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上海洋山深水港区一期工程芦洋跨海大桥工程设计方案说明书 第七章第七章 桥梁结构耐久性设计71自然条件芦洋跨海大桥工程地处杭州湾海域，常年气温较高，湿度大，季候风强烈，此处海域海水含盐度高，含氯度大，桥位处于出海口，涨落潮的干湿侵蚀效应、海洋大气的腐蚀环境，对大桥的使用寿命有极大的影响。工程结构采取高标准的防腐措施是确保结构在设计使用寿命年限内的安全和满足正常使用功能的重要环节。国内外大量的海洋工程实践显示，处于海洋环境中的钢结构和钢筋混凝土结构，其耐久性远不如人们所期望的那么经久耐用，有的仅使用十几年就不得不进行大修，这是由于氯化物的存在导致了钢结构及钢筋混凝土结构的腐蚀。因此，必须采取可靠的防腐措施，以满足桥梁的设计使用寿命要求。影响本工程桥梁耐久性的主要因素包括氯离子渗透、硫酸盐侵蚀，温度应力裂缝，海水磨损和碱骨料反应等。72 结构耐久性设计依据根据“洋山深水港区一期工程芦洋跨海大桥工程设计方案征集文件”，大桥设计基准期为100年。 73 耐久性设计构思731 钢结构的耐久性设计构思钢材是目前在海洋环境下的工程设施中采用的主要建筑材料之一，而不采取防腐措施的钢材在海洋环境下其耐久性能是极其脆弱的，如碳素钢在海洋大气区的年单面腐蚀速率为0.050.10mm/年，在浪溅区的年单面腐蚀速率为0.200.50mm/年，在水位变动区及水下区的年单面腐蚀速率为0.120.20mm/年，在泥下区的年单面腐蚀速率为0.05mm/年。因此海洋工程钢结构必须采取防腐措施才能达到一定的设计年限。海洋工程钢结构的防腐是一个复杂的问题，同一地点的结构，在不同的部位，如大气区、浪溅区、水位变动区、水下区、泥下区的腐蚀情况是不一样的，即使在同一部位，在不同的季节，由于气温等条件的变化，腐蚀情况又会有所不同。而在不同的地区，由于海水的PH值、温度、含盐量、潮流等自然条件的不同，腐蚀情况又会有差别。因此对钢结构采取防腐措施必须具体问题具体分析，采取适合当地条件的科学有效的防腐蚀措施。目前，对海洋工程钢结构常采取的防腐措施一种是机械隔离措施，即采用一定材料包覆在待保护材料表面，使之与水、氧气等产生腐蚀的物质隔离以达到防腐蚀的目的，另一种是根据腐蚀微电池的原理，人为提高待保护材料的电位，使之处于电位较高的一极，从而达到保护的目的。 涂层防腐涂层防腐系统是采用有着良好附着性、耐蚀性、抗渗性的材料，如氯化橡胶、丙烯酸、聚氨酯、环氧沥青等涂覆在钢结构表面，将钢结构表面与外部环境隔离开来，从而排除外部环境因素如海水、空气、盐雾等的影响，达到防腐的效果。另外用树脂与玻璃丝布交替涂刷、缠绕在结构表面、或采用聚乙烯材料包覆在结构表面亦可达到防腐的目的。涂料防腐涂料防腐具有施工简单、成本低的特点。可适用于不同的部位。对海上钢结构采取涂料防蚀措施，在其不同的部位对涂料有着不同的要求，在大气区要求涂料有良好的耐候性，而浪溅区及潮差区（水位变动区）除要求有良好的耐候性外，还要求有适应干湿交替、耐磨损、耐冲击的性能。而水下部分涂料如果是阴极保护措施联合作用，那么涂料还需具有耐碱性和耐电位性能。涂料防腐具有施工方便，灵活的特点，如有损坏亦易于修补，对构件形状的适应性强，由于大多数涂料均为石油化工的衍生物，分子易于断裂，使用寿命有限，一般年限在1020年左右。玻璃钢包覆玻璃钢是一种复合材料，它是以玻璃纤维（布）作为增强材料，树脂作为粘结剂复合而成的一种材料。它具有质轻高强、耐蚀性好、绝缘性高的优点，同时它具有可设计性和灵活成型的特点。玻璃钢适用于码头桩基防腐，我国始于1983年，至今已有近20年的使用经验。据推测，其理论寿命可达40年，但普通玻璃钢有脆性、抗冲性能差。交联聚乙烯热缩带包覆聚乙烯是高分子材料中性能稳定、具有一定力学性能和优良耐腐蚀性能的材料。这种材料经辐射交联后，性能得到进一步加强。将这种材料经过一定的处理手段后包覆于钢结构之上，经加热收缩后，将其箍紧，形成一有机体封闭系统，阻止Cl、O2、H2O等有害物质的侵入，从而达到对结构的保护作用。据日本推算，这种材料单独用于海洋浪溅区环境中，当厚度达到2.5mm时，寿命可达40年以上。这种保护措施国外以前多有使用，但目前用得较少，国内工程实例不多，目前仅丹东地区一码头及华东地区一码头上使用过。根据匹配要求，一般化包覆交联聚乙烯材料之前先对结构进行除锈处理后再涂刷一至两道环氧富锌涂料或其它材料的底漆。这样即使在使用过程中交联聚乙烯材料局部破损后，底漆亦能起到一定的保护作用。另外，这种措施的成本比较高。 金属喷涂保护措施金属喷涂保护系统一般包括喷涂金属层和封闭涂层。金属层一般为锌、铝或锌铝合金。该措施是采用火焰喷涂方法或电弧喷涂方法将熔融金属锌、铝或其合金喷射到处理后的钢结构表面，在其表面形成一层致密、均匀的薄层，这层金属涂层一方面对结构起到机械封闭作用，另一方面也起到局部牺牲阳极的保护作用。火焰喷涂与电弧喷涂工艺相比较，前者的金属涂层与结构金属基体之间的附着力低，且喷涂效率也不高。另外，在金属喷涂层的外面，一般还要涂一层与金属涂层匹配的涂料，以封闭金属涂层的微孔，从而更好地保护金属基体。金属喷涂保护措施在国外运用比较早，工程运用实例也比较多，如前苏联120m喷铝层加封孔在盐水环境中使用25年未发生腐蚀。在国内，这种保护手段也有成功实用的实例，如石臼港10万吨级煤码头轨道钢箱型梁（位于大气区）采用喷铝层保护手段，至今良好。 阴极保护措施钢材腐蚀是由于钢材在其与自然环境所形成的微电池中处于阳极地位，电位较高，因电子流失造成腐蚀。阴极保护就是基于这样的原理，采取人为的手段，提高环境中原有阳极的电位，使之处于阴极地位，钢材变成电位较低的一极，这样，电子就从外部朝钢材阴极流动，从而阻止钢材的腐蚀速度。根据提高钢结构电位的手段不同，阴极保护手段分为牺牲阳极阴极保护法和外加电流阴极保护法。阴极保护措施一般适用于水下部位。这种防腐措施不但能控制金属的均匀腐蚀，局部腐蚀，而且能有效抑制晶间腐蚀、应力腐蚀、疲劳腐蚀等由电解质引起的其他腐蚀行为。阴极保护措施技术可靠，控制效果好，使用年限长。牺牲阳极阴极保护法该法是指在水下钢结构的表面上连上锌、铝等合金块（即牺牲阳极），由于合金块与钢结构相比，合金块处于较高电位一极（阳极），因此，合金块不断溶解、消耗，提供保护水下钢结构的所需电流，从而达到防腐目的。外加电流阴极保护法该方法是利用整流器提供直流电流，通过辅助阳极向水下钢结构提供所需的保护电流，从而达到保护的目的。以上两种方法都能达到保护目的，各有其优缺点：牺牲阳极方法不需外加电源，稳定性高，在设计期限内基本不用维修，但初期投入大。外加电流法需要有外接电源，设备须管理、维护，初期投资少些，一旦外界电源断开，则水下部分钢结构将失去保护。阴极保护措施是目前对水下区及泥下区钢结构进行保护时应用最广泛、最成熟的有效措施。另外，如果阴极保护手段与涂料配合使用，则一方面能在阴极保护系统建立前对钢结构采取有效保护，另一方面能减少保护电流密度，提高电流分散度，使钢结构表面的电位分布更均匀，从而有效地减缓水下钢结构的腐蚀。两种阴极保护方式优缺点比较阴极保护方式分为外加电流阴极保护系统和牺牲阳极阴极保护系统。其选用应根据被保护钢结构的型式、所处环境条件、施工的难易及经济合理等综合因素确定。两种阴极保护方式的优缺点见下表：两种阴极保护方式的优缺点外加电流阴极保护牺牲阳极阴极保护需提供电源不需要电源维护管理要求较高管理要求不高控制不善能导致过保护不会产生过保护施工安装复杂要求严格施工安装较简单在恶劣的环境中更容易受外力损坏较不易受外力损坏会影响附近钢结构增加腐蚀不会影响附近钢结构的腐蚀严格要求钢结构连接成一体阳极可直接焊在钢结构上正、负极的连接必须正确不可能连接错误使用范围广泛，如海水、淡水、河口水、土中均可采用在高电阻率的介质环境中如淡水、土中不宜采用只需较少的辅助阳极可对大型钢结构提供有效保护对大型钢结构要安装大量的阳极可利用自动恒电位仪自动控制保护电位由于驱动电压受限制，较难提供较大的保护电流，而且保护电位不能自控制 耐海水特种钢在冶炼过程中，向钢结构所采用的钢材中添加一定量的铜、镍、铬等合金元素，对其耐腐蚀性能的提高是有好处的。但是这种措施的费用是十分昂贵的，且效果也是有限的。732 混凝土结构的耐久性设计构思混凝土构件在海洋环境下存在腐蚀现象，而且有的腐蚀情况还很严重。根据我国80年代对华南沿海的一些港口码头建筑物的调查，这些港口码头水工建筑物在建成10年左右就开始出现不同程度的腐蚀现象，如混凝土出现锈迹、锈裂、混凝土剥落、露筋等现象，甚者只有5年的建筑物也已开始出现腐蚀现象，如混凝土表面出现锈迹、混凝土保护层出现短、细的顺筋裂缝。另外根据美国联邦公路管理署1997年的统计结果表明，混凝土桥梁建成后1020年就需要维修的情况非常普遍。从最近维修翻建的五、六十年代建成的工程看，工程普遍存在严重缺陷，大多工程已进入老化期，如不维修随时有垮蹋的危险。从工程的抽检结果来看：在一般环境下，有40左右的钢筋混凝土结构已碳化至钢筋表面；在潮湿环境下90的混凝土结构的钢筋已经锈蚀。由此可见普通混凝土的工程使用寿命大约为40年。海洋环境下的建筑物由于腐蚀因素的影响，不进行防护是不能达到设计寿命要求的，尤其是提出较长设计年限的工程，不采取措施，更是难以达到要求。混凝土结构的使用寿命是一个比较模糊的概念，一般均定性地表述为：从结构投入使用到受到损坏影响了结构的使用安全或使用功能而不得不废弃或重建的时间周期。进行维修、加固等可以延长结构使用寿命，但代价是非常昂贵的。对于海洋环境，因为钢筋锈蚀往往是引起混凝土破坏最早和最严重的因素，钢筋混凝土结构使用寿命往往被定义为钢筋锈蚀开始的时间，例如八十年代末开始建造的丹麦大贝尔特海峡大桥，100年的设计寿命就是指钢筋开始锈蚀的时间。然而钢筋锈蚀又可分为两个阶段，即锈蚀引发期和锈蚀扩展期，见下图。对于高性能混凝土，不仅锈蚀引发期可以大大延长，其锈蚀扩展期的长短也不容忽略，因此目前也有将设计寿命的概念扩展，即混凝土使用寿命为出现破坏或功能降低的时间，包含锈蚀引发期和锈蚀扩展期，如加拿大联盟大桥的设计寿命为100年就是这样定义的。对于钢筋混凝土结构而言，混凝土内部的高碱性能使钢筋表面形成一层钝化膜，保护钢筋免受锈蚀。钢筋锈蚀始于这层钝化膜的破坏，而当出现下列情况时，钢筋表面的钝化膜会受到破坏：供氧量不足。钢筋表面的钝化膜保持完好需要相当于0.20.3mA/m2的氧流量，如果氧流量低于此值，则钝化膜厚度就会逐渐减小至完全消失，导致钢筋非常缓慢的锈蚀。这种情况常出现在水下或地下水位以下的位置，而且一般情况下对混凝土中钢筋腐蚀的影响很小；碳化。空气中的二氧化碳渗入混凝土中与其内部的氢氧化钙反应，产生碳酸盐和水，使混凝土的碱度降低到PH值8.59，低于保持钝化膜所需要的碱度环境，暴露于大气中的混凝土构筑物会受到碳化影响，但这个过程比较缓慢；混凝土内部（钢筋表面）达到一定的氯离子浓度。氯离子在钢筋表面达到一定的浓度时，会使钢筋表面的钝化膜破坏，导致点蚀。处于海洋环境下的混凝土构筑物，氯离子渗入混凝土是引起钢筋锈蚀最主要的和最快的因素。考虑本工程的特点，在本工程的设计过程中主要研究了以下几个方面的混凝土防腐蚀技术措施： 提高混凝土中钢筋的保护层厚度试验显示即使是低水灰比、高质量的混凝土，在暴露于有氯盐存在的环境中，混凝土表面12mm深度内的氯离子含量远远超过2550mm深度范围内的氯离子的含量。因此在海洋环境中的工程，混凝土保护层的厚度应比一般的混凝土保护层厚度要大一些，同时还要考虑施工偏差的因素。在交通部海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范中，对混凝土及预应力混凝土的最小保护层厚度提出以下要求：钢筋混凝土保护层最小厚度（mm）建筑物所处地区大气区浪溅区水位变动区水下区北方50505030南方50655030注： 混凝土保护层厚度系指主筋表面与混凝土表面的最小距离； 表中数值系箍筋直径为6mm时主钢筋的保护层厚度，当箍筋直径超过6mm时，保护层厚度应按表中规定增加5mm； 位于浪溅区的码头面板、桩等细薄构件的混凝土保护层可取用50mm； 南方地区系指历年最冷月月平均气温大于0的地区。预应力混凝土保护层最小厚度（mm）所在部位大气区浪溅区水位变动区水下区保护层厚度75907575注： 构件厚度系指规定保护层最小厚度方向上的构件尺寸；后张法预应力筋保护层厚度系指预留孔道壁面至构件表面的最小距离；采用特殊工艺制作的构件，经充分技术论证，对钢筋的防腐蚀作用确有保证时，保护层厚度可适当减小；有效预应力小于400N/mm2的预应力筋的保护层厚度，按表钢筋混凝土保护层最小厚度执行，但不宜小于1.5倍主筋直径；当预制构件厚度小于500mm时，预应力筋的保护层最小厚度为2.5倍预应力筋直径，但不得小于50mm。 控制混凝土的水灰比通常，混凝土的水灰比越接近最低水灰比，混凝土的密实性越高，混凝土的抗腐蚀性能越好。在交通部海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范中，除了对水灰比有严格要求外，还要求控制混凝土的胶凝材料总量。 应用阻锈剂阻锈剂能有效阻止或延缓氯离子对钢筋钝化膜的破坏。阻锈剂的掺量应综合氯化物的预期含量、生产厂家的建议等多方面的因素确定。掺入阻锈剂的混凝土的搅拌时间应当适当延长。另外，以亚硝酸钙Ca(NO2)2为基础的阻锈剂会降低混凝土的电阻率，加快钢筋开始锈蚀后的锈蚀速率。国内目前采用的阻锈剂多为无机盐类产品，这种以亚硝酸盐为基本成分的阻锈剂一般有毒性，目前在国外已开始有采用有机类的阻锈剂的。 应用环氧涂层钢筋环氧涂层钢筋就是一种在普通钢筋表面静电喷涂一层环氧树脂薄膜的钢筋，涂层厚度一般在0.150.30mm。其作用就是通过涂层隔离钢筋与腐蚀介质的接触来达到防腐的目的。在钢筋表面涂层控制良好的情况下，涂层钢筋能有效地延缓钢筋锈蚀的开始。但环氧涂层钢筋对施工的要求相对较高。从1976年开始进入建筑市场始，经过20多年的发展，环氧涂层钢筋在欧美、中东、东南亚地区的桥梁、道路、码头、隧道、市政工程中得到广泛的应用，并已形成了较为完备的产品质量标准。 混凝土表面涂层通常为在已施工好的混凝土表面及时涂上防腐材料，也包括在大管桩或PHC桩表面包覆特殊材料（如玻璃钢等）。混凝土表面涂层是降低氯离子渗透速率和降低混凝土碳化速率的有效辅助措施，但涂层一般易老化，能起到保护年限较短，通常在1020年不等。另外涂料中还有一种渗透性的涂料，它除了有一般涂料的作用外，还具有渗透性，在涂层施工时可以渗透进入混凝土一定的深度范围，以到达封闭混凝土内毛细孔的作用，从而到达降低氯离子的渗透率的作用。 阴极保护阴极保护方法是通过电化学方法强迫保护钢筋。这种技术方法要求较为复杂，目前在国际一些重大工程中有应用，如丹麦瑞典厄勒海峡工程中也作了准备进行阴极保护的准备工作（该措施作为储备措施，尚未起用）。 高性能混凝土（High Performance Concrete）所谓高性能混凝土（HPC）与长期以来使用的普通混凝土并没有本质的差别。它与普通混凝土的差别在于通过掺入粉煤灰、高炉矿渣、微硅粉中的二种或三种掺料，来提高混凝土在特定条件下所需要的特定性能，如高弹性模量、低渗透性以及抵抗某些类型破坏的性能。高性能混凝土与普通混凝土的差别还在于它对骨料的要求比较高，高性能混凝土一般要求最大骨料粒径比普通混凝土要小。另外由于高性能混凝土的水灰比一般均比较小，因此要采用高效减水剂，高效减水剂与水泥之间还必须要有良好的相容性。桥梁采用高强混凝土可减少结构的自身重量和降低变形，减少振动和噪音。更重要的是可以减少维修费用。所以从70年代起世界各主要国家都采用高强混凝土建设桥梁。近年来，为了提高桥梁的工作年限，长期保护大桥的正常运行开通，必须提高桥梁的耐久性。对于海工混凝土结构而言抵抗海水侵入、防止混凝土的钢筋锈蚀是最主要的内容。因此在保证混凝土强度这一基本性能的同时，提高混凝土耐久性尤为重要，因而高性能混凝土突显了其在海工应用中的优势。防止氯盐的渗透可通过许多方法予以解决，如提高强度、增大保护层的厚度、提高混凝土的密实性和保护钢筋表面，其中采用最多、效果最好、费用最低的是提高混凝土的密实性或抗氯盐渗透性。近年来许多国家都采用掺矿物掺合料和化学外加剂的办法提高混凝土的密实性。各个国家根据本国的资源条件和操作水平，选择特制的矿物掺合料，最常用的矿物掺合料是粉煤灰、矿渣微粉和硅粉。根据多年的实践经验和试验得到的结果是：采用矿物掺合料可以得到高抗氯盐渗透的混凝土。高性能混凝土的骨料必须仔细选择，一般最大粒径均小于普通混凝土使用的骨料。国外高性能混凝土的骨料最大粒径一般介于1014mm之间（我国交通部海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范规定高性能混凝土的骨料最大粒径为25mm），因为最大粒径较小，则骨料水泥浆界面的应力差也较小，应力差可能会引起微裂缝，另外较小粒径的骨料颗粒强度比大颗粒强度高，因为岩石破碎时消除了控制强度的最大裂隙。高性能混凝土材料组份的另一特点是其低水灰比和使用高效减水剂。高性能混凝土的水灰比一般都在0.4以下（我国交通部海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范规定水灰比W/C0.35）。高性能混凝土与普通混凝土，在工作性能、力学性能、耐久性等方面均有明显的优点，二者比较情况如下：项目普通混凝土高性能混凝土工作性能坍落度与用水量有关，新拌料一般较粘坍落度大，新拌料松可能产生离析泌水现象不离析，不泌水，易于施工坍落度损失大坍落度损失小，适宜泵送力学性能28天强度满足设计要求28天强度满足设计要求，后期仍稳定持续增长其它力学性能，如抗折、劈拉等可得到优化耐久性中 等混凝土密实，故抗离子渗透性能可提高一个数量级相应的，抗冻，抗碳化等性能也可提高，抗硫酸盐腐蚀性能好，并具有抑制碱骨料反应的能力下面具体以C60普通混凝土和C60高性能混凝土为例，对二者的性能进行比较如下：项目C60普通混凝土C60高性能混凝土工作性能坍落度为130mm，新拌料较粘坍落度为180mm，新拌料松有离析泌水现象不离析，不泌水，易于施工1小时坍落度损失为501小时坍落度无损失力学性能R7=54.5MPa，R28=68.9MPaR60=73.7MpaR7=53.3MPa，R28=73.1MpaR60=79.8Mpa劈拉强度4.75MPa，抗折强度8.6MPa，弹性模量31Gpa劈拉强度4.98MPa，抗折强度9.4Mpa，弹性模量39Gpa耐久性抗渗等级S12，渗水高度32mm抗渗等级S20，渗水高度37mm人工加速碳化28天3.5mm人工加速碳化28天小于1mm人工加速冻融试验50次质量、强度损失大于23人工加速冻融试验50次质量、强度损失12高性能混凝土是以高耐久性为目标而发展起来的，而高耐久性则突出体现在混凝土材料低渗透、低缺陷、高密实等方面。芦洋跨海大桥混凝土受海水和恶劣气候环境侵蚀，突出体现在其耐氯离子渗透性能，反映于宏观指标就是其渗透系数。为了保证芦洋跨海大桥100年的使用寿命，参照国际通用的Fick定律推导的扩散模型，可通过下述方程加以评判。 以Cl 扩散系数作为评判混凝土在海工环境下使用寿命的主要参数。 以钢筋腐蚀模型作为混凝土结构破坏的基本模型主要阶段有：0t1段：混凝土碳化前沿达到钢筋表面和侵蚀介质在混凝土钢筋界面达到临界值，但钢筋钝化膜未发生破裂。这一阶段主要是腐蚀介质在混凝土中的扩散及其在混凝土钢筋表面的积累。t1t2段：由于腐蚀介质在局部区域超过临界值而发生局部腐蚀。腐蚀产物的积累导致混凝土局部发生开裂，也即由钢筋表面的钝化膜发生局部破裂至混凝土发生局部开裂的时间。t2t3段：钢筋大面积发生腐蚀，混凝土大面积开裂，钢筋腐蚀速度加速，导致钢筋截面迅速减少，以致于使得结构性能降低至安全性允许之外。根据以上分析，t1是真正的结构安全使用期。最保守的寿命预测是t1的预测，根据费克第二定律（Ficks second law）：其中： t 时间x 距离混凝土表面的深度Cx,t 在t时刻、距混凝土表面x深度处的氯离子含量Dc 氯离子在混凝土中的渗透系数C0 混凝土表面的氯离子浓度，假定为常量 误差方程（error function）a1、a2、a3、a4为常数因此根据费克第二定律，只要知道混凝土保护层厚度，腐蚀介质在混凝土表面的浓度和钢筋混凝土表面允许的临界浓度，就可以计算腐蚀介质由外界扩散至钢筋表面并达到临界浓度所需的时间，即t1。在海洋环境下，一般考虑钢筋混凝土构件中钢筋与混凝土界面的极限Cl含量为Cl/OH0.6，代入保护层厚度，可计算其耐久年限。根据上述评判海工混凝土寿命的基本模型，根据芦洋跨海大桥的环境特点，采取了优化措施和适当的参数选取，为保证混凝土寿命100年，必须控制混凝土的Cl扩散系数在10121014m2/s数量级。本工程应针对不同的结构部位、使用要求以及受力特征通过试验可采取相应的一种或几种防腐措施。上述七种措施中，本工程根据结构特点拟在除阴极保护以外的其他几种混凝土防腐措施中进行选择。74 桥梁结构耐久性设计7.4.1 预应力混凝土管桩的防腐措施大管桩为分节预制采用后张法预应力混凝土大直径管桩。目前这种桩型在海港工程中已得到广泛应用，在桥梁、电力、市政等工程也有大量应用，总用桩量约1万根，得到了显著的社会经济效益。PHC桩是先张法预应力混凝土管桩，分节预制长度为1530m，根据设计桩长再拼接成整桩。历年来以大管桩为桩基建造的大型码头和桥梁工程见下表。采用大管桩和PHC桩的工程实例一览表序号采用大管桩的工程实例采用PHC桩的工程实例1连云港木材码头（2个泊位）南通姚港万吨级码头2连云港庙岭突堤端部泊位上海吴淞蕴藻浜大桥3连云港散粮码头、集装箱码头上海外滩拓宽改造工程4福建福清元洪码头上海自来水公司制水原料码头5深圳赤湾港7号11号泊位张家港陶氏化工码头6深圳妈湾港美视油码头澳门国际机场工程7岩谷油码头缅甸蒂拉瓦集装箱码头、粮油码头8北仑电厂一、二期运煤码头马迹山港后引桥工程9镇海算山15万吨级原油码头外高桥电厂二期工程10宁波江厦桥上海高桥化工厂69泊位改造工程11舟山兴中公司油码头上海徐汇区环卫码头一期工程、二期工程12上海石化陈山原油码头扩建工程关港棉花仓库码头改扩建工程13嘉兴电厂卸煤码头上海三航制品公司出桩码头改扩建工程14宁波港北仑港区20万吨级矿石中转码头上海三航制品公司卸料码头改扩建工程15舟山兴中公司香山一期扩建工程上海三航船厂码头16朱家尖大桥上海松江李塔汇新港区码头工程17北仑杨公山石化码头南通30万吨船坞18北仑正大5万吨级粮油码头同三国道横潦泾大桥桩基工程19舟山岱山原油码头同三国道大泖港桥桩基工程20三星重工业宁波修造船厂码头外环线蕴藻浜跨越线桥桩基工程21金浙九龙公司成品油码头大众汽车三厂22协和石化码头浦东国际机场23舟山连岛工程（洞头、岑港、响礁门大桥）上海LNG天然气罐站24宝钢马迹山港工程装船码头苏州河防汛墙S3、S4段工程25宁波港北仑港区国际集装箱码头26宁波港北仑港区25万吨级原油中转码头27乍浦港码头28上海宝钢三期码头（2个泊位）29美孚（太仓）石油化工码头30福建嵩屿电厂煤码头31汕头港7号、8号泊位由诸多工程实例可见，北起连云港，南至珠海、深圳均有采用大管桩的实际工程。尤其是浙江沿海、杭州湾地区的大量工程采用了大管桩，这说明大管桩对该地区的地质、水文和海洋环境是具有一定的适应性的。根据已建码头、桥梁工程所用大管桩的状况的调查结果，除个别早期采用的A1型桩有裂缝外（占调查总桩数的0.63%），绝大多数桩均完好，尤其是B型桩，未发现裂缝，桩身混凝土和拼缝状态均良好。而个别桩产生裂缝的原因是超载或后方土体变形所引起的。因此只要从提高混凝土的自身性能并辅以一定的附加措施，预应力混凝土大管桩基础满足工程100年度的使用寿命还是可以实现的。PHC桩与预应力混凝土大管桩的差别在于前者采用先张法、后者采用后张法和二者的管节长度不同。PHC桩的力学性能可以达到大管桩的技术要求。下面从提高混凝土的自身性能方面和辅助防腐手段方面来阐述预应力混凝土管桩（包括大管桩和PHC桩）的防腐蚀措施。 采用高性能混凝土根据采用高性能混凝土来实现大桥防腐目的的思路和高性能混凝土技术的发展情况，结合大桥桥区的环境特点设计了两种高性能混凝土方案。高性能混凝土A：掺加矿渣微粉和粉煤灰为主的优质矿物掺和料主要掺和料：优质矿粉和粉煤灰。高性能混凝土B：掺加微硅粉和矿渣微粉及粉煤灰主要掺和料：微硅粉和磨细矿渣粉、粉煤灰。两种高性能混凝土的控制指标均以强度等级作为基本控制指标，以耐久性（如Cl 扩散系数等）作为主要控制指标。同时考虑设计方案的经济性和施工的可操作性。对于高性能混凝土方案A、B所采用的掺和料为粉煤灰和矿渣微粉可较大比例取代水泥用量。对施工工艺而言，高性能混凝土方案A可将几种材料预先加工混合作为混凝土的基本组份，以独立筒仓计量，对混凝土的施工工艺影响不大，且目前大部分商品混凝土生产企业都有使用粉煤灰等外掺料的经验，因此在施工上是不存在问题的。对于外掺活性材料的品质，在混凝土配方中可提出严格的界定，在实际操作中严格控制，配以生产厂家的生产经验和质保体系，也是可以保证的。对于高性能混凝土方案B的掺和料除采用方案A中的掺和料外，还有微硅粉，微硅粉可向生产厂家购买，其品质是有保证的。在国内的海洋环境下的工程中使用的微硅粉的案例不多，但在国外一些大型跨海大桥中多有应用，如北欧的一些工程，另外在香港青马大桥中也应用了微硅粉混凝土。由于微硅粉价格较高，且可能需要部分进口，因此方案B的价格可能要高于方案A，通过试验如能采用高性能混凝土方案A更好。无论采用哪一种高性能混凝土方案，均需通过试验获得氯离子渗透率或混凝土的抗氯离子渗透电量值，通过这些指标推算混凝土的使用年限，只有符合使用年限要求的混凝土配合比方案才能被采用。综合国内外一些著名的桥梁工程实例，对高性能混凝土的一些主要技术指标提出参考数据如下：混凝土原材料l 水泥：宜采用强度等级不低于42.5的低碱硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥，不宜采用矿渣硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥和火山灰质硅酸盐水泥。l 骨料：采用人工碎石、中粗河砂或人工砂，不得采用受氯盐污染的骨料。根据JTJ27098“水运工程混凝土试验规程”中“砂、石骨料”部分所列检测项目进行检测。另外要求骨料的吸水率不大于1%，粗骨料的最大粒径要求不大于20mm。l 掺合料：通常采用的材料有磨细矿渣、粉煤灰及硅粉。磨细矿渣：质量符合GBT180462000中“用于水泥和混凝土的粒化高炉矿渣粉”的要求。粉煤灰：质量符合GBJ145“粉煤灰混凝土应用技术规范”中对I级灰的要求。主要指标为：细度（45mm方孔筛筛余）12%，需水量比95%，烧失量5%。硅粉：质量符合JTJ2752000“海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范”附录A“硅灰品质标准和检验”的要求以及“水工混凝土硅粉品质标准暂行规定”的要求。拌和水：采用清洁的可饮用水，要求氯离子含量小于200mg/升。l 化学外加剂：外加剂不得采用含有氯、钾和钠盐的品种，要求对不同季节的施工具有适应性，其它品质应符合国标要求。 高性能混凝土的性能与配合比l 最大水灰（胶）比：处于浪溅区与水位变动区混凝土不大于0.35，处于其它区域的混凝土不大于0.45。l 胶凝材料用量：总胶凝材料（水泥辅助胶凝材料）用量最小为400kg/m3，最多为550kg/m3。l 辅助胶凝材料用量：硅粉占胶凝材料总量的510%；粉煤灰占胶凝材料总量的2550%，磨细高炉矿渣占胶凝材料总量的5080%。辅助胶凝材料种类及用量视需要确定。l 混凝土的氯离子含量小于胶凝材料重量的0.06%。l 混凝土的最大含碱量（当量Na2O）3.0kg/m3。l 混凝土的最大硫酸盐、硫化物含量（以SO3重量计）不超过胶凝材料重量的4%。l 抗氯离子渗透性能指标以电通量计，应小于1000库仑。由于大管桩和PHC桩的保护层厚度受限制，应在保证使用寿命100年要求的前提下，按其实际保护层厚度、确定满足耐久性要求并满足施工的可能性的混凝土配合比及相关控制指标。在国际上有许多采用高性能混凝土来提高桥梁耐久性的的工程实例，著名的有丹麦大贝尔特海峡工程、香港青马大桥、加拿大联盟大桥、丹麦瑞典厄勒海峡工程等，现对上述几座桥梁的高性能混凝土情况简单介绍如下：丹麦大贝尔特海峡工程大贝尔特海峡工程包括6.5km长公路、铁路并列双线桥，主跨1624m长悬索桥、总长7km公路桥和8km长双孔桥铁路隧道，建于19891997年，共使用106万方混凝土。该工程首次提出了100年使用寿命，规定钢筋在100年内不得开始锈蚀。为保证实现100年设计寿命，预先进行了大量专题研究，规定了严格的混凝土技术标准，见下表。其混凝土标准中没有直接规定Cl渗透性指标，而是通过规定掺加一定量的微硅粉和粉煤灰保证混凝土的低渗透性。混凝土标准考虑的其它耐久性要求包括：抗冻性通过引气和气泡质量控制保证；耐磨性（抗海冰冲磨）掺加微硅粉保证；无碱骨料反应限制活性骨料含量、限制总含碱量、掺加微硅粉和粉煤灰防止；抗硫酸盐侵蚀使用抗硫酸盐水泥和掺加微硅粉保证；热应力裂缝控制使用低热水泥、掺加微硅粉与粉煤灰降低水化热，浇筑时对混凝土内部降温防止。实际采用混凝土配合比详见下表。大贝尔特海峡工程混凝土技术标准对混凝土原材料的要求对混凝土配合比的要求水泥种类28天强度水化热低碱、抗硫酸盐硅酸盐水泥50Mpa320kJ/kg最 大水灰比0.35（配合比A）0.45（配合比B）最小水泥用量最小粉煤灰掺量300kg/m3胶结材的10粉煤灰细度：0.045mm烧失量254最小微硅粉掺量最大微硅粉掺量胶结材的5胶结材的8微硅粉细度：0.045mm烧失量102粉煤灰微硅粉最多胶结材的25最 大加水量135kg/m3（配合比A）140kg/m3（配合比B）粗骨料(砾石)有层理颗粒含量吸水率立方颗粒含量5170最大含气量(0.35mm)最小含气量(0.35mm)最大引气量气泡最小比表面积浆体体积的20浆体体积的8浆体体积的725mm2/mm3砂碱活性成份含量20周碱膨胀：云母含量1体积0.510-6(配合比A)110-6 (配合比B)1最大氯离子含量胶结材的0.1最大含碱量(当量Na2O)3kg/m3大贝尔特海峡工程混凝土配合比对混凝土配合比的要求实际配合比（A）实际配合比（B）水胶比0.35（配合比A）0.45（配合比B）0.3470.371水泥用量300kg/m3320kg/m3310kg/m3粉煤灰掺量胶结材的1012.112.5微硅粉掺量胶结材的5胶结材的85.25.1粉煤灰微硅粉胶结材的2513.717.6加水量135kg/m3（配合比A）140kg/m3（配合比B）133kg/m3138kg/m3含气量(0.35mm)浆体体积的20浆体体积的817.117.1引气量浆体体积的75.55.5气泡比表面积25mm2/mm3氯离子含量胶结材的0.10.07440.0750含碱量(当量Na2O)3kg/m32.62kg/m32.55kg/m3香港青马大桥青马大桥为公路、轻轨两用悬索桥，主跨1377m，是香港新机场的配套工程，设计使用寿命为120年。该工程的混凝土技术标准对原材料与配合比要求见下表，主要考虑的耐久性因素是氯离子渗透引起钢筋锈蚀、碱骨料反应和热应力裂缝。其中限制了混凝土的氯离子渗透速率，具体方法为：取混凝土芯样，在盐水溶液中浸泡28、56和84天，然后磨取每毫米深度试样分析氯含量，从而得到混凝土深度氯离子浓度分布曲线，要求不同浸泡时间下、不同深度的氯离子浓度均不得超过规定分布曲线（见青马大桥规定混凝土的氯离子渗时间深度浓度分布图）。图中分布曲线对氯离子渗透速率的限制，相当于要求氯离子扩散系数小于0.91012m2/s（23下试验）。通过大量试验，该工程确定使用满足要求的两种配合比，胶结材组成分别为70普硅水泥25粉煤灰5微硅粉（用于引桥桥墩）和30普硅水泥64.4磨细矿渣5.6微硅粉（用于主桥塔，详见下表）。青马大桥混凝土技术标准和使用混凝土配合比 对混凝土要求主桥塔使用混凝土配合比28天立方试件强度50Mpa普硅水泥135kg/m3水泥种类普通水泥/2535粉煤灰普通水泥/6575矿渣磨细矿渣290kg/m3微硅粉25kg/m3水泥用量350kg/m3550kg/m320mm单尺寸骨料670kg/m310mm单尺寸骨料310kg/m3水胶比0.4专门破碎细骨料710kg/m3氯离子含量胶结材的0.06总加水量175kg/m3最大含碱量（当量Na2O）3kg/m3高效减水剂5.8kg/m3缓凝剂0.30.6青马大桥规定混凝土的氯离子渗透时间深度浓度分布图加拿大联盟大桥联盟大桥是一座12.9公里长、跨越诺森伯兰海峡(Northumberland)大桥，于1997年建成通车。该桥由重力结构桥墩和单孔箱型梁上部结构组成，采用BOT（设计建设运营转交）合同方式进行建设。按合同规定，发展商运营该桥35年，然后将桥转交联邦政府。海峡的严酷环境包括：每年大量的冰在无休止地移动，强风导致在桥墩上有浪溅与喷洒区，频繁的冻融循环。通过广泛的调研和考虑各种影响钢筋锈蚀的因素，最后得出结论：采用高性能混凝土结合提高钢筋保护层厚度，是保护结构免受锈蚀的最有效方法。没有使用环氧涂层钢筋或阻锈剂，因为成本性能比较高。在该项目中规定的高性能混凝土具有低氯离子渗透性和高电阻率。采用现场实际使用混凝土拌和物并使用现场浇筑技术制作混凝土试件，进行氯离子扩散试验，6个月成熟度混凝土的扩散系数低到4.810-13m2/s。该扩散系数比普通混凝土的扩散系数要低1030倍。对6个月成熟度的湿试件测量，得到高性能混凝土的电阻率在470530ohm-m范围，而普通混凝土电阻率只有50ohm-m左右。达到长期耐久性依赖于高质量混凝土保护钢筋，因此对混凝土表面养护很重要。由于构件尺寸大并且在冬季施工，潮湿养护不总是容易实施的。所以，组合采用水养护、薄膜养护以及模内养护5天。除进行一般性防锈保护系统评估外，使用试验结果与Fick扩散第二定律进行了系列氯离子渗透深度的理论计算。这些计算预测了氯离子浓度随时间增长的数量级水平。对于浪溅区和潮汐区，一般能够接受的氯离子阈值浓度（低于此浓度钢筋不会开始锈蚀）为水泥含量的0.4或1.6kg/m3。钢筋保护层厚度为75mm，则钢筋处氯离子浓度在60年内不会超过这样的水平。此外，研究结果显示：高性能混凝土的扩散系数随时间的延长不断地减小，故预计实际上钢筋钝化膜破坏的时间要长于工程建成后60年。然而，达到锈蚀开始的理论阈值浓度，并不意味着明显的锈蚀就会马上出现。钢筋锈蚀的速率决定于多个因素，包括温度、供氧量和混凝土电阻率。高性能混凝土的高电阻率本身，使钢筋锈蚀速率小于普通混凝土中钢筋锈蚀速率的10。这就可以将钝化膜破坏至混凝土开始剥落的周期（锈蚀扩展期），从普通混凝土通常的3年延长到30年。综合考虑所有这些因素，认为在100年设计使用寿命中，结合相应的检查与养护计划，所规定的高性能混凝土应该足以保护钢筋免受锈蚀。加拿大联盟大桥要求混凝土性能与配合比对混凝土性能与配比要求高性能混凝土配合比水泥种类10SF（含7.5硅粉）水泥430kg/m3（含32kg硅粉）胶结材用量450kg/m3粉煤灰45kg/m3粉煤灰10%砂704kg/m3水胶比0.34石1029kg/m391天强度60Mpa水145kg/m3渗透性1000库仑减水剂液体1742g/m3含气量58高效减水剂液体3076g/m3坍落度18040mm引气剂按要求加入丹麦瑞典厄勒海峡工程厄勒海峡工程是跨越厄勒海峡连接丹麦与瑞典的交通工程，包括0.5km长的人工半岛、3.5km沉管隧道、3.9km长人工岛和7.9km长大桥，通行高速公路和时速200km/h高速铁路。所有混凝土结构须保证具有100年使用寿命。可更换混凝土构件如防波块可具有50年使用寿命。在100年寿命内，不允许钢筋开始锈蚀。允许进行养护，但必须避免进行大规模维修工作和更换结构构件。结构中准备有阴极保护，但应在不考虑使用阴极保护的情况下获得100年使用寿命。混凝土技术标准对原材料与配合比要求以及实际使用混凝土的配合比分别见以下二表。为使结构到达100年使用寿命的要求，对暴露于浪溅区和浪溅区以上（标高-3.0），规定钢筋保护层厚度为75mm。低于浪溅区混凝土和采用防水材料保护的混凝土，要求钢筋保护层厚度为50mm。裂缝宽度控制在0.2mm以内，浪溅区（标高-3.0至+6.0）不允许有裂缝。裂缝采用裂缝危险度(P)计算控制，裂缝危险度定义为：计算的受拉应力与相应成熟度的混凝土实际抗拉强度之比的最大值。在浪溅区要求P0.7；其它区域要求P1.0；对高于路面6m以上（标高高于+75m）要求P1.3。厄勒海峡工程对混凝土原材料与配合比的要求对混凝土原材料要求对混凝土配合比要求水泥低碱，C3A5水泥用量275kg/m3微硅粉符合标准ENV1971中4.7章要求微硅粉掺量胶结材5粉煤灰不得用于结构混凝土(担心含气量难控制)水胶比0.40(A种混凝土，浪溅区以下)0.45(B种混凝土，浪溅区以下)水到达饮用水质量，Cl600mg/l胶凝材料340kg/m3骨料干净，通过碱活性测试氯离子含量胶凝材料0.1外加剂使用减水剂/高效减水剂，暴露于冻融环境混凝土使用引气剂含碱量(当量Na2O)3kg/m3（砂浆体积为60的混凝土）厄勒海峡工程实际使用混凝土的配合比对混凝土配合比的要求实际配合比(A)实际配合比(B)自密实混凝土水胶比0.40(配合比A)0.45(配合比B)等效0.393 *等效0.430 *等效0.390水泥用量(低碱/低热)275kg/m3324kg/m3295kg/m3380kg/m3粉煤灰掺量(Danaske)胶结材的1513.413.970kg/m3微硅粉掺量(Elkem)胶结材的53.14.222.5kg/m3总胶凝材料340kg/m3388kg/m3360kg/m3472.5kg/m3氯离子含量胶结材的0.10.0680.070含碱量(当量Na2O)3kg/m32.83kg/m32.17kg/m3等效水泥用量 *363kg/m3340kg/m3446kg/m3总水量143kg/m3146.3kg/m3174kg/m3缓凝剂(GNR20)0.4kg/m3稳定剂150g/m3减水剂(Melstab 21)10.50kg/m30.90kg/m3三聚氰氨 甲醛树脂类减水剂 14kg/m3高效减水剂(NBK L1504)5.40kg/m3细骨料(0/2)633kg/m3578kg/m3750kg/m3粗骨料(2/8)404kg/m3398kg/m3290kg