抗海水腐蚀混凝土在汕头市东部城市经济带水利工程中的应用.pdf

第 1期 2 0 1 1年 1月 广东水利水 电 GUANGD0NG W ATER RES0URCES AND HYDROPOW ER No ． 1 J a n ． 2 0 1 1 抗海水腐蚀混凝土在汕头市东部城市 经济带水利工程中的应用 陈广 洲 ( 广 东省水 利 电力规 划勘 测设 计研 究 院 ， 广 东 广 州 5 1 0 6 3 5 ) 摘要 ： 从 汕头市 东部城 市经济带水利工程广 东省第一 宗一级海堤 混凝土结构特点和所 处环 境 出发 ， 通过对提 高混凝 土耐 久性技术措施 的分析 ， 针 对性地提 出混凝土结构耐久性设计方案 ， 以及抗 海水腐蚀 混凝土材料要 求和设计配合 比。 关键词 ： 抗 海水腐蚀 混凝 土； 耐久性 ； 一级 海堤 中图分类号 ： T V 4 3 1 文献标识码 ： B 文章编号 ： 1 0 0 8— 0 l 1 2 ( 2 0 1 1 ) 0 1— 0 0 3 1 —0 3 引言 广东省是我 国海岸线最长的省份 ， 海岸线总长超过 3 0 0 0 k in。随着广东经济的快速发展、 土地资源的缺乏 以及为了保护沿海区域人 民财产的安全 ， 在沿海和近海 地区进行工程建设势必发展迅速。 在沿海和近海地区 ， 影响混凝土结构耐久性的主要 因素是海水 、 海风和海雾中携带的氯离子 。根据对海港 码头和沿海水闸的钢筋混凝土结构的大量调查表明： 处 于浪溅 区的结构 ， 由于氯盐侵蚀 、 硫酸盐侵蚀 、 干湿交替 以及风、 浪 、 潮 的冲刷等原 因， 混 凝土坝及钢筋混 凝土 闸、 涵 、 渡槽等都出现混凝土开裂和钢筋的严重锈蚀 ； 一 些沿海水闸的混凝土闸门， 由于氯离子 的腐蚀 ， 使用不 到 l 0年就已报废 ， 这些都严重影响水 工建筑物 的正常 运行和发挥效益。 汕头市东部城市经济带水利工程 中的海堤为广东 省第一宗一级海堤 ， 直接迎浪挡潮 ， 受海水 、 风浪的直接 作用 ， 其环境对建筑物耐久性不利 。 1抗 海水腐 蚀混 凝土 为解决沿海和近海水工建筑物过早破坏的问题 ， 广 东省水利厅委托华南理工大学土木工程系进行抗海水 腐蚀混凝土的研究 ， 通过室内试验及工程实践 中应用 ， 如在江门市电化厂工业盐罐池 、 吴川市吴阳围低蛹排水 闸混凝土闸门重建工程 、 澄海市外砂桥闸重建工程中的 成功应用 ， 取得重大的成果 ， 同时广泛收集工程实例和 研究成果 ， 并 以此成果编制发布实施广 东省地 方标准 《 抗海水腐蚀混凝土应用技术导则》 。 高性能混凝土在东海大桥工程及海工混凝土在港 口工程中的应用等 国内外相关科 研成果和长期的工程 实践调研显示 ： 当前较为成熟的提高钢筋混凝土工程耐 久性的主要技术措施是相似 的。所以本工程采用水利 工程抗海水腐蚀混凝土。 抗海水腐蚀混凝土是 由硅酸盐类水泥 、 矿物掺合 料 、 化学外加剂 、 砂石骨料和水等原材料组成 ， 在达到设 计龄期后具有 良好抗氯离子渗透性的混凝土。 2 混凝 土 耐久性 设计 2 ． 1 混凝土结构布置和耐久性设计背景 本工程水工建筑物位于近海区域 ， 为保证水工建筑 物混凝土结构的耐久性 ， 本工程采用 了以抗海水腐蚀混 凝土技术为核心的综合耐久性技术设计方案。 混凝土结构主要为海堤护面栅栏板和防浪墙结构、 泵站泵房和水闸闸室等， 采用现浇和预制两种形式。混 凝土的设计强度根据不 同部位在 C 4 5～C 6 0之间。 工程 区域属亚热带季风气候 ， 受海洋性东南亚季风 影响很大 ， 海区全年平均盐度一般为 2 7 ‰ ， 海域环境特 征 明显 。 水工建筑物所处环境类别为 Ⅲ类海洋氯化物环境 ； 混凝土部位主要为水位变动区、 浪溅 区以及长期处于水 下或饱和土中， 其作用级别分别为 E、 F 、 D， 作用程度为 极端严重 、 非常严重 以及严重。 混凝土结构 的耐久性受多种因素的影响， 按重要性 收稿 日期 ： 2 0 1 0—1 1 —0 4 ； 修 回 日期 ： 2 0 1 0—1 1 —1 5 作者简介 ： 陈广洲 ( 1 9 7 9一) ， 男 ， 硕士 ， 工程 师 ， 从事水利工程设计工作 。 31 2 0 1 1年 1月 第 1期 陈广洲 ： 抗海水腐蚀混凝土在汕头市东部城 市经 济带水利 工程 中的应用 N o ． 1 J a n ． 2 0 1 1 排列分别为 ： 钢筋锈蚀 、 寒冷气候下 的冻害和侵蚀环境 的物理化学作用等 ， 本地区基本没有冻害问题 ， 因此需 要采取工程技术措施避免钢筋锈蚀和海洋氯化物环境 的物理化学作用对混凝土结构耐久性的影响。 2 ． 2 提高混凝土耐久性的技术措施 本工程海堤为一级海堤， 且直接 面临大海 ， 环境作 用等级严重 ， 根据工程 特殊性 ， 采取 以下针对性的技术 措施 ： 1 )使用抗海水腐蚀混凝 土， 提高混凝土的密度性 和抗渗性。其技术途径是采用优质混凝土矿物掺合料 和新型高效减水剂复合 ， 配以相适应的水泥和级配良好 的粗细骨料 ， 形成低水胶比、 高密实 、 高耐久的混凝土材 料。 2 )为钢筋提供足够厚度的混凝土保护层 ， 减少和 控制混凝土裂缝的发生等。提高混凝土保护层厚度是 提高钢筋混凝土使用寿命最直接 、 简单而且经济有效的 方法 。但保护层厚度不能不受限制地任意增加 ， 若保护 层厚度过大时 ， 由于混凝土材料本身的脆性和收缩会导 致混凝土保护层出现裂缝 ， 反而削弱其对钢筋 的保护作 用 。 3 )采用混凝土表面涂层和防腐蚀面层 、 在混凝土 中加入阻锈剂或局部采用环氧涂层钢筋等防腐蚀 附加 措施 ； 完好的混凝土保护涂层具有阻绝腐蚀性介质与混 凝土接触的特点 ， 从而延长钢筋混凝土的使用寿命 。然 而大部分涂层本身会在环境的作用下老化 ， 逐渐丧失其 功效 ， 一般寿命在 5～1 0年， 只能作辅助措施。钢筋表 面采用致密材料涂覆 ， 如环氧涂层钢筋等 ， 其主要不利 方面是 ： 环氧涂层钢筋与混凝土的握裹力降低 ， 使钢筋 混凝土结构的整体力学性能有所降低 ； 施工过程中对环 氧涂层钢筋的保护要求极其严格 ， 加大 了施工难度 ； 另 外成本 的明显增加使其推广应用受到制约。阻锈剂通 过提高氯离子促使钢筋腐蚀 的临界浓度来稳定钢筋表 面的氧化物保护膜 ， 从 而延长钢筋混凝土 的使 用寿命。 但由于其有效用量较大 ， 作为辅助措施较为适宜。 改善钢筋混凝土结构耐久性需采取根本措施 和补 充措施 。根本措施是从材料本身的性能 出发 ， 提高混凝 土材料本身的耐久性能， 即采用抗海水腐蚀混凝土。大 量研究及实践表明， 采用抗海水腐蚀混凝土是在恶劣的 海洋环境下提高结构耐久性的基本措施 ， 然后根据不同 构件和部位 ， 经过提 高钢筋保护层 厚度 ( 一般 不小于 5 0 c m) ， 某些部位还可复合采用保护涂层或阻锈剂等辅 助措施 ， 形成 以抗海水腐蚀混凝土为基础的综合防护策 略， 有效提高混凝土结构的使用寿命。 3 2 因此 ， 汕头东部经济带水利工程混凝土结构耐久性 方案的设计遵循的基本方 案是 ： 首先 ， 混凝土结构耐久 性基本措施是采用抗海水腐蚀混凝土。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 防腐措施 ， 如 内掺钢筋阻锈剂等。在保证施工质量和原 材料品质的前提下 ， 混凝土结构的耐久性将可以达到设 计要求 。 本文提出汕头东部城市经济带水利工程主要部位 构件的强度等级要求 、 构件的施工工艺和环境条件 ， 对 各部位混凝土结构提 出具体 的耐久性方案。所有钢筋 混凝土采用抗海水腐蚀混凝土， 并掺加钢筋阻锈剂。混 凝土最大水胶 比和最低强度等级为： 闸站地面层及水下 区的构件最大水胶比为 0 ． 3 4 ， 混凝土强度为 C 4 5 ； 水位 变动区的构件最大水胶比为 0 ． 3 3 ， 混凝土强度为 C 5 0 ； 浪溅区的构件最大水胶比为 0 ． 3 2 ， 混凝土强度为 C 5 0 。 海堤护面栅栏板和防浪墙结构最大水胶 比为 0 ． 3 2 ， 混 凝土强度为 C 5 0 。混凝土骨料不得采用碱活性骨料。 2 ． 3 混凝土材料要求及配合 比设计 抗海水腐蚀混凝土所用的原材料的品质要求更高， 除选用优质水泥、 级配 良好 的优质骨料， 同时应掺加符 合要求的矿物掺合料和外加剂 。 水泥不应采用立窑水泥 ， 不宜采用矿渣硅 酸盐水 泥 、 火山灰质硅酸盐水泥 、 粉煤灰硅酸盐水泥 ， 宜用高强 度等级的硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥。 矿物掺合料应选用 比表面积大于 4 2 0 m ／ k g的矿渣 微粉 ， I 级、 Ⅱ级的粉煤灰 ， 硅灰等。由于硅灰价格高 ， 而且产量较低 ， 除非是特别重要 的工程 ， 在水利工程中 不应作为首选方案 。而粉煤灰虽然价格便宜 ， 但是由于 一 方面其在混凝土中的掺量有限 ， 在大体积混凝土中对 混凝土温升的缓解作用有限， 另一方面掺加粉煤灰混凝 土的抗海水腐蚀能力不及掺加矿渣微粉混凝土的好 ， 因 此在水利工程中也不应作为首选方案。就矿渣微粉而 言， 随着国内大型钢铁企业纷纷上马矿渣微粉项 目， 矿 渣微粉 的供应不是 问题， 而且矿渣微粉的价格 较水泥 低 ， 采用矿渣微粉也符合经济性的原则。综合考虑技术 性能和经济性 ， 在抗海水腐蚀混凝土中采用大掺量矿渣 微粉是一种较好的技术途径 ， 应作为首选方案。 细骨料宜选用质地坚硬 、 清洁 的天然河砂 ， 级配 良 好 ， 颗粒级配处于 2区， 细度模数为 2 ． 3～ 3 ． 0的中砂 ， 含泥量 应 小 于 3 ． 0 ％ ， 氯 离 子 含 量 小 于 砂 干 重 的 0 ． 0 2 ％ ， 严禁使用海砂。 粗骨料宜选用质地坚硬 、 清洁且坚实的粒径范围宜 在 5～ 4 0 ra m符合连续级配要求的碎石 ， 含泥量控制在 2 0 1 1年 1月 第 1期 广东水利水 电 N o ． 1 J a n ． 2 0 1 1 不大于 1 ． 0 ％ ， 压碎指标不大于 1 0 ％。不准采用可能发 生碱骨料反应的活性骨料。 宜采用质量稳定且减水率不小 于 2 0 ％的高性能高 效减水剂。掺加阻锈剂需检验其长期有效性， 不应单独 使用亚硝酸盐类阻锈剂 。 拌和用水 的氯离子含量不宜大于 2 0 0 mg ／ L 。严禁 使用海水拌和混凝土。 阻锈剂采用掺入型 、 粉剂型、 混合型 ， 根据《 钢筋混 凝土阻锈剂》 ( J T ／ T 5 3 7—2 0 0 4 ) 规定 ， 按产品推荐用量 加入适量 的阻锈剂。一般来说 ， 海港工程 、 沿海建筑等 重度腐蚀环境 ， 推荐掺 量建议为 8 ． 0～1 2 k g ／ m 。本工 程采用掺量为 9 ． O k g ／ m 。 根据 已有水利 、 交通及港航工程 的经验 ， 本文建议 的参考配合比见表 1 ， 试验时应进行优化调整。 表 1 建议 的砼 参考配合比 ( 含钢筋 阻锈剂 ) 3结语 本工程为我省一级海堤 ， 为确保混凝土结构的耐久 性 ， 除了设计方案的针对性外 ， 同时在方案实施过程 中 要加强质量管理和控制。 目前工程正在施工中， 混凝土 结构的耐久性还有待于时间的考验 ， 并在实践过程中加 以提高完善 ， 以提高近海和沿海地区水工建筑物混凝土 结构使用年限 ， 使其发挥更大的效益。 参考文献 ： [ 1 ] D B 4 4 ／ T 5 6 6— 2 0 0 8 抗海水腐蚀混凝土应用技术导则[ S ] ． [ 2 ] 皇甫熹 ， 徐 强 ， 俞海勇 ， 等 ．高性能海工 混凝土在 东海 大桥 工程中的应用[ J ] ．世界桥梁， 2 0 0 4， ( 增刊) ： 2 8— 3 1 ． [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] 李建刚， 罗忠良， 邱琼海， 等．东海大桥近岛段工程高性能 混凝土与普通混凝土优劣性对 比[ J ] ．桥梁建设， 2 0 0 5 ， 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