处于海水环境中的混凝土桥梁结构,由于氯盐环境的影响导致结构内的钢筋极易锈蚀,进而大幅度降低了桥梁的使用寿命,对结构的安全也带来了危害。简要分析了海水环境下桥梁结构腐蚀的原因,并就海水环境下的桥梁结构防腐耐久性技术措施从结构形式、构造及材料选择等几个方面进行分析论述。最后,针对北方海洋环境下桥梁的设计和施工,提出具体的提高桥梁抗腐蚀性的技术措施。
1 海水环境下的桥梁结构腐蚀原因分析
一般来讲,混凝土内部的高碱性能使钢筋表面形成一层钝化膜,保护钢筋免受锈蚀。而钢筋锈蚀往往也就开始于其表面钝化膜的破坏。在海水环境下,它的破坏主要有以下原因导致:
首先是供氧不足。一般来讲,钢筋表面钝化膜要保持良好需要一定浓度的氧流量(一般为0. 2~0. 3mA/m2),而水下环境的氧流量一般很低,进而导致钝化膜的厚度逐渐减小直至完全消失,导致钢筋非常缓慢的腐蚀。
再有,海水环境下的桥梁结构由于经常与海水接触并处于潮湿环境中,因各种原材料挟进混凝土中的氯离子以及海水中的大量氯离子不断渗入到钢筋周围,当此氯离子含量达到某一临界值时,钢筋的钝化膜开始破坏,丧失对钢筋的保护作用,从而引起钢筋锈蚀,削弱其有效断面,并引起膨胀,进而破坏混凝土保护层,形成恶性循环,加速混凝土结构破坏,使桥梁使用寿命受到严重威胁。因此,必须进行防腐蚀耐久性设计,保证混凝土结构在设计使用年限内的安全和正常使用功能。
2 桥梁结构混凝土防腐蚀耐久性设计
桥梁结构混凝土防腐蚀耐久性设计,应针对结构预定功能和所处的环境条件,选择合理的结构形式、构造和抗腐蚀性、抗渗性好的优质混凝土;对处于浪溅区和水位变动区的桥梁下部结构,宜采用高性能混凝土,或同时采用特殊的防腐措施,同时宜采用焊接性能好的钢筋。 首先,从结构形式和构造上看,处于海水环境的桥梁结构,构件截面几何形状应简单、平顺,减少棱角,以避免结构断面的突变而导致应力集中。结构构件应方便施工,易于成型。结构形式应便于对桥梁关键部位进行检修和维护,应设置必要的检测、维护和采取补充保护措施的设施和通道。同时,对处于腐蚀较严重部位的构件,应考虑其易于更换的可行性。
从具体构造上考虑,由于配筋的密集将导致混凝土浇注不均匀,使混凝土拌和物在浇注中出现离析,从而导致混凝土的不密实或呈蜂窝状。因此,桥梁的上下部构件中钢筋间距应能保证混凝土浇注均匀和捣实,应保证其最小间距不小于5cm,当配筋量较大时,也可考虑受力钢筋并置的构造措施。
对结构断面突变处,除按受力需要设置必要的受力钢筋外,还应充分考虑该断面出现应力集中的可能性,应设置充足数量的构造钢筋。另外,对于跨越施工缝的位置应设置必要数量的骑缝构造钢筋。构造钢筋面积的最小值应不低于构件截面积的0.05%,间距不宜大于25cm。 对大吨位支座或预应力锚下等集中力作用的暴露部位应验算局部拉应力,必要时应采取特殊的防腐措施。
桥梁下部结构中可能受到船舶、漂流物、流冰或海水冲击异常剧烈的部位,应配置附加钢筋或采用纤维混凝土,必要时也可考虑设置砌石护裙。
混凝土保护层对钢筋的防腐蚀极为重要。首先,增加保护层厚度可明显地推迟腐蚀介子(氯离子)到达钢筋表面的时间;其次可增加抵抗钢筋腐蚀造成的胀裂力。因此,为防止海水环境中桥梁构件过早地发生钢筋腐蚀破坏,除了要求混凝土保护层要有良好的质量外(高密实性),尚应满足合适的保护层厚度。
海水环境按规范要求定义为Ⅲ类环境类别,为进一步提高结构的耐久性,按规范规定混凝土构件的普通钢筋或预应力钢筋最小保护层厚度应满足表1。 序号
构件类型
环境类别Ⅲ
1 2 3 4 5 6 基础、桩基承台基坑底面有垫层或侧面有模板（受力主筋） 基坑底面无垫层或侧面有模板（受力主筋） 墩台身、挡土结构、涵洞、梁板、拱圈、拱上建筑（受力主筋
人行道构件 箍筋
缘石、中央分隔带、护栏等行车道构件 收缩、温度、分布、防裂等表层钢筋
60mm 85mm 45mm 30mm 30mm 45mm 25mm
注：对宜受冰凌等漂流物磨损或撞击的部位，钢筋保护层的厚度应适当加大。
由于浇筑在混凝土中并暴露在外的临时或永久的吊环、紧固件、预埋件等的锈蚀都将扩散,若与混凝土构件中的其它钢筋接触,则构成构件内宏观的腐蚀电偶,进而加剧了构件内钢筋和埋入件的锈蚀。因此,要求这类埋入件应与构件内的其它钢筋绝缘设置,否则应采用牺牲阳极保护。
对封闭预应力锚具的混凝土质量应高于构件本体混凝土质量,其水灰比不应大于0. 4,其厚度应大于90mm。
另外,从采用的混凝土材料来看,处于海水环境中的桥梁结构工程的混凝土原材料除满足强度要求以外,还应充分考虑环境条件的影响,应具有抗腐蚀性、抗渗性,即具有所需要的耐久性。 对采用的水泥材料宜采用硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥及粉煤灰硅酸盐水泥等。其中,对于受冻地区的混凝土宜采用硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥,而不宜采用火山灰质硅酸盐水泥。当采用矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥及粉煤灰硅酸盐水泥时,宜同时掺加减水剂或高效减水剂。
混凝土中的骨料应选用质地坚固耐久,具有良好级配的天然河砂、碎石或卵石。细骨料不宜采用海砂,当必须采用海砂时,应严格控制海砂带入混凝土的氯离子量,可通过掺加适量亚硝酸钙等阻锈剂来减少氯离子含量。
混凝土中粗骨料与水泥沙浆的接触面一般是薄弱环节,海水中的氯离子容易从该界面渗入钢筋周围,为提高混凝土保护层抗氯离子的渗透能力,要求粗骨料最大粒径应小于保护层厚度,应按照构件尺寸、钢筋直径和结构受影响的位置合理确定。
同时,应严格限制混凝土拌和水中氯离子的含量不大于200mg/L。 对采用硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥拌制混凝土的,宜适当掺加优质掺和物,如粒化高炉矿渣、粉煤灰、硅灰等活性掺和料来改善混凝土性能,特别是改善混凝土抗氯离子渗透的性能,增强对钢筋的防护性能。
为保证混凝土的耐久性,设计和施工中,应根据混凝土种类、环境条件等对混凝土拌和物中的氯离子总量加以限制,如对预应力混凝土构件,混凝土拌和物中氯离子含量的最大限值为0. 06,而钢筋混凝土构件为0. 10。
影响混凝土抗冻性、抗渗性和防止钢筋腐蚀的主要因素是它的渗透性,因此要求混凝土应尽可能密实、均匀。为此,除了要求选择级配良好的骨料和精心施工保证混凝土充分振捣以及采用适当的养护方法来保证水泥充分水化热外,还应根据具体环境条件及混凝土在桥梁构造物中所处的部位确定合理的水灰比、混凝土强度和水泥用量来获得耐久性良好的混凝土。 为了进一步提高海水环境下混凝土构件抗腐蚀能力,设计中还应考虑采用高性能混凝土作为优选的技术方案,尤其对处于浪溅区和水位频繁变动区的桥梁下部构件。
高性能混凝土主要是通过混凝土内掺加火山灰质材料微硅粉、磨细矿渣或火山灰,使氯离子在混凝土中的渗透速率降低、混凝土电阻率增加,从而延迟锈蚀的开始和降低锈蚀开始后的锈蚀速率。其中,超细材料能有效降低混凝土孔隙尺寸和阻断毛细孔,因此能够大幅度降低混凝土的渗透性,大大降低炭化和氯离子渗透对钢筋的危害。
从上面的分析可以看出,高性能混凝土不但具有良好的护筋性能,同时还具有良好的综合耐久性如抗硫酸盐腐蚀性、耐磨性、耐化学腐蚀性和防止混凝土碱骨料反应等;此外,高性能混凝土的施工质量也容易得到保证。
另外,也可以根据具体情况采用如阻锈剂、环氧涂层钢筋、混凝土表面涂层或阴极保护等辅助措施来延缓钢筋的腐蚀。
3 对海洋环境下桥梁设计的建议
处于海洋环境下的桥梁,尤其在北方寒冷地区,考虑到桥位处处于海潮潮汐影响区域,且有流冰和气温变化的影响。设计中应充分考虑海水及空气中盐分对桥梁上下部结构、流冰对桥梁下部结构以及气温变化对混凝土结构冻融的影响。
根据国内外部分跨海桥梁的设计建设经验,对海洋环境下的桥梁,设计和施工中应着重考虑以下几个方面:
(1) 作好桥位处潮汐的水文分析,详细调查最低、最高流冰水位结合桥位处的地形特点,设计
和施工过程中应详细了解桥位处的潮汐规律,做好潮汐水文分析,确定设计频率下的最高潮位、最低潮位和设计流速。同时,结合北方地区冬季比较寒冷的特点,了解该地区初冬和开春季节的流冰情况,根据调查确定流冰规模、大小和最高及最低流冰水位。并依此作为桥梁孔径选择、桥梁下部结构设计和合理确定施工及防护方案的依据。
(2) 合理确定桥位处的环境类别根据有关规范规定,对于海水中的桥梁工程,根据其各部构造
位置和功能可划分为不同的环境类别。如对于桥梁上部结构和墩台台帽,除特殊情况外,其一般不与海水接触,考虑本地区空气中除含有一定的盐分外无其它腐蚀性,可按Ⅱ类环境考虑。而桥墩、承台及基础部分因主要与海水接触,可统一按Ⅲ类环境考虑,同时根据其位置的不同可依次划分为大气区(桥墩上部)、浪溅区(桥墩中部)、水位变动区(桥墩下部和承台上部)和水下区(承台下部和桩基础)。
除按上述要求划分环境类别外,对处于北方寒冷环境下的桥梁还应考虑因温度变化对混凝土构件产生的冻融影响。尤其应充分考虑冬季主要迎风面海盐浓度的增加,且与冻融的共同作用,极易造成混凝土构件的盐冻破坏,影响结构的耐久性。因此,即使是按Ⅱ类环境考虑的构件,设计上也应采取具体技术措施来保证结构的耐久性。
(3) 上部结构采用全预应力构件处于海洋大气环境中的上部结构除直接受到大气中的氯离
子渗透作用外,也会因荷载作用、温度、收缩及徐变等作用产生变形和裂缝。为进一步防止桥梁上部结构的腐蚀,提高桥梁结构的耐久性,建议桥梁上部结构尽可能采用全预应力构件,以避免裂缝的发生。当不可避免需要采用部分预应力构件或钢筋混凝土构件时,应适当加强钢筋构造,或采用高性能混凝土,必要时混凝土表面涂刷防腐涂层,以最大程度的限制裂缝的开展和提高结构的耐久性。 (4) 作好桥面的排水处理
由于桥面排水系统不畅,或桥面因采用除雪盐等含有腐蚀性的水分对上部结构或下部墩台可能造成侵蚀,造成混凝土表面剥离、钢筋外露和腐蚀,严重时对结构安全带来隐患,同时降低桥梁使用寿命和结构耐久性。因此,桥面必须设置集中排水通道来尽快排除桥面水。 (5)注意上部结构的细部构造处理
前面提到,对处于海水环境的桥梁结构,上下部各构件截面几何形状应简单、平顺,减少棱角,以避免结构断面的突变而导致应力集中。结构构件应方便施工,易于成型,保证混凝土密实。如上部结构尽可能采用集中预制的标准构件,T梁结构的腹板宽度变化应平顺,现浇箱梁结构的底板两端及悬臂板根部、墩台帽和墩身棱边宜设置倒圆或倒角等。同时,对于梁端封锚混凝土应保证厚度和质量,对于支座顶面和底面的钢板应采取防腐处理等。 (6)合理确定基础、承台顶面、底面高程
根据我国有掩护海港的调查分析,钢筋锈蚀最严重的部位一般位于设计高水位以上1. 0m至
设计高水位以下0. 8m的区段。而常年在水位以下的部位很少有腐蚀损坏,其它部位介于二者之间。考虑上述情况,同时结合本地区的最高和最低流冰水位以及施工的难易程度,建议承台底面、桩基础顶面最好设置在最低流冰线以下不小于冰厚度+0. 5m处,以防止流冰对桩基的撞击。而承台顶面最好设置在设计高水位以下0. 8+0. 5m以下,减少水位变动对承台的影响。 (7)下部结构采用高性能混凝土结构
对于处于海水环境中的桥梁下部结构,由于长期受到海水浸泡、冲蚀及流冰、船舶及漂流物的撞击和环境冻融的影响。若采用一般的混凝土,无疑将导致结构的耐久性降低,对结构安全和使用寿命带来危害。结合海湾地区的实际情况,建议海湾桥的下部结构采用高性能混凝土,即采用C45以上混凝土,混凝土中掺加适量的优质粉煤灰和微硅粉等矿物掺和料,为防止冻融影响,可掺入适量的引气剂,经科学的选择组成材料和进行混凝土配合比设计,再通过良好的施工工艺,从而获得具有高耐久性的高性能混凝土,有效的防止氯离子渗透,提高混凝土强度,近而全面提高结构的耐久性和延长结构的工作寿命。 (8)做好下部结构的防冰撞构造
考虑到每年冬初和开春季节海面上流冰比较严重,即使海面封冻季节,受潮汐影响,海面上的冰也随水位的变化而上下起伏,进而无时无刻不对桥梁下部墩身产生撞击、挤压和摩擦,导致桥墩身混凝土破损、剥落。因此,对处于有流冰环境的桥梁应设置防冰撞设施。一般是采用浆砌块石的护冰围裙。施工时先砌筑围裙,采用高标号环氧树脂水泥砂浆勾缝,后浇注墩身混凝土。护冰围裙的设置范围为最高和最低流冰水位以上和以下不小于50cm。 4 结束语
目前,在世界范围内,海水环境往往是混凝土快速劣化的重灾区,因此工程界对新建的所有海洋环境下的工程,包括桥梁工程都对混凝土的耐久性提出了严格的要求。我国目前正处于大规模的公路、铁路建设和发展时期,应重视氯盐环境,尤其是海水环境对混凝土结构的危害,在新建工程中广泛推广采用新的技术、工艺和正确的技术对策,避免重复发达国家曾经走过的弯路。
处于海水环境中的混凝土桥梁结构
