海洋混凝土

海洋混凝土（通用6篇）

海洋混凝土 篇1

自1978年改革开放后, 随着沿海城市的经济迅速发展, 建造了许多重要工程。由于海洋环境的复杂性, 混凝土结构会遭受各种因素的影响而过早发生破坏, 造成其使用寿命过短, 甚至有些建筑物只能使用10年。因此如何提高海洋环境下混凝土的耐久性值得关注和研究。

一、海洋环境下耐久性的作用原理和影响因素

1. 钢筋腐蚀破坏

混凝土在海洋工程条件下发生腐蚀破坏要满足三个条件: (1) 其结构中钝化膜遭到破坏; (2) 含氧量足够; (3) 水量充足。

2. 冻融作用

混凝土的饱和度在有盐溶液的条件下是很高的, 所以, 海洋工程混凝土的冻融破坏较普通混凝土相比更为严重, 要提高混凝土的耐久性, 需从抵抗海水化学腐蚀和防渗两方面因素来考虑。

(1) 钢筋锈蚀由于氯离子渗透作用的影响

从混凝土表面到内部, 氯化物含量逐渐减少, 氯化物渗透比碳化的侵入深度和速度要大得多。Cl离子渗透主要受孔隙率和孔结构的影响。

(2) 钢筋腐蚀由于混凝土抗渗的影响

降低水灰比、优化水泥石的孔径分布、增加凝胶孔等方法可以使混凝土抗渗性提高。

(3) 钢筋腐蚀由于混凝土碳化的影响

产生钢筋锈蚀的原因是混凝土碳化后钝化膜的破坏。为了提高混凝土抗碳化性能, 可以增加Ca (OH) 2的含量以及提高混凝土的密实度。

3. 海水的化学腐蚀

海水化学腐蚀对海洋工程混凝土建筑不是主要因素。

(1) 海水中的化学物质

海水中溶解有大气中所含有的各种气体成分, 略呈碱性, PH8.1~8.3。

含盐:Na Cl、Mg Cl2、Mg SO4、Ca SO4、碳酸盐、碳酸氢盐。

(2) 碱骨料反应

岩石主要有二氧化硅组成, 当固态二氧化硅与PH≥10.5的碱性溶液相互接触时, 会生成硅酸物凝胶, 这种凝胶吸附水分产生l0~15 MPa的压力, 从而导致混凝土的开裂和膨胀。

(3) 硫酸盐的侵蚀作用

矿物成分在水泥熟料中对混凝土抗硫酸侵蚀有着明显影响。

(4) 溶解侵蚀作用

混凝土会不断遭受海水侵蚀, 其中的Ca (OH) 2浓度会降低, 由于石灰浓度的降低, 水泥中的Ca O也会分解溶出, 这样混凝土就会产生空隙发生破坏。

(5) 镁盐的侵蚀作用

混凝土中的Ca (OH) 2会与海水里的镁盐发生化学反应, 产生沉淀物质Mg (OH) 2, 同时硅酸镁替代了溶解于水的Ca Cl和硅酸钙, 结构遭受破坏的原因是浆体的强度减小。

4. 施工质量差

不控制加水量、严重的离析、不密实的振捣、不注重养护这些都是和施工过程有关, 施工质量太差会造成混凝土的密实性差, 会很容易遭受外界环境的影响。

5. 机械因素

海洋中会经常产生风浪及冰块撞击, 这些因素会对海洋工程混凝土造成最直接的破坏。建筑物局部损坏主要是由于这些机械因素造成的。

二、相关技术措施提高混凝土的耐久性

1. 海洋工程耐久混凝土

海洋工程耐久混凝土通过氯离子扩散系数作为核心控制指标, 采用大比例掺入矿物掺合料和低水胶比降低氯离子扩散系数。

杭州湾跨海大桥各部位混凝土中水胶比及其他材料用量, 如表1所示。

海洋工程耐久性混凝土大部分被用于杭州湾跨海大桥。这座大桥在国内第一次按混凝土氯离子扩散系数快速非稳态电迁移 (RCM) 实验方法, 制定了混凝土撬氯离子渗透性要求。

2. 钢筋保护层

建筑构件的力学性能的发挥会由于保护层厚度过厚受到阻碍, 而且不利于控制裂缝宽度。因此要设置合理的钢筋保护层厚度。

杭州湾跨海大桥不同部位保护层厚度如上表2所示。

3. 杭州湾跨海大桥工程中相关附加措施

(1) 涂层与混凝土表明

隔绝酸性气体、氯离子等在混凝土内部的扩散和渗透可通过涂覆型涂层, 以盐雾水汽为特点的海洋侵蚀环境下混凝土的保护特别适用。

(2) 塑料波纹管和真空压浆

密封性能好、耐腐蚀的塑料波纹管, 辅助真空压浆技术被用于大桥预应力混凝土的箱梁中, 这样做可以提高预应力混凝土的耐久性同时也可以增加密实性。

(3) 采用环氧涂层钢筋

考虑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现浇墩身中采用了环氧涂层钢筋的做法, 作为提高混凝土结构的耐久性附加措施之一。杭州湾大桥工程浪溅区的墩身部位和潮差区的承台使用了掺入型阻锈剂, 作为保证混凝土结构耐久性的有效补充措施。

(4) 钢筋阻锈剂的应用

与普通混凝土相比, 海洋工程耐久混凝土一方面使密实的混凝土能长期有效地保持钢筋阻锈剂的高浓度使得腐蚀介质达到钢筋表面的量减少, 另一方面使得腐蚀介质达到钢筋表面的量减少, 从而使阻锈剂较为长期地发挥延缓或抑制钢筋电化学腐蚀的作用。

(5) 阴极防护

外加电流阴极防护系统设计的要点是要充分考虑腐蚀环境的不同。杭州湾大桥北、南航道桥主墩承台、塔座及下塔柱处于浪溅区和潮差区, 从而采用了外加电流阴极防护系统。

(6) 采用渗透性控制模板

无纺纤维是这种模板的衬垫, 刚入模的混凝土表面多余的水和空气会被排出, 混凝土表明水胶比会减小, 而且混凝土在养护期间可以保持较高湿度, 混凝土表面的强度和密实度可以被大幅提高, C35混凝土根据试验结果推定达到C60。工程实践表明, 使用渗透控制模板可改善混凝土的外观质量, 提高混凝土表面的耐久性、抗渗性和抗裂性。

三、结语

综上所述, 由于海洋环境的复杂性, 进行跨海通道的耐久性设计必须结合高要求。从杭州湾跨海大桥这一工程实例可见海洋环境下混凝土耐久性研究已经有初步成果, 现总结以下几点观点。

1. 氯离子的渗透是影响海洋工程混凝土耐久性的主要原因, 通过两方面来改善: (1) 钢筋保护层厚度要合理; (2) 混凝土本身的抗氯离子渗透的能力要提高。

2. 提高混凝土结构耐久性的有效途径之一是对腐蚀条件恶劣和结构构造存在隐患的部位采用相应的耐久性补充措施。

3. 提高海洋环境下混凝土耐久性, 充分的设计与前期准备与合格的施工工艺和严格的质量控制相结合, 在实际施工中需要严格把关。

4. 建立耐久性动态无损监测和评估系统, 可以提前减小耐久性降低带来的风险, 降低后期修补等成本, 以确保设计使用年限。

参考文献

[1]霍洪媛, 姚武.海洋工程混凝土耐久性研究[J].混凝土, 2008 (1) .

[2]吴瑾, 程吉昕.海洋环境下钢筋混凝土结构耐久性评估[J].水力发电学报, 2005 (1) .

[3]张宝胜, 干伟忠.杭州湾跨海大桥混凝土结构耐久性解决方案[J].土木工程学报, 2006 (6) .

海洋混凝土 篇2

一个时期以来,我国近海海域海洋环境在持续恶化,原因在于海洋管理体制造成的海洋管理的不到位和国民海洋环境保护意识的`薄弱.加强海洋管理可以借鉴美、日等国的经验.要加强海洋综合管理;要提高各级政府海洋环境保护的自觉性和积极性;要严格执法;要大力普及海洋知识,以引导广大人民群众积极参与海洋管理和海洋环境保护.

作 者：李百齐  作者单位：浙江海洋学院,公共管理学院,浙江,舟山,316000 刊 名：理论界 英文刊名：THEORY HORIZON 年，卷(期)：2007 “”(12) 分类号：X54 关键词：海洋环境   陆源污染   海洋管理   海洋管理委员会   海洋教育  

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海洋环境下混凝土桥梁耐久性设计 篇3

滨海环境下出现的病害主要体现在以下几方面:1)混凝土方面:开裂,渗漏,侵蚀,碳化,破碎等;2)钢筋、钢束方面:锈蚀,脆化,疲劳,应力损失等;3)粘结方面:钢筋与混凝土之间粘结锚固作用的削弱、锚具的失效、注浆不密实等。

1 海洋环境下混凝土桥梁病害分析

通过对区域内大量旧桥调查分析发现,引起桥梁病害的原因存在于环境影响、结构设计、施工及维护等各个环节。主要原因有5个:1)没有考虑特殊环境下桥梁的抗腐蚀、混凝土的抗渗等因素;2)随着经济的发展,交通量增大,载重等级发生变化;3)指导思想注重于材料的节省,安全度低,造成断面单薄、安全储备低,典型的是双曲拱;4)桥梁耐久性差和年久老化,如砖拱桥;5)设计失当或者施工质量差。

1.1 环境影响

桥梁的施工及使用环境总是与设计的环境有一些差别,因此环境的影响是非常重要的。混凝土的抗拉强度大约是其抗压强度的10%,由于早期的水化热影响、干缩应变反应强烈,加上环境、温度、湿度、日晒雨淋、冲击荷载的影响,混凝土结构很容易产生裂缝。

开裂后,由于水分子、氯离子的侵入,导致钢筋面层的钝化,从而使钢筋腐蚀,破坏了钢筋表面与混凝土之间的化学胶结力,其直接后果是钢筋与混凝土不能很好的协同工作。混凝土构件的强度和刚度逐渐削弱,最终导致结构的耐久性破坏。

1.2 结构设计理论和结构构造不完善

虽然在许多国家的设计规范中都明确规定钢筋混凝土结构的耐久性要求,但是,这一宗旨并没有充分地体现在具体的设计条文中,导致在工程设计中普遍存在重视结构强度设计而轻视甚至忽视结构耐久性设计、重视承载能力极限状态而不重视正常使用极限状态、重视结构的建造而不重视结构的维护等现象。许多设计人员不从结构体系、结构构造、结构材料、结构维护以及从设计、施工到使用全过程等方面去加强和保证结构的耐久性和安全性。有的结构整体性和延性不足,冗余性小;有的计算图式和受力路线不明确,造成局部受力过大;有的混凝土强度等级过低、保护层厚度过小、钢筋直径过细、构件截面过薄,这些都削弱了结构耐久性。虽然可能满足了设计规范的强度要求,但仅用了几年就因为结构耐久性出了问题而影响了结构安全。

过密的钢筋导致钢筋间的骨料和胶结材料不多,且粗、细骨料分布不均匀,振捣施工非常困难,难以保证钢筋混凝土构件的密实度和强度,容易形成蜂窝麻面,甚至空洞。另外,断面小、钢筋密导致不易保证保护层厚度的最低要求,造成混凝土构件表面抗碳化年限不足,以致钢筋锈蚀,影响结构的耐久性和安全性。

2 海洋环境混凝土桥梁设计

对于海洋环境桥梁设计,新规范已经考虑了桥梁的耐久性问题,对于桥梁所处环境进行了分类,并提出了一些强制性设计要求。目前,关于桥梁耐久性的相关研究正在进行,但根据既有旧桥的情况可以总结出滨海环境下桥梁设计应该注意的一些问题。

2.1 桥梁结构设计

很多桥梁病害通常与施工质量有关,但也要看到,在桥梁设计领域还有许多可以改进的地方,有些设计考虑不周是桥梁病害的根本原因。许多设计人员往往只满足于规范对结构强度计算上的安全度需要,而忽视从结构体系、结构构造、结构材料、结构维护、结构耐久性以及从设计、施工到使用全过程中经常出现的人为错误等方面去加强和保证结构的耐久性和安全性。对于海洋环境新建桥梁或者危桥拆除重建,必须从结构材料、构造、维护等方面整体考虑进行设计。主要考虑以下几个方面:

1)尽量采用全预应力结构,对主桥纵、横向均施加预应力,保证截面在使用阶段不出现拉应力,防止结构出现裂缝。优先选用具有高屈服强度,高水平断裂韧性、耐腐蚀的高性能钢材。使用环氧涂层钢绞线和钢筋,以防止钢绞线和钢筋腐蚀。

2)适当提高混凝土的等级,优先高性能混凝土,由于位处海洋环境中,保证最小混凝土保护层厚度,也可以加大混凝土保护层,例如主梁和墩柱主筋保护层40 mm以上、箍筋25 mm以上,桩基可用净保护层50 mm～90 mm。甚至在构件外包一层素混凝土,以防止构件的腐蚀和破坏。

3)对于普通钢筋混凝土构件,严格控制其裂缝宽度,如控制在0.1 mm以内。裂缝的出现会严重影响桥梁的耐久性与安全性。

4)选择适当的结构断面,配置适当间距的钢筋,可使混凝土粗、细骨料分布均匀,容易振捣,保证混凝土的密度和强度。某些情况下混凝土密实程度不好的,采用自密实混凝土。尽量选用箱形断面,提高结构的整体刚度,减轻桥梁的疲劳振动。混凝土外露面的边缘、棱角、沟槽均应呈圆弧形。

2.2 混凝土防腐设计

考虑了滨海环境混凝土的耐久性问题,设计过程应参考JTG D62-2004公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范中二类、三类环境的设计要求以及JTG-T B07-01-2006公路工程混凝土结构防腐蚀技术规范的相关要求,满足结构混凝土耐久性的基本要求。

1)桥台承台、台身,桥墩系梁、墩柱,桩基础部位使用耐腐蚀混凝土。

2)混凝土拌合物中氯离子含量最高限值按水泥重量的0.15%计。

3)最大水灰比不应大于0.5,最小水泥用量不小于300 kg/m3

4)最低混凝土强度等级为C30,最大碱含量为3.0 kg/m3。

5)混凝土抗渗等级应达到W12,混凝土加入2%的GF-01型阻锈剂。

3结语

由于环境的影响对桥梁产生的病害已经具有一定普遍性,尤其在沿海地区,造成了许多桥梁建成服役十多年就要进行加固维修甚至拆除重建。海洋环境下混凝土桥梁结构的耐久性和安全性可以通过桥梁结构设计、构造处理和结构材料等方面得到加强。

通过从结构材料、构造、维护等方面整体考虑进行设计,可以提高海洋环境下混凝土的耐久性,延长桥梁的使用寿命。

摘要：介绍了海洋环境下混凝土桥梁由于环境的影响出现较为常见的病害,有针对性地分析了病害的产生原因,根据已有危桥的经验教训对海洋环境下混凝土桥梁结构设计提出了一些建议,以提高混凝土桥梁的寿命。

关键词：混凝土桥梁,滨海环境,处治技术,耐久性,设计

参考文献

[1]李田,刘西拉.混凝土耐久性分析与设计[M].北京:科学出版社,1999.

[2]李宏毅.结构耐久性应用研究现状综述[J].重庆建筑大学学报,2001(4):98-103.

[3]陈艾荣,吴海军.基于耐久性的桥梁设计的几个原则[J].上海公路,2003(sup):116-121.

[4]彭栋木,冯建华.桥梁结构耐久性设计[J].深圳土木与建筑,2006(3):47-49.

海洋混凝土 篇4

我国海域辽阔, 大规模的基础建设集中在沿海地区, 海洋腐蚀环境按严重程度可分为水下区、潮汐区、浪溅区和大气区[1], 钢筋混凝土结构在不同区域因使用环境劣化而危害到其耐久性, 其中氯盐侵蚀导致的钢筋锈蚀和混凝土开裂是公认影响结构耐久性的首要因素[2]。同时, 混凝土的早期开裂和承载作用下产生的裂缝也会加速氯离子侵蚀。国内外学者针对混凝土材料脆性和应变软化的特性, 采用纤维来改善混凝土性能。王可良[3]对掺加聚丙烯纤维的C25混凝土进行早期塑性收缩性能研究, 发现聚丙烯纤维体积含量是影响混凝土和砂浆的裂缝主要影响因素。杨华美[4]对掺入聚丙烯纤维水下混凝土的力学性能及断裂性能进行研究, 发现聚丙烯纤维对混凝土的极限拉伸值提高了10%。Okan等[5]对掺量为0、0.05%、0.1%、0.2%的聚丙烯纤维进行试验研究, 发现聚丙烯纤维可有效减小混凝土的干缩裂缝。

相较于大量对聚丙烯纤维混凝土的早期收缩性能和力学性能的研究, 对于氯离子在聚丙烯纤维混凝土中的扩散性能研究较少。本文将开展聚丙烯纤维混凝土在模拟海洋水下区和海洋潮汐区的侵蚀试验, 为滨海环境的聚丙烯纤维混凝土耐久性研究与设计提供试验参考。

1 试验

1.1 原材料及混凝土配合比

水泥:陕西秦岭P.O42.5R级普通硅酸盐水泥。粉煤灰:渭河电厂Ⅱ级粉煤灰。粗骨料:陕西泾阳碎石, 粒径5-16mm。细骨料:西安灞河河砂, 中砂, 细度模数为2.6。外加剂:西安红旗外加剂厂GJ-1高效减水剂。水:普通自来水。纤维:聚丙烯纤维。试验采用四种纤维掺量来研究聚丙烯纤维混凝土的耐久性, 配合比见表1。

1.2 试件制作及试验方法

按照设计配合比制作试件, 试件尺寸为100mm×100mm×100mm。采用长期浸泡的方式模拟海洋水下区环境, 将试件浸泡在3.5%的Na Cl溶液中, 浸泡时间分别为30、60、90天;采用干湿交替方式模拟海洋潮汐区环境, 以3天为一个循环周期, 浸泡1天, 在干燥通风条件下放置2天, 试验时间同长期浸泡。浸泡到预定时间后, 按照《水运工程混凝土试验规程》 (JTJ270-98) [6]中的方法测试每个试样中自由氯离子含量。

2 试验结果及分析

2.1 纤维混凝土中氯离子分布规律

图1列出纤维掺量为0.1%的试件不同浸泡时间的氯离子含量分布图, 分布曲线有相似的趋势, 随着浸泡时间的增长, 试件中的氯离子含量逐渐增大, 但增大幅度有所减少。曲线中的拐点从浸泡30天时的7.5mm后移到试验结束时的9.5mm, 拐点之后的氯离子浓度曲线呈现逐步接近趋势。曲线拐点之前为浸泡初期的毛细吸附影响区域, 曲线拐点之后为以扩散为主要作用下的氯离子迁移, 试件内部水化程度随着浸泡时间增加而不断提高, 内部更加致密, 扩散作用减缓。

图2列出纤维掺量为0.1%的试件不同干湿交替次数的氯离子含量分布图。曲线先上升再下降, 最后趋于平缓, 在距离试件表面一定深度处存在峰值。干湿交替30次时峰值点含量为干湿交替10次时的1.25倍, 且峰值点出现的深度由1.5mm延伸至2.5mm。对流作用引起水分传输的滞后性, 氯离子在混凝土表层一定深度处产生富集区, 氯离子含量沿渗透深度出现峰值点, 峰值点以外认为是毛细吸附与对流的影响区, 峰值点以内为毛细吸附、对流和扩散的共同影响区, 其中以扩散为主要传输方式。

2.2 氯离子分布影响因素分析

图3以C2组试件为例列出海洋环境对氯离子浓度分布的影响。相同的测试时间, 干湿交替状态下氯离子峰值点浓度要大于长期浸泡状态, 峰值点浓度为长期浸泡时的1.07倍, 为相同深度处的1.33倍。干湿交替状态下, 氯离子以毛细吸附、对流与扩散三种方式在试件内部迁移, 相较于试件中的氯离子在长期浸泡状态下只发生一次毛细吸附至饱和后以扩散的方式向内部迁移, 干湿交替状态下情况有所不同, 试件内部的水分在外界湿度与内部湿度差的作用下发生蒸发与吸入, 内部的氯离子跟随水分迁移, 形成距试件表面一定深度处的富集区。

图4为干湿交替30次后各组试件中氯离子含量变化趋势图。由图可见, 干湿交替30次后, C1组和C2组试件的氯离子含量在渗透深度为2.5mm处达到峰值, C3组和C4组试件对应峰值点的深度为3.5mm, C2组试件的峰值点自由氯离子含量为C1组试件的92%, C4组试件在相同位置处的氯离子含量为C1组试件的1.035倍。纤维掺量的变化影响试件内部的氯离子含量分布, 其中掺量为0.1%的试件氯离子含量最低。混凝土内部的孔结构和孔隙率被掺入的纤维改变, 适量纤维的掺入可有效改善孔隙结构, 提高混凝土内部的密实度, 而大掺量纤维降低试件的密实度, 增加了混凝土内部的界面, 提高了进入试件的氯离子的总量, 同时也加速了氯离子的扩散。

3 结论

(1) 海洋水下区氯离子在纤维混凝土的毛细吸附影响深度大致为8-10mm, 海洋潮汐区氯离子在距试件表层3mm附近富集。

(2) 纤维掺入改变了混凝土内部的孔结构, 掺量为0.1%的纤维混凝土试件内部结构致密, 其中氯离子含量最低。

(3) 氯盐晶体附着在纤维和水泥基体上, 干湿交替状态氯盐晶体的沉积量要明显多于长期浸泡状态。

摘要：对聚丙烯纤维混凝土在氯盐溶液进行长期浸泡和干湿交替试验, 研究了海洋环境和纤维掺量对混凝土中氯离子分布的影响。结果表明, 纤维掺量改变试件的抗氯离子侵蚀能力;与长期浸泡相比, 干湿交替使试件距表层3mm处产生富集区, 加速了氯离子的扩散。

关键词：海洋环境,聚丙烯纤维混凝土,长期浸泡,干湿交替,氯离子

参考文献

[1]王晓舟, 金伟良.海港码头混凝土结构干湿交替区域氯离子侵蚀规律研究[J].海洋工程, 2010, 28 (4) :97-104.

[2]蔡荣, 杨绿峰, 余波.海洋潮汐浪溅区混凝土表面氯离子浓度计算模型[J].海洋工程, 2015, 32 (5) :26-33.

[3]王可良, 刘玲.C25喷射聚丙烯纤维混凝土的试验研究[J].混凝土与水泥制品, 2011, (1) :54-57.

[4]杨华美, 杨华全, 李家正, 等.掺纤维水工混凝土性能试验研究[J].施工技术, 2010, 39 (12) :53-55.

[5]Okan Karahan, Cengiz Duran Atis.The durabilityproperties ofpolypropylene fiber reinforced fly ash concrete[J].Materials and Design, 2011 (32) :1044-1049.

海洋混凝土 篇5

在我国近海地区的桥梁中,常有因腐蚀防护措施不到位或耐久性设计不完善等原因,发生严重钢筋锈蚀破坏而重建或加固的事例。根据JTG/T B07-01-2006公路工程混凝土结构防腐蚀技术规范的相关规定,海洋环境对应的环境作用等级为D—F级,即腐蚀程度为严重到极端严重。因此,在海洋环境中建设混凝土桥梁时,因钢筋腐蚀导致的结构耐久性问题必须引起我们的充分重视。本文介绍了钢筋腐蚀与结构耐久性的关系,以及目前桥梁上常用的腐蚀防护技术,并结合现行规范和国内外相关耐久性设计资料,针对混凝土桥梁提出了耐久性设计要点,以供海洋环境中的混凝土桥梁的耐久性设计参考借鉴。

2 钢筋腐蚀与结构耐久性的关系

2.1 钢筋腐蚀的危害

钢筋腐蚀的具体危害主要归结为以下三点:1)胀裂破坏。由钢筋锈蚀后体积膨胀所引起的拉应力将使混凝土顺筋开裂,这将进一步加剧了钢筋的锈蚀速度。2)影响钢筋与混凝土之间的粘结性能。钢筋锈蚀后,将从胶结力、摩擦力和机械咬合力三方面弱化钢筋与混凝土之间的粘结。3)引起钢筋的应力腐蚀与脆断。

2.2 钢筋腐蚀与结构寿命的关系

一般地,钢筋腐蚀与结构寿命的关系如图1所示。t0～t1阶段,碳化前锋面逐渐到达钢筋表面或Cl-在钢筋表面的浓度积累达到临界值,钢筋钝化膜不再稳定,开始活化。t1～t2阶段,钢筋开始发生局部腐蚀,腐蚀产物积累膨胀最终导致混凝土保护层开裂。t2～t3阶段,钢筋严重锈蚀,混凝土保护层大面积开裂,钢筋与混凝土粘结力逐渐丧失,导致计算简图彻底改变,结构承载力丧失。对于常见的海工混凝土结构使用年限预测模型,一般将临界锈蚀点t1或胀裂点t2视作耐久性极限状态[1]。

3 常用腐蚀防护技术

1)采用高性能混凝土。掺粉煤灰的低水胶比的高性能混凝土,与同水胶比的未掺粉煤灰的混凝土相比,氯化物的渗透性能要低1个～2个数量级。通过有效地提高抗渗性能、抑制碱集料反应及增强护筋效果,提高了混凝土耐久性。

2)采用涂层保护技术。混凝土表面的涂层可以阻止氯离子侵蚀和混凝土碳化深入混凝土内部。常用的主要有聚合物改性水泥砂浆和渗透型涂层两种。

3)采用钢筋阻锈剂。阻锈剂通过提高氯离子产生腐蚀的临界值来稳定钢筋表面的氧化物保护膜,从而达到延长使用寿命的目的。该技术被美国混凝土委员会(ACI)确认为钢筋防护的长期有效措施之一。

4)采用环氧涂层钢筋。环氧涂层钢筋利用环氧涂层与钢筋优良的粘结力,阻隔外界腐蚀介质对钢筋的侵入,从而延长混凝土结构的使用寿命。美国试验与材料学会的调查结果显示,采用环氧涂层钢筋可延长结构使用寿命20年左右。鉴于其优点,杭州湾跨海大桥在腐蚀严重的浪溅区现浇墩身中采用了环氧涂层钢筋[1]。但是,在涂层不完整情况下,局部锈蚀发展常常比无涂层钢筋还快。因此保证膜层的完整性是环氧涂层钢筋有效性的关键。

5)采用纤维增强塑料(FRP)筋。FRP筋具有轻质、高强、耐腐蚀性强等优点。单向碳纤维束配合高性能混凝土使用,将彻底解决针对预应力钢筋的腐蚀所引起的混凝土桥梁破坏问题,并可使结构使用寿命长达100年。目前,经济因素是FRP筋替代普通预应力钢筋的最大障碍,但在恶劣的海洋环境中建设桥梁时,其适用性和经济效益值得进一步探讨研究。

6)采用阴极防护技术。阴极保护法(CP法)是最常用的一种电化学保护法,主要有牺牲阳极CP法和外加电流CP法两种。近年来,阴极防护技术不仅应用于已受氯离子腐蚀的结构的修复,还应用于新建结构,并取得了良好效果。杭州湾跨海大桥作为我国首个应用阴极防护技术的钢筋混凝土结构,在南、北航道桥主墩承台、塔座及下塔柱处浪溅区,设置了外加电流阴极防护系统。采用全自动监控系统自动调节电量的方法,使结构钢筋始终处于阴极状态而不发生锈蚀,保证最少100年的使用年限[2]。

4 桥梁结构的耐久性设计要点

4.1 严格控制混凝土的水胶比与强度等级

影响混凝土结构耐久性的首要因素是混凝土的密实性,所以为了保证混凝土的密实性,首先要规定最大水胶比的限制。《公路工程混凝土结构防腐蚀技术规范》提出以最低强度等级与最大水胶比进行双控。此外,关于最小水泥用量、最大氯离子含量和矿物掺加料比例等限制规定,设计时应遵照执行。

4.2 严格选取最小混凝土保护层厚度

一般来说,钢筋的锈蚀总是从最外侧分布筋及箍筋开始的,并能引起混凝土开裂和剥落。所以在耐久性设计中,混凝土保护层厚度的选取首先要考虑到分布筋及箍筋的需要,同时应充分考虑到保护层施工偏差的影响。故建议采用的保护层厚度,应该是规范规定的最小厚度与一定施工允许误差之和。

4.3 采用塑料波纹管和真空辅助压浆

对于预应力混凝土结构,孔道的不密实极易造成高应力状态下预应力筋的锈蚀。为增强预应力孔道压浆的密实性,提高预应力体系的耐久性,桥梁预应力混凝土梁采用耐腐蚀、密封性能好的塑料波纹管配合真空辅助压浆技术,作为预应力混凝土结构的耐久性措施之一。

浆体性能是真空辅助压浆成败的关键,为此专门需根据《公路桥涵施工技术规范》进行了浆体配合比设计。浆体水灰比要求控制在0.30～0.35,浆体强度不小于主体结构混凝土强度的80%。灌浆方向由下往上,灌浆速度控制在30 L/min～45 L/min,当孔道各处浆体一致时,方能停止灌浆[4]。

杭州湾跨海大桥的相关试验表明[1]:采用高性能真空辅助压浆助剂配置的浆体和配套的压浆工艺进行真空压浆,孔道浆体饱满、密实,可有效提高预应力系统的耐久性。

4.4 采用多束少根的预应力束,对锚头采取多重保护[4]

增加钢绞线束的数量,减少每束中的钢绞线根数,以减轻在单束遭受腐蚀或更换时对整个桥梁的影响。对锚头至少采取四重保护,包括灌浆、带O形环的耐磨塑料锚帽、封锚涂层以及封锚混凝土。

4.5 加强构造配筋,防止和控制混凝土裂缝

当混凝土开裂后,侵蚀速度将大大加快,使耐久性进一步退化。控制混凝土裂缝,除了按规范要求进行正常使用状态的检算外,更重要的是通过构造措施控制施工及使用过程中出现的大量非工作裂缝。重视水平构造钢筋和箍筋在控制温度裂缝和收缩裂缝中的作用,提高相应部位钢筋的配筋率和钢筋间距。

4.6 加强桥面防水设计,保证桥梁密水性

桥面铺装应采用密实性较好的C30以上的混凝土,混凝土铺装层内应设置钢筋网,防止混凝土开裂,并采用复合纤维混凝土和在混凝土中掺入水泥基渗透结晶材料。桥面铺装层顶面应设防水层,特别是负弯矩段更应十分重视防水层设计。加强泄水管及伸缩缝处的细部排水设计,防止水分从该处渗入梁内。对阶段施工的桥梁,各节段间应该用环氧树脂密封。尽量避免在桥面上开孔,不得已开孔时,应开锥形孔,以便于回堵[4]。

5 结语

海洋环境中的混凝土桥梁应根据所处的环境进行耐久性设计,这是接受无数工程经验和教训后,在桥梁设计时必须考虑的重要问题。提高结构耐久性,对节约资源和保护环境意义重大。桥梁设计者应根据以防为主的战略方针,选择最佳腐蚀防护措施、优化结构设计方案,以有效延长混凝土桥梁的实际使用寿命。

摘要：针对海洋环境混凝土桥梁的腐蚀问题,介绍了钢筋腐蚀与结构耐久性的关系及常用腐蚀防护技术,并结合现行规范和国内外相关资料,提出了混凝土桥梁耐久性设计要点。

关键词：海洋环境,混凝土桥梁,腐蚀防护,耐久性设计

参考文献

[1]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[J].土木工程学报2,0063,9(6):72-77.

[2]吕忠达.杭州湾跨海大桥关键技术研究与实践[M].北京:人民交通出版社2,009.

[3]刘钊.桥梁概念设计与分析理论[M].北京:人民交通出版社2,010.

海洋混凝土 篇6

一般而言,钢筋混凝土结构中钢筋腐蚀机理主要可以分为两种:化学腐蚀和电化学腐蚀。海洋环境对钢筋混凝土结构而言是一种比较恶劣的生存环境。在海水中,甚至在海潮影响区域的大气环境中,都存在着大量的氯离子,而氯离子极易诱发混凝土中钢筋发生电化学腐蚀,而且发生时间远远早于混凝土碳化引起的钢筋锈蚀。这种腐蚀速度快且易产生点腐蚀,不仅严重削弱钢筋截面,而且容易导致应力集中,尤其对于以承受疲劳和冲击荷载为主的桥梁结构,危害更为严重。海洋环境钢筋混凝土桥梁耐久性问题的严重性和迫切性不仅在于危害的严重性,而且还在于在国际国内对海洋环境混凝土结构的耐久性已有较多认识和研究的情况下许多正在建设的工程仍未吸取国际和国内的大量惨痛教训,还沿着老路重蹈覆辙。一些新建成的立交桥和高速公路桥,仍没有在材料性能、结构构造和防腐技术等方面采取防止氯离子侵蚀的综合措施。有些跨海大桥,其主体结构包括浪溅区仍采用不耐海水干湿交替侵蚀的普通C30混凝土,其保护层厚度只有3~4cm,更无必要的耐久性构造措施。这样下去,欧美高速公路网建设和我国海港码头建设的悲剧势必还会重演。

混凝土中钢筋锈蚀为何会带来如此严重的危害?这主要从钢筋锈蚀造成结构性能劣化进行分析。

2 钢筋混凝土桥梁老化性能

钢筋混凝土结构是一种钢筋和混凝土复合材料结构,结构的各项性能不仅取决于钢筋和混凝土各自的物理力学性能,而且也与钢筋与混凝土的协调工作能力有关。

2.1 结构承载力降低

钢筋混凝土结构材料的劣化是一个缓慢的、渐进的过程,而最后造成的结构破坏形式则可能是突然的和脆性的。对于钢筋混凝土梁而言,一般将其设计为具有一定延性的适筋梁,钢筋与混凝土之间具有有效的粘结作用,二者协调变形。但是,对于腐蚀后的钢筋混凝土结构,当钢筋锈蚀到一定程度,混凝土保护层开裂甚至脱落以及钢筋与混凝土界面上生成的疏松的锈蚀层都会影响钢筋与混凝土之间的粘结性能。当锈蚀量较大时,粘结性能的退化已不能在钢筋与混凝土之间建立起足够的粘结应力,钢筋的强度得不到充分发挥,承载能力下降。

2.2 结构破坏形式改变

粘结性能的破坏导致钢筋不能发挥其塑性性能,结构的破坏形式从延性破坏转变为脆性破坏。对于点腐蚀,由于存在初始缺陷和应力集中,桥梁的疲劳寿命将会大幅度降低。更为重要也是容易忽视的是,钢筋锈蚀不仅会导致结构性能发生改变,而且还会造成结构的不对称损伤,如在海岸和近海工程中,通常迎海面损伤大于背海面,浪溅区和水变区的损伤大于大气区和水下区;钢筋锈蚀差别很大,也有可能造成结构的不对称损伤。这种不对称的损伤可能引起结构实际的受力状态改变,如由延性破坏转变为脆性破坏、弯曲破坏转化为扭转破坏等等,导致不可预料的结果。通过对钢筋混凝土桥墩立柱非均匀锈蚀后结构可靠度的分析发现结构的实际可靠指标通常更低,如果仍按通常截面缺损的分析方法评估非均匀锈蚀结构的承载力和可靠度,则会使结构处于更加不安全状态。某地一座桥梁的主梁,迎海面钢筋锈蚀非常严重,而背海面则相对轻微很多,后来在车辆作用下突然发生破坏,破坏的形式已经不是弯曲破坏,而是侧向失稳破坏,这种破坏形式的转化主要是因为一侧的钢筋锈蚀量太大,几乎已经锈断。

即使对于均质材料的钢桥结构,如钢箱梁、钢桁架梁,局部的、非对称的腐蚀也会导致结构整体可靠度大幅度的下降,下降的幅度远大于仅考虑截面缺损下降的程度。

3 防腐技术

对于钢筋腐蚀产生危害的严重性,工程界已经普遍认识到,并且已经探索到许多适宜于比较有效的防腐技术措施。

3.1 高防腐性能混凝土

高防腐性能混凝土对于钢筋的保护是钢筋混凝土结构能够保持其长期耐久性的一个最基本的前提。正如人类抵御疾病一样,打针吃药是一种外在的补救措施,增强体质才是保持身体健康、延长寿命的最根本途径,结构的生存同样遵循这一原理。从海洋环境中氯离子侵蚀机理和高性能混凝土的特点即可发现,采用高防腐性能的混凝土即是增强钢筋混凝土结构体质的关键。

3.1.1 海洋环境中氯离子侵蚀机理

不管受束缚氯离子还是自由氯离子,除在拌和物中掺入的以外,其向混凝土中侵入的方式主要有以下几种:

a毛细管作用,即盐水向混凝土内部干燥的部分移动;

b渗透,即在水压力作用下,盐水向压力较低的方向移动;

c扩散,即由于浓度差的作用,氯离子从浓度高的地方向浓度低的地方移动;

d电化学迁移,即氯离子向电位较高的方向移动。

通常氯离子的侵蚀是几种侵入方式的组合。对于不存在裂缝的混凝土而言,氯离子的扩散被认为是氯离子侵蚀的一种主要方式,主要用Fick第二定律进行模拟。Fick第二定律很方便地将氯离子的扩散浓度与扩散系数和扩散时间联系起来,可以直观地体现结构的耐久性,在一定程度上能够预测结构的耐久年限。研究和实际检测结果发现氯离子的扩散受混凝土的成熟度的影响,水化越充分,混凝土内部越密实,抗侵蚀能力越强。Fick第二定律中扩散系数是一个随时间而变化的量,其含义可以理解为结构从开始暴露到检测时扩散系数的均值,是有效扩散系数。

氯离子在混凝土中的扩散受到许多因素的影响,如水灰比、水泥品种、骨料级配、外加剂种类和掺量、养护条件、暴露时间、环境温湿度等,多年来,许多学者和研究机构在研究这些因素对于氯离子的影响机理以期进一步控制氯离子侵蚀等方面倾注了大量的心血,挪威、瑞典、丹麦等一些北欧国家在这些方面做出了一些开创性工作。

(1)水灰比:从许多试验结果中可以观察到当水灰比增大时,混凝土的渗透性、氯离子的扩散系数都有不同幅度的提高。一些试验表明当水灰比从0.4增加到0.6时,氯离子的扩散速率增加4~5倍。高防腐性能混凝土具有低水胶比的特点,可以有效增加混凝土的密实度,降低氯离子的扩散性能。

(2)掺料种类及掺量:目前制作高性能混凝土常用的掺料主要有粉煤灰、硅灰、矿渣等,它们的掺加可以降低温升,改善工作性,增进后期强度,并且可以改善混凝土的孔结构,提高混凝土的耐久性能。研究结果表明氯离子的扩散特性随水胶比的增大而增大,随粉煤灰和高炉矿渣用量的增加而减小。也就是说,扩散系数不仅与水胶比有关,而且与掺加料的数量和种类有关。飞灰混凝土和高炉矿渣混凝土都可以有效地抵抗氯离子的侵蚀,它们的氯离子扩散系数均低于10-9cm2/s。在相同水胶比下,粉煤灰掺量不超过20%时,对混凝土性能影响不大,只是稍微降低混凝土的温升。但当掺量超过25%时,对混凝土的性能有明显的改善。掺料的掺加量应该合理的确定。试验表明,过多的硅灰掺量将降低混凝土中Ca(OH)2的含量,反而会加快腐蚀。

(3)养护条件和初始暴露时间:养护条件和初始暴露时间主要反映了混凝土初始暴露时的成熟度。随着初始暴露时间的推移,氯离子的扩散系数不断降低。这说明暴露时间过早,水泥以及一些矿物细掺料水化尚不充分,混凝土内部空隙率较大,不利于抵抗外界侵蚀介质。

(4)温度影响:离子或分子的扩散能力可以用热力学中的Gib自由能来表示。Gib自由能正比于温度,一些试验表明,当温度高时,氯离子扩散系数相应增大。

如前所述,氯离子在钢筋表面必须累积到临界浓度才能引发钢筋锈蚀。影响临界浓度的因素很多,其中比较关键的两个因素是环境湿度和氧气的输送能力,这两个因素也是钢筋锈蚀的必要条件。混凝土中的氯离子分为两类:自由氯离子和受束缚的氯离子。英国标准(BS8110:Part1“1985)规定了混凝土中氯离子的总含量不允许超过水泥重量0.4%,欧洲标准(ENV206:1992)也给出了同样的界限。美国规范(ACI318-89)规定了混凝土中自由氯离子的含量不允许超过水泥重量的0.15%。这两个数字实际上是没有本质区别的。也有观点认为用[Cl-]/[OH-]描述导致钢筋锈蚀的氯离子浓度更加精确,这个值大约在0.6左右。实际上氯离子的临界浓度值是受环境条件影响的,具体环境下氯离子浓度的临界值最好通过调查得出。

3.1.2 高防腐性能混凝土的特点

高防腐性能混凝土是混凝土结构耐久性研究的重要成果。高防腐性能混凝土的特点是低水灰比和双掺技术,即掺用高效减水剂和矿物细掺料。低水灰比可以降低孔隙率,而由于掺用了高效减水剂,仍可以获得良好的工作性能;矿物细掺料的掺加改善了混凝土的微观孔结构,提高了混凝土的密实度;影响混凝土耐久性的各种破坏过程几乎都与水的渗透有密切的关系,因此混凝土的抗渗透性被认为是评价混凝土耐久性的重要指标。高防腐性能混凝土由于具有很高的密实度,因此有效地抵抗了水的渗透,具有良好的耐久性。

由于高性能混凝土的密实度高,按目前我国现行有关国家标准用加压透水的办法根本无法准确评价其渗透性,目前世界上最流行的混凝土渗透性的评价方法是AASHTO T 277和ASTM C 1202规定的直流电量法,通过施加电压,根据通过混凝土的电量评价混凝土的渗透性。另外,还可以根据需要在混凝土中掺入拌和型阻锈剂,提高诱发钢筋腐蚀的氯离子的临界浓度,增强钢筋混凝土桥梁抗氯离子侵蚀的能力,延长耐久寿命。

高性能混凝土的这些特点为钢筋混凝土桥梁抵抗氯离子侵蚀提供了可靠的屏障。我国香港地区的青马大桥,为了确保混凝土结构的120年使用寿命,采取了多种技术途径,其中采用了复掺5%微硅粉(超细粉)和25%粉煤灰或65%矿渣的海工耐久混凝土等。澳门珠海跨海大桥也非常重视混凝土抗氯离子渗透性问题,采用了粉煤灰高性能(预应力)混凝土等技术措施。

混凝土保护层与钢筋之间是唇齿相依的关系,即使高防腐性能混凝土的强度很高,但其保护层厚度也不应太小,因为混凝土保护层的最小厚度不仅受混凝土结构的耐久性限制,而且也受到钢筋与混凝土协调工作的约束。混凝土保护层应该保证钢筋与混凝土之间能够有效地传递粘结应力。另外,过薄的保护层很容易受到局部损坏、磨损、表层裂缝等意外损伤。理论上,保护层越厚,结构耐久性越好。但实际上,过厚的保护层在硬化过程中其收缩应力和温度应力得不到钢筋的控制,很容易产生裂缝。裂缝的产生会大大削弱混凝土保护层的作用。一般情况下,混凝土保护层厚度不超过80~100mm,具体的尺寸应根据结构设计确定。

值得注意的是,高性能混凝土胶凝材料用量比较大,易产生干缩裂纹,早期应该注意做好养护工作,也可掺加适量膨胀剂减少混凝土表面裂纹。

3.2 其他防腐技术

目前的防锈措施主要有防锈涂层法、电化学保护法、惰化钢筋法和防锈混凝土等方法,这些防腐措施基本上属于外在的附加防腐措施,是在混凝土不能提供有效的防腐蚀效果的基础上而采用的。

涂层法主要包括混凝土表面涂层、混凝土表面聚合物浸渍、钢筋表面涂层等,这类方法主要通过设置致密层切断氯离子或其他侵蚀介质到达钢筋表面的路径而达到防止钢筋腐蚀的目的。

电化学保护法主要有牺牲阳极阴极保护、外加电流阴极保护、电化学除盐等方法,阴极保护方法主要通过补偿铁原子失去的电子而达到防止钢筋锈蚀的目的,电化学除盐主要是利用电学方法将混凝土中的氯离子脱离出来、降低混凝土中氯离子的含量而达到保护混凝土中钢筋的目的。

惰化钢筋法主要通过采用不锈钢筋、碳纤维棒等活性低的金属或惰性材料部分或全部代钢筋。

这些方法施工技术要求高,工艺比较复杂,后期维护费用高,目前大多应用于大型重要钢筋混凝土桥梁的重点部位或重要构件的辅助防腐,或者应用于结构腐蚀以后的补救措施。多数外部防腐技术措施是大量混凝土结构耐久性凸现不足之后应运而生的。

另外,有些防腐措施还受到许多因素的制约,如阴极保护技术、电化学除盐技术在应用于预应力钢筋混凝土桥梁时需要特别慎重,如果应用不好,反而会导致钢筋析氢腐蚀,加速结构的破坏等。

4 结束语

在一般建筑结构、桥梁结构方面,高性能混凝土是随着结构向高层化、大跨度化方向发展而发展的,其使用年限要求已不再只是几十年,而是上百年,因此要求混凝土具有很高的耐久性。对于海潮作用区以及在其它恶劣环境条件下服役的工程结构,高性能混凝土的发展随着人们对钢筋混凝土结构耐久性破坏机理认识的不断深入而日益迫切。我国于2001年5月开始实施的《海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范》中对海港工程明确提出:对处于浪溅区的混凝土结构宜采用高性能混凝土。高性能混凝土是一种新型高技术混凝土,根据设计要求不仅可以大幅度提高混凝土强度,而且可以明显改善混凝土结构的耐久性能和其他性能,适应了现代社会中改善和保护环境、节省资源和能源的需要,在未来的土木工程中必将有广阔的应用前景。

参考文献