汪 洋

(江蘇省永超建設有限公司，江蘇連云港 222001)

沿海橋梁混凝土結構將遭受遠比內陸更為嚴峻的自然環(huán)境考驗，如海風、海霧、海浪、海水等腐蝕作用，橋梁混凝土中鋼筋可能發(fā)生腐蝕，將會大大降低了橋梁結構的使用壽命。如2000年5月20日美國North Carolina某高速公路橋由于鋼筋腐蝕疲勞破壞而發(fā)生倒塌。因此，對沿海公路橋梁來說，研究和制定科學合理、經濟的混凝土結構防腐蝕技術措施，并進行混凝土結構腐蝕監(jiān)測和評估，保證橋梁結構使用壽命的要求，具有十分重要的意義。

1 國內外研究現(xiàn)狀分析

1.1 混凝土防腐蝕措施

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、經配合比優(yōu)化而制作的，在海洋環(huán)境中具有耐久性及良好工作性能的結構混凝土。20世紀90年代中期交通部四航局科研所即開展了大摻量粉煤灰高性能混凝土研究、抗鹽污染高性能混凝土配制成套技術研究，研究成果突破了傳統(tǒng)使用活性摻合料摻量的規(guī)定，配制的高性能混凝土抗氯離子滲透性和使用壽命可成倍增長。該技術被國內許多海港工程使用，已成為港口工程、跨海橋梁、鐵路工程等交通土木工程領域的新技術，推動了海工混凝土耐久性設計的進程。然而，由于海工混凝土所處環(huán)境的復雜性，影響耐久性參數(shù)眾多，因此各個具體工程建設時必須對耐久性參數(shù)進行調整。目前還未建立一個公認的同時考慮混凝土工作性能、力學性能和耐久性能的配合比設計方法。

為了阻止或減少海洋環(huán)境中氯離子對混凝土結構的侵蝕作用，國內外從20世紀開始對海工混凝土腐蝕防護附加措施開展了大量研究。在混凝土表面涂層方面，開發(fā)了浸入型和隔離性涂層技術，20世紀末在歐美已應用于撒除冰鹽的混凝土橋梁結構。英國謝菲爾德大學與日本海港研究所于1993年研制了一種高彈性的丙烯酸橡膠涂層，特別適合于濕熱的海洋浪濺區(qū)。我國四航局科研所、上海建科院和南京水科院等單位已開發(fā)出憎水型硅烷浸漬涂層和可在潮濕表面施涂固化的隔離性涂層技術，并應用于大型海港工程。如杭州灣跨海大橋承臺以上部分混凝土結構均使用了表面涂層。20世紀70年代開始，美國聯(lián)邦公路管理局對鋼筋阻銹劑進行了大量研究，在美國、加拿大、日本和中東等，阻銹劑應用已有20余年歷史。使用檢查表明，這些結構的阻銹劑含量仍保持不變，即使混凝土中氯化物的含量較高，鋼筋仍保持鈍態(tài)。我國1970年起，湛江港浪濺區(qū)暴露試驗也表明，摻阻銹劑的鋼筋混凝土試件，長期阻銹效果好。我國杭州灣跨海大橋承臺、墩身混凝土使用了阻銹劑。但是，阻銹劑使用時會降低混凝土強度，另外阻銹劑與其他外加劑的相容性需專門研究。陰極保護原理早在鋼筋混凝土成為常用建筑材料之前的1824年即已確立，但應用于海港工程始于20世紀50年代。1995年美國佛羅里達采用預埋鋅合金陽極方式，成功地保護了處于潮濕的跨海橋墩和樁帽的潮差段鋼筋。1998年日本采用膨潤土加水調成導電膩子回填于鋅合金板和混凝土表面之間的間隙中，確?；芈烽L期低電阻，使海港碼頭浪濺區(qū)混凝土梁板鋼筋受到充分的陰極保護。我國杭州灣跨海大橋主墩承臺、塔座及下塔柱采用歐洲標準設計了外加電流陰極保護。但是只有采用均布于整個被保護表面的陽極系統(tǒng)，才能成功的實施陰極保護，另外該系統(tǒng)成本較高。

綜上所述，盡管目前有海工耐久混凝土技術、混凝土表面防護技術、阻銹劑技術、鋼筋涂層技術、陰極保護技術等，但由于海洋環(huán)境的復雜性，混凝土耐久性很難通過單一措施保證，而必須根據(jù)具體的環(huán)境條件和設計條件，考慮技術和經濟兩方面采取綜合耐久性措施以保證整體耐久性達到設計要求。

1.2 橋梁混凝土結構腐蝕監(jiān)測技術

目前海工混凝土結構耐久性檢測參數(shù)主要是氯離子擴散系數(shù)、氯離子含量及鋼筋腐蝕狀況。關于氯離子擴散系數(shù)的檢測方法主要有自然擴散法、RCM方法及NEL方法等。然而自然擴散法試驗時間太長，一般需要幾十天至幾個月，19世紀80年代美歐采用該方法(AASHTOT259及NT-build443)。90年代瑞典華人L.Tang教授提出氯離子電遷移快速試驗方法(RCM)，并研制RCM測定儀。該方法已納入我國GB/T 50476-2008混凝土結構耐久性設計規(guī)范。但上述方法都有一個共同的特點，即需要取樣在實驗室操作，無法在現(xiàn)場對既有結構進行檢測。針對這一問題，英國Belfast女王大學開發(fā)研制了PERMIT離子遷移儀，可在實驗室及現(xiàn)場對混凝土抗氯離子侵入的能力進行檢測。檢測結果可提供混凝土的電阻率、最大電流及現(xiàn)場氯離子擴散系數(shù)。關于混凝土中氯離子含量測定主要采用硝酸鹽滴定方法，該方法需現(xiàn)場取樣。最近，中交四航工程研究院研制出了埋入混凝土內可以檢測混凝土中氯離子濃度的傳感器和新型TTS多元傳感器。初步研究成果表明，Nernst電極電位線性響應好、靈敏度高、參比電極抗干擾能力強。通過封裝和排布研究，新型TTS使傳感器可以進行與混凝土深度相關的的氯離子濃度、混凝土電阻和鋼筋腐蝕電流等電化學測試，但是該傳感器在混凝土中的長期穩(wěn)定性有待于進一步研究。關于混凝土中鋼筋銹蝕狀態(tài)檢測，傳統(tǒng)方法應用存在較大局限性。鉆孔取樣法雖然檢測鋼筋銹蝕程度較準確，但會破壞結構的整體性。鑒于電化學測試技術(半電池電位法、線性極化法、恒電量法)雖然很早就引入鋼筋銹蝕檢測，如半電池電位法已納入我國規(guī)范，但是電化學方法易受外界因素影響，檢測工作量大，對難以到達的結構表面還無法檢測。20世紀80年代，德國亞琛工業(yè)大學首先發(fā)明了梯形陽極混凝土結構預埋式耐久性無損檢測系統(tǒng)，主要以建立鋼筋脫鈍前鋒面發(fā)展進程的數(shù)學模型。但該系統(tǒng)仍需模擬實際環(huán)境，利用實驗室測試數(shù)據(jù)建立鋼筋銹蝕中電學參數(shù)和輸出光功率變化的脫鈍判據(jù)。另外，該預埋系統(tǒng)價格昂貴，每只傳感器價格達1 000歐元。目前國內外學者開展了光纖傳感和無線傳感等技術用于鋼筋銹蝕智能監(jiān)測研究，并在少數(shù)海港工程中應用，但目前未能在實際工程中推廣應用。

1.3 海工混凝土結構壽命預測方法

混凝土結構壽命預測是一個世界性課題，已引起國際上學者的高度重視，開展了大量研究工作并取得了許多階段性成果。國際上有代表性的混凝土結構壽命計算模型有歐洲Duracrete模型、美國Life-365模型和日本土木學會模型，都是基于Fick擴散定律。如歐洲的Duracrete項目提出的耐久性設計和壽命預測方法，是分別以碳化和氯離子引起鋼筋銹蝕為主，這個項目建立了一套相對完整的耐久性設計新體系和相應的服役壽命預測方法。但其中不足在于該壽命預測方法主要是基于實驗室的模擬試驗得出的，與工程實際情況有差異。東南大學等結合潤揚長江公路大橋、蘇通大橋和泰州大橋等重點工程在混凝土耐久性評價和壽命預測方面開展了大量研究，提出了荷載與環(huán)境因素耦合作用的混凝土耐久性評價與壽命預測方法。中交四院工程研究院以海洋工程長期暴露實驗和實體工程調查成果對耐久性劣化模型參數(shù)進行修正，首次建立了與我國典型海工混凝土結構相適應的壽命預測模型。采用對數(shù)年前暴露試驗“室內復原”的方法，建立了海工混凝土耐久性質量控制指標與設計使用年限之間的定量關系，實現(xiàn)了海工混凝土結構壽命預測的突破。但是一些耐久性關鍵參數(shù)還暫時停留在理論和憑經驗判斷的技術水平上。另外目前與使用壽命密切相關的氯離子在力學與環(huán)境共同作用下在混凝土中傳輸機理還不是很明確。因此與耐久性直接相關的新建工程使用壽命仍無法準確預測。

2 研究展望

在總結東海大橋、杭州灣跨海大橋、青島跨海大橋等海工混凝土科研成果基礎上，針對沿海橋梁所處環(huán)境特點和混凝土結構耐久性要求，采用室內試驗、現(xiàn)場試驗及理論分析相結合，對沿海橋梁混凝土結構防腐蝕技術、沿海橋梁混凝土結構腐蝕監(jiān)測及壽命評估等方面開展深入研究，從提高混凝土材料耐久性、混凝土表面防護入手，提出沿海橋梁混凝土結構防腐蝕綜合技術措施，研究開發(fā)鋼筋腐蝕監(jiān)測技術，建立現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)與室內試驗結果的關系，更真實地反映實際工程情況，更合理地預測橋梁混凝土結構耐久性，為沿海橋梁結構服役壽命預測、沿海橋梁建設與養(yǎng)護管理提供科學依據(jù)。

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