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探讨在海洋环境当中拱北湾大桥主体结构与桥梁综合防腐技术的有机结合

2020-04-22 300 上传者：管理员

关键词：
海洋环境
盐雾区
耐久性
防腐技术
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1、工程概况

拱北湾大桥地处珠海与澳门之间，隶属广东省珠海市拱北口岸南海湾近海域，毗邻澳门，长890.5m，东面接于珠澳口岸人工岛，西至珠海接线人工岛（接拱北隧道）。大桥桥址所处地域的地貌特征为陆缘前海微地貌，海拔-3~1m，人工岛填筑之后海拔在5m左右。桥位海域海床面基本平坦，平均水深2~3m，设计使用寿命为100年。本桥主要工程量：钻孔灌注桩232根，承台83个，墩柱81根，盖梁26个，预制箱梁256片，现浇箱梁48跨。结构构件所处环境：海中桩基，桩顶标高为-2.2~-2.0m；承台位于浪溅区；桥墩及帽梁位于浪溅区、水位变动区和重度盐雾区；主梁位于重度盐雾区、轻度盐雾区。

本桥桥址区海域潮流呈现往复流运动形式，属于不规则半日潮类型，相较于涨潮时海水的流动速度，落潮时的流速更快，且中部海域的海水流速大于两侧的流速。根据采取的近海域样品分析发现海域地下水的成分类似于海水，主要的溶质构成为氯化钙和氯化镁。依据环境类别对其腐蚀性进行评价，结果为该海域地下水对混凝土结构具有弱腐蚀性；依据地层渗透性对本段水进行评价，同样属于弱腐蚀性。针对混凝土中的钢筋等材料，在长期浸水的环境下具有弱腐蚀性，在干湿交替的环境中则具备中等腐蚀性，其主要的腐蚀成分为氯离子、硫酸根离子和侵蚀性二氧化碳。

2、海洋环境下桥梁混凝土结构的腐蚀机理分析

混凝土在海洋环境中使用时，因遭到多种自然因素的影响而缩短了其使用年限。造成砼结构破坏的海洋作用包括钢筋锈蚀、冻融循环作用、机械破坏（海浪冲击）、碱-集料作用以及酸碱腐蚀等。其中最主要的破坏原因是盐类侵蚀和钢筋锈蚀。经过调查诸多海洋工程发现，导致钢筋锈蚀的离子中，Cl-起主导作用。在长期的侵蚀作用下，Cl-突破结构物的表面进入到混凝土结构内部，随着离子逐渐累积，将对钢筋表面的保护膜构成破坏，最终被腐蚀。除常年处于干燥或水下环境的条件外，氯盐导致的钢筋锈蚀一旦开始，其锈蚀速度很快。通常以钢筋混凝土构件中Cl-浓度达到临界值的时刻作为氯盐环境下结构安全使用期限的极限状态。

3、综合防腐技术在拱北湾大桥主体结构中的应用

经过对拱北湾大桥桥址所处环境充分调查，获得了桥区主要的腐蚀性作用因素和影响机理后，本桥采用混凝土结构物自身防腐和附加防腐，有效地解决了这一难题。结构物自身防腐措施：通过预应力结构来减少构件裂缝的产生；材料方面选用海工高性能混凝土来提升结构的耐久性；严格控制好最小保护层厚度等。附加防腐主要根据不同的防腐部位，采用透水模板布结合硅烷浸渍、热浸镀锌钢筋等防腐措施。

3.1 混凝土构件自身防腐

3.1.1 使用海工高性能混凝土

结合桥区导致腐蚀的主要作用因素，出于提升桥体耐久性的目标，在建设中主体结构构件均使用海工高性能混凝土，其中桩基使用C40混凝土，承台使用C45混凝土，桥墩（含帽梁）使用C50混凝土，箱梁使用C55混凝土。与普通混凝土相比，海工高性能混凝土对阻止Cl-渗透性能要求更高，它采用大掺量粉煤灰、矿粉代替水泥，极大地提高抗渗性能，且降低了碱-集料反应。相较于普通混凝土，同处于海洋环境中，这种混凝土具有耐久性高、稳定性好和良好的工作性等高性能品质（抗渗能力强、密实度高）。虽然在一般环境下普通混凝土也能体现出较好的耐久性，但是在海洋环境下，特别是Cl-的侵蚀作用下，混凝土结构将会受到比陆地上更严峻的环境考验。对比同一结构部位的混凝土，海工高性能混凝土不仅在力学性能方面优于普通混凝土，在工作性能、经济性上同样高于普通混凝土，抗氯离子渗透性能也远胜于普通混凝土，因此能满足工程耐久性设计指标要求。

3.1.2 采用预应力结构

拱北湾大桥上部结构主要采用了35m预应力小箱梁和现浇预应力连续箱梁结构。与普通构件相比，预应力结构的刚度更大，且由于对结构构件施加了预应力，有效地降低了裂缝出现的可能性。这样在承受外加载荷的情况下，构件也不容易出现裂缝。在海洋环境下，空气湿度较大，一旦存在裂缝容易导致空气中水蒸气的侵入，影响到结构的耐久性。因而，预应力结构的运用对于提升桥梁的使用寿命也发挥了极大的作用。

3.1.3 严格控制结构物最小保护层厚度

在施工过程中控制好混凝土保护层，就是为了避免结构内的钢筋受到腐蚀。本桥在设计中适当增加了保护层厚度，以延缓Cl-渗透以及因碳化引起的锈蚀，推迟了钢筋生锈的时间，避免了结构物强度的下降。受力钢筋的最小保护156智能施工NO.032020智能城市INTELLIGENTCITY层厚度应根据环境类别和混凝土强度综合考虑，本工程在具体施工过程中采用了下述控制方法：在钢筋外侧绑扎高强度混凝土保护层垫块，其厚度均无负偏差，正偏差控制在5mm之内。构件的侧面垫块不少于4个/m2，底面垫块不少于6个/m2，绑扎钢筋和混凝土垫块的扎丝头不能伸入到保护层内。结构钢筋尺寸按设计要求进行加工，严格控制钢筋加工质量。在结构钢筋上焊定位钢筋进行辅助控制，定位钢筋端头加盖PVC保护帽，防止钢筋生锈。

3.2 附加防腐措施

海洋环境中结构物受到的影响以及产生的反应是非常复杂的，因此在考虑怎样提高混凝土自身质量的同时，还须采取一系列附加防腐措施以延长结构物的使用寿命。拱北湾大桥主体结构所采取的附加防腐措施如表1所示。

表1拱北湾大桥主体结构附加防腐措施

3.2.1 透水模板布

本工程结构物在浪溅区、水位变动区以及重度盐雾区均采用了透水模板布。透水模板布在海工混凝土结构中应用较为广泛，其内部结构可划分为表层、中间层和黏附层。其作用机理为：在浇筑混凝土之后，由于受到自身内部压力和透水模板布的毛细作用，混凝土内部的气泡逐渐向表层移动，并通过透水模板布的中间层排出。在浇筑过程中，振捣棒的振捣作用也可加快气泡迁移的速度。应用透水模板布后，混凝土结构物可产生如下效果：

（1）帮助混凝土构件表面气泡排出，提升结构物自身的致密性。

（2）在排出水分的同时使水泥颗粒保留在混凝土内部，显著地降低了砼数毫米深度范围内的水胶比。

（3）混凝土透水模板布上的孔隙分布较为均匀，可以使水分分散排出，避免集聚在表面，从而有助于消除麻面、砂线等表面缺陷。

（4）有助于在混凝土结构的表面形成一层水化硅酸钙成分占比较高的致密硬化层，从而提升其表层的抗裂性能、耐磨性、表面硬度，同时降低氯化物的扩散系数和碳化层深度。

（5）降低砼内部与海水中的物质交换的可能性，使得混凝土构件不容易被腐蚀，延长结构的使用寿命。

（6）透水模板布具有保水功能，对结构物养护充分，能有效避免混凝土表面细微裂缝的出现。

3.2.2 硅烷浸渍

拱北湾大桥现浇承台、墩柱（含帽梁）及主梁在施工期间均进行表面硅烷浸渍增水处理。其中，硅烷是一种性能良好的表面密封材料，具有良好的防水性和耐久性，也不易被海水中的Cl-渗透。通过硅烷浸渍后的混凝土，可在其表面形成一层保护膜，提升结构抗酸抗碱、耐老化的性能，延长其使用寿命。其主要施工步骤和控制要点如下：

（1）硅烷浸渍前结构物表面要保证密实、清洁，不能存在油污、水渍、灰尘等，以免影响其效果；不许有松动、破损等现象，对有缺陷的部位提前进行修补。

（2）硅烷一般使用喷枪喷涂，施工过程中应当连续喷涂至基底完全渗透为止；若应用刷子或者滚筒进行表面施工，则应尽量多涂抹几次，确保结构表面能够被浸润几分钟。若作业表面为立面，需注意施工顺序应为从下到上，垂流长度应在15~20cm左右。

（3）喷涂施工时应保证硅烷用量不小于200g/m2。

3.2.3 热浸镀锌

钢筋海洋环境中，由于混凝土碳化、氯盐的渗透，混凝土保护层过小、构件裂缝以及钢筋氧化层的缺陷等原因，容易破坏钢筋表面的钝化膜，从而加快电化学腐蚀，造成砼构件的强度被削弱，降低其承载力和安全系数。混凝土构件被损坏，一方面是因钢筋遭到锈蚀后强度降低，另一方面则是由于钢筋锈蚀后产生的Fe2O3质地疏松多孔，使得钢筋的体积发生膨胀，对周围的混凝土产生张应力，造成表面开裂，导致含盐大气和海水渗入混凝土内，从而进一步推动钢筋的电化学腐蚀，最终使结构构件完全破坏。混凝土中钢筋防锈方法主要有以下几种：采用较厚的混凝土保护层；采用优质密实的混凝土；在混凝土结构物表面进行防水处理；在混凝土中加入阻锈剂，对水面以下的构件形成保护；在施工前对钢筋采用涂层如环氧树脂保护，选用镀锌、镀锅或镀铝钢筋等。

在上述各种防锈措施中，采用镀锌钢筋防锈效果较好，经济效益较高，最适于海洋环境中使用，因此本桥在浪溅区和水位变动区结构物均采用了热浸镀锌钢筋。热浸镀锌钢筋具有长期保持构筑物的设计强度，有效地提高构筑物的耐久性的优越性，Zn的活性强于Fe，能以此来防止钢筋被电化学腐蚀。进行镀锌处理后，混凝土保护层的厚度可适度下调，从而减轻构件重量，节约混凝土用量。

4、结语

通过分析海洋环境对桥梁结构物的腐蚀机理后，在拱北湾大桥建设过程中采用了桥梁综合防腐技术，即混凝土构件自身防腐和附加防腐技术，从而有效解决了海洋环境下桥梁主体结构如何防腐的难题。该技术有力地提升了桥梁结构的耐久性和使用寿命，并延长了维修周期。

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