九江新长江大桥混凝土结构耐久性设计分析

混凝土刘松柏柴天红 2011-01-25

　　九江新长江大桥位于现九江公铁两用大桥上游10．8公里处，南起江西昌九高速公路K8+000处，于江西省九江市现阎家渡码头上游约1公里处跨越长江，北接湖北黄小高速公路小池K33+145．25处，连接江西省九江市与湖北省黄梅县。路线全长约25．14525公里，其中，跨江大桥(含主桥、副孔及引桥)长5．58公里，主桥采用双塔单侧混合梁斜拉桥，主跨跨径为818米，居目前已建和在建同类桥梁中的世界第六、国内第三。其中跨长江大桥和南岸接线共16．844公里由江西省负责投资建设，北岸接线8．30125公里由湖北省负责投资建设。全线采用高速公路标准建设，设计速度100公里／小时，路基宽度为33．5米，主桥桥面宽38．9米，副孔、引桥桥面宽33．5米；设计荷载采用汽车公路I级，设计洪水频率为1／300(长江大桥)和1／100(路基)，通航净空高24米，桥梁结构设计基准期为100年。

　　九江新长江大桥所处环境的分区

　　我们对九江地区的大气环境进行了检测，1月份最低温度可以达到-2℃，出现过冻害降雪气候(如2008年出现的冻雨气候)；9月份出现过最高气温39℃；在3月份最高温度和最低温度温差达到30．5℃。除了11月份之外，最高相对湿度都达了100%，而11月到下一年4月份最低相对湿度只有11%～24%，湿度交替变化也较明显，但常年平均湿度达到了72%以上。

　　按照环境分类和环境作用等级，九江地区为典型的干湿交替和南方炎热潮湿的露天环境，大桥桥梁主塔、墩柱等混凝土结构和表面经常淋雨，室外环境作用等级属于I-C；考虑到冬季最低气温降低到负温，并且有降雪，下雪后路面需要喷洒去冰冰盐，大桥混凝土箱梁属于有氯盐腐蚀环境，可划分为II-D类环境作用等级。考虑到大桥设计使用寿命为100年和大桥受到多种作用的可能性，并且根据雨水分析结果，大桥混凝土与钢筋混凝土结构还受到酸雨作用，按照最严酷的V2-D类环境作用等级比较合理。

　　长江水中可能对钢筋混凝土结构产生影响的氯离子、硫酸根离子的浓度分别为每立方米10858．6毫克和每立方米36098．3毫克，这个数据与海水环境的相应离子含量相比，含量还是比较低；pH值为7.57，属于中性偏碱。对岸边土壤进行化学分析表明，土壤中氯离子含量达到每千克57毫克，硫酸根离子含量达到每千克357毫克。按照《钢筋混凝土耐久性设计与施工指南》规定，土中及地表、地下水对混凝土的腐蚀作用进行分级。对比分析，可将九江新长江大桥水下结构部分环境影响等级定为B级，土下部分混凝土环境作用等级也为B级。由于其水中化学物质多，考虑多项作用共同发生时可能加重后果，且氯离子和硫酸根离子处于相同的影响等级，综合考虑将水下和土壤中钢筋混凝土环境作用等级定为C级。总的来说，九江新长江大桥钢筋混凝土结构部件的环境破坏作用等级评定如表1所示。

　　混凝土结构耐久性设计

　　1.耐久性混凝土结构设计内容

　　九江新长江大桥的主要结构部件处于C或D类环境作用级别，参照CECS01《钢筋混凝土耐久性设计与施工指南》中规定，结合实际工程设计要求，确定不同使用年限级别的结构在不同环境作用等级下的耐久性。

　　（1）基于耐久性混凝土材料设计。按照工程材料就地取材的原则，按照标准对原材料进行检测、比选；高性能混凝土配合比优选；混凝土控制参数确定与量化检测，主要要求稳定的含气量，由高性能外加剂控制。

　　（2）基于结构构造

　　按照指南中关于保护层最小厚度的规定，设计使用100年的钢筋混凝土结构在C-D级环境腐蚀作用的情况下，梁、柱等混凝土结构厚度应该在45～55毫米范围内，加上施工允许误差5毫米，则钢筋混凝土的保护层厚度为50～55毫米才能满足耐久性设计要求，这与理论计算结果也比较吻合。按此规范规定，大厚度的墩柱等受压构件的保护层厚度适当增多5毫米。索塔土下部位混凝土的保护层厚度应不小于70毫米。同时我们也参考了杭州湾大桥保护层厚度的设置。

　　2.其他因素的作用

　　九江二桥位于典型的亚热带地区，严重的冻融破环和浮冰的冲击磨损可不予考虑；镁盐、硫酸盐等盐类侵蚀和碱骨料反应破坏则可以通过控制混凝土组分来避免；这样钢筋锈蚀破环就成为最主要的腐蚀荷载。

　　混凝土中钢筋锈蚀可由两种因素诱发，一是水中氯离子侵蚀，二是大气中的二氧化碳使混凝土中性化。九江二桥地处北亚热带南缘、东北季风盛行区，国内外大量工程调查和科学研究结果表明，这种环境下导致混凝土结构中钢筋锈蚀破坏的主要因素是氯离子进入混凝土中，并在钢筋表面集聚，促使钢筋产生电化学腐蚀。我们在九江二桥周边沿海码头调查中也证实，海洋环境中混凝土的碳化速度远远低于氯离子渗透速度，中等质量的混凝土自然碳化速度平均为3毫米/10年。因此，影响九江二桥结构混凝土耐久性的首要因素是混凝土的氯离子渗透速度。

　　(1)氯离子对钢筋锈蚀的影响

　　氯离子对混凝土结构中的混凝土和钢筋都具有严重的腐蚀作用，我们把引起钢去钝化的钢筋周围混凝土孔隙的游离氯离子最高浓度，称为混凝土的氯化物临界浓度。根据《混凝土结构耐久性设计和施工指南》，氯离子临界浓度均值为：W/B0.3时，水下区为2.3，浪溅区为0.9；W/B0.4时，水下区为2.1，浪溅区为0.8；W/B0.5时，水下区为1.6，浪溅区为0.5。

　　对水位变动区的氯离子基本不会超过临界值，不会对大桥造成渗透性破坏。而对于靠近浪溅区的大桥表面，100年后的氯离子含量可能会超过临界氯离子含量，对大桥造成损害。所以建议需要采用表面防护。

　　(2)碱骨料对耐久性的影响

　　碱骨料反应(AAR)是指混凝土中的碱与具有碱活性的骨料间发生膨胀性反应。这种反应引起明显的混凝土体积膨胀和开裂，改变混凝土的微结构，使混凝土的抗压强度、抗折强度、弹性模量等力学性能明显下降，严重影响结构的安全使用性。表3列出了九江附近混凝土原材料中的碱含量数据。

　　3．防腐措施方案

　　考虑到大桥在实际使用环境下会面临多种腐蚀因素的共同作用，以及应力状态下腐蚀过程的复杂性，加上混凝土结构在施工和使用中难免发生开裂等问题，仅仅依靠混凝土保护层来防止钢筋的锈蚀是不安全的，因此建议在大桥的重要结构部位(箱梁、墩柱、浪溅区、水下部位)预先采取防护性涂层防护，并在设计阶段考虑到更换防护涂层的使用通道和措施，并设计大桥主体结构的质量监控措施。对于重要的可换部件，预先设计更换通道和设施。

　　耐久性设计方案确定后，建立耐久性检测试验室，施工前期做好大桥构件所处环境模拟工作，施工中混凝土结构参数选定测试，大桥投入后耐久性监测。

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