廈門同安灣大橋建設(shè)防腐措施研究與實踐

陳治國

(中鐵十七局集團第六工程有限公司，福建廈門 361009)

1 工程建設(shè)概況

同安灣大橋橋梁全長2 528.2 m，為左右分幅的雙線市政公路橋梁，橋?qū)?2 m，設(shè)雙向六車道。主橋采用(60+3×100+60)m的跨徑，引橋用30 m和40 m跨。主橋采用變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，引橋用等截面預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁，全橋共14聯(lián)。橋梁下部結(jié)構(gòu)除主橋采用鉆孔樁基、板式墩身外，其余均為樁柱式基礎(chǔ)。樁基混凝土采用C35，墩柱及蓋梁混凝土為C40，箱梁混凝土為C50，橋梁布置圖見圖1。

同安灣大橋為跨越廈門同安灣海域的跨海大橋，屬熱帶海洋性環(huán)境，氣候溫和濕潤，受半日型潮汐影響，區(qū)域內(nèi)的海水和鹽霧對大橋構(gòu)件混凝土及混凝土內(nèi)的鋼筋具有強腐蝕性，若不采取相應(yīng)的防腐技術(shù)措施，將直接影響大橋的使用壽命。

2 橋梁結(jié)構(gòu)的腐蝕機理

根據(jù)著名混凝土專家美國加州大學(xué)伯克利分校的P.K.Mehta教授的研究，把沿海及跨海橋梁結(jié)構(gòu)混凝土腐蝕破壞原因歸結(jié)為鋼筋腐蝕、寒冷凍害，侵蝕環(huán)境的物理化學(xué)作用［1］。

廈門地區(qū)處于熱帶地區(qū)，不存在寒冷凍害，該因素不用考慮。對于堿—集料反應(yīng)的問題，根據(jù)廈門路橋混凝土公司會同武漢水利科學(xué)研究院研究表明，廈門產(chǎn)地的粗骨料經(jīng)科學(xué)取樣研究，不存在堿—集料反應(yīng)。這樣對于同安灣大橋結(jié)構(gòu)混凝土來說，就只存在如下腐蝕破壞機理。

2.1 鋼筋腐蝕

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)破壞的主要原因是鋼筋腐蝕，而鋼筋腐蝕主要是因海洋環(huán)境中富含Cl－。Cl－對鋼筋腐蝕作用表現(xiàn)在以下幾個方面［2］:

1)破壞鋼筋表面的鈍化膜?；炷林兴嘣谒^程中，會產(chǎn)生高堿性(pH≥12.6)，它使鋼筋混凝土中鋼筋表面發(fā)生鈍化作用，產(chǎn)生一層致密的鈍化膜保護鋼筋。由于Cl－進入混凝土，使得鋼筋局部鈍化膜的高堿度迅速下降，其pH值從12左右降低到4以下，該處的鈍化膜遭到了破壞。

2)“腐蝕電池”效應(yīng)。進入混凝土的Cl－對鋼筋表面鈍化膜的破壞首先發(fā)生在局部，使這些部位露出了鐵基體，露出的鐵基體與尚完好的鈍化膜區(qū)域之間構(gòu)成電位差。鈍化膜區(qū)作為陰極，鐵基體作為陽極而受腐蝕并迅速發(fā)展。

3)去極化作用。電化學(xué)腐蝕中陽極反應(yīng)過程是Fe－2e=Fe2+，而Fe2+遇到Cl－會生成FeCl2，從而加速陽極過程，也就形成了陽極去極化作用。

4)導(dǎo)電作用。形成腐蝕電池的必要條件之一是要有離子通路。進入混凝土中的氯鹽中的陽離子(Na+，Ca2+等)和陰離子Cl－，強化了離子通路，加速了鋼筋混凝土的電化學(xué)腐蝕過程。

2.2 碳化作用

碳化作用是指構(gòu)件所處環(huán)境中的CO2氣體通過孔隙進入混凝土，與其Ca(OH)2成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成水和CaCO3的過程。碳化后的混凝土，pH值急劇下降，鋼筋鈍化膜被破壞。碳化作用主要發(fā)生在浪濺區(qū)。通過對廈門地區(qū)海洋環(huán)境對橋梁結(jié)構(gòu)混凝土腐蝕破壞機理分析，表明同安灣大橋橋梁結(jié)構(gòu)的鋼筋混凝土防腐蝕破壞，最關(guān)鍵因素是防鋼筋銹蝕破壞。而鋼筋銹蝕破壞的主因是鋼筋混凝土中的氯離子滲透和浪濺區(qū)的碳化作用。

3 防腐措施

同安灣大橋的防腐措施采用“主動防腐”和“被動防腐”相結(jié)合的防腐策略?！爸鲃臃栏本褪遣捎酶吣途眯缘母咝阅芑炷?，提高混凝土的密實性，降低氯離子擴散系數(shù)，主動保護鋼筋混凝土構(gòu)件的劣化?！氨粍臃栏本褪墙o橋梁構(gòu)件鋼筋混凝土增加附加結(jié)構(gòu)用于抵抗腐蝕，從而保護橋梁構(gòu)件鋼筋混凝土。

基于廈門同安灣大橋海洋環(huán)境對橋梁結(jié)構(gòu)鋼筋混凝土腐蝕破壞機理和“主動防腐”和“被動防腐”相結(jié)合的防腐原則，全橋采用如下防腐措施。

3.1 鉆孔灌注樁基礎(chǔ)防腐措施

1)采用樁基高標號混凝土(C35)。

2)采用“雙摻”技術(shù)(粉煤灰、減水劑等)提高混凝土的致密性和抗?jié)B性，樁基高標號混凝土氯離子擴散系數(shù)(RCM法)要小于 3.0 ×10－12m2/s。

3)采用外加防腐鋼護筒。同安灣大橋樁基在基本混凝土防腐的同時，還增加附加結(jié)構(gòu)的防腐措施，即施工和防腐綜合考慮，保留施工鋼護筒作為樁基的永久防腐結(jié)構(gòu)。保留樁基施工鋼護筒，能有效推遲海水腐蝕介質(zhì)進入混凝土。該措施可推遲氯離子向混凝土中滲透60年左右。換言之，理論上海水用60年的時間才能將鋼護筒腐蝕掉，而后才能到達樁基混凝土(見圖2)。

3.2 承臺和墩身防腐措施

1)采用高標號混凝土(C40)。

2)采用“雙摻”技術(shù)(粉煤灰、減水劑等)提高混凝土的致密性和抗?jié)B性，承臺和墩身高標號混凝土氯離子擴散系數(shù)(RCM法)要小于2.5 ×10－12m2/s。

3)添加聚丙烯纖維。

4)表面噴涂密水劑(HM-1500)。

5)混凝土表面防腐涂裝。

3.3 箱梁防腐措施

1)采用高標號混凝土(C50)。2)采用“雙摻”技術(shù)(粉煤灰、減水劑等)提高混凝土的致密性和抗?jié)B性，箱梁高標號混凝土氯離子擴散系數(shù)(RCM法)要小于1.5×10－12m2/s。3)箱梁混凝土表面防腐涂裝。

4 同安灣大橋防腐研究

同安灣大橋為鋼筋混凝土橋梁，其防腐研究重點為鋼筋混凝土的防腐研究。下面以樁基混凝土防腐研究為例，闡述同安灣大橋的防腐實踐。

根據(jù)大橋樁基混凝土強度等級、施工工藝要求，所處腐蝕環(huán)境區(qū)域，耐久性要求，確定樁基混凝土的試配研究目標基本參數(shù)如表1所示。

表1 同安灣大橋混凝土耐久性設(shè)計基本參數(shù)要求(樁基)

4.1 抗腐蝕樁基混凝土原材料的選用

4.1.1 水泥的選擇

本工程配制高性能混凝土所用水泥強度等級為42.5的符合國家標準GB 175-1999硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥的Ⅱ型硅酸鹽水泥(P.Ⅱ)。水泥中的氯離子含量應(yīng)低于0.03%，水泥中的C3A含量控制在6%～12%。水泥采用建福P.O42.5水泥，其技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 建福P.O42.5水泥物理化學(xué)性能

4.1.2 粗骨料的選擇

粗骨料選用廈門同安、海滄本地料場生產(chǎn)碎石，其技術(shù)指標見表3。

表3 粗骨料試驗指標

4.1.3 細骨料的選擇

細骨料采用福建龍海九龍江產(chǎn)河砂，其技術(shù)指標見表4。

表4 細骨料技術(shù)指標

4.1.4 減水劑的選擇

減水劑等化學(xué)外加劑的質(zhì)量應(yīng)符合GB/T 18736-2002高強度高性能混凝土用礦物外加劑的規(guī)定。本項工程減水劑采用科之杰產(chǎn)point-400緩凝高效減水劑，其技術(shù)指標見表5。

表5 減水劑技術(shù)指標

4.1.5 粉煤灰的選擇

摻合料的粉煤灰采用廈門篙嶼電廠的合格產(chǎn)品，其物理化學(xué)性能見表6。

表6 粉煤灰物理性能 %

4.1.6 礦粉的選擇

摻合料的礦粉采用科之杰公司產(chǎn)品，其物理化學(xué)性能見表7。

表7 礦粉物理化學(xué)性能

4.2 抗腐蝕樁基混凝土配合比試驗研究

首先，選定混凝土配合比的試配方案。方案一:水泥加高效減水緩凝劑的基準配合比;方案二:水泥加高效減水緩凝劑后摻粉煤灰配合比;方案三:水泥加高效減水緩凝劑后摻粉煤灰和礦粉配合比(見表8)。

表8 不同方案C35樁基混凝土配合比表

抗氯離子滲透性能試驗是目前評定混凝土抗?jié)B性及耐腐蝕性能常用的方法［3］，我們用90 d齡期混凝土來試驗評定其耐久性指標。試驗結(jié)果如表9所示。

表9 不同方案C35樁基混凝土抗氯離子滲透試驗數(shù)據(jù)對比

通過試驗可以看出，方案三:水泥加高效減水緩凝劑后摻粉煤灰和礦粉配合比，氯離子擴散系數(shù)和電通量顯著降低，表現(xiàn)出較高的耐腐蝕性能。所以，抗腐蝕樁基C35混凝土配合比選定為方案三。

橋梁的其他部位的防腐混凝土配制原理及步驟相同，只是氯離子擴散系數(shù)的限定值不同，不再重述。

5 結(jié)語

廈門同安灣大橋建設(shè)防腐實踐中，通過海洋環(huán)境對鋼筋混凝土腐蝕機理分析;橋梁建設(shè)綜合防腐措施的選擇;高性能混凝土配制研究，實現(xiàn)以控制混凝土的抗氯離子滲透性及擴散為主的“主動防腐”和以替代性腐蝕的附加防腐為主的“被動防腐”橋梁防腐措施。取得了良好的效果，對同類橋梁建設(shè)防腐有很好的借鑒作用。

［1］Mehta P.K，Burrows RW.Building Durable Structures in the 21st Century［J］.Concrete International，2001，23(3):57-63.

［2］洪乃豐.混凝土中鋼筋腐蝕與防護技術(shù)［J］.工業(yè)建筑，1999(10):56-59.

［3］馮乃謙，邢 鋒.高性能混凝土的氯離子滲透性和導(dǎo)電量［J］.混凝土，2001(1):3-7.

［4］孟李燕，李吉坤，張世兵.混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕及防治［J］.山西建筑，2010，36(9):151-152.