江海交汇环境桥梁高性能混凝土耐久性研究现状与探讨.pdf

2 0 1 4 年 第 3 期 (总 第 2 9 3 期 ) Nu mb e r 3 i n 2 0 1 4 ( T o t a I No 2 9 3 ) 混 凝 土 Con c r e t e 理论研究 T HEOR ET I CAL RES EARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 4 0 3 0 1 3 江海交汇环境桥梁高性能混凝土耐久性 研究现状与探讨 刘冠国 。马爱斌 。秦鸿根 a ，张萍 。 ( 1 河海大学 力学与材料学院 ，江苏 南京 2 1 0 0 9 8 ；2江苏省交通科学研究 院股份有限公司 ，江苏 南京 2 1 1 1 1 2 ； 3 东南大学 材料科学与工程学 院，江苏 南京 2 1 1 1 9 8 ) 摘要： 综述了 目前国内外混凝土耐久性 的研究进展和河 V 1 水域环境下 的混凝土耐久性的研究现状 ， 从实际工程应用 的角度 ， 提 出工程需求 ， 建议针对河 口水域枯季氯盐含量较高 、 洪季盐 淡水强烈混合和桥位水域水位变化明显的特点 ， 开展江海交汇环 境氯盐 、 硫酸盐作用下混凝土耐久性失效状况研究 ， 明确混凝土原材料指标， 优化 、 完善配合比设计 ； 采用科学的手段 ， 评估类似 桥梁所用商眭能结构混凝土抗氯离子渗蚀及硫酸盐侵蚀 的性能。 关键词： 混凝土；耐久性：盐 淡水 ；江海交汇 中图分类号： T U 5 2 8 0 1 文献标志码： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 4 ) 0 3 0 0 4 5 0 3 R e s e a r c h pr o g r e s s a n d d i s c u s s i o n on d u r a b i l i t y o f b r i dg e s h i gh p e r f o r ma n c e c on c r e t e u n d e r t h e i n t e r s e c t i on e n v i r o nme n t o f r i v e r a n d s e a uL ， G u a n g u o 1 , 2 MAAi b i n 。 Q 1 NHo n g g e n 3 7 Z H ANGP i n g ( 1 C o l l e g e o f Me c h a n i c s a n d Ma t e r i a l s ， H o h a i U n i v e r s i t y ， N a n j i n g 2 1 0 0 9 8 ， C h i n a ； 2 J i a n g s uT r ans p o r t a t i o n R e s e a r c h I n s t i t u t e C o ， L t d ， Na n j i n g 2 1 1 1 1 2 ， C h i n a ； 3 S c h o o l o f Ma t e ri a l s S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g ， J i ang s u K e y L a b o r a t o r y o f C i v i l E n g i n e e r i n g Ma t e ri a l ， S o u t h e a s t U n i v e r s i ty， Na n j i n g 2 1 1 1 9 8 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： Re v i e we d t h e r e s e a r c h p r o g r e s s o n d u r a b i l i ty o f c o n c r e t e and e s tua r i n e wa t e r e n v i r o n me n t a n d g a v e a f e w s u g g e s t i o n s f r o m the p e r s p e c t i v e o fp r a c t i c a l a pp l i c a t i o n Th e e s tuari ne wa t e r c o n t a i ne d hi g h c h l o r i d e i n d r y s e a s o n， a nd the s a l t fre s h wa t e r mi x e d s t r o n g l y i n flo o d s e a s o n wi t h the wa t e r l e v e l c han g e d s i g n i fic a n t l y S o i t wa s i mpo rta n t t o c o n d uc t the s tud y o f r e s i s t a nc e o f c o n c r e t e t o c h l o r i d e a n d s u l f a t e Nt a c k u nd e r t he i nt e r s e c t i o n e n vi r o n me nt o f r i ve r a nd s e a I t wa s wo r t h t o c l e a r the i nd i c a t o r s o f c o nc r e t e ma t e r i a l s ， o p t i mi z e a n d i mpr o v e t h e mi x d e s i gn Th e t e s t a n d v e r i f y we r e a l s o n e e d e d t o c o n t r ol t h e c o n c r e pr o p e rti e s i n the c on s t r u c t i o n p e r i o d K e y wo r d s ： c o n c r e t e ； d u r a b i l i ty； s a l t fre s h wa t e r ； i n t e r s e c t i o n e n v i r o nm e n t o f r i v e r a n d s e a 0 引言 尚需相关理论指导和数据支持。 由于长期受 盐类侵蚀和海水 干湿循环作用 ， 近海环境 下混凝土结构的损伤劣化现象较为严重。 我国交通部分别 于 1 9 6 3 、 1 9 6 5 、 1 9 8 0 年 ， 针对沿海工程结构混凝土破坏状况 组织过 3次调查 。 发现 8 0 以上都发生 了严重或较严重的 钢筋锈蚀破坏。 针对该现象 ， 国内外研究者对海洋环境混凝 土耐久性分别从环境 、 材料 、 构件 和结构 4个层次展开 了 广泛研究 ， 其 中材料和构件的研究较为深入。 近年来 ， 浙江 大学首先对混凝土结构耐久性 的环境区划研究t l - 2 1 ， 相关研 究者开始将环境作用对混凝土结构耐久性 的影 响进行 进 一 步分类和指标量化分析 。 经过 大量 的工程实践 ， 作者发现在诸多环境 区域 中 ， 由于周期性海水倒灌和上游径流量的影响， 河 口环境下桥 梁 混凝土的耐久性 问题尤为复杂 ， 在实际工程实施过程 中 收稿 日期 ：2 0 l 3 - o 9 _ 0 4 基金项 目：国家自然科学基金资助项 目( 5 1 3 0 8 1 1 2 ) 1 沿海混凝 土结构耐久性研 究现状 1 8 2 4 年 ， 波特兰水泥的发 明 ， 标 志着人类应用 混凝土 建造建筑物 的历史 的开始 ， 同时 ， 混凝 土结构 的耐 久性 问 题也随之 出现 。 早期 ， 波特 兰水泥 主要应用 于兴建海岸波 堤 、 码头等海工建筑物， 这些结构物在长期物理作用( 如波 浪冲击 、 泥沙磨损以及冰冻作用 ) 和化学作用( 溶解在海水 中的盐 的作用 ) 的影 响下迅速破坏 ， 混凝土 耐久性 问题 由 此提出。 进入 2 0 世纪 6 0 年代 ， ? 昆 凝土结构的使用进入高峰期 ， 同时， 混凝土结构的耐久性研究也进人了一个高度 ， 当时 主要 的研究 内容是混凝 土的碳 化和钢 筋的锈蚀 。 近几 年 来 ， 由于沿海重大工程 的快 速建设 ， 氯离子侵蚀 问题 已引 起诸多关注， 成为 目前国外研究的重点 ， 其研究多集中于 4 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 氯离子的侵蚀机理 、 不 同海洋环境氯离子侵蚀程度以及钢 筋混凝土结构抗力衰减模型的建立等p 。 目前为止， 氯离 子 的侵蚀机理并没有 完全弄清楚 ， 且在有些衰减模型的研 究 中， 并 未考虑结构设计参数对混凝土钢筋锈蚀起始时间 与钢筋锈蚀速度的影响5 j 。 在海工混凝土耐久性研究方法上 ， 主要可分为现场检 测 、 自然暴露试验和室 内加速试验同 。 国外对沿海混凝土表 面氯离子浓度分布做过大量调查 ， 但是数据分散性大 ， 因此 目前现场取样检测主要用于对试验结果和理论模 拟的验 证。 为获得与实际结构相一致的动态数据， 国内外均建立海 洋暴露试验站或借助实际工程环境进行 长期暴露试验嗍 ， 对耐久性设 计 的关键 参数进行监测 和调整 。 模 拟实 际环 境 ， 或者使试验条件与 自然环境具有相关性 ， 在室 内进行 加速腐蚀 ， 可缩短试验周期 ， 增强可重复性 ， 因此 ， 室 内加 速试验成为 目前混凝土耐久性试验普遍采用 的方法 】 ， 但 其试验结果与工程实际的相关性 ， 尚有待于进一步研究 。 诸多研究成果多基于单 因素或化学一 力学多因素耦合 进行开展 ， 其前提是假定混凝 土结构所处环境的稳定性和 规律性 。 在 国内 ， 部分成果开始应用于重大工程建设指导 ， 例如上海东海大桥采用 了改性混凝土 ， 确定合适的保护层 厚度和防腐蚀涂层 ； 杭州湾跨海大桥 由被动防腐蚀改为 主动监测 ， 建立了耐久性动态无损检测和暴露试验站 ， 采用 低水胶 比 、 双掺耐蚀混凝 土 ， 将多项腐蚀控制技术首次应 用到我国桥梁建设 中_ l 3 。 2河 口环 境研 究现 状 混凝土结构的耐久性与其实际环境( 温湿度变化 、 雨雪 、 日照 、 盐雾腐蚀等 ) 密切相关 。 我国现行的 G B 5 0 1 7 8 1 9 9 3 建筑气候区划标准 针对不同的环境区分提出了各区的设 计要求 ， G B T 5 0 4 7 6 - - - 2 0 0 8 ( 混凝土结构耐久 生 设计规范 对 混凝土结构环境类别与作用等级进行了规定 ， 按照钢筋和混 凝土材料的腐蚀机理将环境划分为五类 ： 一般环境 、 冻融环 境 、 海洋氯化物环境 、 除冰盐等其他氯化物环境 、 化学腐蚀环 境， 再进一步对各个环境作用类别划分其作用程度。 类似区域 划分在国内外相关规范中也有所体现， 例如 S L 1 9 1 -2 0 0 8 ( 7 J 工混凝土结构设计规范 、 欧洲标准委员会 E N 2 O 6 1 ： 2 0 0 0 和加拿大国家建筑规范 C S A A 2 3 1 1 9 9 4 等 。 于河 口地区来讲 ， 目前尚无相关标准或科研成果可 以 参考。 河 口地区是河川淡水 和海水交汇的地方 ， 淡水 由上层 流向外海域 ， 盐水 由下层侵入 ， 在水流紊动与扩散作用下 ， 盐 淡水之问将产生掺混 ， 形成更为复杂的交汇环境 。 国内外对于河 口水域的研究 ， 开始于 2 0 世纪初流体力 学领域专家对河 口水域进行的资料统计 、 数值模拟和物理 模型试验， 用于指导结构设计和环境研究 ； 我国韩曾萃 等应 用潮泛混合长 度理论计算 了钱塘江平均江 水含氯 度 沿程变化旧； 程杭平分析 了海平面抬 升对钱塘江盐度入侵 的影 响， 金腊华等做 了引水工程对 氯度 的影响数值分析 和感潮河段受上游来水流量及潮水影 响等影 响等 】 9 1 。 近年 来 ， 河 口区域混凝土的耐久性问题开始得到一定研究。 在混 46 凝土耐久性环境 区分中 ， 与之最为相关 的是金伟 良等 以离 海岸距离为主导标志将近海大气环境划分为三个等级 ； 从工程实际出发 ， 为解决受周期性潮水 倒灌的影响 ， 朱少 杰研究 了钱塘江九堡大桥桥墩大体积混凝土裂缝控制措 施2 1 。 张俊芝等研究了河 口环境 中的氯离子对混凝 土的耐 久性影 响 ； 卢陈等初 次将河 口环境氯离子含量 变化与混 凝土耐久 陛相结合 ， 分析了氯离子含量与距河 口距离的关系 、 护坡混凝土表面氯离子浓度 与距河 口距离的关 系 、 不 同高 度表面浓度的关系 ， 研究了不同潮差驱动与咸水入侵距离 的对应关系2 3 1 。 3工程 需求 混凝 土结构服役过程 中将 承受多种化学腐蚀 和物 理 损伤 。 目前 ， 多重条件下的混凝土耐久性研究基本为化学一 物理条件之 间的耦合作用 ， 为了简化试验并得到较好的规 律性， 一旦确定化学腐蚀类型和物理荷载条件， 其浓度、 参 数等 均假设 为定值 ， 这 与实 际情况相差较 大 ， 某一影 响因 素具 体参数 的周期性改 变所带来 的耐久性 问题并 未得到 重视 。 河 口区域 中， 混凝土所处水质 的氯离子浓度处于规律 性的变化中。 影响河 口区域盐度变化 的因素主要包括上游 径流量 、 外海盐度和潮汐等。 径流量对河 口的盐度具有冲淡 作用 ， 主要体现在年季度性变化和年 际变化 ， 径流量越大 ， 盐度越小 ， 径流量越小 ， 盐度越大。 混凝土建筑物长期受到 盐淡水交替浸泡腐蚀、 干湿交替等作用， 其腐蚀机理有区 别于在淡水溶蚀与海水侵蚀机理的单一作用机理 。 以长江人海 口某大桥所处水域环境为例 ， 其枯 季氯盐 含量较高( 氯离子含量约合 l 3 3 l 4 4 ) ， 已接近正常海 水状况 ， 对结构混凝土钢筋锈蚀造成隐患 。 洪季 ， 盐 、 淡水 强烈混合 ， 盐度受潮汐作用影响 明显 ， 淡水溶蚀与海水侵 蚀综合作用， 导致钢筋起锈的临界氯离子含量降低 ， 从而 加速了钢筋锈蚀进程 。 同时 ， 桥位水域水位变化 明显 ， 同一 部位混凝土在不同季节有可能分别处于大气环境 、 干湿交 替和完全浸泡的不 同条件 。 这种江海交汇环境在我国几大人海 口地 区普遍存在 ， 有一类 的工程 问题需要解决 ， 因此 ， 有 必要 针对河 口水域 环境特点， 借鉴国内外工程经验， 开展江海交汇环境氯盐、 硫酸盐作用 下混凝土耐久性失效状况研究 ； 明确混凝土原 材料指标 ， 优化 、 完善配合 比设计 ； 采用科学手段 ， 评估桥 梁所用高性能混凝土抗氯离子渗透及硫酸盐侵蚀的性能； 并对施工期混凝土性能进行 了检测与验证 ， 提 出了相应 的 质量控制建议 。 4结语 目前 ， 海 工混凝 土材料的耐 久性研究 工作 中， 无论是 化学单 因素 、 双因素耦合 ， 还是化学一 力学多因素耦合条件 下的腐蚀机理研究、 寿命预测和防护措施研究 ， 其前提均 假定混凝土所处的环境恒定不变。 从实际情况来看 ， 江海交 汇环境下的水域存在周期性 的盐淡水交替 ， 随着我 国东部 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 地区桥梁建设事业 的快速发展 ， 相关工程建设 急需理论指 导 ， 而该环境下混凝土结构的耐久 生 研究 尚在起步阶段。 因 此 ， 江海交汇环境 中混凝土 的耐久性失效状 况研究 、 配合 比设计优化及质量控制建议 ， 成为沿海地 区桥梁建设 中迫 切需要解决的技术难题 。 参考文献 ： 【 1 武海荣j 昆凝土结构耐久性环境区划与耐久性设计方法 D 杭 州 ： 浙江大学， 2 0 1 2 2 I N We i l i a n g ， L U Q i n g f a n g D n r a b i l i t y z o n a t i o n s t a n d a r d o f c o n c T e t e s t r u c t u r a l d e s i g n J J o u r n a l o f S o u t h e a s t Un i v e r s i t y， 2 0 0 7， 2 3( 1 )： 98 1 o 4 3 】董建锋， 邢锋， 戴虹， 等 混凝土不同面的氯离子侵蚀规律研究【 J J 混凝土 ， 2 0 1 3 ( 1 ) ： 1 8 2 1 【 4 N I U D i t a o ， X I A O Q i a n h u i ， Z H U We n p e n g C o n c r e t e d a m a g e a n d n e u t r a l i z a t i o n u n de r c o u p l i ng e f f e c t o f c a r b o n a t i o n a n d f r e e z e t h a w c y c l e s J J o u r n a l o f Wu h a n Un i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y - Ma t e r S c i E d ， 2 0 1 2 ， 2 7 ( 2 ) ： 3 5 3 3 5 7 【 5 】曹爱军 海港码头混凝土耐久性研究混凝土碳化程度对氯 离子扩散的影响及数值模拟 D 上海： 同济大学， 2 0 0 8 6 张萍 ， 秦鸿根 ， 庞超明 ， 等 海洋环境结构混凝土耐久性试验研 究综述 J 水利水电科技进展 ， 2 0 1 2 ， 3 ( 3 ) ： 8 1 8 5 7 】YO S HI KI T， HI RO T AK A K， HI RO S HI W， e t a 1 S t u d y o n c o v e r d e p t h f o r p r e s t r e s s e d c o n c r e t e b ri d g e s i n a i r b o r n e c h l o r i d e e n v i r o n me n t s J P C J o u r n a l ， 2 0 0 6， 5 1 ( 2 ) ： 4 2 5 5 【 8 】 柯伟 中国腐蚀调查报笥 M】 北京 ： 化学工业出版社， 2 0 0 3 【 9 】姜慧， 刘奇东， 徐洁， 等海洋环境人工气候模拟加速试验设计【 J J 混凝土， 2 0 1 3 ( 1 1 ) ： 1 8 2 2 1 0 】 康莉萍， 孙丛涛， 牛荻涛 海洋环境混凝土防腐涂料研究及发展 趋势f J 1 混凝土 ， 2 0 1 3 ( 4 ) ： 5 2 5 6 1 1 】 金立兵多重环境时间相似理论及其在沿海混凝土结构耐久性 中的应用【 D 杭州 ： 浙江大学 ， 2 0 0 8 上接第 4 4页 参考文献： 【 1 张卫东 ， 王振波 ， 张福瑞 钢骨再生混凝土轴压短柱试验研究【 J J 河南科技大学学报： 自然科学版， 2 0 1 1 ， 3 2 ( 6 ) ： 5 6 5 8 f 2 1肖建庄钢管约束再生混凝土轴压试验研究 J 】 建筑结构学报 ， 2 0 1 1 ， 3 2 ( 6 ) ： 9 2 9 8 3 韩林海 ， 杨有福 钢管和混凝土之 间黏结强度的探讨【 J J 工业力 学 ， 2 0 0 4 ， 2 1 ( 增： F IJ ) 【 4 姜绍飞， 韩林海 冈 管混凝土中钢与混凝土黏结问题初探 J 哈 尔滨建筑大学学报 ， 2 0 0 0 ( 2 ) ： 2 4 2 8 【 5 】赵鸿铁， 薛建阳 方钢管混凝土黏结滑移性能试验研究 J 】 _ 建筑 结构， 2 0 0 7 ( 1 0 ) ： 7 4 6 】袁方 钢管微膨胀混凝土界面黏结性能的试验研究 J I 四川建筑 科学研究， 2 0 1 0 ( 4 ) ： 2 8 3 3 7 】 康希良 钢管混凝土黏结滑移问题综述分析究【 J 1 西安建筑科技 大学学报 ： 自然科学版 ， 2 0 0 6 ( 3 ) ： 2 0 2 4 1 2 杨志方 东海大桥防腐蚀需求与现状 J 腐蚀与 防护 ， 2 0 0 4 ， 2 5 ( 7 ) ： 2 9 0 2 9 3 【 1 3 】 张宝胜， 干伟忠， 陈涛 杭州湾跨海大桥混凝土结构耐久性解决 方案f J J 土木工程学报， 2 0 0 6 ， 3 9 ( 6 ) ： 7 2 7 7 1 4 P R 0 T C H A R D D WS a l i n i t y d i s t ri b u t i o n a n d c i r c u l a t i o n i n t h e c h e s a p e a k e b a y e s t u a r i n e s y s t e m： S e a r s f o u n d J M ari n e R e s e arc h ， 1 9 5 2 ( 1 1 ) ： 1 0 6 1 2 3 1 5 HAN S E N D V C u r r e n t s a n d mi x i n g i n t h e c o l u mb i a r i v e r e s t u a r y 叨 T r a n s a c t i o n s o f a J o i n t C o n f e r e n c e o f O c e a n S c i e n c e a n d O c e a n En g i n e e r i n g， 1 9 6 5： 94 3 9 5 5 1 6 】 童朝峰， 刘丰阳， 邵宇阳， 等 长江口北支重启大桥处潮位和盐 度过程研究 水道港口， 2 0 1 2 ， 3 3 ( 4 ) ： 2 9 1 2 9 8 【 1 7 】 韩曾萃， 程杭平 钱塘江江水含氯度计算的研究 J 1 水利学报， 1 9 8 1 ( 6 ) ： 1 0 1 3 【 1 8 程杭平 平均海平面抬高对钱塘江盐度入侵的影响分析 J 浙江 水利科技 ， 2 0 0 2 ( 6 ) ： 1 - 4 ， 1 9 】 金腊华 ， 徐峰俊 钱塘江九溪新增引水工程对下游水厂取水口 含氯度影响评价【 J 】 暨南大学学报， 2 0 0 4 ， 2 5 ( 5 ) ： 6 5 0 6 5 5 2 0 金伟良 ， 卫军 ， 袁迎曙 ， 等 氯盐环境下混凝土结构耐久性理论 与方法【 MJ 北京 ： 科学出版社， 2 0 1 1 2 1 1 朱少杰 九堡大桥大体积混凝土桥墩温度裂缝控制措施研究【 J J 桥隧工程 ， 2 0 1 0 ( 1 1 ) ： 1 9 7 2 0 0 2 2 张俊芝 ， 王建泽 ， 黄海珍 ， 等 钱塘江河 口水体 氯离子含量及对 混凝土的侵蚀【 J 1 自然灾害学报， 2 0 0 8 ， 1 7 ( 4 ) ： 3 4 3 8 2 3 1 户陈， 袁丽蓉， 高时友， 等 潮汐强度与咸潮上溯距离试验 J _ 水 科学进展， 2 0 1 3 ， 2 4 ( 2 ) ： 2 5 1 2 5 7 作者简介 联系地址 联系电话 刘冠国( 1 9 8 0 一 ) ， 男， 博士研究生， 高级工程师， 研究方 向 ： 桥梁混凝土耐久性。 南京市西康路 1 号 河海大学力学与材料学院( 2 1 0 0 9 8 ) 1 5 9 9 6 2 05 21 8 8 李卫亍， 陈宗平 方钢管再生混凝土黏结滑移性能试验研究 J 1 广西大学学报： 自然科学版， 2 0 1 2 ( 1 ) ： 6 8 7 4 【 9 9 S H A K I R K H P u s h o u t s t r e n g t h o f c o n c r e t e - fi l l e d s t e e l t u b e s t o p u s h o u t f o r c e s J T h e S t r u c t u r al E n g i n e e r ， 1 9 9 3 ， 7 1 ( 1 3 ) ： 4 3 4 8 【 1 0 B H I K S H MA V， K I S H O R E R D e v e l o p m e n t o f s t r e s s - s t r a i n c u r v e s f o r r e c y c l e d a g g r e g a t e c o n c r e t e J As i a n J o u r n a l o f Ci v i l E n g i n e e r i n g ( B u i l d i n g a n d H o u s i n g ) ， 2 0 1 0 ， 1 1 ( 2 ) ： 2 5 3 2 6 3 【 1 1 肖建庄 再生混凝土 M E 京 ： 中国建筑工业出版社 ， 2 0 0 8 1 2 俣 中伟， 张鸿直 彭 胀混凝土【 M】 北京： 中国铁道出版社， 1 9 9 0 作者简介 联系地址 联系电话 ： 王振波( 1 9 6 0 一 ) ， 男， 博士， 教授， 研究方向： 新型结构 体系研究。 南京浦口区浦珠南路 3 O号 南京工业大学土木工程 学院 ( 2 1 1 8 1 6 ) 1 5 2 61 8 6 7 2 06 4 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m