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海洋環(huán)境下混凝土耐久性摘要:由于海洋環(huán)境的復雜性,跨海通道混凝土的耐久性也受到多方面因素的影響和機理作用。在總結(jié)海洋環(huán)境下混凝土的耐久性影響因素和作用機理的同時,結(jié)合杭州灣跨海大橋工程實際應用,提出了混凝土耐久性的有效技術措施。關鍵詞:海洋混凝土耐久性杭州灣跨海大橋改革開放以來,東部沿海城市的經(jīng)濟迅速發(fā)展,高層結(jié)構、跨海大橋、海港碼頭、海底隧道乃至海上采油平臺等重要工程迅速涌現(xiàn)。通常認為混凝土建筑物的無修補安全使用期可達100年,然而,海洋環(huán)境下混凝土由于受到海洋環(huán)境的凍融破壞、海水侵蝕、鋼筋銹蝕、冰浪撞擊、磨損等各種因素的影響使其過早被破壞,實際使用年限遠遠低于設計要求,使用壽命最短的不到10年,因此,海洋環(huán)境下混凝土服役壽命的過早衰減和失效已成為當今面臨的世界性難題,引起國內(nèi)外混凝土科學與工程界的密切關注。海洋環(huán)境下耐久性的影響因素和作用機理1.1凍融作用海工混凝土抗凍耐久性方面存在的問題,一部分是混凝土材料共同的問題(如引氣、孔結(jié)構和強度等),另一些則是海洋環(huán)境中產(chǎn)生的特殊問題如鹽結(jié)品和海水化學腐蝕等。試驗表明,在有鹽溶液存在的情況下混凝土的飽水程度很高,因此,海工混凝土的凍融破壞更為嚴重,應從抗裂防滲和耐海水化學腐蝕兩方面來保證海工混凝土抗海水凍融耐久性。1.2鋼筋銹蝕破壞鋼筋的銹蝕在混凝土耐久性問題中的地位日益突出。鋼筋銹蝕破壞最嚴重是潮汐區(qū)中部上部位,我國南方海洋環(huán)境下混凝土破壞以鋼筋銹蝕為主。鋼筋銹蝕屬電化學反應,其產(chǎn)生和發(fā)展必須同時滿足(1)鈍化膜破壞(2)足夠量的氧(3)足夠量的水分,三者缺一不可。1.2.1混凝土抗?jié)B性對鋼筋銹蝕的影響抗?jié)B性是影響混凝土耐久性的關鍵。提高混凝土的抗?jié)B性是在一定范圍內(nèi)減小水灰比、增加養(yǎng)護期及摻砂渣、粉煤灰、硅灰等火山灰質(zhì)材料,改善水泥石的孔徑分布和孔結(jié)構,增加凝膠孔,使抗?jié)B性提高,1.2.2混凝土碳化作用對鋼筋銹蝕的影響混凝土碳化是指混凝土中的堿性物質(zhì)Ca(oH)2與空氣中CO2作用生成CaCO3。,使結(jié)構變化、堿度下降。混凝土碳化后引起鈍化膜破壞、產(chǎn)生鋼筋銹蝕,碳化后產(chǎn)生的收縮會加快鋼筋銹蝕決定混凝土碳化速度的根本因素一是混凝土本身的堿性物質(zhì)含量,二是混凝土的密實度。Ca(oH)2含量高、密實度大的混凝土抗碳化性能強。1.2.3氯離子滲透作用對鋼筋銹蝕的影響氯化物以離子形態(tài)滲透進部分或完全被水填充的孔中,在水泥基質(zhì)內(nèi)以化學或物理形態(tài)被部分結(jié)合,氯化物滲透與碳化滲透不同,它比碳化的侵入深度和速度要大得多,氯化物含量的分布是從混凝土表面到內(nèi)部,逐漸減少??紫堵屎涂捉Y(jié)構是制約cl滲透的關鍵因素。3海洋化學腐蝕建筑物水下部位遭受海水化學腐蝕而潰散的并不普遍,對海工混凝土建筑并非主要因素。3.1海水的化學成分海水中溶有大氣中所包含的各種氣體成分,略呈堿性,PH8.2?8.4。1.3.2硫酸鹽侵蝕海水中硫酸鎂與水泥水化產(chǎn)物CA結(jié)合生成鈣磯石,體積膨脹產(chǎn)生很大的內(nèi)應力,使混凝土膨脹和開裂。水泥熟料中的礦物成分對抗硫酸侵蝕有顯著影響。1.3.3溶蝕作用混凝土受到海水的不斷侵蝕.內(nèi)部的Ca(0H)隨水流出使其濃度逐漸降低,隨著石灰濃度不斷降低,水泥水化物中的CaO也將陸續(xù)分解溶出,使混凝土產(chǎn)生空隙,導致破壞1.3.4鎂鹽侵蝕海水中的鎂鹽與混凝土中的Ca(0H)2作用,產(chǎn)生不定形物質(zhì)Mg(0H)z,易溶于水的CaCl以及硅酸鈣的替代物硅酸鎂,使水泥漿體的強度下降結(jié)構遭受破壞。3.5堿骨料反應二氧化硅是許多巖石的主要成分,當PH>10.5的堿性溶液與固體二氧化硅接觸時,會產(chǎn)生硅酸物凝膠,這種凝膠吸附水分而產(chǎn)生10?15MPa壓力,高于普通混凝土的抗拉強度而導致混凝土的膨脹和開裂1.4機械撞擊及磨損許多海工混凝土建筑物的最直接破壞,是由于風浪及冰塊撞擊等造成的。這些機械作用造成建筑物局部損壞、海水侵入,其破壞作用超過化學腐蝕作用。1.5施工質(zhì)量不良根據(jù)調(diào)查結(jié)果.混凝土的破壞太部分都是由于施工質(zhì)量不良或材料不穩(wěn)定所引起的因加水量不控制、離析嚴重、震搗不密實、養(yǎng)護不講究而造成密實性差,難以抵御各種外界因素的破壞。因此,菔工質(zhì)量與耐久性之間有極密切的關系。2提高耐久性的技術措施2.1海工耐久混凝土海工耐久混凝土是指采用常規(guī)原材料、常規(guī)工藝、摻加礦物摻合料及化學外加劑,經(jīng)配合比優(yōu)化而制作的,在海洋環(huán)境中具有高耐久性、高穩(wěn)定性和良好工作性的高性能結(jié)構混凝土,它以氯離子擴散系數(shù)為核心控制指標,采用大比例摻入礦物摻合料和低水膠比降低氯離子擴散系數(shù)。杭州灣跨海大橋不同部位混凝土中水膠比及其他材料用量,見表1所示。表1杭州灣跨海大橋不同部位混凝土中水膠比及其他材料用量表杭州灣大橋工程混凝土結(jié)構均采用海工耐久性混凝土。在參考國內(nèi)外規(guī)范的基礎上,進行了海工耐久混凝專題研究,制定了《杭州灣跨海大橋混凝土施工技術規(guī)程》,對海工耐久混凝土的原材料、配合比設計及工作性能、施工控制等提供了具有特色的控制要求。同時,杭州灣跨海大橋在國內(nèi)首次按混凝土氯離子擴散系數(shù)快速非穩(wěn)態(tài)電遷移(RCM)實驗方法,規(guī)定了混凝土撬氯離子滲透性要求。混凝土氯離子擴散系數(shù)Drcm根據(jù)混凝土結(jié)構使用年限預測模型以及所處的腐蝕環(huán)境、鋼筋保護層厚度等綜合因素確定。2合理的鋼筋保護層理論上,結(jié)構的保護層越厚,氯離子擴散到鋼筋表面的路徑越長,鋼筋表露氯離子積累到臨界濃度時間也越久。但是,保護層過厚會限制構件力學性能的發(fā)揮,并且不利于對裂縫寬度進行控制,因此,需要根據(jù)結(jié)構部位和受力特點,設置合理的鋼筋保護層厚度。杭州灣跨海大橋工程結(jié)合國外跨海工程實例,參考國內(nèi)外有關規(guī)范,根據(jù)杭州灣的腐蝕環(huán)境、橋梁各部位的受力特點和設計使用年限,制定了不同部位混凝土的保護層厚度,如表2所示。表2不同部位混凝土的保護層厚度杭州灣大橋混凝土結(jié)構各部位氯離子擴散系數(shù)和鋼筋保護層厚度組合,經(jīng)過理論模型推算可以滿足100年使用年限的要求。通過嚴格的施工控制和質(zhì)量檢驗,實體結(jié)構質(zhì)量良好,基本符合理論計算的假定。2.3杭州灣大橋工程中附加措施2.3.1塑料波紋管與真空輔助壓漿對于預應力混凝土結(jié)構,孔道的不密實極易造成高應力狀態(tài)下預應力筋的銹蝕。為增強預應力孔道壓漿的密實性,提高預應力體系的耐久性,大橋預應力混凝土箱梁采用耐腐蝕、密封性能好的塑料波紋管,配合真空輔助壓漿技術,作為預應力混凝土結(jié)構的耐久性措施之一。2.3.2環(huán)氧涂層鋼筋環(huán)氧涂層鋼筋是采用靜電噴涂工藝使其表面形成連續(xù)的環(huán)氧絕緣層的鋼筋。鑒于環(huán)氧涂層鋼筋的優(yōu)點,杭州灣跨海大橋在腐蝕最為嚴重的浪濺區(qū)現(xiàn)澆墩身中采用了環(huán)氧涂層鋼筋,作為提高混凝土結(jié)構耐久性的附加措施之一。3鋼筋阻銹劑與海工耐久混凝土配合,鋼筋阻銹劑能大幅度提高對鋼筋的防護能力。與普通混凝土相比,海工耐久混凝土一方面使得腐蝕介質(zhì)達到鋼筋表面的量減少,另一方面密實的混凝土又能長期有效地保持鋼筋阻銹劑的高濃度,從而使阻銹劑得以較為長期地發(fā)揮抑制或延緩鋼筋電化學腐蝕的效能。杭州灣大橋工程潮差區(qū)的承臺和浪濺區(qū)的墩身部位使用了摻人型阻銹劑,作為保證混凝土結(jié)構耐久性的補充措施。3.4外加電流陰極防護外加電流陰極防護系統(tǒng)設計的要點包括:陽極材料在正常運行的電流密度條件下,保證最少100年的使用年限,從而保證結(jié)構鋼筋始終處于陰極狀態(tài)而不發(fā)生銹蝕;充分考慮腐蝕環(huán)境的不同,針對不同區(qū)域進行相應的設計。杭州灣大橋南、北航道橋主墩承臺、塔座及下塔柱處于潮差區(qū)和浪濺區(qū),采用了外加電流陰極防護系統(tǒng)。5滲透性控制模板使用滲透性控制模板是提高混凝土表面質(zhì)量的有效途徑。該模板的襯墊是一種無紡纖維,它能把剛?cè)四5幕炷帘砻娑嘤嗟目諝夂退懦觯够炷帘砻嫠z比降低,同時可確保混凝土在養(yǎng)護期間保持高濕度,將裂縫風險減到最小,因而可大幅提高混凝土表面的密實度和強度,C35混凝土根據(jù)回彈試驗結(jié)果推定達到C60。杭州灣大橋海上預制和現(xiàn)澆墩及南灘涂引橋部分橋墩應用了該產(chǎn)品,工程實踐表明,使用滲透控制模板可大大改善混凝土的外觀質(zhì)量,提高混凝土表面的抗裂性、抗?jié)B性和耐久性。2.3.6混凝土表面涂層涂覆型涂層防腐蝕措施是針對海洋環(huán)境混凝土結(jié)構的表面防護技術之一。該措施的特點是隔絕氯離子、酸性氣體等有害介質(zhì)在混凝土內(nèi)的滲透和擴散,尤其適合于以鹽霧水汽為特征的海洋侵蝕環(huán)境下混凝土的保護。杭州灣大橋海中承臺以上混凝土結(jié)構均采用封閉型涂裝體系進行表面涂裝,涂層設計使用年限為20年。3結(jié)語跨海通道所處的環(huán)境及運營條件復雜而且惡劣,海洋環(huán)境下混凝土受凍融破壞、海水侵蝕、鋼筋銹蝕、冰浪撞擊、磨損等各種因素的影響使其過早被破壞,對跨海通道的耐久性設計工工作提出了更高的要求。杭州灣跨海大橋已應用多種有效措施提高耐久性,可見海洋環(huán)境下混凝土耐久性研究已經(jīng)有初步成果。結(jié)合現(xiàn)有研究現(xiàn)狀和實際工程案例杭州灣跨海大橋,總結(jié)以下幾點觀點:在盡量降低工程造價的前提下,同時又要滿足設計年限的要求,對腐蝕條件惡劣和結(jié)構構造存在隱患的部位采用相應的耐久性補充措施是提高混凝土結(jié)構耐久性的有效途徑。海洋環(huán)境下混凝土耐久性影響因素中氯離子的滲透引發(fā)是最主要也是最顯著的因素,因此,一方面一搞混凝土本身的抗氯離子滲透的能力,另一方面設置合理的鋼筋保護層厚度是基本的,顯著有效的措施。提高海洋環(huán)境下混凝土耐久性,不僅需要設計與前期準備的充分,而且還需要合格的施工工藝和嚴格的質(zhì)量控制,在實際施工中需要嚴格把關。加強對混凝土的耐久性后期的跟蹤檢測,建立耐久性動態(tài)無損監(jiān)測和評估系統(tǒng),既可以提前規(guī)避耐久性降低帶來的風險,也可以對癥下藥,降低后期修補等成本,以確保設計使用年限。參考文獻:霍洪媛,姚武.海洋工程混凝土耐久性研究[J].混凝土

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