東海大橋海工混凝土

1、東海大橋耐久性海工混凝土的研制摘要：上海為了建設全國乃至世界的物流中心和開發(fā)海洋自然資源，海洋工程的發(fā)展十分 迅速。上海深水港的建設已為世人矚目，對上海經濟持續(xù)高速發(fā)展將起到十分重要的拉動作 用。作為上海深水港重要組成之一的東海大橋南起浙江崎嶇列島小洋山島的深水港區(qū)，北至 上海南匯蘆潮港的海港新城，跨越杭州灣北部海域，全長31公里，是我國較為罕見的大型 海洋工程【1】關鍵詞：橋梁混凝土耐久性一、前言由于東海大橋是連接港區(qū)和大陸的集裝箱物流輸送動脈，對上海深水港的正 常運轉起到不可或缺的支撐保障作用，因此在國內首次采用100年設計基準期， 可謂世紀工程。為保證東海大橋混凝土結構的耐久性，工程采取

2、了以高性能混凝 土技術為核心的綜合耐久性技術方案。然而我國目前大型海洋工程超長壽命服役 的相關技術規(guī)范，高性能混凝土的設計、生產、施工技術在工程中的應用方面尚 為空白，因此結合東海大橋工程的具體需要，研究跨海大橋混凝土結構耐久性策 略和高性能混凝土的應用技術極為迫切和重要。二、東海大橋混凝土結構布置和耐久性設計背景1、東海大橋混凝土結構布置東海大橋跨海段通航孔部分預應力連續(xù)梁、橋塔、墩柱和承臺均采用現澆混 凝土；非通航孔部分以預制混凝土構件為主，其中50701n的預應力混凝土箱梁 是重量超過1000噸的巨型構件；陸上段梁、柱和承臺亦采用現澆混凝土?；炷?土的設計強度根據不同部位在C30C60之

3、間。2、東海大橋附近海域氣象環(huán)境東海大橋地處北亞熱帶南緣、東北季風盛行區(qū)，受季風影響冬冷夏熱，四季 分明，降水充沛，氣候變化復雜，多年平均氣溫為15.8T,海區(qū)全年鹽度一般 在10. 0032. 00%。之間變化，屬強混合型海區(qū)，海洋環(huán)境特征明顯。3、東海大橋面臨的耐久性問題在海洋環(huán)境下結構混凝土的腐蝕荷載主要由氣候和環(huán)境介質侵蝕引起。主要 表現形式有鋼筋銹蝕、凍融循環(huán)、鹽類侵蝕、溶蝕、堿-集料反應和沖擊磨損等匕 5. 7. 8. 10東海大橋位于典型的亞熱帶地區(qū)，嚴重的凍融破環(huán)和浮冰的沖擊磨損可不予 考慮；鎂鹽、硫酸鹽等鹽類侵蝕和堿骨料反應破壞則可以通過控制混凝土組分來 避免；這樣鋼筋銹蝕破

4、環(huán)就成為最主要的腐蝕荷載“，混凝土中鋼筋銹蝕可由兩種因素誘發(fā)，一是海水中CL侵蝕，二是大氣中的 CO?使混凝土中性化。國內外大量工程調查和科學研究結果表明，海洋環(huán)境下導 致混凝土結構中鋼筋銹蝕破壞的主要因素是C1進入混凝土中，并在鋼筋表面集 聚，促使鋼筋產生電化學腐蝕。在東海大橋周邊沿海碼頭調查中亦證實，海 洋環(huán)境中混凝土的碳化速度遠遠低于cr滲透速度，中等質量的混凝土自然碳化 速度平均為3mm/10年。因此，影響東海大橋結構混凝土耐久性的首要因素是混 凝土的cr滲透速度。三、提高海工混凝土耐久性的技術措施國內外相關科研成果和長期工程實踐調研顯示，當前較為成熟的提高海洋鋼 筋混凝土工程耐久性的

5、主要技術措施有匕34 7,：(1)高性能海工混凝土其技術途徑是采用優(yōu)質混凝土礦物摻和料和新型高效減水劑復合，配以與之 相適應的水泥和級配良好的粗細骨料，形成低水膠比，低缺陷，高密實、高耐久 的混凝土材料。高性能海工混凝土較高的抗氯離子滲透性為特征，其優(yōu)異的耐久 性和性能價格比已受到國際上研究和工程界的認同。(2)提高混凝土保護層厚度這是提高海洋工程鋼筋混凝土使用壽命的最為直接、簡單而且經濟有效的方 法。但是保護層厚度并不能不受限制的任意增加。當保護層厚度過厚時，由于混 凝土材料本身的脆性和收縮會導致混凝土保護層出現裂縫反而削弱其對鋼筋的 保護作用。(3)混凝土保護涂層完好的混凝土保護涂層具有阻

6、絕腐蝕性介質與混凝土接觸的特點，從而延長 混凝土和鋼筋混凝土的使用壽命。然而大部分涂層本身會在環(huán)境的作用下老化， 逐漸喪失其功效，一般壽命在510年，只能作輔助措施。(4)涂層鋼筋鋼筋表面采用致密材料涂覆，如環(huán)氧涂層環(huán)氧涂層鋼筋在歐美也有一定的應 用，其應用效果評價不一。主要不利方面是，環(huán)氧涂層鋼筋與混凝土的握裹力降 低35%,使鋼筋混凝土結構的整體力學性能有所降低；施工過程中對環(huán)氧涂層 鋼筋的保護要求極其嚴格，加大了施工難度；另外成本的明顯增加也是其推廣應用受到制約。（5）阻銹劑阻銹劑通過提高氯離子促使鋼筋腐蝕的臨界濃度來穩(wěn)定鋼筋表面的氧化物 保護膜，從而延長鋼筋混凝土的使用壽命。但由于其有

7、效用量較大，作為輔助措 施較為適宜。（6）陰極保護該方法是通過引入一個外加犧牲陽極或直流電源來抑制鋼筋電化學腐蝕反 應過程從而延長海工混凝土的使用壽命。但是，由于陰極保護系統(tǒng)的制造、安裝 和維護費用過于昂貴且穩(wěn)定性不高，目前在海工鋼筋混凝土結構中很少應用。四、東海大橋結構混凝土耐久性策略改善混凝土和鋼筋混凝土結構耐久性需采取根本措施和補充措施。根本措施 是從材質本身的性能出發(fā)，提高混凝土材料本身的耐久性能，即采用高性能混凝 土；再找出破壞作用的主次先后，對主因和導因對癥施治，并根據具體情況采取 除高性能混凝土以外的補充措施。而二者的有機結合就是綜合防腐措施。大量研 究實踐表明，采用高性能混凝土

8、是在惡劣的海洋環(huán)境下提高結構耐久性的基本措 施，然后根據不同構件和部位，經可能提高鋼筋保護層厚度（一般不小于50mm）, 某些部位還可復合采用保護涂層或阻銹劑等輔助措施，形成以高性能海工混凝土 為基礎的綜合防護策略，有效提高大橋混凝土結構的使用壽命。因此，東海大橋混凝土結構的耐久性方案的設計遵循的基本方案是：首先， 混凝土結構耐久性基本措施是采用高性能混凝土。同時，依據混凝土構件所處結 構部位及使用環(huán)境條件，采用必要的補充防腐措施，如內摻鋼筋阻銹劑、混凝土 外保護涂層等。在保證施工質量和原材料品質的前提下，混凝土結構的耐久性將 可以達到設計要求。對于具體工程而言，耐久性方案的設計必須考慮當地的

9、實際情況一一如原材 料的可及性、工藝設備的可行性等，以及經濟上的合理性。也就是說應該采取有 針對性的，因地制宜的綜合防腐方案。根據設計院提出的東海大橋主要部位構件的強度等級要求、構件的施工工藝 和環(huán)境條件，對各部位混凝土結構提出具體的耐久性方案。下表1為海上段部分 混凝土結構的耐久性方案”，表1東海大橋海上段混凝土結構耐久性方案結構部位海洋環(huán)境分類保護層 厚度mm混凝土強 度等級混凝土品種輔助措施備注鉆孔灌注水下區(qū)、樁頭 水位變動區(qū)70C30大摻量摻合 料混凝土上部為不拆除 的鋼套筒承臺水位變動區(qū)、 浪濺區(qū)90C40高性能混凝 土水位變動區(qū)、浪 濺區(qū)部位涂防 腐蝕涂層墩柱水位變動區(qū)、 浪濺區(qū)7

10、0C40高性能混凝 土水位變動區(qū)、浪 濺區(qū)部位涂防 腐蝕涂層箱梁大氣區(qū)40C50高性能混凝 土橋面板大氣區(qū)40C60高性能混凝 土塔柱下部為水位變 動區(qū)、浪濺區(qū)， 上部為大氣區(qū)70C50高性能混凝 土水位變動區(qū)、浪 濺區(qū)部位涂防 腐蝕涂層五、東海大橋高性能混凝土性能研究5. 1試驗用原材料及其物理化學性能5. 1. 1水泥試驗中采用了 P.152.5,有關性能參數見表2。表2水泥物理化學分析物理分析密度g/cm3細度0. 08 mm篩 余%表積/kg比國 2m凝結時間 (h)準度水政» 標稠用量(%安定 性抗折強度 (MPa)抗壓強度 (MPa)初凝終凝3d7d28d3d7d28d3

11、. 121.004271： 453： 1826. 00合格6.38.610.033. 158.967.9化學分析化學組成(%)Si02Al203Fe。CaOso：.K20Na,0MgOLOSS21.485.443. 1563. 402. 020. 750. 441. 122. 195. 1.2磨細礦渣（礦渣微粉）磨細礦渣（礦渣微粉）的有關性能參數見表3表3磨細礦渣（礦渣微粉）物理化學分析物理分析流動度比%比表面積（勃氏法） m2/kg7d活性指數28d活性指數密度 g/cm3試驗結果10247077982.91化學分析化學組成（%）SiO2Al203FeACaOso3MgO試驗結果31.014

12、.22. 0840. 950. 897. 755. 1.3粉煤灰粉煤灰的有關性能參數見表4。表4：粉煤灰的物理化學分析物理分 析45 篩余需水量 比活性指數（28d抗壓強度 比）%含水率%燒失量SO3 %密度g/cm3試驗結 果10. 510526.40.21.980. 832. 1化學分 析化學組成（%）Si02A12O3Fe2O3CaOSO3K20Na20MgO試驗結 果51. 0432. 868.263. 350. 830. 500. 310. 365. 1.4硅粉硅粉的有關性能參數見表5。表5：硅粉的物理化學分析物理分析45 0 篩余%比表面積（勃氏法）m2/kg活性指數%含水率%燒失

13、量%Si。2含量%試臉結果1.0180001030.92.4925. 1.5粗骨料混凝土配制試驗用石為525mm連續(xù)級配碎石。2. 2. 1.6細骨料混凝土配制試驗用砂檢驗結果如表6。表6砂檢驗結果項目表面密 度 (kg/m：，)堆積密 度 (kg/m3)空隙 率(%)含泥 量閭累計篩余(%)細度 模數/Jf10.05. 002. 501.250. 630.3150. 16試驗 結果2632153841.61.0016144884942.45. 1.7減水劑試驗采用LEX-9H聚段酸鹽類高性能混凝土減水劑，其性能指標見表7 o表7混凝土高效減水劑摻入混凝土中的性能試驗結果檢驗項目GB8076-

14、1997 高效減水劑規(guī)定值試驗結果一等品合格品LEX-9H減水率(%)不小于121027泌水率(%)不大于909527含氣量(%)W3.0W4.02.9凝結時間之差 (min)初凝-90 >120+ 17終凝+15抗壓強度比(%)Id1401301933d1301201837d12511517328d120110150收縮率比(%)不大于13599對鋼筋銹蝕作用鈍化鈍化注：LEX-9H外加劑摻量0. 8機5. 1.8拌和用水可飲用水。5. 2試驗方案和主要試驗方法從高性能海工混凝土的基本要求出發(fā)，在原材料的優(yōu)選試驗中，以坍落度評 價混凝土的工作性，以抗壓強度等評價混凝土的物理力學性能，以

15、混凝土的電通 量和氯離子擴散系數(自然擴散法)試驗結果評價混凝土的抗氯離子滲透性能，并 以耐久性能為首要要求。試驗中所采用的主要試驗方法有：(1)坍落度混凝土的坍落度按新拌混凝土性能試驗方法GBJ80-85測定。(2)抗壓強度混凝土的抗壓強度按普通混凝土力學性能試驗方法GBJ81-85測定。(3)混凝土的碳化、滲透和抗凍性能試驗參照普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法(GBJ82-85)進行(4)混凝土的電通量和氯離子擴散系數快速試驗ASTM C 1202混凝土直流電量法滲透性能評價：參照國際上通用的ASTM C 1202直流電量法進行混凝土滲透性能評價。試驗儀器采用清華大學改進的ASTMC

16、1202電量法測試儀。通過量測混凝土試件在60V直流電壓下通電6h通過的電量， 以評價混凝土的滲透性。用濃度曲線法測試混凝土表觀氯離子擴散系數的試驗方法，參照NT Build 443方法，將標準養(yǎng)護28天的混凝土試件浸泡于質量濃度為3. 0%的NaCl溶液 中至指定齡期(90d)后，用剖面切削機從混凝土表面以不大于2mm的厚度取樣, 并用化學方法測試樣本氯離子濃度，做混凝土氯離子濃度-深度曲線并用Fick 第二定律進行非線性回歸求得混凝土表觀氯離子擴散系數。5.3混凝土配合比設計試驗研究主要考察C35和C50兩系列高性能海工混凝土的性能，其編號分別 為普通混凝土(基準組)的35J/50J,摻I

17、型摻合料的351/501組，摻II型摻合 料的35II/50H組,混凝土配合比見表8。表8混凝土配合比編號摻合料類型水膠比每立方漆中材料用量(kg/nO水泥摻合料砂石外加劑35J基準組0. 36400068611683.6351I0. 3612028066811883.63511II0. 3612028066811883.650J基準組0. 32470064111394. 23501I0. 3218828264111394. 235011II0. 3218828264111394.235. 4高性能混凝土性能試驗結果及分析混凝土的物理力學性能試驗結果如表9所示，常規(guī)耐久性能試驗結果如表 10所

18、示，抗氯離子滲透性能試驗結果如表11所示。表9高性能海工混凝土力學性能混凝土抗壓強度 (MPa)劈拉強度(MPa)抗折強度(MPa)軸壓強度 (MPa)彈性模量 (104MPa)35基準建43.34.07.429.43. 35海工I38.73.97. 726. 73.27海工II41.04. 17.628.93. 5550基準建58.54.09.032.23. 69海工I52.43.98. 731.33. 65海工II66.74.59.932.94. 13表10高性能海工混凝土的碳化、滲透和抗凍性能混凝土碳化深度(mm)滲透高度(mm)抗凍(凍融循環(huán)100次)碳化深度(mm)強度損失 (%)最

19、大滲水壓 力(MPa)滲水高度(mm)質量損失(%)相對動彈性模 量損失()35基準建0. 300. 632.526.30.98. 1海工I0. 160. 422.57. 10.66.9海工H0. 160. 462.56.50.67.250基準於0. 250. 502.520.50.77.2海工I0. 170. 382.56.60.56.8海工H0. 140. 372.55.40.46.4表11高性能海工混凝土抗氯離子滲透性能編號電通量（C）表觀cr擴散系數 Da（E-12m7s）備注35基準校12634. 85此中Da值為 浸泡90天時 的測試值海工I8261.28海工II7411. 105

20、0基準杜11124.26海工I7501. 15海工II6370. 95與普通混凝土相比較，高性能海工混凝土具有優(yōu)良的工作性能、相近的物理 力學性能和優(yōu)異的耐久性能，尤其是其耐海水腐蝕性能，混凝土氯離子擴散系數 可小于 2.01.0ET2m2/s。六、高性能混凝土的質量保證措施高性能海工混凝土工程耐久性是一項系統(tǒng)工程。為保證整個設計的系統(tǒng)性、 完整性、規(guī)范性、科學性和可行性，必然需要一個完善的整體思路和框架。因此, 在建設過程中我們遵循了一個以預先質量控制與評估（PreQC&QA）,耐久性方案 設計（Design link to SLP）和質量控制與評估（QC&QA）的思想。為確

21、?；炷?土結構耐久性的目標，須從圖1中所示三大環(huán)節(jié)進行控制，即：（1）預先質量控制與評估（PreQC&QA）,是在了解工程背景、使用環(huán)境以及混 凝土材料在海洋環(huán)境中的性能特點的基礎上，通過對材料性能的試驗研究，建立 混凝土結構耐久性設計的數據和依據，并預測混凝土結構的實際使用性能（2）耐久性方案設計（Design link to SLP）,充分考慮各種可變因素對鋼筋 混凝土結構使用壽命的影響，如環(huán)境溫度、混凝土內應力、裂縫等，以建立使用 壽命預測系統(tǒng)，為耐久性方案的設計提供指導和依據。再以使用壽命預測系統(tǒng)為 基礎，制定有針對性的耐久性解決方案。（3）質量控制與評估（QC&QA）,是指在方案的實施過程中如何控制各方面的質 量以及如何對已完成部分的質量進行評估的過程。在質量控制與評估環(huán)節(jié)中，主 要需要確立各種質量控制措施和實施