F-青岛海湾大桥建设条件及结构耐久性技术保障措施

青岛海湾大桥建设条件及结构耐久性技术保障措施青岛海湾大桥建设指挥部郭保林主要内容•1.大桥概况•2.大桥建设条件•3.混凝土耐久性设计及参数指标•4.保障混凝土耐久性的技术措施•5.钢筋混凝土结构耐久性保障措施•6.结构耐久性保障措施实施难点•7.关于试验方法的探讨•1.1地理位置•1.2投资、建设、运营模式•1.3主体结构组成•1.4典型构造物1.青岛海湾大桥概况1.1地理位置青岛海湾大桥青岛至银川高速公路国道主干线青岛至兰州高速公路的起点段，位于青岛市胶州湾内，连接青、红、黄岛。我国北方寒冷冰冻海域的首座特大型桥梁集群工程胶州湾高速公路青岛海湾大桥青岛-黄岛海底隧道1.2投资、建设、运营模式•采取特许经营权模式运作，全球公开招标确定项目法人；•山东高速集团中标，承担大桥的投资、建设、运营、维护以及胶州湾高速的拓宽；•特许经营期内，与胶州湾高速捆绑经营。90.4亿元3.5年2010年底25年大桥规模：全长35.4km，一期28.9km,海上段27.1km,陆上0.8km;红岛连接线1.3km通航孔桥：沧口航道桥、红岛航道桥、大沽河航道桥；互通两个：李村河互通、红岛互通青岛胶州湾青岛海湾大桥沧口航道红岛航道李村河互通红岛互通大沽河航道红岛连接线红岛黄岛收费站标识站收费站1.3主体结构组成•1.4.1钻孔灌注桩•1.4.2承台•1.4.3墩身•1.4.4箱梁•1.4.5塔柱•1.4.6湿接头•1.4.7防撞墙1.4典型混凝土构造物1.4.1钻孔灌注桩桩基直径1.2~2.5m；独桩独柱/群桩。1.4.2承台排出海水直至涂装验收7m×7m×2.5m钢模板+CPF钢套箱承台采取HPC+CPF+涂层1.4.3墩身•钢围堰排水•围堰内立钢模•钢模内贴CPF•带CPF养护3天•保湿养护14天•18天龄期涂装•7天后检测涂层•验收后拆围堰1.4.4箱梁主线采用工场预制海上吊装60m，2000t（5孔一联）连接线、匝道滑移模架现浇30，40，50m（2~3孔一联）1.4.5塔柱主塔爬模施工（4.5m/节），初期防风保温处理1.4.6湿接头两片预制梁接合处顺梁长度方向：最宽处1.4m，最窄处0.8m永久支座灌浆之后，支模、浇筑、养护湿接头与箱梁接合部位采取硅烷浸渍防腐处理1.4.7防撞墙本桥的防撞墙尚未施工鉴于济南某高架桥防撞墙（经过1个冬季后）提前破坏的教训本桥对防撞墙的抗冻能力作了明确规定（300次，DF＞75%）2.大桥建设条件•2.1气候条件•2.2水域条件2.1气候条件桥位区属季风气候区，季节变化较明显。•冬半年（10月至翌年的3月）呈大陆性气候特点；12月下旬开始结冰，2月中旬消失，冰期约60天；冻融循环是影响大桥钢筋混凝土结构耐久性的关键因素之一。•夏半年（4月至9月）空气湿润，雨量充沛，日温差小，呈现海洋性气候特征；月平均温度16~25℃。桥位区海冰严重2.2水域条件•胶州湾内海水含盐度较外海高，湾内有盐场；•海水含盐度高是影响大桥钢筋混凝土结构耐久性的关键因素之二；项目青岛海湾大桥杭州湾跨海大桥东海大桥含盐度29.4～32.9‰10～15‰10～25‰3.混凝土耐久性设计及参数指标•3.1提高混凝土耐久性的重要性•3.2不同构造物的服役年限•3.3服役环境分区及作用等级•3.4混凝土耐久性参数设计3.1提高混凝土耐久性的重要性除通航孔桥采用钢结构以外，其他结构均采用钢筋混凝土结构，全桥共用混凝土200多万方。无论是从可持续发展还是从节约维护成本的角度，提高大桥混凝土的耐久性是保障大桥合理投资、高效运营、利润最大化的根本手段。根据大桥的服务寿命、结构型式和服役环境等特点，提出需重点控制混凝土的抗氯离子渗透性和抗冻融耐久性。3.2不同构造物的服役年限服役年限要求的不同，决定了耐久性设计的等级。混凝土结构主要包括：钻孔灌注桩、承台、墩身、塔柱、箱梁、湿接头、防撞墙。下部结构（桩、承台、墩身）及承载的上部结构（塔柱、箱梁、湿接头）均属于服役期内不可更换部分，其服役年限与大桥相同；而防撞墙属于可更换部分，允许在大桥服役期内进行更换。3.3服役环境分区防腐涂层范围：承台底~+6.0米根据胶州湾海域100年一遇的设计波要素划分出服役环境的界限，作为耐久性设计的依据3.3服役环境作用等级中交四航工程研究院提供3.4混凝土耐久性参数设计中交四航工程研究院提供4.保障混凝土耐久性的技术措施胶州湾海域的高含盐度以及每年50次左右的自然冻融循环是大桥混凝土耐久性必须解决的根本技术问题。抗氯离子渗透能力高和抗冻融耐久性高的混凝土对该桥而言就是高性能混凝土。4.1原材料的选择4.2混凝土的配制4.3混凝土的施工4.4混凝土的养护4.1原材料的选择原材料主要包括水泥、粉煤灰、磨细矿粉、聚羧酸系减水剂、引气剂、砂、碎石、水。★粉煤灰—烧失量（≤5%）、需水量比（≤100%）★磨细矿粉—烧失量（≤3%）、活性指数28d（≥90%）、比表面积（360~440m2/kg）★聚羧酸系减水剂—非预应力砼结构Air≤4%；预应力砼结构的Air≤2%；4.2混凝土的配制参考《混凝土结构耐久性设计与施工指南》，《混凝土和混凝土结构耐久性的欧洲标准》，《高性能混凝土》，《混凝土结构耐久性设计规范》（送审稿），《铁路混凝土结构耐久性暂行规定》等相关规范。主要采取如下技术措施来保证混凝土的耐久性：大掺量矿物掺合料（50~65%）适当降低水胶比（0.38~0.31）适当引气（4~6%，3~4%）提高抗Cl-渗透性提高抗冻融能力4.3混凝土的施工•组分较多—适当延长搅拌时间（2.5~3min）•大体积构件—控制混凝土入模温度（28~30℃）•海水侵蚀机会大—钢围堰不间断抽水[()b(c(]Qfa混凝土的质量设计水平，材料质量），施工质量）若施工没有保证，其他都是空谈！4.4混凝土的养护•立面结构—承台、墩身侧面☆早期保湿养护—采用有蓄水功能的CPF，3天拆模☆持续保湿养护—薄膜包裹，顶部持续淋淡水至14d龄期•立面结构—箱梁侧壁☆拆模后喷洒养护剂•平面结构—承台、墩身顶，箱梁顶☆土工布撒水、新型高效节水养护膜5.钢筋混凝土结构耐久性保障措施•5.1根本措施•5.2辅助措施5.1根本措施•5.1.1海工高性能混凝土（抗氯离子渗透，抗冻融循环）•5.1.2设计合理的钢筋保护层厚度5.1.1海工高性能混凝土•降低胶凝材料用量—选择优质集料，合理配置砂石比例，提高单方集料用量，使用高效减水剂；•大掺量矿物掺合料（≈65%）+低水胶比（0.38~0.35）+引气—下部结构（桩基、承台、墩身）•低水胶比（0.32）+大掺量矿物掺合料（≈50%—矿粉为主）+引气—上部结构（箱梁、塔柱）抗渗、抗冻、防撞张拉龄期，除冰盐破坏5.1.2设计合理的钢筋保护层厚度5.2辅助措施•5.2.1钢护筒—钻孔灌注桩•5.2.2透水模板布—承台、墩身•5.2.3混凝土套箱—承台•5.2.4有机涂层防护—承台底~6.0m高程•5.2.5外加电流阴极保护—通航孔桥承台、塔柱•5.2.6有机硅烷类浸渍防护—箱梁湿接头5.2.1钢护筒—钻孔灌注桩12mm厚钢板灌注桩一般低潮位不露出水面钢材在缺氧条件下腐蚀速率较慢砼可在绝湿恒温条件下养护数十年此后混凝土的质量如何？更好？！立钢围堰前5.2.2使用透水模板布（CPF）•CPF是粘附于钢性模板内壁与混凝土接触，能够排出结构表面混凝土的多余拌合水的产品；•一般为2~3层结构，分别具有透水透气和排水功能；•市面上CPF种类及代表产品：排水—德国Zemdrain、Classic，日本CDMAT-100等排水+蓄水—丹麦Formtex，中国TJ80-X等CPF施工及作用机理CPF+钢板立模多种CPF对比试验排出表面水分CPF粘结使用CPF后效果普通钢模板CPF表层下2~3mm即有可视气泡CPF表面几乎无可视气泡带CPF养护3d+7d回弹硬度提高30%CPF对表面混凝土抗渗性改善1.6620.1230.3070.4520.0830000.20.40.60.811.21.41.61.82普通钢模Formtex银江ZemdrainClassicCDMAT-100硅烷防水涂料佐敦防污漆氯离子扩散系数（10-12m2/s)常规方法（电通量法和RCM法）均无法评价CPF对结构表层混凝土抗渗性的改善；CPF只能改善结构表面下很小的范围，改善范围的界定以及改善程度的梯度尚未解析出。采用英国女王大学开发的PERMIT与清华大学联合对多种CPF、硅烷、有机涂层进行了抗渗性测试5.2.3混凝土套箱—承台场内预制封底止水长效止水1.概念设计—现浇改预制2.封底止水—保证干施工3.体系转换—吊装改支撑4.消能设计—套箱不开裂5.长效止水—提高耐久性体系转换消能设计5.2.4有机涂层防护•隔绝外界侵蚀性介质H2O、Cl-、O2、CO2、SO42-冻融破坏氯盐污染AAR钢筋锈蚀硫酸盐腐蚀青岛海湾大桥对潮差区和浪溅区的承台、墩身进行有机涂层防护承台、墩身涂装承台底~6.0m高程范围内全部涂装；分三层施工（封闭底漆+中间漆+面漆）对混凝土表面的开口孔大小、数量和混凝土表面含水率要求较高CPF5.2.5外加电流阴极防护/保护对于混凝土耐久性而言外加电流阴极防护/保护属于辅助措施，但对于钢筋混凝土结构耐久性而言，却属于根本措施；•对新建钢筋混凝土结构通较低的电流即可避免钢筋锈蚀—防护作用；•对旧有钢筋混凝土结构需通较大的保护电流才能阻止钢筋的进一步锈蚀—保护作用。钛网的固定及绝缘监控必须避免钛网与钢筋接触造成短路。在施工和浇注混凝土期间要实时监控以保证电绝缘。5.2.6有机硅烷类浸渍防护涂覆工艺对混凝土基底要求较低，可直接在混凝土表面涂刷涂刷数日后，硅烷的颜色消失，混凝土恢复以前颜色；颜色逐渐消失一方面可扩大其适用范围，但也为偷工减料提供了便利，这可能限制了其在国内的推广。6.结构耐久性保障措施实施难点•6.1热季大体积混凝土结构施工•6.2寒季薄壁箱梁施工•6.3施工期防止钢筋污染•6.4寒季下部结构涂层施工•6.5涂层本身的生化防护•6.6湿接头混凝土抗裂•6.7支座灌浆材料的选择6.1热季大体积混凝土结构施工主塔承台尺寸：≡23.25m×⊥42m×∟6m=5187.7m3两层浇筑（3m+3m）；共四层冷却水管粗细集料35℃+水泥、矿粉55℃+粉煤灰30℃+0℃冰水=31℃砼；20kg冰屑+0℃冰水=27℃砼；28℃的入模温度要求在2600m3海上连续浇筑情况下难以保证；入模温度与浇筑后保温选择控制。冰水混合物，实测水温0℃每方加入20kg冰屑6.2寒季薄壁箱梁施工为了提高施工进度，现正筹划冬季预制正在搭设暖棚，拟采用蒸养方式难点是如何有效保温、控制降温速率最薄处仅有22cm箱梁胶材含量高水泥比例高水胶比低拆模后温度骤降可能造成温度裂缝6.3施工期防止钢筋污染浇筑细节及时清理分层浇筑大体积结构浇筑时间长热季施工混凝土失水快分层浇筑浇筑间隔时间长钢筋间距小混凝土容易滞留6.4寒季下部结构涂层施工胶州湾海域冰期从12月~次年2月海上会有浮冰混凝土表面冰膜环境温度影响混凝土与涂层粘结性能的最关键的自然因素涂层低温固化性能影响混凝土与涂层粘结性能的材料方面因素寒季涂装质量控制6.5涂层本身的生化防护青岛栈桥墩柱海蛎子裹覆局部图（无涂层）大桥承台海蛎子常规涂层海蛎子体液pH为6.5，显弱酸性，对混凝土耐久性不利，对涂层稳定性影响未知；用舰船重防污漆可以解决海蛎子裹覆问题，但是胶州湾海域是海产品养殖重点区域；军舰用防污漆6.6湿接头混凝土抗裂6.7支座灌浆材料的选择1.作业空间狭小；2.灌浆耐久性要求高；3.灌浆工作性要求高；4.环氧类对界面要求干；5.水泥基类对界面要求湿润；6.弹性模量、极限变形能力要求？7.关于试验方法的探讨•7.1碎石压碎值试验•7.2集料碱活性试验方法7.1碎石压碎值试验•压碎值沥青混凝土&碾压混凝土&贫混凝土•母岩饱水抗压强度常规混凝土•母岩抗压强度&压碎值视骨料用途、母岩种类及代表性、风化程度而选择使用7.2集料碱活性试验方法•“碱”的概念？R2O?ROH?RCl?=Na2O?•快速试