（交通运输工程专业论文）提高海工混凝土结构耐久性的技术研究及应用.pdf

摘要 青岛海湾大桥地处胶州湾，海水中c l 、n a + 和k + 等侵蚀性离子的浓度较高，易诱 发钢筋锈蚀和碱骨料反应，混凝土结构还受到冻融循环、潮汐冲刷等多重因素的影响， 必须采取措施保障大桥结构的耐久性。 以高性能混凝土技术为基础，通过提高混凝土抗氯离子渗透性、高抗冻耐久性等措 施，改善混凝土结构抗环境因素劣化的能力；增加保护层厚度、在浪溅区等严酷部位采 用表面涂层，通航孔钢结构采用阴极保护等，综合提高混凝土结构的耐久性。 针对高性能混凝土的要求，遵循以预先质量控制与评估和耐久性方案设计的思想， 对混凝土原材料、配合比、初始及后期性能等环节进行了全过程控制。 在c 3 5 c 5 0 的混凝土中，采用低水胶比和双掺技术，在w c = 0 3 2 0 3 5 ，复合矿 物掺合材含量5 0 6 5 ，以及合适的砂率和骨料级配下，配制了具有良好性能的混凝 土，其初始状态基本满足自流平要求，2 8 天通电量小于1 5 0 0 库仑，氯离子扩散系数小 于2 5 1 0 1 2 m 2 s ，抗冻标号大于5 0 0 次，满足青岛海湾大桥混凝土结构耐久性的设计 要求。 关键词：青岛海湾大桥；海工混凝土；抗氯离子渗透性；抗冻融耐久性 a b s t r a c t q i n g d a ob a yb r i d g ei sl o c a t e di nj i a o z h o ub a y , i nw h i c h , t h ec o n c e n t r a t i o no fs o m e a g g r e s s i v em e d i u ml i k ec i 。、n a + a n dk + i sr e l a t i v e l yh i g h , w h i c hm a k es t e e lr e i n f o r c e m e n t c o r r o s i o na n da l k a l i - a g g r e g a t er e a c t i o nt a k e np l a c ee a s i l y w h a t sm o r e ，t h ec o n c r e t es t r u c t u r e i se x p o s e dt of r e e z i n g t h a w i n gc y c l e s ，t i d a la b r a s i o na n do t h e rd a m a g e de n v i r o n m e n t ，i ti s n e c e s s a r yt ot a k ee f f e c t i v em e a s u r e st oa s s u r et h eb r i d g es t r u c t u r ed u r a b i l i t y a b o v ea l lt h ep r o t e c t i v em e a s u r e s ，t h eh i g hp e r f o r m a n c ec o n c r e t e ( h p c ) t e c h n o l o g yi s o nt h ef i r s tp l a c e t a k es o m em e a s u r e st oh e i g h t e nt h ea n t i c h l o r i d ei o np e r m e a b i l i t ya n dt h e a n t i f r e e z i n ga b i l i t yo fc o n c r e t et oi m p r o v et h ec o n c r e t e s t r u c t u r ed u r a b i l i t yi ns os e v e r e e n v i r o n m e n t i n c r e a s i n gt h er e i n f o r c e m e n tp r o t e c t i v et h i c k n e s s ，a p p l y i n gs u r f a c ec o a t i n gi n t h es p l a s h i n gz o n e ，a n dc a t h o d ep r o t e c t i o ni nt h ef a i r w a ys t e e ls t r u c t u r e ，c a ni m p r o v et h e c o n c r e t es t r u c t u r ed u r a b i l i t yc o m p r e h e n s i v e l y a c c o r d i n gt o t h ec o n s i d e r a t i o no fh p c ，t h e p r e - q u a l i t yc o n t r o l l i n g a n dq u a l i t y a s s e s s m e n t ，a n dd u r a b i l i t ys c h e m ed e s i g na r ea p p l i e d t h er a wm a t e r i a l s ，p r o p o r t i o n , a n d i n i t i a la n dl o n g t e r mp e r f o r m a n c eo fc o n c r e t ea r ec o n t r o l l e dc o m p l e t e l y t h r o u g hl o w e r i n gt h ew a t e r - c e m e n tr a t i o ( w c ) ，a n da d d i n gt w ok i n d so f m i n e r a lm a t e r i a l s ( f l ya s ha n ds l a g ) t op r o d u c ec 35a n dc 5 0c o n c r e t e t h ep e r f o r m a n c eo fc o n c r e t ew i t hw c = 0 3 2 0 3 5 ，t h em i n e r a lm a t e r i a l sp e r c e n t a g e = 5 0 6 5 ，a n da p p r o p r i a t es a n dp e r c e n t a g ea n d a g g r e g a t eg r a d a t i o ni sv e r yg o o d t h ei n i t i a lc o n d i t i o ni sa sg o o da ss e l f - c o n s o l i d a t i n g c o n c r e t e ，t h ee l e c t r i cc h a r g e ( 2 8d a y sa g e ) i ss m a l l e rt h a n15 0 0c o u l o m b ，t h ec h l o r i d ei o n p e r m e a b i l i t yf a c t o ri ss m a l l e rt h a n2 5 10 一1 2 m e s a n dt h ed u r a b i l i t yf a c t o ri sl a r g e rt h a n5 0 0 c y c l e s ，t h ec o n c r e t ew i t ha l lt h ea b o v ep r o p e r t i e s c a l ls a t i s f yt h er e q u i r e m e n to fc o n c r e t e s t r u c t u r ed u r a b i l i t yo fq i n g d a ob a y b r i d g e k e y w o r d s ：q i n g d a ob a yb r i d g e ；m a r i n ec o n c r e t e ；a n t i c h l o r i d ei o np e r m e a b i l i t y ； a n t i - f r e e z i n ga n dt h a w i n gd u r a b i l i t y 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：彳弘孚 劬罗年歹月啄日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：乏；该事 泐寥年r 月咯日 导师签名： 咕日抬同州年，月力日 长安大学t 程硕士学位论文 第一章绪论弟一早殖了匕 近年来，混凝土结构的耐久性问题已成为混凝土领域的研究热点，碱一骨料反应、 冻融循环破坏、钢筋锈蚀以及碳化等因素都严重影响着混凝土结构物的使用寿命，在腐 蚀环境中，重点工程的耐久性问题也成为工程建设的重要考虑因素。 青岛海湾大桥一期工程全长约2 8 k m ，设计基准期为1 0 0 年。由于青岛海湾大桥所 处的自然条件十分恶劣，受氯离子侵蚀、冻融循环破环、海浪冲刷及碳化等多重因素协 同作用，如何保证混凝土结构的耐久性目标将是一个巨大的挑战。 本文将以青岛海湾大桥的混凝土耐久性设计为依托，针对青岛海湾大桥所处的特殊 地理环境，对大桥的耐久性进行综合分析，并提出相应的解决方案。同时，通过系列 的试验对方案进行初步验证，提出了解决青岛海湾大桥混凝土耐久性的实施措施。 1 1 工程概况及耐久性分析 青岛海湾大桥位于山东省东部青岛市胶州湾内，是青岛市“品”字型城市框架规划中 顺接青岛、黄岛和红岛三岛唯一的一座跨海大桥。本工程东起青岛市胶州湾高速公路， 于李村河大桥北2 0 0 米处西北向入海，随后西行向北设红岛连接线和红岛互通与红岛连 接，主桥越过红岛航道后西南方向跨越胶州湾，在大殷家一带上黄岛侧岸。大桥全桥设 立3 座通航孔桥、2 座互通立交，其余非通航孔桥均为5 0 、6 0 m 不同跨径的预应力混凝 土连续箱梁或刚构，基础形式为群桩和独桩独柱两种，互通范围内匝道桥分别为3 0 、5 0 m 左右不同跨径的预应力月 预应力混凝土连续箱梁。 影响大桥混凝土结构耐久性的因素较多，其中，海洋环境中氯离子侵入引起的钢筋 锈蚀是主要影响因素，氯离子渗透同时伴随着碱金属离子的渗透，致使混凝土内部碱含 量提高，因此有可能诱发碱骨料反应；统计资料显示，青岛地区年均冻融循环在4 5 次 左右，对设计使用基准期1 0 0 年的混凝土结构而言，冻融循环是北方海工混凝土又一重 要破坏因素。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 碱一骨料反应作用及其机理 碱一骨料反应( a l k a l i - a g g r e g a t er e a c t i o n ，简称“a a r ”) ，是混凝土原材料中的碱m a 2 0 或k 2 0 ) 与骨料中的活性成分反应，反应产物吸水膨胀使混凝土产生内部应力，在混凝 l 第一章绪论 土浇筑成型后若干年( 数年至二、三十年) 逐渐反应，造成混凝土膨胀开裂。 碱一集料反应是由s t a n t o n 于1 9 4 0 年提出来的【1 1 。经过半个多世纪的调查研究，将 己发现的碱一集料反应归纳为如下三种类型【2 】： i 碱一硅酸反应( a l k a l i - - s i l i c ar e a c t i o n 简称a s r ) ，指混凝土中的碱与无定形二 氧化硅反应。 i i 碱一硅酸盐反应( a l k a l i - - s i l i c a t er e a c t i o n 亦简称a s r ) ，指混凝土中的碱与某 些硅酸盐矿物反应。 i i i 碱一碳酸盐反应( a l k a l i - - c a r b o n a t er e a c t i o n 简称a c r ) ，指混凝土中的碱与 某些碳酸盐矿物反应。 碱硅酸反应是水泥中的碱与骨料中的活性氧化硅成分反应产生碱硅酸盐凝胶或称 碱硅凝胶，碱硅凝胶固体体积大于反应前的体积，而且有强烈的吸水性，吸水后膨胀引 起混凝土内部膨胀应力，而且碱硅凝胶吸水后进一步促进碱骨料反应的发展、使混凝土 内部膨胀应力增大，导致混凝土开裂，严重降低混凝土结构的耐久性。 能与碱发生反应的活性氧化硅矿物有蛋白石、玉髓、鳞石英、方英石、火山玻璃及 结晶有缺欠的石英以及微晶、隐晶石英等，而这些活性矿物广泛存在于多种岩石中。因 而迄今为止世界各国发生的碱骨科反应绝大多数为碱硅酸反应。 碱硅酸盐反应形成膨胀的岩石属于粘土质岩、千枚岩等层状硅酸盐矿物；膨胀过程 较碱硅酸反应缓慢得多；能形成反应环的颗粒非常少；与膨胀量相比析出的碱硅胶过少。 碱碳酸盐反应的机理与碱硅酸反应完全不同【3 】，在泥质石灰质白云石中含粘土和方 解石较多，碱与这种碳酸钙镁的反应时，将其中自云石( m g c 0 3 ) 转化为水镁石m g ( o h ) 2 ， 水镁石晶体排列的压力和粘土吸水膨胀，引起混凝土内部应力，导致混凝土开裂。 进一步研究发现诺发斯科提亚地方的碱性膨胀岩石中，蛭石类矿物的基面间沉积物 是可浸出的，在沉积物被浸出后吸水，使基面间距由1 0 a 增大到1 2 a 。致使体积膨胀， 引起混凝土内部膨胀应力；因此认为这类碱骨料反应与传统的碱硅酸反应不同，并使名 为碱硅酸盐反应。我国学者唐明述从全国各地收集了上百种矿物及岩石样品，从矿物和 岩石学角度详细研究了其碱活性程度。研究表明，所有层状结构的硅酸盐矿物如叶蜡石、 蛇纹岩、伊里石、绿泥石、云母、滑石、高岭石、蛭石等均不具碱活性，有少数发生碱 膨胀的、经仔细研究，其中均含有玉髓、微晶石英等含活性氧化硅矿物、从而证明这仍 属于碱硅酸反应。 我国水利工程从5 0 年代起就吸取了美国派克大坝等许多土建工程因碱骨料反应破 2 长安大学工程硕十学位论文 坏而拆除重建的教训，明确规定凡大型水利工程开采骨料时都要求进行活性检验及专家 论证，并采取掺大量混合材的水泥以及在现场掺混合材等措施，这些规定至今仍在水利 工程有关规范、标准中沿用。 自从7 0 年国际能源危机以来，水泥工业逐渐由湿法生产改为干法生产，我国大中 型水泥厂到8 0 年代陆续都已改为干法生产，使水泥含碱量增加；特别是在8 0 年代后期， 作为利用工业废料和节能措施，将回收高碱窑灰掺入水泥中作为一项先进措施在全国推 广，使我国国产水泥含碱量大大增加。1 9 8 4 年制订了不掺混合材的纯硅酸盐水泥标准， 使用这种水泥如果骨料不做活性检验，就会为许多工程带来隐患。据悉，我国某些大厂 如冀东、大同、琉璃河、郑州等水泥熟料含碱均较高，约为1 o 左右，有的甚至超过 1 3 。值得注意的是我国自七十年代后期以来即以硫酸钠作为水泥混凝土早强剂，而防 冻剂则多采用硝酸钠、亚硝酸钠、碳酸钾等。这些盐类中的可溶性钾、钠离子将大大增 加混凝土中的总碱量，增加碱骨料反应对结构耐久性的潜在危害。 1 2 2 钢筋锈蚀作用及其机理 ( 1 ) 氯离子引起钢筋锈蚀 海洋环境中，c l 。通过扩散和渗透等方式侵入混凝土内部到达钢筋表面，当富集到一 定浓度时破坏钢筋表面的7 - f e 2 0 3 保护膜，从而导致钢筋锈蚀产生膨胀应力。这不仅降 低钢筋与混凝土之间的握裹力，也会导致混凝土开裂，为侵蚀性介质进入混凝土结构内 部提供了通道。 通常情况下混凝土孔溶液呈强碱性，在这种高碱环境中，钢筋表面会形成厚约( 2 1 0 ) x 1 0 _ 9m 的尖晶石固溶体即f e 3 0 4 7 f e 2 0 3 钝化膜吲，将钢筋的表面保护起来，使其 腐蚀率降低至o 1 1 9 r n 年左右，在这种条件下，钢筋不会发生锈蚀。 当混凝土中钢筋表面的c l - 达到一定浓度时，该钝化膜就会被破坏，发生阳极反 应：凡寸f e 2 + + 2 e 一，其它部位发生阴极反应：q + 退d + 4 矿专帕厅 在c l 。的参与下，反应按如下方式进行： 凡2 + + 2 c l 一+ 4 h 2 0 专f e c l 2 4 h 2 0 ( 1 1 ) f e c l 2 4 h 2 0 专f e ( o h ) 2 山+ 2 a 一+ 2 + + 2 h 2 0 ( 1 2 ) 3 第一章绪论 在富氧条件下，f e ( o h ) 2 还可与h 2 0 和0 2 进一步反应，生成f e ( o h ) 3 。在整个反应 过程中，c l 并形成反应产物，反应过程中也不会被消耗，致使电池反应不断进行，钢筋 不断锈蚀，见图1 1 。 钢筋 图1 1钢筋的腐蚀反应示意图 钢筋锈蚀后，形成疏松、多孔的铁锈( f e 2 0 3 ，f e 3 0 4 ) ，体积膨胀数倍( 见图1 2 ) ， 导致混凝土保护层开裂破坏，并进一步加速有害离子的侵入，致使混凝土结构逐渐丧 失使用功能。 468 膨胀倍数 图1 2 钢筋锈蚀产物的体积膨胀倍数 就钢筋锈蚀的过程而言，一般可分潜伏期、发展期、加速期和劣化期几个阶段， 见图1 3 。潜伏期是c l 扩散、渗透和富集的过程，此时钢筋表面c l 。的浓度小于钢筋开 4 长安大学t 程硕士学位论文 始锈蚀时氯离子的临界浓度，钢筋无锈蚀现象；当钢筋表面c i 浓度大于临界浓度后， 钢筋开始锈蚀，结构劣化进入发展期，伴随着轴向裂纹的发展，混凝土结构刚性和承 载力逐渐降低；随着c 1 。的进一步扩散和渗透，钢筋锈蚀加剧，进入加速期，结构承载 力迅速下降，结构使用功能开始降低，而且破坏越加剧，外界c l 的侵入速度越快，直 至混凝土破坏。 嘲 蟊 懊 图1 3 盐害劣化发展模型 发生 速上升 由图1 3 可见，腐蚀一旦开始，混凝土结构的劣化和破坏便很难控制，所以提高 混凝土结构耐久性的核心是延长潜伏期的时间。潜伏期的长短主要取决于钢筋表面c l 的浓度，当c l 。浓度达到临界值后，钢筋开始锈蚀，但也有研究表明，钢筋锈蚀开始的 时间与混凝土孔溶液中 o h 】浓度有关，! ! ：! = 0 6 是诱发腐蚀的标志【5 1 。在实际使用 【o 一】 中，也常采用混凝土中c l 。含量作为衡量钢筋开始锈蚀的重要参数，见表1 1 。 表1 1 混凝土中允许氯离子含量的限定值( 水泥质量的百分比) 类型 a c l 2 0 la c l 3 1 sa c l 2 2 2 预应力混凝七 0 0 60 0 6o 0 8 湿环境、有氯盐 0 1 00 1 50 2 0 普通混凝土 一般环境、无氯盐 o 1 5 0 3 00 2 0 干燥环境或有防护层无规定 1 00 2 0 5 第一章绪论 氯离子在钢筋表面富集的浓度取决于钢筋保护层的厚度和氯离子在混凝土中的扩 散速度，所以在一定的使用环境中( 保护层厚度一定，环境中氯离子浓度已知等) ，混 凝土抗c l 。渗透能力决定着混凝土结构的耐久性。 氯离子在混凝土中的扩散和渗透规律一般用f i c k 扩散定律来表征： 一a c ：d c 9 2 c ( 1 3 ) 该方程的高斯解为c = c 。 - 一p 矿互缶 。 式中： c 一渗透深度x 处c l 。浓度； c 棚浆初始表面c 1 。浓度； x 一距离砂浆表面的深度( c m ) o 咖浆中c l 。扩散系数( c m 2 s ) ； 时散时间( s ) ； e 作一为误差函数，可查表得到。 根据c l 。在混凝土中的扩散系数和使用环境的边界条件，就可以算出潜伏期的时间， 从而预测混凝土结构的使用寿命。 ( 2 ) 碳化作用导致的钢筋腐蚀 通常情况下，混凝土孔隙中充满着水泥水化时产生的c a ( o h ) 2 过饱和溶液，混凝土 具有很强的碱度，p h 值一般均在1 2 5 以上。钢筋在这种碱性很强的环境中，表面沉积 一层致密的碱性钝化膜而处于惰性状态。但是，当外界酸性物质侵入并与c a ( o h ) 2 作用 时，混凝土的碱度下降，当混凝土p h 值降到1 1 5 以下时，钝化膜开始破坏，从而失去 保护钢筋的作用，若空气和水分进入，钢筋便开始锈蚀。 混凝土的碳化，是指大气中的c 0 2 与混凝土中的c a ( o h ) 2 起化学反应，生成中性的 碳酸盐c a c 0 3 ： c a ( o h ) 2 + c 0 2 = c a c 0 3 + h 2 0( 1 5 ) c a ( o h ) 2 + c 0 2 + h 2 0 = c a c o s + 2 h 2 0( 1 6 ) 式( 1 5 ) 是c 0 2 气体的直接中和作用，式( 1 6 ) 是c 0 2 溶解于水中，然后起中和作用。 水中溶解的c 0 2 气体，可使水的p h 降至5 9 左右。 6 长安大学t 程硕十学位论文 c a ( o h ) 2 是水泥水化的主要产物之一，对于普通硅酸盐水泥，水化产生的c a ( o h ) 2 可达1 0 - - 1 5 。它一方面是混凝土高碱度的主要提供者( 对保护钢筋特别重要) ，另 一方面，它又是混凝土中最不稳定的成分之一，很容易与环境中的酸性介质发生中和反 应，使混凝土中性化。混凝土的碳化只是中性化的类型之一，也是现实中较为普遍存在 的问题。大气中一般含有0 0 3 的c 0 2 ，而工业区则要高得多乃至数百倍，因此c 0 2 浓 度较高的地区碳化对混凝土结构的影响更显著。 ( 3 ) 提高混凝土抗c l 渗透性的途径 为提高氯盐腐蚀下混凝土的耐久性，国内外学者进行了大量的研究，并对c 1 腐蚀 环境下混凝土耐久性的设计方法进行了分类和总结。 从材料的角度讲，提高混凝土密实度、增加钢筋保护层厚度、结构表面涂层以及使 用钢筋涂层和防腐蚀钢筋( 如镀锌钢筋和不锈钢钢筋) 等方法都可以提高钢筋混凝土结 构的耐久性，洪乃丰【6 】等针对氯盐腐蚀环境中混凝土耐久性的设计进行了系统的分析， 提出了提高混凝土结构耐久性的八大措施：( 1 ) 提高混凝土的密实性；( 2 ) 增加混凝土 保护层厚度；( 3 ) 防止混凝土裂纹的产生；( 4 ) 采取附加措施如，见文献【6 】；( 5 ) 环氧 树脂涂层钢筋；( 6 ) 钢筋阻锈剂；( 7 ) 混凝土外涂覆层包括砂浆涂层，渗透型涂层，沥 青( 油漆及树脂类) 涂层、隔离层等；( 8 ) 阴极保护。 应该指出，混凝土的耐久性设计应结合工程的实际情况进行，在我国的现有国情下， 工程的造价、成本和投资回收期是许多项目重点考虑的内容，因此，许多方法尽管对提 高混凝土耐久性有着重要作用，但成本昂贵，仍难以大范围内推广。 氯离子到达钢筋表面有不均匀性，特别是氯离子作用于钢筋局部区域时，形成大阴 极d , l j d 极腐蚀而导致钢筋坑蚀。钢筋坑蚀深度可达到平均深度的1 0 倍左右，因而危害 会更大。 氯离子的存在还提高了混凝土的导电性，即降低了电阻率，易于电解液腐蚀电池的 生成，使得锈蚀更易发生。钢筋锈蚀开始后阳极区的氯离子浓度增加以平衡铁离子从而 进一步增加腐蚀面积和锈蚀速度。另外，混凝土由于钢筋锈蚀而产生裂缝，这些裂缝又 为侵蚀性介质的进入提供通道，从而进一步加剧了钢筋的锈蚀。 c l 。在混凝土中的迁移能力较强，只要混凝土中存在有c l 浓度梯度，就会有c l 。迁移。 一般认为，c l 在混凝土中迁移主要有三种方式，即扩散、毛细孑l 吸入和渗透。扩散是由 于溶液中c l 。浓度梯度引起的；毛细孔吸入是指c 1 。随着水一起连通毛细孔中迁移；渗透 7 第一章绪论 则是在压力作用下，c 1 随水一起进入混凝土。三种迁移形式一般是同时存在的，其中毛 细孔吸入是迁移速度最快的方式。对于混凝土构件而言，毛细孔吸入方式主要发生在混 凝土表层的2 m m 左右，c 1 在混凝土内部的迁徙主要是扩散过程，若存在水压力差，混 凝土中c l 。也会以压力渗透形式进入内部。当然，在迁移过程中会有一部分的c l 会被混 凝土中的胶凝材料的水化相消耗或者固结，在一定程度上降低了c l 。迁移速率；特别是 对于掺有矿渣、粉煤灰和硅灰等活性矿物掺合料的复合胶凝材料体系，其降低程度更大。 1 2 3 冻融循环破坏作用及其机理 冻融破坏是我国东北、西北和华北地区水工混凝土建筑，在运行过程中产生的主要 病害，对于水闸、渡槽等中小型水工混凝土建筑物，冻融破坏的地区范围更为广泛。除 我国东北、西北和华北地区外，华东、华中的长江以北地区以及西南高山寒冷地区，均 存在此类病害。 水运工程混凝土施工规范j t j 2 6 8 9 6 对我国北方地区海工建筑物用混凝土进行 抗冻设计，以气候条件分区进行的，未曾考虑到建筑物可能遭受的冻融循环次数。国内 外大量研究表明，根据建筑物实际遭受的冻融循环次数来设计混凝土的抗冻性，可以保 证混凝土的耐久性使用年限。因此这就需要有现场实测和统计的混凝土每年冬季遭受冻 融循环次数。 使用当地气象台资料统计冻融循环次数，可以较准确的计算结构服役年限内所经受 的冻融循环次数。以平均气温低于2 7 。c ，而平均海水温度又同时高于2 7 。c 作为一个天 然冻融循环计算，青岛地区冻融循环次数和北方其它沿海港口的冻融循环次数统计结果 如表1 2 。 表1 2 青岛地区冻融循环次数和北方其它沿海港口的冻融循环次数( 年平均) 地点大连新港威海青岛 统计计算值( 次) 1 0 88 25 3 4 7 实测值( 次) 1 0 98 l| 最冷月平均气温 - 5 2 4 11 9- 0 5 极端最低气温 - 1 9 92 0 41 4 7 1 4 3 从表1 2 的统计分析结果看，青岛的年平均天然冻融循环次数为4 7 次，对统计数据 的误差分析后，可认为自然冻融循环次数波动范围为4 0 - - 5 2 次。如果青岛海湾大桥按设 计使用寿命1 0 0 年考虑，则在其设计使用寿命期限内遭受天然冻融循环为4 0 0 0 - - - 5 0 0 0 次。 8 长安大学t 程硕士学位论文 混凝土受冻害损伤可以区分为两种情况：剥落脱皮是由于冻融引起的混凝土表面 材料的损伤；内部损伤是表面没有可见效应而在混凝土内部产生的损害，它导致混凝 土性质改变( 如动弹性模量降低) ，而新拌混凝土受冻害损伤后则会导致更加严重的冻 胀破坏。 混凝土的冻融破坏，是国内外研究较早、较深入的课题。从4 0 年代以后，美国、 原苏联、欧洲、日本等均开展过混凝土冻融破坏机理的研究，提出的破坏假说就有5 - 一6 种，见表1 3 。 表1 3冻融循环的破坏机理 理论名称创立者主要观点 孔隙水分层结冰； 水的离析分层 a r c o l l i n s冰晶增大形成冷冻薄层； 理论 混凝土层状剥离破坏。 孔隙水结冰，体积膨胀； 膨胀压理论 t c p o w e r s 孔隙水的迁移形成水压力。 孔径越小，冰点越低； h e l m u t h ，大孔水结冰，d , ：t l 水未结冰； 渗透压理论 t c p o w e r s 水向大毛细孔渗透，形成渗透压； 渗透压力大于抗拉强度时，混凝土被破坏。 充水程度s 小于临界饱水值s c r 时，不会产生冻融破坏。 临界饱度理论gf a g e r l u n d普通混凝士s c r = 0 8 5 0 9 0 ； 引气混凝土s c r = 0 7 5 0 8 0 。 美国鲍尔斯( t c p o w e r s ) 提出的膨胀压和渗透压理论等，但大部分是从纯物理的模 型出发，经假设和推导而得出的，有些是以水泥净浆或砂浆试件通过部分试验得出的。 迄今为止，对混凝土的冻融破坏机理，国内外尚未得到统一的认识和结论，以下是根据 鲍尔斯( t c p o w e r s ) 提出的膨胀压和渗透压理论对不同时期的混凝土的冻融循环破坏作 用机理进行简要阐述。 ( 1 ) 新拌水泥混凝土的受冻害损伤的原因 新拌混凝土的强度低、含水率大，极易发生冻胀破坏。冻胀破坏的外观特征是材料 体内出现若干的冰夹层，彼此平行而垂直于热流方向。其过程为：结构物表面降温冷却 9 第一章绪论 时，冷流向材料内部延伸，在深处某水平位置开始冻结，一般从较粗大孔穴中水分开始， 冰晶形成后从间隙吸水并发育增长，且是不可逆转的过程，水分从材料未冻水或从外部 水源补给，并进行宏观规模的移动。第一层孔穴中冰冻后，在冰晶生长的过程中，材料 质体受到的拉应力一旦超过材料的抗拉强度即发生破坏。 ( 2 ) 成熟混凝土受冻害损伤有关原因 混凝土构件中的孔径分为三个范畴，即凝胶孔、毛细孑l 及气泡，在某一固定负温下 混凝土构件中水分只有一部分是可冻水，可冻水受冻产生造成的体积膨胀可直接衡量冰 冻破坏力。 可冻水主要集中在水泥石及骨料颗粒的毛细孔中，凝胶水由于表面的强大作用不大 可能就地冻结，气泡水易冻结。混凝土构件中各种孔径的空隙可认为连续分布，分布在 这些空隙中的水在降温过程中将按顺序逐步冻结，不可能同时冻结。可冻水一般是温度 的逆函数，温度愈低，可冻水愈多。 连续的毛细管网络体系破坏过程；随着水化进展凝胶体生成，网络的联系被破坏、 分成孤立的毛细孔，而凝胶连同其特征性凝胶孔和少数细小毛细孔就构成透水器壁。随 着水化进行，材料质地致密及温度的下降，将有更多细小空间的水结冰，作为器壁的凝 胶的渗水性也不断减小。 当冰冻水受水压力推动向附近气泡排出时，材料本身将受到推移水分前进的反作用 力导致受拉破坏。材料组织愈致密水流宣泄不及，疏导不畅引起的动水压力越大。 水泥浆中包含的一般是盐类稀溶液，一旦冰冻后变为纯冰和浓度更高的溶液；随着 温度下降，盐分浓度不断提高。另一方面邻近凝胶中水分始终保持不冻，其溶液浓度保 持原有的水平，于是在毛细孔溶液和凝胶水之间出现浓度差。浓度差使得溶剂向溶液中 扩散，即溶质向凝胶水中扩散，而凝胶水向毛细孔中浓溶液转移。使得毛细孔中水分增 加，冰晶逐渐长大。当毛细孔穴充满冰和溶液时，冰晶进一步生长必将产生膨胀压力， 导致破坏。 另一方面，在有水压的情况下，水分冻结膨胀，多余水份在压力推动下外流，流向 可消纳水分的未冻地点；析冰情况正好相反：水分不从冰冻地点外流，而是从未冻地点 流向已冻冰地点。 以上两点可以综合为：第一阶段毛细孔中始发的冰冻，向所有方向产生水压力，从 而引起内应力；第二阶段较大毛细孔中水分首先生成冰晶，并从小孔中吸引未冻结水使 自身增长，产生静应力。 1 n 长安大学r 程硕士学位论文 骨料作为一个重要组分，如果受到冰冻膨胀作用，同样会成为导致混凝土破裂的应 力来源。由于引气混凝土的广泛使用，水泥净浆的抗冻性较易保证；从这个意义上来说， 骨料抗冻性更具有突出意义。凡属中等吸水、细孔结构、渗透较低的岩石，该类危险较 突出。在特殊情况岩石吸水率极低( 如重量吸水在0 5 以下的石英岩) ，可冻水极少， 无渗透应力出现；根据施工经验应避免使用高度吸水骨料，小颗粒石粒可以得到较大抗 冻保证。 综上所述，混凝土材料的抗冻性是以下三方面的函数即：材料的性质( 强度、变 形能力、孔隙情况) ；气候条件( 冻融循环次数、最低温度、降温速率、降水量、空 气相对湿度等) ；材料使用方式( 自由水、材料的蒸气压梯度与温度梯度) 。区分这几 方面参数将构成研究这一复杂问题的一个根本方式的转变，如此才可能正确预言材料在 指定环境中的抗冻能力。 目前，国内外预防混凝土冻害破坏的主要措施如下： 1 ) 降低w b ，使w b 0 3 8 ； 2 ) 掺优质引气剂，使混凝土含气量达4 0 - - 6 o 。 1 3 课题的研究目标、主要研究内容 1 3 1 研究目标 针对青岛海湾大桥所处的地理环境，综合考虑国内外研究动态，在大量试验的基础 上，提出一套解决青岛海湾大桥混凝土耐久性问题的方案，使其能够满足1 0 0 年的设计 使用寿命。 1 3 2 主要研究内容 ( 1 ) 混凝土耐久性方案设计 根据相关资料和国内外特大桥中混凝土耐久性方面成功的经验，并针对青岛海湾大 桥特殊的自然环境，提出一套切实可行的满足青岛海湾大桥混凝土结构耐久性要求的设 计方案。 ( 2 ) 混凝土( 高性能混凝土) 的配合比设计及耐久性检测 1 ) 混凝土所用材料选取； 2 ) 混凝土配合比设计； 3 ) 混凝土耐久性指标检验。 11 第一章绪论 ( 3 ) 提高混凝土结构耐久性的补充措施的研究 通过对一系列提高混凝土耐久性的补充措施( 如：采用透水模板布、混凝土表面涂 层、阴极保护以及掺加聚丙烯纤维等) 进行可行性分析，提出一套切实可行的提高混凝 土耐久性的补充措施。 ( 4 ) 工程质量控制( 保证措施) 为保证本课题提出的混凝土结构耐久性方案的顺利实施，确保工程质量，专门对施 工过程进行研究，并提出具体实施措施。 1 2 长安大学t 程硕士学位论文 第二章青岛海湾大桥耐久性设计方案 2 1 耐久性综合措施提出及其基本技术路线 从整体而言，海洋环境下的钢筋混凝土结构的耐久性设计应综合考虑到施工、运营 和维护等，遵循“预防为主”的战略方针，重点在“预先设防”，具体而言就是应考虑根本 措施和补充措施的有机结合。 从综合经济效益的角度考虑：在保证服务年限前提下，费用最小，进行全寿命经济 分析，适当增大初期投资，减少后期维修费用，使全寿命经济投入最省。 改善混凝土和钢筋混凝土结构耐久性常需采取根本措施和补充措施。从混凝土性能 出发，提高混凝土材料本身的耐久性能，并确定合理的保护层厚度；再找出破坏作用的 主次，对主因和导因对症施治，并根据具体情况采取除高性能混凝土以外的补充措施。 因此，海洋环境下的钢筋混凝土结构的耐久性方案的设计应该遵循的基本方案是： 首先，混凝土结构耐久性根本措施是采用高性能混凝土。同时，依据混凝土构件所处结 构部位及使用环境条件，采用必要的补充措施，如采用混凝土表面涂层技术、阴极保护 技术、阻锈剂技术等。在保证施工质量和原材料品质的前提下，混凝土结构的整体耐久 性将可以达到设计要求。 对于具体工程而言，耐久性方案的设计必须考虑当地的实际情况如原材料的可 及性、施工应用的可行性等，以及经济上的合理性。因此，考虑到上述各项技术措施本 身的特点及其在我国的具体应用情况，结合青岛海湾大桥的特定情况，提出以下设计方 案，其技术路线如图2 1 所示。 从图2 1 可以看出，本设计方案由根本措施( 高性能混凝土和合理的保护层厚度) 和补充措施组成。其中，根本措施是必须采用的，而补充措施则可在保证混凝土耐久性 的前期下，根据具体的施工条件选取全部或部分措施。 1 3 第二章青岛海湾大桥耐久性设计方案 2 2 耐久性设计方案原则和依据 图2 1 技术路线图 ( 1 ) 设计原则 1 ) 满足主管部门和工程设计方提出的大桥1 0 0 年的设计基准期要求； 2 ) 耐久性技术方案科学合理，确保技术方案的可行性和可靠性； 3 ) 设计方案宜因地制宜( 与高性能混凝土配合比试验研究相结合) ； 4 ) 设计方案须经济可行。 ( 2 ) 设计依据 1 ) 业主和工程总设计方提供的工程背景资料、工程设计文件等原始资料； 2 ) 实地调研勘察取得的样品、试验数据等原始资料、历史记录等： 1 4 长安大学工程硕十学位论文 3 ) 相关国家、行业标准： 海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范j 2 7 5 2 0 0 0 ； 水运工程混凝土施工规范j t j 2 6 8 9 6 ； 水运工程混凝土质量控制标准等国内现行规范和规程； e u r o p e a n s t a n d a r d e n 2 0 6 ：19 9 7 c o n c r e t e - p e r f o r m a n c e ，p r o d u c t i o na n d c o n f o r m i t y ： n tb u i l d4 4 3 “c o n c r e t e ，h a r d e n e d ： a c c e l e r p 汀e d c h l o r i d ep e n e t r a t i o n ”( 硬化混凝土加速氯离子渗透测试方法) ； a s t mc 1 2 0 2 9 6 d 1 4 11 8 2 c 1 15 2 9 7 ： a a s h t ot 2 7 7 t 2 9 9 等国外现行规范和规程。 4 ) 上海市建筑科学研究院在高性能混凝土的相关领域的科学研究和技术积累： 上海洋山深水港东海大桥、浙江杭州湾大桥和上海沪崇苏越江通道北港等大型 海工混凝土结构耐久性设计、技术应用以及实际操作所获得的技术资料。 2 3 提高混凝土结构耐久性根本措施 2 3 1 高性能混凝土( h p c ) 设计 ( 1 ) 混凝土原材料的选择 组成混凝土的材料对混凝土的耐久性起着至关重要的作用。因此，在进行高性能混 凝土的配制前，必须认真对原材料进行优选，使其满足要求。 水泥：水泥应选用生产质量高且稳定的大型水泥生产企业的低碱水泥； 砂：尽量选取中砂，品质符合水运工程混凝土施工规范j t j 2 6 8 9 6 及海港工 程混凝土结构防腐蚀技术规范j t j 2 7 5 2 0 0 0 之规定，细度模数2 6 - - 2 9 符合i i 区颗粒 级配。砂中氯离子含量郢0 2 ，含泥量：5 2 o ，泥块含量郢5 。不得使用海砂、山砂 及风化严重砂、多孔砂以及有潜在碱活性的砂。 碎石：碎石品质符合水运工程混凝土施工规范j t j 2 6 8 9 6 及海港工程混凝土 结构防腐蚀技术规范j t j 2 7 5 2 0 0 0 之规定，粒径5 2 5 m m 且级配良好。碎石中氯离子 含量 0 0 2 ，含泥量郢5 ，泥块含量 0 5 ，针片状颗粒含量s 8 。不得使用具有碱活 性的骨料。 矿物掺合料：品质应符合现行相关国家标准和行业标准的规定：粉煤灰原材料必须 符合g b t1 5 9 6 - - 2 0 0 5 标准中规范的i i 级灰以上标准。同时规范其细度不得大于2 0 ， 需水量比不大于1 0 0 ，烧失量不大于5 ，氧化钙含量不得大于1 0 ，游离氧化钙含 1 5 第二章青岛海湾大桥耐久性设计方案 量不得大于1 0 ；矿粉原材料必须符合g b t 1 8 0 4 6 2 0 0 0 标准中规范的$ 9 5 级以上要求。 拌和用水，应使用不含有影响水泥正常凝结、硬化或促使钢筋锈蚀 ( c 1 含量 4 0 0 0 高 w c 大于0 6 的普通混凝土 2 0 0 0 4 0 0 0中中等水胶比( o 5 0 6 ) 普通混凝土 10 0 0 2 0 0 0低低水胶比普通混凝土 1 0 0 1 0 0 0非常低低水胶比、掺硅粉5 1 0 混凝土，或乳胶改性混凝土 1 0 0 忽略不计聚合物混凝土，掺硅粉1 0 1 5 混凝土 之所以推荐定性评价而不是定量评价，原因之一是影响混凝土电通量的因素与影响 其氯离子渗透性的因素并不完全相同，有时差别还较大。因此有必要对混凝土电通量进 行深入分析，了解哪些因素是假相，哪些因素能够真实反映混凝土抗氯离子渗透性。 电通量实质上检测的是混凝土的电导( 或电阻) 。影响混凝土电导的因素有孔隙率、 孔隙连通情况、孔溶液电导等【1 0 】，而混凝土抗氯离子渗透性与孔溶液电导基本没有什么 联系，只与孔隙率、孔结构及孔隙连通情况有关。如果不同混凝土孔溶液的电导相同， 就可以根据电通量大小来定量评价，但由于孔溶液电导往往差别较大，所以只能定性的 2 2 长安大学t 程硕士学位论文 评价。 w h i t t i n g 等人提出该标准时的情况，混凝土中并没有掺加矿物质混合材或化学外加 剂】，此时孔溶液中主要成分及含量基本相同，电导差别也就不会太大，此时电通量基 本反映了抗氯离子渗透的情况。但随着混凝土技术的发展，矿物质混合材和各种化学外 加剂的使用日益普及，孔溶液中各成分的含量发生了很大的变化【l2 1 ，化学外加剂如减水 剂、阻锈剂等也引入了不同含量的碱金属离子，致使混凝土孔溶液电导及混凝土电通量 发生变化，虽然这并不会改变氯离子在混凝土中的渗透性。 为此，在使用电通量评价混凝土尤其是高性能混凝土抗c l 渗透性时，应结合有关 因素综合考虑，也就有必要对影响混凝土电通量的因素进行具体分析。 首先是水灰比，它主要影响到孔隙率的大小，因此影响到混凝土的电通量和抗氯离 子渗透性。其次是矿物质混合材与化学外加剂的种类及掺量，它主要影响到混凝土孔溶 液碱度的变化。如c s c e c 5 3 ：9 3 规定：混凝土使用矿渣和硅灰作为混合材时，其碱含 量的5 0 计入混凝土总碱量，而粉煤灰作为混合材时，其碱含量只计入1 5 ，说明不同 混合材对混凝土可溶性碱量的影响是不一样的。再次，基准混凝土和矿渣混凝土还有泌 水现象，直接的结果就是连通孔隙增多，提高了混凝土的电通量和氯离子渗透性，但除 船坞等海下工程外，氯离子渗透方向往往不是引起泌水的重力方向，而是垂直于重力方 向，如通过四周向中间渗透( 桥墩等) 、由一侧向另一侧渗透( 堤防) ，所以电通量测量 时虽然氯离子在电场作用下迁移方向与泌水引起的连通孔方向相同，却与实际渗透方向 不同，致使混凝土在不同方向上电导不同，我们称之为混凝土电通量的各向异性。 另外还要考虑到混凝土的干态电导和骨料的影响。氯离子的渗透和扩散实际是在水 中进行的，但即使混凝土中没有毛细孔水，混凝土也有电导，我们称之为干态电导，它 的大小主要与混凝土材料有关，如偏