闕磊，李?。ㄌK交科集團(tuán)股份有限公司 江蘇 南京 210019）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)不斷的發(fā)展，東部沿海地區(qū)高速路網(wǎng)建設(shè)已趨于完善，為了進(jìn)一步推進(jìn)經(jīng)濟(jì)的高速增長，降低物流行業(yè)的費(fèi)用及時(shí)間成本，更好的服務(wù)于社會(huì)，滿足人們?nèi)罕姷母哔|(zhì)量出行的需求。沿海地區(qū)的跨海大橋、濱海環(huán)境的重要基礎(chǔ)工程都迅速涌現(xiàn)?？绾４髽蜃鳛橹匾こ添?xiàng)目的控制性工程，要求無修補(bǔ)安全使用期可達(dá)100 年的全壽命周期要求，但在海洋環(huán)境下混凝土因各種原因容易產(chǎn)生過早損壞，導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)，有必要加強(qiáng)跨海大橋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的研究和設(shè)計(jì)，盡可能延長跨海大橋的使用壽命。

1 跨海大橋海洋環(huán)境耐久性的要求

跨海大橋作為公路工程建設(shè)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，不僅要對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)荷載進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)分析，還應(yīng)考慮復(fù)雜環(huán)境作用下的橋梁耐久性設(shè)計(jì)，重點(diǎn)是海洋環(huán)境下的混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)[1]。由于跨海大橋所處的環(huán)境較為復(fù)雜，甚至部分環(huán)境因素甚至可以造成混凝土結(jié)構(gòu)致命性的破壞。在進(jìn)行跨海大橋耐久性設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)明確橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)年限、構(gòu)造物設(shè)計(jì)要求、材料要求和其它保護(hù)性的耐久性設(shè)計(jì)措施等。在具體設(shè)計(jì)過程中，有必要對(duì)影響橋梁結(jié)構(gòu)耐久性的不同構(gòu)件或同一構(gòu)件中的不同部位開展有針對(duì)性的設(shè)計(jì)，提出各部位混凝土結(jié)構(gòu)基于不同耐久性要求的材料技術(shù)指標(biāo)及外摻劑使用要求。

對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)一般有混凝土保護(hù)層要求、預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的構(gòu)件設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求、裂縫寬度限值及其他構(gòu)造措施，宜對(duì)連接縫部位的混凝土采取附加防腐措施，橋面鋪裝層與橋面結(jié)構(gòu)之間，應(yīng)設(shè)置可靠的防水層，同時(shí)增加薄壁混凝土構(gòu)件的厚度和保護(hù)層厚度[2]。一般對(duì)于處于D 級(jí)及以上環(huán)境作用等級(jí)下的構(gòu)件，在改善混凝土自身的耐久性能，采用有效的結(jié)構(gòu)耐久性措施控制裂縫外，還應(yīng)采用表面涂層、鋼筋阻銹劑、混凝土表面處理、透水模板布、電化學(xué)保護(hù)等防腐附加措施進(jìn)一步提高混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。

2 跨海大橋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性措施實(shí)例分析

港珠澳大橋建筑規(guī)模大、施工難度高，而且橋梁結(jié)構(gòu)所處環(huán)境惡劣，要求工程設(shè)計(jì)壽命為120 年，對(duì)橋梁工程設(shè)計(jì)，特別是耐久性設(shè)計(jì)提出很高的要求。在港珠澳大橋耐久性設(shè)計(jì)中，首要考慮因素是海水環(huán)境氯離子腐蝕問題，在通過對(duì)附近實(shí)體工程耐久性調(diào)查得到的大量數(shù)據(jù)建立基于可靠度理論的分析模型指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)，并綜合分析多種外加防腐措施的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)等情況，最終確定主體混凝土結(jié)構(gòu)附加防腐蝕措施[3]。此外，重點(diǎn)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)受力、材料提出了嚴(yán)格要求，在室內(nèi)開展大量的試驗(yàn)從耐久性、抗裂性、施工性等方面確定混凝土的配合比，確?；炷敛牧蠞M足海洋環(huán)境的使用要求。港珠澳大橋承臺(tái)和橋墩混凝土配合比見表1。

杭州灣跨海大橋的設(shè)計(jì)使用年限為100 年，工程所處區(qū)域的海洋環(huán)境也極為惡劣，氯離子含量較高。杭州灣跨海大橋耐久性設(shè)計(jì)除了采用海工耐久性混凝土外，同時(shí)增加了混凝土保護(hù)層厚度，還采用表面涂裝、預(yù)應(yīng)力筋保護(hù)、環(huán)氧鋼筋、阻銹劑、外加電流陰極保護(hù)等附加措施[4]。根據(jù)相關(guān)規(guī)范配置海工耐久性混凝土，針對(duì)不同部位、不同設(shè)計(jì)要求、不同防腐蝕環(huán)境，制定了不同配合比，杭州灣跨海大橋各工程部位在不同腐蝕環(huán)境的保護(hù)層厚度見表2。

表1 港珠澳大橋承臺(tái)和橋墩混凝土配合比

表2 杭州灣跨海大橋各工程部位在不同腐蝕環(huán)境的保護(hù)層厚度

陳家貢大橋耐久性設(shè)計(jì)結(jié)合工程環(huán)境對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)采用不同的設(shè)計(jì)指標(biāo)，同時(shí)還采取了保留施工鋼護(hù)筒、涂層防腐、阻銹劑、采用滲透性模板布、部分位置采用環(huán)氧涂層鋼筋等附加措施作為防護(hù)手段。普灣大橋防腐蝕的設(shè)計(jì)思路總體是采用海工耐久性混凝土為主要基本措施，同時(shí)采用表面涂裝、硅烷浸漬等附加措施。舊鎮(zhèn)大橋位是漳州沿海大通道的重點(diǎn)控制性工程，采用耐久性混凝土，并控制普通鋼筋混凝土構(gòu)件裂縫寬度在浪濺區(qū)和水位變動(dòng)區(qū)不大于0.1mm，水下區(qū)不大于0.2mm，其余區(qū)段不大于0.15mm；各部位普通鋼筋凈保護(hù)層厚度取值均按相關(guān)規(guī)范執(zhí)行。對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)采用耐久性混凝土，同時(shí)要求橋墩墩身采用混凝土表面涂裝、摻加阻銹劑等附加措施。

3 混凝土構(gòu)件耐久性設(shè)計(jì)對(duì)策

3.1 環(huán)境條件類別及作用等級(jí)

對(duì)于跨海大橋的設(shè)計(jì)要求應(yīng)該是不少于100年的設(shè)計(jì)使用年限，特別重要的重點(diǎn)工程可適當(dāng)提高其設(shè)計(jì)使用年限的相關(guān)要求，對(duì)于近海及海洋環(huán)境下的劣化機(jī)理基本統(tǒng)一認(rèn)為海水氯化物引起鋼筋銹蝕破壞[5]。

通過對(duì)比土木工程行業(yè)涉及混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)的多個(gè)規(guī)范相關(guān)規(guī)定可知，對(duì)于環(huán)境作用級(jí)別各個(gè)規(guī)范中對(duì)于土中區(qū)的作用等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)有些許差異，在《公路工程混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/T3310—2019）中提出鹽霧影響區(qū)的設(shè)計(jì)要求，充分考慮空氣中所含氯化物的擴(kuò)散對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的影響，同時(shí)通過增加離漲潮線的距離劃分重度和輕度鹽霧區(qū)。此外，溫度的變化對(duì)混凝土耐久性設(shè)計(jì)也有較大影響，應(yīng)結(jié)合全國氣溫分區(qū)圖明確各地區(qū)根據(jù)溫度劃分的標(biāo)準(zhǔn)，便于工程設(shè)計(jì)時(shí)準(zhǔn)確確定潮汐區(qū)及浪濺區(qū)的作用等級(jí)。

3.2 材料耐久性措施

對(duì)于跨海大橋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性措施中作為基材的混凝土質(zhì)量和相關(guān)要求是至關(guān)重要的?？绾４髽蚧炷猎O(shè)計(jì)包括水泥的選擇、細(xì)集料級(jí)配的確定、粗集料的粒徑和級(jí)配、骨料的抗壓強(qiáng)度、拌合水的要求，還有對(duì)各個(gè)不同部位的混凝土強(qiáng)度、水膠比、最大最小膠凝材料摻入量以及其他摻入材料的相關(guān)要求，這些因素都會(huì)對(duì)整個(gè)混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性產(chǎn)生影響。對(duì)比各個(gè)規(guī)范，考慮各規(guī)范編寫的時(shí)間和針對(duì)的方向各有側(cè)重，各有不同。因此，在要求上也略有差異。對(duì)比參照以上規(guī)范的相關(guān)內(nèi)容，對(duì)混凝土材料的要求進(jìn)行歸納。

首先是明確橋涵結(jié)構(gòu)各個(gè)結(jié)構(gòu)部位的最低強(qiáng)度等級(jí)。對(duì)應(yīng)不同環(huán)境作用等級(jí)和不同結(jié)構(gòu)形式以及不同部位，給出最低混凝土強(qiáng)度等級(jí)。在給出最低強(qiáng)度等級(jí)后，對(duì)應(yīng)強(qiáng)度等級(jí)的混凝土結(jié)構(gòu)的最大水膠比、最大最小膠凝材料用量對(duì)混凝土質(zhì)量起到至關(guān)重要的作用。有些規(guī)范只對(duì)最小膠凝材料用量做出了規(guī)定。但是考慮到混凝土強(qiáng)度的要求，因此應(yīng)該對(duì)最大用量給出限值。

跨海大橋混凝土破壞的機(jī)理是氯離子侵蝕劣化造成，因此，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)必須按環(huán)境作用等級(jí)對(duì)氯離子的滲透性能做出限值規(guī)定?？绾４髽虻脑O(shè)計(jì)使用年限至少是100 年，因此在給出該項(xiàng)限值時(shí)，對(duì)應(yīng)的混凝土齡期應(yīng)該有一定要求，參考相關(guān)規(guī)范后取28d 齡期。

目前，跨海大橋混凝土設(shè)計(jì)中水泥材料、礦物摻合料、集料和拌和水的各項(xiàng)指標(biāo)要求已經(jīng)較為明確，但由于化學(xué)外加劑種類繁多，在工程設(shè)計(jì)中應(yīng)對(duì)外加劑的性能指標(biāo)要求作出詳細(xì)要求，并要求施工單位在工程施工前開展材料的配伍性試驗(yàn)，確保外加劑與混凝土材料的相容性符合要求。

3.3 結(jié)構(gòu)耐久性措施

對(duì)于混凝結(jié)構(gòu)本身的耐久性措施，主要是構(gòu)件本身的裂縫的控制，主要體現(xiàn)在混凝乳保護(hù)層最小厚度以及裂縫允許值兩個(gè)方面[6]。保護(hù)層厚度是控制裂縫的最有效的措施。各個(gè)規(guī)范在保護(hù)層后度上規(guī)定基本接近。對(duì)于裂縫允許值的控制卻有所不同，有的規(guī)范考慮了有粘結(jié)的預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件，有的則沒有考慮。對(duì)于考慮的跨海大橋這類橋梁，很多主梁都采用了預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，有的部分蓋梁也是預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)。因此必須要考慮有粘結(jié)的預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件。對(duì)于南方蒸發(fā)量較大的區(qū)域，在各個(gè)環(huán)境作用等級(jí)的保護(hù)層要求可按需要增大5mm，特別是D 級(jí)以上的環(huán)境作用等級(jí)應(yīng)考慮增大保護(hù)層厚度，橋涵結(jié)構(gòu)混凝土最小混凝土厚度見表3。

表3 橋涵結(jié)構(gòu)混凝土最小混凝土厚度

當(dāng)構(gòu)件有防水要求需要時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制裂縫寬度，鋼筋配筋在混凝土構(gòu)件每側(cè)暴露面上的布設(shè)不宜低于0.6%（HPB300 級(jí)）或0.4%（HRB400 級(jí)）的配筋率，分布鋼筋間距不宜大于150mm。對(duì)于跨海大橋而言，普通鋼筋應(yīng)優(yōu)先選用HRB400 級(jí)鋼筋，受力鋼筋最小直徑應(yīng)不小于12mm，若所處工作環(huán)境較為惡劣時(shí)，應(yīng)增大鋼筋直徑，要求不小于16mm。同時(shí)對(duì)于預(yù)應(yīng)力鋼束、鋼絲及錨具也必須滿足相應(yīng)規(guī)范的構(gòu)造防護(hù)措施的要求。以保證預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的可靠性和耐久性。

4 結(jié)語

跨海大橋的耐久性設(shè)計(jì)應(yīng)結(jié)合所處環(huán)境采用有針對(duì)性的耐久性設(shè)計(jì)措施，達(dá)到性能和造價(jià)的平衡；跨海大橋耐久性應(yīng)從橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)年限、構(gòu)造物設(shè)計(jì)要求、材料要求和其它保護(hù)性的耐久性設(shè)計(jì)措施等角度開展設(shè)計(jì)；氯離子滲透是影響混凝土耐久性的關(guān)鍵因素，應(yīng)從混凝土原材料質(zhì)量、配合比設(shè)計(jì)、鋼筋保護(hù)層厚度、保護(hù)性涂層等多方面綜合控制，減少氯離子對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的影響。