跨海大桥钢筋混凝土结构防腐研究

跨海大桥钢筋混凝土结构防腐研究摘要本文总结我国多座跨海大桥项目的钢筋混凝土结构防腐性实施方案的有关经验，从钢筋混凝土结构钢筋腐蚀原理、跨海大桥防护范围、材料技术上常用的防护措施、跨海大桥设计上的措施、构造上的措施、材料及施工上的措施、外加阻锈剂防护等方面进行详细论述。关键词钢筋混凝土；钢筋；建造设计；防腐0引言跨海大桥钢筋腐蚀主要是由于桥梁钢筋混凝土受到氯离子腐蚀造成。氯离子是一种强阳性的活化剂，当桥梁钢筋被氯离子渗透时，而且氯离子浓度达到一定的程度，此时桥梁钢筋的钝化膜就会遭到氯离子的腐蚀，致使桥梁钢筋产生电化学腐蚀的现象。海洋是桥梁钢筋遭腐蚀的危险地带，是造成桥梁钢筋腐蚀的关键所在。因为海水中富含氯离子而且浓度比较高，一般达到近19克／升。因此，处于海洋环境浪溅区的钢筋混凝土，最容易产生钢筋腐蚀进而遭受破坏。除浪溅区外，跨海大桥钢筋遭受腐蚀的重要区域是水位变动区及大气区。对位于水底下的混凝土，由于受氧条件较差，阴极反应速率非常小，所以相对于其他环境，桥梁钢筋在深水环境下发生腐蚀的速率会低很多。1跨海大桥防护范围由于跨海大桥处于海水环境中，因此，在建造设计上需要对桥梁钢筋混凝土结构采取一系列措施来预防海水腐蚀。对桥梁钢筋混泥土结构防护范围主要包括：桥梁主桥的桥墩、承台和钢筋桩基以及上部结构。另外，需要针对实际海洋环境中大气区、浪溅区、水位变动区和水下区等不同区域的特点，分别采用不同的、具有针对性的防护及保护措施。重点针对桥墩下部、承台及水位变化区的钢筋桩基进行防护。2材料技术上常用的防护措施1）环氧涂层钢筋。在跨海大桥钢筋腐蚀工程中，可通过改变桥梁钢筋与混凝土界面接触方式的措施，来解决桥梁钢筋腐蚀性问题。国外的桥梁工程大多采用环氧涂层钢筋，来对桥面板进行防腐，此类防腐可延长钢筋混凝土结构的使用寿命，一般可长达20年。环氧涂层钢筋在生产过程、长途运输过程以及堆放、组装、浇筑过程中，容易造成环氧涂层局部损坏，从而严重影响防腐性能。因此，环氧涂层钢筋在施工中要求十分严格，成本也较高。跨海大桥项目是否采用环氧涂层钢筋措施进行防腐，可根据实际需要而定。环氧涂层钢筋产品的介绍及使用说明可详见相关资料及《海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范》。2）阴极保护技术。阴极保护技术是通过给钢筋提供一极小阴极电流，来防止钢筋中铁原子因失去电子而遭受腐蚀。根据众多工程实践证明，阴极保护技术是保护桥梁钢筋免受腐蚀的最有效方法，但其缺点是首次投入的工程成本较高。在实际实践中，阴极保护技术多运用在旧桥修补方面。3）高性能混凝土（HPC）理论。不同国家对高性能混凝土理论有不同理解及看法。笔者将国外关于（HPC）的多种理解概括为：混凝土用料经过严格拣选后，再在混凝土中加入高效减水剂和其他辅助材料，使混凝土的使用性能大大提高，其良好性能优点包括：①能够有效进行施工，主要体现在混凝土的高流动性、高粘聚性、高可浇筑性；②提高混凝土的密实度；③大大增加混凝土的抗渗能力和强度；④使混凝土更加耐用。HPC混凝土的成分与性能，综合国内外相关资料主要包括：①水泥含量大于380kg/m3；②水灰比小于0.36；③硅灰含量为45kg/m3；④坍落度大于18cm；⑤超塑化剂用量约为1.5％。实践表明，高性能混凝土强度等级高于C50，其使用年限高达50-100年。4）阻锈剂（RI）。阻锈剂是一种加入钢筋混凝土中的化学物质，能起到阻止或减慢钢筋腐蚀作用。通过加入阻锈剂来阻止或延缓钢筋及电解质界面的电化学反应从而预防钢筋腐蚀。添加阻锈剂是钢筋混凝土外加剂的一种方法。这种方法具有一定的缺点：会导致混凝土强度降低。中国冶金工业部于1998年出台的行业标注——《钢筋阻锈剂使用技术规程》，在使用此方法时可作为详细参考。5）混凝土表面涂层。混凝土表面涂层防腐主要用于海洋环境中浪溅区、水位变化区以及大气区。表面涂层材料及使用说明可详见《海港工程砼结构防腐蚀技术规范》。混凝土表面涂层作用是让海水与混凝土隔离，阻挡海水中氯离子渗入，防止钢筋遭受腐蚀，并避免混凝土碳化。使用混凝土表面涂层防腐方法的不足之处是：①耐用性短；②反复涂覆比较困难；③使用具有限制条件。表面涂层防腐方法能否在钢筋防腐中广泛应用，有待进一步研究与实践。6）外加剂。在钢筋混凝土中加入不同的外加剂，能有效地改善混凝土的性能，并节省投入成本。在实际工程运用中，外加剂的常用类型主要有：高效减水剂、泵送剂及缓凝剂等。3跨海大桥的防护措施根据相关工程实践经验，对钢筋混凝土结构腐蚀采取防护措施，最重要的是有效提高混凝土结构自身的防腐能力，然后再辅以其他辅助的保护措施。防腐的原则是提高自身防腐是根本，多种措施辅助是重要手段。提高混凝土自身的性能措施主要有：在钢筋混凝土设计、构造和施工等方面采取措施，而其他措施则可采用外加阻锈剂进行防护。3.1设计上的措施钢筋混凝土在设计上采用的措施主要包括：1）钢筋混凝土构件具有的裂缝，宽度不允许大于0.1毫米。2）混凝土结构上采用全预应力构件进行设计，温变组合下容许某些截面产生主拉应力，但主拉应力应该高低于1MPa。3）确保海洋环境中浪溅区、水位变动区和大气区结构部位不产生开裂问题。3.2构造上的措施钢筋在构造上的防护措施有如下三点：1）在钢筋混凝土构造上，适当提高主筋保护层厚度，是为了能够防止海水中氯离子迅速深透到钢筋周围，以延长氯离子到达破坏钢筋钝化膜临界值的时间，并预防混凝土产生碳化。提高主筋保护厚度也是为了稳定钢筋钝化膜，有效保护钢筋。大多数跨海大桥主跨钢筋最小保护层厚度需达到如下数值：主跨钢筋基础、桩基础达到10cm；墩台身达5cm；钢筋上部结构梁（主筋）要求达到4cm；行车道板达3cm；中央分隔带护栏为7cm；箍筋要达3cm；收缩、分布及架立钢筋需达到3cm。2）对大体积钢筋混凝土的承台，要求设置冷却水管，要进行分层浇筑，以及铺设足够数量的防裂钢筋，且必须在施工过程中严格控制好内部温度。3）承台及系梁顶面应考虑设置不小于3％的排水坡面，并顶部的平整度进行有效的控制，以防止积水。3.3材料及施工上的措施对于混凝土材料保护、预防措施可采取：1）严禁在钢筋混凝土中加入氯化钠、氯化钙等氯盐物质。2）在钢筋混凝土中添加外加剂，如粉煤灰、硅灰等，能防止氯离子渗透，更能减少水化热以及防止泌水。3）在海洋环境中，浪溅区采用性能比较高的混凝土（HPC），可以提高混凝土的强度，增加混凝土的密实度，高性能混凝土更具有有效的施工性、抗渗性以及耐用性。高性能混凝土成分与性能有：高性能混凝土强度级别采用C50级；水灰比一般小于0.35；坍落度在18-23cm之间；粗集料直径10-15mm之间，强度高于混凝土强度；辅助凝胶材料包括有：粉煤灰约为20％、硅灰约为10％；水泥用量达到420kg/m3；高效减水剂，也称超塑化剂，要求达FDN0.8％。4）在混凝土配制中要注意水灰比和水泥用量，水灰比要求小于0.4，以保证混泥土耐久性。水泥用量要高于420kg/m3，水灰比和水泥用量可参考美国规范以及我国桥涵施工技术规范使用资料，确保海洋环境中水位变动区和水下区最大水灰比达到施工规定，且海水环境中最低水泥用量也能达到要求。5）施工中对下水桩基钢护筒，首先要根据钢护筒使用年限计算其腐蚀厚度，才能决定护筒的厚度。对于海水中水位变化区的钢护筒，可根据计算分析结果对钢护筒局部增加厚度。6）对于钢筋承台施工，必须严格控制入模温度变化，温差不能过大，并要求进行分层浇筑，且冷却管需要设置降温，以预防水化热因温差变化过大产生裂缝。7）钢筋混凝土中不得渗入碱活性成分物质，碱活性成分物质包括：隐微晶石英、硅质石灰岩、白云石质石灰岩等。如果在混凝土中加入低碱水泥，成分含K20、Na20含量小于0.6％，混凝土含碱量不能大于3kg/m3，避免与碱活性成分物质发生反应，造成混凝土膨胀开裂，使混凝土结构遭到破坏。一般常用低水化热水泥或加入粉煤灰来达到降低水化热的目的。8）控制钢筋混凝土构件中氯离子的含量。分析数据表明，当混凝土中氯离子含量占水泥总量0.2％时，会造成钢筋混凝土锈蚀，因此混凝土中氯离子含量占水泥总量比例不得高于0.2％，并控制混凝土中水和砂石的氯离子含量。采用自来水进行拌和，氯离子含量在200-250mg/L之间。3.4外加阻锈剂防护承台桥墩下部位于海水中浪溅区，除上述防护措施在施工中采用外，还可以渗入外加阻锈剂来加强钢筋达到防腐作用，此方法建议渗入2％亚硝酸钙阻锈剂。4总结在跨海大桥设计及施工中，钢筋混凝土材料设计或保护措施都十分重要。在跨海大桥施工技术上，钢筋混凝土防腐措施需有待研究，相关的防腐材料也有待进一步的研究开发，只有在实践中不断探索，才能取得更理想的效果。参考文献[1]王东晖.杭州湾大桥混凝土结构防腐方案构思[J].铁道标准设计,2003,05.[2]王文铮.钢筋混凝土桥梁结构耐久性问题及对策[J].广州建筑,2006,01.[3]黄铁生,张强.钢筋混凝土桥梁结构耐久性浅探[J].铁道标准设计,2005,06.[4]王德志,陈顺平.温福铁路桥梁结构耐久性设计[J].铁道标准设计,2005,11.[5]安琳,郑亚明.锈坑应力集中对钢筋力学性能的影响[J].东南大学学报(自然科学版),2005,06.注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文