某高速公路桥梁结构混凝土耐久性设计.pdf

余红发等 ： 某高速公路桥梁结构混凝土耐久性设计 61 D OI ： 1 0 1 3 9 0 5 j c n k i a w j z 2 0 1 5 1 0 0 2 5 某高速公路桥梁结构混凝土耐久性设计 余红发 ， 黄泓萍 ， 陈树东。 ( 1 青海 大学土木工程学院 。 西宁8 1 0 0 1 6； 2 南京航空航天大学土木工程系 ， 南京2 1 0 0 1 6 3 浙江建设职业技术学院 。 杭州3 1 1 2 3 1) 【 摘 要】 针对我国第一条穿过青海察尔汗盐湖的国道 2 1 5 线察尔汗盐湖一格尔木高速公路工程的桥梁结 构混凝土的耐久性设计要求， 开发了适用于盐湖地区桥梁工程的高性能混凝土技术 ， 并成功地应用于实际工程。 近3 年的实际工程考验表明， 所配制的 C 5 0低渗透性高性能混凝土具有高强、 抗氯离子扩散渗透、 抗冻、 抗盐湖卤 水腐蚀和抗裂等特征， 满足我国西北高海拔盐湖地区的混凝土结构工程的使用要求。 【 关键词】 盐湖； 桥梁； 高速公路 ； 高性能混凝土 ； 耐久性 【 中图分类号】 T U 5 2 8 5 7 1 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 5 ) 1 0 0 0 6 1 一 o 3 DURABI LI TY DES I GN 0lF CoNCRETE S TRUCTURE oF CHAGE EXP RE S S 、 Y BRI DGE YU Ho n g f a ，HUANG Ho n g p i n g ，C HEN S h u d o n g 。 ( 1 C o l l e g e o f C i v i l E n g i n e e ri n g ，Q i n g h a i U n i v e r s i t y ， X i n i n g 8 1 0 0 1 6 ，C h i n a ； 2 D e p a r t me n t o f C i v i l E n g i n e e ri n g ， N a n j i n g U n i v e r s i t y o f A e r o n a u t i c s a n d A s t r o n a u t i c s ， N a n j i n g 2 1 0 0 1 6， C h i n a ； 3 Z h e j i a n g C o l l e g e o f C o n s t r u c t i o n ， H a n g z h o u 3 1 1 2 3 1 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： A i m e d a t o u r c o u n t r y t h e fi r s t t h r o u g h Q i n g h a i C h a e r h a n S a l i n e L a k e r o a d 2 1 5 l i n e d u r a b i l i t y d e s i g n r e q u i r e me n t s o f c o n c r e t e b ri d g e s t ruc t u r e o f C h a e r h a n S a l i n e L a k e - Go l mu d h i g h w a y e n g i - - n e e r i n g ，h i g h p e r f o r ma n c e c o n c r e t e t e c h n o l o g y i s d e v e l o p e d f o r t h e b rid g e e n g i n e e ri n g i n the S a l i n e L a k e ，a n d s u c c e s s f u l l y a p p l i e d i n a c t u a l e n g i n e e ri n g T h e p r a c t i c al e n g i n e e rin g t e s t s h o w e d t h a t n e a r l y 3 y e a rs ，t h e p r e p a r e d C5 0 h i g h p e rfo rm a n c e a n d l o w p e r me a b i l i t y c o n c r e t e h a s h i g h s t r e n g t h，r e s i s t a n c e t o c h l o rid e i o n d i ff u s i o n p e n e t r a t i o n，f r o s t r e s i s t a n c e ，c o r r o s i o n r e s i s t a n c e o f S a l i n e L a k e b ri n e c r a c k r e s i s t a n c e a n d o t h e r c h a r a c t e ri s t i c s ，me e t t h e u s e r e q u i r e me n t s o f s t ruc t u r a l e n g i n e e ri n g c o n c r e t e i n h i g h a l t i - t u d e a r e a o f S ali n e I 丑k e i n No r t h we s t C h i n a Ke y wo r d s： S a l i n e L a k e ；b ri d g e ；e x p r e s s wa y；h i g h p e rf o r ma n c e c o n c r e t e ；d u r a b i l i t y 察尔汗盐湖至格尔木高速公路工程， 简称察格高 速公路， 是青海省盐湖地区第一条高速公路 ， 环境气 候条件恶劣 ， 对桥梁结构混凝土的抗冻性、 抗腐蚀性、 抗氯离子扩散渗透性和抗裂性等耐久性 的要求非常 高。大量的现场调研 表明， 钢筋混凝土结构在盐 湖地区大气中3 5年遭受严重破坏， 混凝土结构在盐 湖地区卤水和盐渍土中不到 1 年即完全崩溃。除了盐 湖卤水对混凝土与钢筋混凝土结构的物理化学腐蚀 与钢筋锈蚀作用以外， 察尔汗盐湖地处高原内陆， 寒 冷多风、 冰冻期长、 降雨量小、 气候干燥 、 月夜温差大 等恶劣气候条件， 对混凝土耐久性也是严峻的考验。 为了解决察尔汗盐湖地区混凝土结构的耐久性问题 ， 1 9 7 5年国家建材研究 院 将预制聚合物浸渍混凝土 用于青藏铁路的铁路轨枕和桥涵， 1 9 7 6年铁道部科学 研究院采用 了玻璃 钢保护和油 毡隔离 的办法。从 1 9 9 0年代开始， 学者们开始探索采用硅灰混凝土、 高 强混凝土解决青海察尔汗盐湖的混凝土腐蚀问题， 提 出采用盐湖专用的大掺量矿物掺合料 的低渗透性高 性能混凝土技术 ， 并在青海盐湖钾肥二期工程的配 套电力线路基础腐蚀成功地进行了工程应用， 显示 出 优 良的耐久性能 。 。 。 本文针对察格高速公路 的特定环境与桥梁不 同 结构部位对混凝土的耐久性要求， 在察尔汗盐湖混凝 土的腐蚀机理的基础上 ， 运用钢筋混凝土结构寿命预 测的氯离子扩散理论 ， 以混凝土结构的耐久性设计 原则 ， 介绍了盐湖专用低渗透性高性能混凝土的原材 料和配合比设计 ， 研究了其工作性、 强度和抗冻性等 基本性 能。 基金项目 国家重点基础研究发展计划( 9 7 3 计划) ( 2 0 0 9 C B 6 2 3 2 0 3 ) ； 国家自然科学基金项目( 5 0 1 7 8 0 4 4 ， 5 1 1 7 8 2 2 1 ) 6 2 低温建筑技术 2 0 1 5年第 1 0期 ( 总第 2 0 8期 ) 1 察格 高速公路 沿线的盐渍 土特征与混凝 土腐蚀破 坏机理 1 1 盐渍土和卤水的化学成分 察格高速公路所处地段以过盐渍土和强盐渍土 为主。过盐渍土 、 中强 盐渍 土主要 以氯 盐型 为主 。盐 渍土地区主要位于 A、 B标段。表 1 是 A标段和 B标 段处不同深度的盐渍土中的易溶盐成分和含盐量， 表 2是 A标段和 B标段渍 土晶间卤水 的化学 成分 。 表 1 盐渍 土中易溶盐的化学成 分 由表 1 可见， 随着深度的增加， 盐渍土中的含盐量 逐渐降低， 到 2 3 2 4 m深度处含盐量逐渐接近盐渍土 表层的含盐量。由表 2可见 ， A标段的晶间卤水浓度 高， B标段的晶问卤水浓度低。到 2 8 m处盐渍土的含 盐量达到 2 7 2 6 。因此察尔汗盐湖盐渍土及其晶问 卤水对混凝土和钢筋混凝土结构的化学腐蚀 、 物理结 晶腐蚀和钢筋溃烂性腐蚀破坏作用很严重。 表 2 盐渍土晶间 卤水的化学成分 m g L 1 2 盐渍土和卤水对混凝土的腐蚀破坏机理 根据盐湖地区暴露 2 0 a的实际混凝土工程的腐蚀 产物 ， 发现了其腐蚀破坏机理如下 ： ( 1 ) 混凝土化学腐蚀和氯盐物理结晶侵蚀作用 的腐蚀产物分为 3 种类型： 第一种以食盐为主； 第二种 以南极石为主； 第三种以 C S H的腐蚀产物为主， 即水 化硅酸钙 c s H 一水硅酸镁 M S H的过渡产物 C MS H以 及 N a 离子取代 c a “的碱硅凝胶产物 C N S H。 ( 2 ) 化学 腐 蚀机 理 ： 盐 湖 卤水 中 的 s o 2, 一 、 C 1 一 、 Mg 、 N a 和 K 离子 ， 对混凝土产生硫酸盐 、 氯盐和镁 盐多重腐蚀 ， 以及水化硅酸钙的碱金属离子腐蚀。此 外 ， 盐湖卤水和盐渍土 中富含的 N a C 1 和 K C 1 Mg C 1 6 H ， 0等盐分对混凝土存在严重的物理结晶破坏。 ( 3 ) 氢氧钙石 C H和水化铝酸钙 C A H 的腐蚀 产物为南极石 C a C 1 6 H ： O 一氢氧化镁 M g ( O H) 一 氯氧化镁 M g ： ( O H) C 1 4 H ： 0 一氯铝酸钙 c A C a C 1 1 0 H 2 0 一石膏 C a S O 4 2 H 2 0。 ( 4 ) 水化硅酸钙 C S H的腐蚀产物为镁离子和碱 金属离 子取 代钙 离子 的含 水硅 酸钙镁 凝 胶 ( C 。 一 M ) 5 1 。 S H( =0 2 20 3 9 ) 碱硅凝胶 ( c 。 一 N ) s H( =0 3 90 6 3 ) 。一 旦 混凝 土 开裂 后 碱性腐蚀产物 M g ( O H) ： 、 M g ： ( O H) ， c 】 4 H ： 0、 C ， A C a C 1 ， 1 0 H ， 0丧失稳定性而分解 。 2 盐湖地区桥 梁混凝土结构 的耐久性设计 2 1 桥梁混凝土结构的耐久性设计原则 针对不同的结构部位采取相应防护措施。耐久 性设计的基本原则是： 采用抗盐湖卤水腐蚀的低渗 透高性能混凝土； 增加混凝 土保护层厚度； 针对 不同的结构部位采用相应的附加防腐蚀措施 ； 桩基 混凝土施工工艺必须确保混凝土与盐渍土之间的有 效 隔离。 2 2 盐湖专用 C 5 0低渗透性高性能混凝 土基本性能 ( 1 ) 抗压强度及其发展规律。以 A标段试配为 例。针对不同的桥梁结构部位， 配制盐湖专用 C 5 0低 渗透性高性能 昆 凝土时， 灌注桩和承台 昆 凝土复合掺 加 了 5 硅灰 、 1 0 粉煤灰和 2 0 磨细矿渣 ， 墩柱混 凝 土复合掺加了 1 5 粉煤灰和 1 5 磨细矿渣 ， 箱梁与盖 梁混凝土复合掺加 了 1 0 粉煤灰和 1 5 磨细矿渣。 表 3是不同结构部位所用混凝土的拌合物性能和抗压 强度。结果表明， 盐湖专用 C 5 0低渗透性高性能混凝 土的坍落度及其损失 、 含气量和抗压强度均满足设汁 要求 ， 其标准养护 7 d 和 2 8 d抗压强度分别达到4 2 M P a 和 6 5 M P a 左 右。 ( 2 ) 抗冻性。以 A标段试配为例。表 4是不同 混凝土的标准养护和现场同条件养护试件在盐湖 卤 余红发等 ： 某高速公路桥梁结构混凝土耐久性设计 6 3 水或水中经过 3 0 0次快速冻融循环的试验结果。由表 可知， 即使是现场同条件养护 ， 混凝土在 3 0 0次快速冻 融循环后 的相对动 弹性模 量基本 在 8 6 以上 ， 并 且混 凝土 试 件 的 质 量 损 失 率 均 小 于 标 准 的 规 定 值 ( 5 0 ) 。与水 中抗冻性相 比， 由于盐湖卤水 的冰点 很低 ， 卤水冻融的混凝土试件表面既无剥落现象， 也 没有 出现盐类结 晶压 导致 的严重龟 裂现象 ， 显示 优 良 的抗冻耐久性 。 表 3 盐湖专用 C 5 0低渗透性高性能混凝土的试配结果( A标段) 3结 语 ( 1 ) 所设计的盐湖专用 C 5 0低渗透性高性能混 凝土在察尔汗盐湖地区的卤水腐蚀与冻融循环、 干湿 循环和弯曲荷载等双重 因素作用下具有 良好的耐久 性。混凝土试件没有任何缺棱掉角、 开裂、 剥落等腐 蚀破坏现象。混凝土的强度 、 抗冻性 、 抗氯离子扩散 渗透、 抗盐湖卤水腐蚀等耐久性指标均满足设计要求。 ( 2 ) 在桥梁施工 2年后 ， 混凝土桩基没有腐蚀 和冻融损伤迹象 ， 桥梁承台、 墩柱 、 箱梁和盖梁等结构 表 面 ， 没 有任 何龟 裂 现象 ， 满 足 混凝 土结 构耐 久性 设 计 的抗裂要求 。 2 3 4 参考文献 余红发 盐湖地区高性能混凝土的耐久性、 机理与使用寿命预 测方法 D 南京 ： 东南大学材料科学与工程学 院， 2 0 0 4 王复生 ， 孙瑞 莲 ， 秦 晓娟 察尔汗盐 湖条件下水 泥混凝土 耐久 性调查研究 J 硅酸盐通报 ， 2 0 0 2， ( 4) ： 1 6 2 2 余红发 ， 孙伟 ， 屈武 ， 等 盐湖地 区的环境条件 与混 凝土和钢 筋 混凝土结构的耐久性 J 工业 建筑 ， 2 0 0 3， 3 3 ( 3 )： 1 4 王潘劳 ， 张伟勤 ， 杨幼坤 ， 等 青海察尔汗盐湖地 区水泥混凝 土 的腐蚀 破 坏调 查 分 析 J 青 海 大学 学 报 ， 2 0 0 3 ， 2 1 ( 6) ： 5 7 5 9 5 刘 连新 察尔汗盐 湖及超盐 渍土地 区混凝土侵 蚀及预 防初探 J 建筑材料学报 ， 2 0 0 1 ， 4 ( 4 )： 3 9 54 0 0 6 王复生 ， 秦 晓娟 ， 孙瑞莲 青海察尔汗盐 湖条件下水 泥混凝土 侵蚀 的试验研究 J 硅酸盐通报， 2 0 0 3 ， 2 2 ( 4 ) ： 2 5 2 8 7 戴剑锋， 刘晓红， 郑克宇， 等 盐湖地区混凝土的腐蚀和防治 J 甘肃工业大学学报， 2 0 0 2 ， 2 8 ( 2 ) ： 1 0 0 1 0 2 8 白瑞峰 ， 韩玉兰 聚合物混凝土及其耐腐蚀性能 J 中国建材 研究 院院刊 ， 1 9 8 0， ( 1 ) ： 1 01 3 9 余红发， 孙伟， 华普校， 等 盐湖地区专用高强混凝土的配制技 术 和基本性能 J 建筑材料学报 ， 2 0 0 3 ， 6 ( 4 )： 4 1 0 4 1 5 1 0 余红发 ， 孙伟 ， 屈武 ， 等 盐湖环 境条件下 抗腐蚀混 凝土 电杆 的研究与开发 J 混凝土与水泥制品 ， 2 0 0 3 ， ( 1 )： 2 32 6 收稿 日期 2 0 1 5 0 61 1 作者简介 余红发 ( 1 9 6 4一) ， 男 ， 湖北武穴人 ， 博士 ， 教授 ， 博 士生导师 ， 从事盐湖与海洋等严酷环境下混凝 土 结构耐久性研究与寿命设计 工作。