环境采用混凝土结构表面防腐涂层、预应力筋保护、渗透性控制模板、局部使用环氧钢筋和阻锈剂等附加措施。在斜拉主桥墩承台、塔座和浪溅区的下塔柱进行了外加电流阴极保护技术的应用。

（3）监测措施：设置了预埋式耐久性监测系统，用于长期动态获取耐久性参数，从而制定耐久性预案。

（4）验证措施：建立耐久性暴露试验站，对上述措施进行验证和参数校核，为后续工程提供经验，并为国家规范的修订提供资料。

3.3杭州湾大桥耐久性措施的具体说明

（1）海洋工程耐久混凝土

针对工程不同结构部件、不同设计要求、不同腐蚀环境，制订了不同的配合比设计原则和质量要求。杭州湾大桥所使用的混凝土，其配置原则包括：选用低水化热和较低含碱量的水泥；选用高效减水剂，取用偏低的拌合水量；混凝土中胶凝材料的最低和最高用量，并尽可能降低胶凝材料中硅酸盐水泥用量；掺用粉煤灰、磨细矿渣等矿物掺合料。在潮差区和浪溅区侵蚀环境的混凝土构件加入了钢筋阻锈剂；通过适当引气来提高混凝土的耐久性；对混凝土拌合物中各种原材料引入的氯离子总量进行控制。

（2）合理的钢筋保护层

杭州湾大桥工程结合国外跨海工程实例，参考国内规范及现场环境情况，制订了不同部位混凝土的保护层厚度。

钻孔桩由于在水下及海底中土区分布，其保护层厚度为75㎜；承台位于海上的水位变动区，其保护层厚度达到了90㎜；桥墩分布在浪溅区及大气区，保护层厚度为60㎜；箱梁分布在大气区，受腐蚀影响较小，其保护层厚度为40㎜。

在施工中，通过严格控制钢筋下料尺寸和绑扎质量、定制和合理分布保护层的定位架、加强保护层厚度无损检查等手段，保证钢筋保护层厚度达到相应的设计要求。

（3）环氧涂层钢筋

鉴于环氧涂层钢筋的优点，杭州湾跨海大桥在腐蚀最为严重的浪溅区桥墩中采用了环氧涂层钢筋，其原材料、加工工艺、质量检验和验收标准按JG3042—1997《环氧树脂涂层钢筋》的要求进行。

（4）钢筋阻锈剂

与海洋工程耐久混凝土相配合，钢筋阻锈剂能大幅度提高对钢筋的防护能力。在该工程潮差区的承台和浪溅区的墩身部位使用了掺入型阻锈剂，作为保证混凝土结构耐久性的补充措施。选用的阻锈剂均按JTJ270—98《水运工程沪宁图试验规程》进行了试验，其合理掺量也通过试验进行了确定，并测试了与其他外加剂的相容性。

（5）混凝土表面涂层

涂覆型涂层防腐蚀措施是针对海洋环境混凝土结构的表面防护技术之一。该措施的特点是隔绝氯离子、酸性气体等有害介质在混凝土内的渗透和扩散。

在杭州湾大桥工程中，海中承台以上混凝土结构均采用封闭型2涂装体系进行表面涂装，涂层设计使用年限为20年。承台为表湿区，采用具有湿固化和快固结性能的涂料。梁部结构和墩身表面为表干区，采用耐候性、保光和保色性能良好的涂料。

表干区混凝土涂层中，底层用喷涂的方式涂以环氧树脂封闭漆；中间层用刮涂的方式涂以环氧腻子，或者用喷涂的方式涂以环氧树脂漆，涂层厚度为260μm；表面层则用喷涂的方式涂以氟碳漆，涂层厚度为90μm。所有涂层的总厚度为350μm。

（6）外加电流阴极保护

在南、北航道主桥墩承台、塔座及下塔柱处于潮差区和浪溅区，采用了外加电流阴极防护系统。防护系统采用欧洲标准EN1296—2000《混凝土结构中钢筋的阴极保护》进行设计，包括：钛网、参比电极、连接装置、供电装置、计算机控制、遥控监控管理系统等。

外加电流阴极防护系统的设计要点包括：阳极材料在正常运行的电流密度条件下，保证最少100年的使用年限，从而保证结构钢筋始终处于阴极状态而不发生锈蚀；充分考虑腐蚀环境的不同，针对不同区域进行相应的设计，采用全自动监控系统自动调节电量，以确保100%的电流分布与传递，并避免过度保护现象；采用合适的参比电极，使防护系统能够自动调节和长期监测。

4.结论

（1）影响海洋环境下混凝土结构耐久性最主要的因素是氯离子渗透引发的钢筋腐蚀。提高耐久性的最根本途径是提高混凝土本身抗氯离子渗透的能力和设置合理的钢筋保护层厚度。这也是最经济、可靠，并且有效的耐久性措施。

（2）在基本措施不能完全保证结构使用寿命的部位，采取必要的附加保护措施，在尽量降低工程造价的前提下，满足结构使用寿命的要求。对腐蚀条件恶劣和结构构造存在隐患的部位施加特殊的耐久性补充措施是提高混凝土结构耐久性的有效途径。

（3）混凝土表面涂层防护具有阻隔腐蚀介质接触的特点，可延长结构的寿命，但在环境作用下逐渐劣化失效。外加电流阴极防护从原理上可对混凝土结构进行长期保护，但造价成本过高。

（4）采用矿渣、粉煤灰等外掺料可以配置出满足高耐久性的海洋工程混凝土，使之具备优良的搞氯离子侵蚀能力。

（5）建立耐久性监测和评估系统，一方面通过动态监测可以对混凝土结构进行实时维护；另一方面，可以为相关标准规范的制定提供参考资料。

（6）在目前高速发展的经济下，跨海通道起着连接一块陆地与另一块陆地之间的媒介作用。在我国，不同海洋区域所处的地理环境不同。如北部的渤海湾，其跨海通道的修建就要充分考虑冻融循环破坏所造成的影响；而在东南沿海地区，则不用考虑这种破坏影响。对于产生冻融循环破坏的地区，跨海通道混凝土结构的耐久性研究是十分有必要的。在未来，会是主要的研究方向。

总之，对于跨海通道混凝土结构耐久性的研究，具有重要的意义与价值。

【参考文献】

[1] 陈月松，杭州湾跨海大桥混凝土结构耐久性研究与检测分析

[2] 张宝胜、干伟忠、陈涛，杭州湾跨海大桥混凝土结构耐久性解决方案

[3] 卢胜坤，耐久性混凝土在跨海大桥中的应用

[4] 胡红梅、宋明辉、姚志雄、林春，跨海桥梁混凝土结构耐久性的质量控制

[5] 陈旭庆、杨军、黄晓明，有关钢筋混凝土结构耐久性问题的讨论下载本文