港珠澳大桥120年使用寿命的混凝土结构耐久性对策研究.docx

港珠澳大桥120年使用寿命的混凝土结构耐久性对策研究王胜年1 李 克非2 范志宏2 苏权科31.中交四航工程研究院有限公司， 水工构造物耐久性技术交通运输行业重点实验室2.清华大学 3.港珠澳大桥管理局摘要：跨越伶仃洋海域 的港珠澳大桥提出 了120年使用寿命的建设目标，如何提高外海、高温、高湿环 境下大 型集群工程的混凝 土结构耐久性是工程建设面临的重大挑战之一。本文针对工程特点，介绍了开展 混凝土 结构耐久性预评估 、基于长期性能的耐久性和防腐蚀措施设计、耐久性施工质量控制以及后期耐久 性维护等方面的研究思路，为制定港珠澳大桥主体工程混凝土耐久性策略提供支撑。关键词： 混凝土 ;耐久性 ;评估; 设计 ;港珠澳大桥2港珠澳大桥混凝土结构耐久性预评估处于高温高湿且高氯盐环境下，兼有人工岛、沉管隧道和海中桥梁等多种结构形 式的港珠澳大桥能否达到120年的设计使用年限要求，是工程论证阶段的焦点问题之 一o21工程区域的腐蚀环境分析根据环境勘察资料，港珠澳大桥所处环境温湿度条4：1：和侵蚀环境条件见下表。由 表可知，港珠澳大桥混凝土结构处于高温高湿高盐的环境中下，腐蚀环境严酷。表l港珠澳大桥区域的环境条件温度()相对湿度氯离jf浓度(gi)硫酸根浓度(ragi)年平均最热月最冷月平均最高最低海水地下水海水地下水223-231 284-288 148159 77-80 100lo10815913217ol-323i1i8根据混凝土结构耐久性设计规范(gbt 50476)【i j，港珠澳大桥主要构件处于 海洋氯离子侵蚀的iii-c到i11f的环境作用区问，箱梁和沉管内壁属于ib的碳化环境， 部分泥下构件处于vd的化学腐蚀环境。由于港珠澳大桥结构形式多样，对于不同混凝土构件的腐蚀环境划分，可分别按 照港工设计水位与天文潮算法进行划分，以更准确反应不i司结构构件混凝土的环境条 件：按照港工设计水位方法计算波峰面高度rl o来划分区域可以反映人工岛结构构件 (沉箱与上部附属构件)对波浪的阻挡效果，但若用于计算港珠澳大桥构件(桥墩与 承台)对波浪的阻挡效果，会使结果偏大，实际情况下桥墩与承台对波浪的阻挡效果 要比沉箱与上部附属构件小得多。凶此，对于人工岛、隧道，按照无掩护条件下的港 工设计水位算法划分；对于桥梁等结构，按照无掩护条件下的天文潮划分。表2港珠澳大桥海洋腐蚀环境划分 无掩护条件(按港上设计水位)无掩护条件(按天文潮位)区域计算方法高稷(100年重现)计算方法高程(100年重现)大气区高于设计高水位加(t10+930m最高天文潮位加咱26m+1om)o7hia以上大气区下界至设计+930m大。c区下界至最高+626m一浪溅区高水位减tio-i36m天文潮位减hio040m水位变动浪溅区下界至设计136m浪溅区下界垒最低040m区低水位减10m25lm天文潮位减o2 hl门-210m水下区水位变动区以下-25im水位变动区以下-210m22设计使用年限的分析长期暴露实验证实12i，掺粉煤灰、矿渣粉等活性矿物掺合料的混凝土，其抗氯离子 渗透性比不使用掺合料的水泥混凝土提高数倍以上。随着大掺量矿物掺合料和低水胶 比的海工高性能混凝土技术的发展，采用海工高性能混凝土成为建设海洋环境工程的 首选，根据华南地区的工程原型检测结果和暴露试验数据，测算出在按照规范合理设 计保护层厚度的前提下，使用高性能混凝土可保证混凝土结构达到50年以上，而高性 能混凝土配合附加防腐蚀措施形成的综合防护技术体系，则为混凝土结构耐久性寿命 达到100年以上提供了支撑。国内已经建设了东海大桥、杭州湾大桥和青岛海湾大桥等多座跨海桥梁工程，上 述工程的设计使用年限为100年，从工程设计建设经验看，都是通过采用海工高性能 混凝土、规定最小保护层厚度、采取附加防腐蚀措施和严格施工管控的技术思路来实 现工程耐久性目标t卜5i。从国外的厄勒海峡大桥、香港的昂船洲大桥等具有120年设计使用年限的工程建 设经验看，采取合理设计指标、严格控制施工质量、明确规定后期维护等措施是工程 耐久性保障的基本思路。因此，港珠澳大桥通过科学设计、严格施工和加强后期维护等方面的系统研究， 提出设计、施工、运营阶段的耐久性保障技术体系，可以满足工程120年使用寿命的 要求。3混凝土结构耐久性设计混凝土结构耐久性设计的基本思想是：在材料和设计施工水平能够达到的前提下， 从材料性能和构件构造上最大限度地提高结构的耐久性水平，i_j时对腐蚀风险较高的 重要构件关键部位应采取合适的附加防腐措施。31基于实际环境和长期性能的混凝土结构耐久性设计国内外大多数工程还是依据规范规定的材料组成如水胶比、胶凝材料用量、保护 层厚度等来确定耐久性控制指标，即所谓“凭经验设计”，这些耐久性控制指标与设计 年限之问只是假定的符合关系，不是直接的对应关系；港珠澳大桥混凝土结构的耐久性设计，以钢筋表面氯离子浓度累积达到锈蚀临界 值为耐久性极限状态，近似采用菲克第二定律的扩散模型来表征氯离子的侵蚀过程：，厂r巳咆。1卜erf力寿；o)港珠澳大桥耐久性设计的基本思路是以华南地区长达20多年的海洋暴露试验和海 港实体工程调查分析为基础，将暴露试验和工程调查样本数据进行统计分析，解析上述模型中关键参数的统计分布特征，建：移基于可靠度理论的耐久性设计方法，确定与 设计使用年限相对应的耐久性设计指标。由于港珠澳大桥与设于湛江港的华南暴露试验站环境基本相同，与华南海港工程 环境相似，凶此，应用上述暴露试验和实体工程耐久性样本数据进行耐久性设计是可 靠的。表l华南暴露试验站与港珠澳大桥环境条件对比环境条件港珠澳人桥华南躲露试验站年平均气温223231235最热月7月平均气温28428828912最冷月1月平均气温148159155年平均相对湿度778085海水中c1含量gl)107617o1505海水ph值750863784818311表面氯离子浓度 在海洋环境中，海水中的氯离子通过不同机理在混凝土表面沉积，表面氯离子浓度不仅与其体暴露部位有关，而且和混凝土本身的特性以及暴露时间有关。 对于表面氯离子浓度的统计规律分析采用了33 1个暴露试验样本数据，得出表面浓度服从对数j下态分布。综合考虑现有的统计模型，混凝土表面氯离子浓度概率模型 表示为：e(，)-彳曙括其中：，江混凝土的水胶比；彳表面浓度回归系数b时间参数。312临界氯离子浓度钢筋在混凝土中锈蚀的临界氯离子浓度与混凝土的保护层厚度、胶凝材料品种、 水胶比和环境的通氧条件及相对湿度等凶素有关。参考大量的实测数据(暴露试验数 据样本80个，工程调查数据样本58个)，针对港珠澳大桥混凝土配合比具体情况(双 掺粉煤灰、磨细矿渣粉)，对不同海洋环境暴露区域，分别研究了临界氯离予浓度的概 率统计模型。得出大气区的临界氯离子浓度为对数正态分布，均值为o85，标准差为 013：浪溅区、水变区和水下区1166界氯离子浓度为beta分布。74313氯离子扩散系数混凝土的氯离子扩散系数与混凝土水胶比、胶凝材料的品种以及环境条件等有关。 研究表明，氯离子扩散系数的表观回归值随混凝土暴露时问的增长而降低，符合指数 衰减规律：即m(钉式中d。为经历环境作用时问f后测得的氯离子扩散系数，h为衰减系数。 港珠澳大桥混凝土结构耐久性设计用的氯离子扩散系数的衰减规律(由衰减系数栉来表征)根据长期暴露试验的数据回归(95个数据样本)得到。华南长期暴露试验数 据分析证明，混掺粉煤灰、粒化高炉矿渣粉的混凝土具有最优的抗氯离子渗透性能。 针对此配合比特点，对于氯离子扩散系数及衰减指数进行概率统计分析，衰减指数刀 为正态分布，浪溅区均值为047，标准差为o0286。314耐久性设计结果在上述关键参数的概率统计规律确定的前提下，使用近似概率方法进行了主要耐 久性控制参数的设计，确定了针对具体可靠指标水平(p=13)和构件具体暴露部位的 分项安全系数，从而建立了耐久性设计的近似概率(分项系数方法)设计方法。定量 计算了“使用年限保护层厚度氯离子扩散系数”的三元关系，确定了设计使用年限为 120年的混凝土构件保护层厚度和氯离子扩散系数)c寸应关系。图i120年使用年限保护层厚度和理论氯焉子扩散系戤关系32基于综合防护技术的混凝土结构附加防腐蚀措施设计理论上采用海工高性能混凝土与足够的混凝土保护层厚度，混凝土结构可以达到 120年使用寿命。但是考虑实际上设计施工的偏差、材料性能的波动、环境和荷载的影 响等不利凶素，尚需要按照构件的重要程度、维护的难易程度、所处的环境部位，采 用一些有效的防腐蚀措施，使其具有一定的耐久性安全储备。75何种构件、什么部位采用何种外加防腐措施，需要根据不l司腐蚀环境混凝土构件 腐蚀jxl险、不同外加防腐蚀措施的适用条件和全寿命周期成本综合考虑。 32i港珠澳大桥主体混凝土结构腐蚀风险评估通过定量分析港珠澳大桥不同腐蚀区域的环境指数(sp)和混凝土结构的耐久指 数(tp)，比较环境指数和耐久性指数之问的关系来评价港珠澳大桥主体混凝土结构的 腐蚀风险。当t屺sp时，港珠澳大桥混凝土结构在120年免维修期内凶钢筋腐蚀引起 耐久性下降的jxl险很小，tpsp的差值越正，腐蚀风险越小，耐久性安全储备越大。耐久指数(tp)是通过综合考虑分析影响港珠澳大桥混凝土结构耐久性多方面凶 素，通过计算后获得的。环境指数(sp)用于评定港珠澳大桥各部位的环境条件，由 结构所处的环境条件及所要求的免维修期而定。根据腐蚀风险计算结果，只要满足设计要求，可保证港珠澳大桥混凝土结构120 年设计使用寿命，但是分析结果也表明，除水下区的混凝土构件的tpsp较大外，大气区、浪溅区和水变区的tp-sp值较小，一旦混凝土原材料或施工质量控制出现偏差， 就会导致tp-sp的值小于零，不能满足工程耐久性目标，凶此还需采取必要的外加防 腐措施以降低腐蚀风险，提高耐久性安全储备。322海工混凝土防腐蚀技术混凝土外加防腐措施可分为二大类。一类通过阻止或延缓氯离子渗透进钢筋表面 达到保护钢筋的目的，例如硅烷浸渍、混凝土涂层等；另+一类通过提高钢筋的抗腐蚀 性能延缓钢筋开始腐蚀时间或者降低钢筋腐蚀速率，如不锈钢钢筋、阴极保护以及环 氧涂层钢筋等。表2海洋环境混凝土结构可采取的外加防腐蚀措施 防腐措施防腐原理适用条件保护效果及优点缺点可用于海洋环境改变混凝l：外观，混凝j【：表层形成隔绝保护年限1020年，涂层大气区、浪溅区和涂层易受外界作 层。是氯离。r难以侵入施工简便水位变动区jl】而损坏渗入混凝上毛细孔中保护年限20年，施不适合水位变动使毛细孔擘憎水，使水可用于海洋环境硅烷浸渍工简便，不影响混凝区、水下区等混凝分和所携带的氯化物大气区和浪溅区土外观，重涂容易上表面潮湿部位难以渗入在钢筋表面形成。层防护效果和保护混凝t内掺或者适用于氯离子不可保护膜，抑制、阻止、年限难确定易对阻锈剂外涂，可用于各种避免存在或进入混 延缓了钢筋腐蚀的电混凝土其他性能混凝土部位凝士内的结构化学过程产生不良影响76钢筋外表面包裹环氧减小钢筋握裹力，环氧涂层可用于各种混凝涂层，隔绝侵蚀介质，保护年限25年以上涂层易损，施工质 钢筋t：构件避免钢筋锈蚀键控制要求高i叮用于各种混凝外加电场，使钢筋电位上构件对重要构件可实施成本较高，施工技极化。即使存在氯离阴极保护一般施工期预设长效保护，保护年限术及后期维护要 二f钢筋腐蚀反应也不钢筋电连接，后期可达50年以上求高能发生通电保护不同环境区域所采用的外加防腐蚀措施不同，这是由区域对结构物侵蚀的程度和 不同外加防腐蚀措施的特点共同决定的。港珠澳大桥混凝土结构不lj部位具体采用何 种措施，还需结合各部位的工况条件，考虑外加防腐蚀措施的效果、施工可行性以及 全寿命周期成本。323防腐蚀措施全寿命成本分析 由于不ij的防腐技术有不i一的技术特点和适用性，选择经济适宜的防腐蚀方法对整个工程的使用状态和寿命至关重要。为选择经济适宜的防腐蚀方法，基于全寿命经 济分析的概念建立了防腐蚀工程经济评价体系。全寿命计算周期和折现牢是全寿命成本分析中至关重要的两个参数，港珠澳大桥 的设计使用寿命为120年，所以项目的计算周期为120年，折现率根据我国目前海港 工程的折现率并结合现行的银行贷款利率取7。采用现值法对不同外加防腐蚀措施的 全寿命成本进行比较计算，从经济角度筛选出适用于港珠澳大桥的最佳防腐蚀措施。港珠澳大桥混凝土结构物处于恶劣环境下，初期施加外加防腐蚀措施可以对混凝 土结构起到安全预防的作用，进一步增加结构的耐久性安全裕度。通过对不i_j外加防 腐措施的技术特点、经济效益和混凝土构件腐蚀风险三者之问综合分析，提出港珠澳 大桥主题混凝土结构附加防腐蚀措施为：桥梁大气区混凝土结构采用硅烷浸渍防腐蚀 措施；桥梁浪溅区和水位变动区混凝土结构采用外层不锈钢钢筋或环氧涂层钢筋加硅 烷浸渍联合的外加防腐蚀措施，不锈钢和环氧涂层钢筋视构件采取预制和现浇不同工 艺区别对待：对于处于深水环境下的沉管侧面和顶面外壁，以混凝土自防水为主，浅 埋和敞开段采取硅烷浸渍防腐；浪溅区、水位变动区和大气区构件选择有代表性部位 埋设营运期耐久性监测传感器，并实施钢筋电连接，预设后期阴极保护。4混凝土结构耐久性施工质量控制由于存在许多不确定因素，研究适合本工程特点的混凝土的耐久性施工质量控制 措施，将结构出现初始缺陷的可能性降到可控范围之内，确保耐久性设计目标在实施 工中得以实现，是实现工程寿命目标的重要环节之一。41 混凝土质量控制技术从施工角度考虑，混凝土耐久性施工质量控制包括原材料控制、耐久性混凝土配 合比设计与调整、混凝土生产、浇注和养护过程控制等多方面的内容。国内外根据大 量工程经验与研究成果的总结，提出了系列耐久性施工控制措施，也制定了相应的 标准规范，对于提高混凝土结构的耐久性质量发挥了重要作用。但是现有的规范条文 多数针对普通环境下的混凝土结构，或者设计使用年限较短的建筑物，具有120年设 计使用年限的、包含沉管隧道、人工岛与桥梁等不同结构形式的跨海集群工程，对耐 久性施工及质量控制提出了更高的要求，尚需结合具体结构开展深化研究，以指导不 同结构形式的跨海集群工程的耐久性施工和质量控制。根据港珠澳大桥施工特点，研究了施工阶段混凝土耐久性质量控制技术，按照耐 久性设计指标要求，研究满足120年设计使用寿命要求的混凝土性能试验及检验、生 产施工质量控制措施、耐久性质量检验与验收标准等系统技术，结合大掺量掺合料混 凝土成熟度对性能影响、沉管混凝土容重控制、保护层厚度控制、现场水胶比控制及 耐久性质量检验等工程应用技术研究，形成用于指导港珠澳大桥混凝土施工的港珠 澳大桥耐久性质量控制技术规程。42特殊构件混凝土裂缝控制技术港珠澳大桥沉管结构受大截面、大体量、结构形式及施工工艺复杂等凶素影响， 容易因温度、收缩以及约束等原凶而在施工阶段就出现危害性裂缝。危害性裂缝的出 现不仅会影响结构的外观，还会大大促进有害物质侵蚀混凝土的速度的程度，从而更 快地导致混凝土结构破坏，削弱沉管混凝土结构整体的耐久性。沉管是造价高、腐蚀 环境恶劣且无法更换的主要构件，为确保港珠澳大桥主体的使用寿命，在沉管预制施 工过程中必须采取合理有效的措施防止有害裂缝的产生。虽然国内外在大体积混凝土 裂缝控制以及沉管管段混凝土的裂缝控制方面做了大量富有成效的研究，但具体到不一的工程时，由于工程结构种类的多样性及结构耐久性要求的复杂性，导致已有的成 功经验并不完全适用，还需要根据工程的具体要求，通过系统的研究以提出有针对性 的控裂措施。针对港珠澳大桥全断面浇筑沉管管段大体积混凝土的控裂难题，研究了工厂化预 制工艺下，各施工阶段可能影响沉管混凝土质量、控裂的凶素，结合数学仿真分析， 提出有针对性的管节预制工艺、温控及监测措施；通过小尺寸模型试验、足尺模型试 验全面检验原材料、配合比、混凝土施工工艺等的可靠性，并对仿真分析、施工工艺、 控裂措施进行再优化设计，最终形成沉管节段裂缝控制的施工技术规程。 48施工期混凝土结构耐久性动态评估和控制耐久性设计中规定的指标需要通过施工过程来实现。一方面对施工期耐久性测试 数据和相关工程试验、检验数据进行概率统计分析，研究实体工程耐久性相关的各参数概牢分布，对照耐久性设计指标，评估耐久性设计目标在实体工程中的实现程度。 结合工程实施具体情况，统计分析实际施工凶素(工程用原材料、混凝土材料、施工 养护等)的质量水平和实际环境凶素(具体暴露条件和局部环境条件等)；针对材料和 施工因素埘耐久性设计目标的影响，进，步修正和完善耐久性施工质量控制措施，指 导后续生产。另一方面，基于对实体构件和ij条件暴露试件的跟踪测试，评估实际构 件在服役环境下的耐久性寿命，初步掌握即将交付使用的结构或构件能否满足设计目 标，对于有明显缺陷，耐久性评估不能满足设计目标的构件，研究采取合适的耐久性 补救措施。5混凝土结构营运期耐久性维护影响工程耐久性的不确定凶素很多，尽管施工已建造出满足设计初期目标的建筑 物，但是由于材料、环境、荷载、气候等因素的影响，都会对工程结构耐久性产生影 响。所以，应研究制定科学的耐久性维护策略，保证港珠澳大桥在120年设计使用寿 命周期内正常运行。51制定营运期耐久性维护制度 港珠澳大桥构件种类多，环境不同的构件耐久性劣化时变过程也不同，凶此，应针对不l一的构件，制定贯穿于整个服役周期的检查、监测和检测等维护管理制度，制 定定期检测、常规检测、特殊检测以及终期检测的检测项目、频次以及相应的档案管 理制度，以适时发现和掌握结构物的耐久性状态和变化情况。 52耐久性监测和定期评估对于主塔、桥墩及海底沉管等不可更换的主体混凝土结构构件，在施工期埋入耐 久性监测传感器，以便及时掌握