深中通道混凝土结构耐久性设计_王康臣.pdf

D O I:1 0.1 1 9 7 3/f s y f h-2 0 2 2 1 2 0 1 4深中通道混凝土结构耐久性设计王康臣1,方 翔2,3,范志宏2,3,曾俊杰2,3,王彭生2,3(1.广东省公路建设有限公司,广州 5 1 0 6 2 3;2.中交四航工程研究院有限公司,广州 5 1 0 2 3 0;3.水工构造物耐久性技术交通运输行业重点实验室,广州 5 1 0 2 3 0)摘 要:深中通道是一项标志性重大跨海通道工程,其混凝土结构的耐久性问题突出。深中通道所处区域的环境与港珠澳大桥类似,因此深中通道钢筋混凝土结构的耐久性设计采用了港珠澳大桥基于可靠度的耐久性设计方法,并利用港珠澳大桥暴露试验和工程施工数据,进一步对设计模型中氯离子扩散系数、保护层厚度安全裕度等参数进行了优化、修正。考虑到荷载对氯离子渗透率的影响,在深中通道耐久性设计中引入了荷载影响系数。根据以上模型和参数,计算得到1 0 0 a设计保护年限的耐久性指标。针对工程施工、运营阶段可能出现的各种不确定性因素,根据深中通道的特点,提出了适合不同构件的附加防腐蚀措施,以提高其耐久性设计的安全裕度。关键词:深中通道;混凝土结构;耐久性设计;附加防腐蚀措施;安全裕度中图分类号:T G 1 7 4 文献标志码:A 文章编号:1 0 0 5-7 4 8 X(2 0 2 2)0 9-0 0 8 8-0 7D u r a b i l i t y D e s i g n f o r C o n c r e t e S t r u c t u r e i n S h e n z h e n-Z h o n g s h a n B r i g eWANG K a n g c h e n1,F ANG X i a n g2,3,F AN Z h i h o n g2,3,Z E NG J u n j i e2,3,WANG P e n g s h e n g2,3(1.G u a n g d o n g P r o v i n c i a l H i g h w a y C o n s t r u c t i o n C o.,L t d.,G u a n g z h o u 5 1 0 6 2 3,C h i n a;2.C C C C F o u r t h H a r b o r E n g i n e e r i n g I n s t i t u t e C o.L t d.,G u a n g z h o u 5 1 0 2 3 0,C h i n a;3.K e y L a b o r a t o r y o f D u r a b i l i t y T e c h n o l o g y f o r H a r b o r a n d M a r i n e S t r u c t u r e M i n i s t r y o f C o mm u n i c a t i o n s,P R C,G u a n g z h o u 5 1 0 2 3 0,C h i n a)A b s t r a c t:S h e n z h e n-Z h o n g s h a n B r i g e i s a l a n d m a r k i m p o r t a n t s e a-c r o s s i n g p r o j e c t.T h e d u r a b i l i t y p r o b l e m o f t h e p r o j e c t i s p r o m i n e n t.T h e e n v i r o n m e n t o f S h e n z h e n-Z h o n g s h a n B r i g e i s s i m i l a r t o t h a t o f H o n g K o n g Z h u h a i-M a c a u B r i d g e.T h u s,t h e d u r a b i l i t y d e s i g n m e t h o d s b a s e d o n r e l i a b i l i t y t h e o r y u s e d f o r H o n g K o n g Z h u h a i-M a c a u B r i d g e w e r e u t i l i z e d f o r S h e n z h e n-Z h o n g s h a n B r i g e.A n d t h e p a r a m e t e r s i n t h e d e s i g n m o d e l s u c h a s c h l o r i d e d i f f u s i o n c o e f f i c i e n t a n d p r o t e c t i v e l a y e r t h i c k n e s s s a f e t y m a r g i n w e r e f u r t h e r r e v i s e d a c c o r d i n g t o t h e d a t a o b t a i n e d f r o m t h e e x p o s u r e t e s t a n d e n g i n e e r i n g c o n s t r u c t i o n d a t a o f H o n g K o n g-Z h u h a i-M a c a u B r i d g e.C o n s i d e r i n g t h e i n f l u e n c e o f l o a d o n t h e c h l o r i d e p e n e t r a t i o n r a t e,l o a d i n f l u e n c e c o e f f i c i e n t w a s i n t r o d u c e d i n t h e d u r a b i l i t y d e s i g n o f S h e n z h e n-Z h o n g s h a n B r i g e.B a s e d o n t h e m o d e l a n d p a r a m e t e r s m e n t i o n e d a b o v e,t h e d u r a b i l i t y i n d e x w a s d e t e r m i n e d t o f u l f i l l 1 0 0 a d e s i g n s e r v i c e l i f e.I n v i e w o f a l l k i n d s o f u n c e r t a i n f a c t o r s t h a t m i g h t a p p e a r i n t h e p r o j e c t c o n s t r u c t i o n a n d o p e r a t i o n p h a e s m a y a p p e a r,a d d i t i o n a l c o r r o s i o n p r o t e c t i o n m e t h o d s f o r d i f f e r e n t s t r u c t u r a l m e m b e r s w e r e p r o p o s e d t o e n h a n c e t h e s a f e t y m a r g i n o f d u r a b i l i t y d e s i g n.K e y w o r d s:S h e n z h e n-Z h o n g s h a n B r i d g e;c o n c r e t e s t r u c t u r e;d u r a b i l i t y d e s i g n;a d d i t i o n a l a n t i-c o r r o s i o n m e a s u r e s;s a f e t y m a r g i n 深中通道起始于深圳广深沿江高速公路机场互通立交,向西跨越珠江口,在中山市马鞍岛登陆,终止于横门互通。路线全长约2 3.9 7 7 k m,跨海长度2 2.2 5 7 k m,陆地段长度1.7 2 k m。主线桥梁总长收稿日期:2 0 2 2-0 3-1 7基金项目:广东省重点领域研发计划项目(2 0 1 9 B 1 1 1 1 0 6 0 0 2)通信作者:方 翔(1 9 8 3-),正高级工程师,硕士,主要从事结构腐蚀与防护工作,1 3 9 2 2 3 9 9 5 3 9,e i n f a n g h o t m a i l.c o m1 7 0 3 4 m,隧道总长6 8 4 5 m,海中设置两处人工岛。深中通道工程采用双向八车道的技术标准,路基宽度4 1 m,设计时速1 0 0 k m/h,该工程跨越珠江口内伶仃洋,工程区域环境具有温度高、湿度大和海水盐度随潮汐变化等特点。深中通道设计使用年限为1 0 0 a,具备隧道、岛和桥等多种结构形式,结构复杂,耐久性问题突出,如何确保工程的耐久性,是工程建设所面临的关键问题之一。通过开展环境作用等级划分,明确不同环境中88第4 3卷 第1 2期2 0 2 2年1 2月腐蚀与防护C O R R O S I ON&P R O T E C T I ONV o l.4 3 N o.1 2D e c e m b e r 2 0 2 2混凝土结构的各项耐久性指标,并采用合适的附加防腐蚀措施,是国内外普遍采用的耐久性设计方法1。对于确定耐久性指标,较常采用经验法,即按标准规范直接规定工程混凝土结构的氯离子扩散系数、保护层厚度等指标。近年来,基于工程数据与实际经验,具有失效概率或可靠性的耐久性定量设计方法逐渐写入各国规范。欧盟及英国的相关规范,如B S E N 2 0 6-2 0 1 3+A 1:2 0 1 6C o n c r e t e-S p e c i f i-c a t i o n,p e r f o r m a n c e,p r o d u c t i o n a n d c o n f o r m i t y 明确了详细的混凝土结构强度等级、最大水胶比、最小保护层厚度、胶凝材料体系及最小胶凝材料用量等定量指标。I S O 1 6 2 0 4:2 0 1 2D u r a b i l i t y-S e r v i c e l i f e d e s i g n o f c o n c r e t e s t r u c t u r e s 建立了基于可靠度的混凝土结构耐久性寿命定量设计方法,得到了设计使用寿命与耐久性指标之间可靠的对应关系。日本规范标准采用定量设计方法,对混凝土结构的耐久性质量和钢筋保护层厚度之间的关系给出了合适的数学计算模型。我国则采用经验方法与定量设计方法,J T S 1 5 32 0 1 5 水运工程结构耐久性设计标准提出了不同设计使用年限对应的耐久性指标要求。同时,给出了使用年限定量校核方法。对于附加防腐蚀措施,其作用是弥补施工、运营期间不确定因素造成的影响,一般结合技术可行性和经济性合理选用。在深中通道工程建设之前,港珠澳大桥于2 0 1 8年通车运营,在耐久性设计上,采用了基于可靠度理论的混凝土结构耐久性设计模型,计算得到1 2 0 a设计保护年限条件下的耐久性指标2。同时,针对不同构件及部位,选用不锈钢钢筋、硅烷浸渍等附加防腐蚀措施,以提高其安全裕度3。深中通道临近港珠澳大桥,两者服役环境(海洋腐蚀环境)相似,其耐久性设计可采用港珠澳大桥的耐久性设计模型,并结合深中通道的特点以及港珠澳大桥建设经验,对模型进一步修正,开展满足工程需求、更贴近工程实际的耐久性设计。1 港珠澳大桥耐久性保障技术适用性分析深中通道距港珠澳大桥约4 0 k m,两个工程位置较近,腐蚀环境特征类似,从服役环境、结构构件腐蚀条件进行对比,分析港珠澳大桥耐久性保障技术对深中通道的适用性。1.1 服役环境对比由表1可见:两个工程所处环境的气温、湿度接近;深中通道更靠近珠江入海口,其所处区域的氯离子含量受潮汐影响较大,氯离子含量最大值与港珠澳大桥所处环境的相近,氯离子含量最小值远小于港珠澳大桥所处环境的,且沿桥轴线变化随季节起伏较大。表1 深中通道与港珠澳大桥服役环境比较T a b.1 C o m p a r i s o n o f s e r v i c e e n v i r o n m e n t s o f S h e n z h e n-Z h o n g s h a n B r i d g e a n d H o n g K o n g-Z h u h a i-M a c a o B r i d g e工程名称气温/湿度/%最大值最小值年平均值最大值最小值年平均值氯离子含量/(m gL-1)p H深中通道3 8.9-1.82 2.32 31 0 01 07 88 05 9 4 1.4 71 5 7 1 6.1 57.0 88.0 2港珠澳大桥3 8.9-1.82 2.32 3.11 0 01 07 78 01 0 7 5 9.9 01 7 0 2 1.3 26.6 58.6 31.2 结构构件腐蚀条件对比深中通道与港珠澳大桥均采取岛-隧道-桥组合的设计方式。由表2可见:深中通道的整体线路较短,9 3%的线路处于跨海段;港珠澳大桥整体线路较长,但海中主体部分线路只占6 6%;综合比较可知,两者在岛-隧道-桥主体部分,港珠澳大桥比深中通道长约1 4 k m;两者海底隧道的建设长度相近,约为6.7 k m;深中通道与港珠澳大桥采用的构件结构形式相似,工程构件所处腐蚀环境也相近。1.3 耐久性保障技术的工程适用性分析港珠澳大桥耐久性设计具有以下特点:(1)采用了基于可靠度的混凝土结构耐久性设计技术,利用相似环境的暴露试验数据,建立了耐久性设计数学模型,开展了耐久性定量设计;(2)综合考虑腐蚀风险、防护效果和全寿命成本,开展了附加防腐蚀设计,作为提高混凝土结构耐久性安全裕度的措施。深中通道具有与港珠澳大桥相似的环境条件,相似的结构形式,深中通道设计使用年限为1 0 0 a,港珠澳大桥设计使用年限为1 2 0 a。因此,深中通道的耐久性设计可以借鉴港珠澳大桥的混凝土结构的耐久性设计模型。此外,深中通道处于内伶仃洋,工程跨越的区域环境复杂,在借鉴港珠澳大桥耐久性设计成果和工程建设经验的同时,对部分技术进行了优化和深入研究,例如考虑荷载和依据港珠澳大桥施工质量核定保护层厚度等,以更好地指导深中通道工程建设。98王康臣,等:深中通道混凝土结构耐久性设计表2 深中通道与港珠澳大桥构件腐蚀条件比较T a b.2 C o m p a r i s o n o f c o r r o s i o n c o n d i t i o n s o f S h e n z h e n-Z h o n g s h a n B r i d g e a n d H o n g K o n g-Z h u h a i-M a c a o B r i d g e c o m p o n e n t s结构形式工程名称构物构件腐蚀环境材料长度/k m桥深中通道港珠澳大桥通航孔桥非通航孔桥通航孔桥非通航孔桥箱梁大气区钢或混凝土锚碇及基础大气区、浪溅区、水变区、水下区钢筋混凝土索塔及基础大气区、浪溅区、水变区、水下区钢筋混凝土桥墩及承台大气区、浪溅区、水变区、水下区钢筋混凝土箱梁大气区钢筋混凝土桥墩及承台大气区、浪溅区、水变区、水下区钢筋混凝土箱梁大气区钢或混凝土索塔及基础大气区、浪溅区、水变区、水下区钢筋混凝土桥墩及承台大气区、浪溅区、水变区、水下区钢筋混凝土箱梁大气区钢筋混凝土桥墩及承台大气区、浪溅区、水变区、水下区钢筋混凝土1 7.02 9.6隧道深中通道沉管隧道水下区钢壳混凝土结构6.8港珠澳大桥沉管隧道水下区钢筋混凝土6.7岛深中通道东西人工岛-港珠澳大桥东西人工岛-2 混凝土结构耐久性设计深中通道混凝土结构耐久性劣化主要是氯盐侵蚀造成的。混凝土结构的耐久性设计分为两个层次,提高混凝土材料本身致密性和耐氯离子渗透性的措施统称为耐久性设计的基本措施,一般规定混凝土材料的最大氯离子扩散系数和混凝土最小保护层厚度等耐久性指标。在基本措施的基础上,需要考虑涂层、硅烷浸渍、阻锈剂、不锈钢钢筋等耐久性附加防腐蚀措施。2.1 基于概率的耐久性设计耐久性设计基于混凝土氯离子渗透理论,以钢筋表面氯离子浓度达到临界浓度作为极限状态,并以概率理论为基础,通过分项系数表示4。2.1.1 耐久性设计模型使用分项系数的近似概率设计方程见式(1)。G=Cc r,d-Cs,d1-e r fxd2D2 8,ddtS L()|=Cc rc-sCs1-e r fxn o m-xd2(DD2 8)()tS L()|=0(1)式中:Cc r,d,CC r分别为钢筋锈蚀的临界氯离子总质量占混凝土胶 凝材料的 百分比的 设 计 值 和 特 征值,%;Cs,d,Cs分别为每立方米混凝土中氯离子的总质量占混凝土胶凝材料的百分比的设计值和特征值,%;xd为混凝土最小保护层厚度,mm;D2 8,d,D2 8分别为暴露2 8 d条件下混凝土的氯离子扩散系数的设计值和特征值,m2/s;d,分别为氯离子扩散系数衰减率的设计值和特征值;tS L为设计使用年限,a;c为临界氯离子浓度的分项系数;s为表面氯离子浓度的分项系数;xn o m为耐久性设计保护层厚度的名义值,mm;xd为保护层厚度安全裕度(允差),mm;D为扩散系数的分项系数;为氯离子扩散系数衰减率的分项系数。氯离子扩散系数的衰减率由式(2)表示。=2 83 6 5tS L()n,tS L3 02 83 6 53 0()n,tS L3 0|(2)式中:n为试验混凝土扩散系数的龄期因子。通过统计类似环境工程中获得的各参数的平均值及偏差,可根据设计使用年限求得氯离子扩散系数和保护层厚度。港珠澳大桥耐久性设计过程中,通过分析位于湛江的华南暴露试验站近3 0 a的暴露试件的氯离子渗透率数据确定上述参数。深中通道耐久性设计过程中,通过分析港珠澳大桥施工检测结果以及港珠澳大桥暴露试验数据,并结合深中通道的自身情况,对上述参数进行了修正。2.1.2 氯离子扩散系数混凝土氯离子扩散系数与混凝土水胶比、胶凝材料的品种以及环境条件等有关。研究表明,氯离09王康臣,等:深中通道混凝土结构耐久性设计子扩散系数的表观回归值随混凝土在氯离子环境中暴露时间的延长而降低,符合指数衰减规律,如式(3)所示。D(t)=Ditit()n0(3)式中:Di为经环境暴露时间ti后测得的氯离子扩散系数;n0为氯离子扩散系数衰减指数。通过分析湛江暴露试验数据,得出氯离子扩散系数统计模型,见表3。氯离子扩散系数衰减指数的统计修正需要采用长期的试验数据,当前条件下暂时不予修改。对于氯离子扩散系数的分布,采用港珠澳大桥施工检测获得的氯离子扩散系数与短期暴露试验数据进行了修正。表3 混凝土氯离子扩散系数衰减指数的统计模型(正态分布)T a b.3 S t a t i s t i c a l m o d e l o f d e c a y i n d e x o f c h l o r i d e i o n d i f f u s i o n c o e f f i c i e n t o f c o n c r e t e(n o r m a l d i s t r i b u t i o n)暴露区域n0平均值n0标准差D2 8标准差浪溅区0.4 7 10.0 2 8 6水变区0.4 5 60.0 2 9 40.2 0D2 8平均值水下区0.4 3 80.0 2 9 4大气区0.5 3 10.0 7 9 7从港珠澳大桥沉管隧道标准养护混凝土的氯离子扩散系数统计结果来看,其平均值均在设计控制值以下,环境暴露2 8 d后氯离子扩散系数的变异系数为2 4%,环境暴露5 6 d后氯离子扩散系数的变异系数为3 7.3%。从预制桥梁标段的标准养护混凝土氯离子扩散系数的统计结果来看,其平均值都在设计控制值以下,环境暴露2 8 d后氯离子扩散系数的变异系数在2 8%左右,环境暴露5 6 d后氯离子扩散系数的变异系数在4 0%左右。利用港珠澳大桥工程用混凝土配比,在西人工岛暴露试验站开展了工程原位暴露试验。目前,已经获得1 a的暴露试验数据。如图1所示,采用正态分布函数计算浪溅区氯离子扩散系数的平均值与标准差,1 a暴露试验后混凝土扩散系数的平均值为0.4 51 0-1 2 m2/s,标准差为0.2 11 0-1 2 m2/s,变异系数为5 0%。通过分析上述现场实测数据可知,氯离子扩散系数绝对值越小,数据离散性越大,对于2 8 d暴露试验后氯离子扩散系数的实测数据,其变异系数大于2 0%。因此,深中通道氯离子扩散系数D2 8平均值的标准差修正为0.3 0D2 8平均值。在施工阶段配图1 西人工岛1 a暴露试验后浪溅区的氯离子扩散系数分布F i g.1 D i s t r i b u t i o n o f c h l o r i d e i o n d i f f u s i o n c o e f f i c i e n t o f t h e s p l a s h z o n e a f t e r 1 a e x p o s u r e t e s t o n t h e w e s t a r t i f i c i a l i s l a n d制混凝土时,应考虑氯离子扩散系数标准差。2.1.3 保护层厚度安全裕度钢筋的混凝土保护层厚度统计模型如式(4)所示。xd=xn o md-xd(4)统计利用了多个海港码头混凝土保护层厚度的调查数据4,采用对数正态模型描述,其均值为设计值,标准差为5.2 6 mm,对应保护层厚度分布的9 5%保证率的安全裕度为1 0 mm。在港珠澳大桥施工阶段,对不同构件的保护层厚度数据进行了收集、整理,预制沉管的保护层厚度的标准差小于4.0 mm。预制承台和墩身的保护层厚度标准差范围是4.2 26.8 1 mm(对应保护层厚度大于6 0 mm的构件),大多数处于4.5 mm以下。基于以上数据,按照9 5%保证率,可以将深中通道结构构件的保护层厚度安全裕度下降至8 mm。2.1.4 表面氯离子浓度表面氯离子浓度的概率模型如式(5)所示。Cs(t)=A(w/b)(5)式中:A为特征值;w/b为混凝土水胶比。港珠澳大桥工程利用华南暴露试验单掺磨细矿渣粉和单掺粉煤灰的的混凝土表面氯离子浓度数据,并且以双掺矿渣粉和粉煤灰的混凝土表面氯离子浓度数据进行了贝叶斯更新5,得出表面氯离子浓度的概率分布模型如表4所示。由表1可知,深中通道所处环境中的氯离子浓度要低于港珠澳大桥的,但最高值与港珠澳大桥所处区域的氯离子浓度相近,从安全角度出发,采用港珠澳大桥模型确定的表面氯离子浓度。2.1.5 临界氯离子浓度港珠澳大桥耐久性设计通过湛江暴露试验数据19王康臣,等:深中通道混凝土结构耐久性设计表4 表面氯离子浓度的概率模型(对数正态分布)T a b.4 P r o b a b i l i s t i c m o d e l o f s u r f a c e c h l o r i d e i o n c o n c e n t r a t i o n(l o g-n o r m a l d i s t r i b u t i o n)暴露区域A均值A标准差浪溅区1 6.4 72.4 7水变区1 1.5 71.7 7水下区1 3.6 52.0 4大气区5.9 90.9中6 8个临界氯离子浓度测试数据进行分析,采用最大似然函数法,确定了临界氯离子浓度贝塔分布的统计规律参数,以贝塔分布描述临界氯离子浓度,其概率密度方程见式(6)。f(x)=(+)()+()x-LU-L()-1U-xU-L()-1(6)根据现有数据的统计分析和合理推断,得出不同暴露区域的临界氯离子浓度概率模型如表5所示,在缺少进一步样本数据的情况下,深中通道不同区域临界氯离子浓度概率模型继续采用表5中的数据。表5 深中通道临界氯离子浓度概率模型T a b.5 P r o b a b i l i t y m o d e l o f c r i t i c a l c h l o r i d e i o n c o n c e n t r a t i o n o f S h e n z h e n-Z h o n g s h a n B r i d g e暴露区域下界L/%(胶凝材料)上界U/%(胶凝材料)参数参数浪溅区/水变区0.4 51.2 50.2 20.3 6水下区13.50.30.4 5大气区对数正态分布,均值为0.8 5%,标准差为0.1 3%2.1.6 分项系数港珠澳大桥耐久性设计模型分项系数的计算结果见表6,在同样采用=1.3的可靠指标条件下,深中通道耐久性设计模型分项系数暂时不予修正。表6 港珠澳大桥耐久性设计模型设计参数的特征值及分项系数T a b.6 E i g e n v a l u e s a n d p a r t i a l c o e f f i c i e n t s o f d e s i g n p a r a m e t e r s o f H o n g K o n g-Z h u h a i-M a c a o B r i d g e d u r a b i l i t y d e s i g n m o d e l暴露区域临界氯离子浓度/%(胶凝材料)表面氯离子浓度/%(胶凝材料)氯离子扩散系数衰减率D2 81 0-1 2/(m2s-1)保护层厚度/mm特征值分项系数特征值分项系数特征值分项系数特征值分项系数特征值安全裕度浪溅区0.7 51.75.7 61.10.0 6 11.13.01.18 01 0水位变动区0.7 51.24.0 51.10.0 6 71.23.01.28 01 0水下区2.0 02.04.7 81.10.0 7 41.13.01.16 01 0大气区0.8 51.12.1 01.20.0 4 71.43.01.15 01 02.2 考虑荷载的耐久性设计上述耐久性设计并未考虑荷载影响。事实上,荷载对氯离子扩散系数影响较大,不同区域构件所受荷载类型和水平均不一样,因此进行耐久性设计时应考虑荷载影响。2.2.1 受弯构件的氯离子扩散系数根据试验研究成果6,在相同应力水平作用下,相同配比的混凝土试件经5 6 d和9 0 d暴露试验后的氯离子扩散系数均随弯曲应力水平的提高而增大,混凝土氯离子扩散系数的变化与弯曲应力水平呈指数函数关系,见式(7)。D0D=Ae-B(7)式中:D0、D分别为无应力及受弯曲应力下的氯离子扩散系数;A和B是与暴露时间有关的常数。5 6 d室内试验后得到的A和B分别为1.0 2 1和1.3 6 3,9 0 d室内试验后得到的A和B分别为0.9 2 3和1.5 27。2.2.2 受压构件的扩散系数对于经5 6 d和9 0 d暴露试验后相同配比的混凝土试件,其氯离子扩散系数随轴向压应力水平的增加均呈先减小后增大的趋势,当应力水平达到混凝土试件抗压强度的5 0%时,受压的混凝土试件的氯离子扩散系数与无荷载混凝土试件的相接近。计算得到的氯离子扩散系数具有一定的离散性,当压应力水平为混凝土试件抗压强度的3 0%时,试件的氯离子扩散系数最低。通过室内试验,得到应力水平为混凝土试件抗拉强度的1 5%、3 0%和5 0%时,其扩散系数分别为1.1 0 2、1.2 4 0和0.8 5 2 17。通常情况下,压荷载对混凝土中氯离子扩散系数的影响主要分为两个阶段,弹性应变导致的氯离子扩散系数降低的阶段,以及弹性和塑性应变导致的氯离子扩散系数升高的阶段。当混凝土的轴向压应力较小(为混凝土抗压强度的3 0%)时,混凝土在此荷载范围内主要产生弹性应变,混凝土的孔隙率随应力水平的增加而减小。当混凝土的轴向压应力29王康臣,等:深中通道混凝土结构耐久性设计超过混凝土抗压强度的3 0%时,混凝土产生的应变主要有弹性应变和塑性应变,且应力水平越高,混凝土的塑性应变越大,而塑性应变的增加会使混凝土内微裂缝增大,从而使孔隙率增大。2.2.3 考虑静荷载的扩散系数计算模型将荷载因子引入氯离子扩散系数衰减公式中,可得到用于深中通道耐久性设计的数学模型,见式(8)。tS L=0.0 3 1 7(xn o m-xd)24kkcD2 8t0t()nDe r f-11-Cc r/c-C0Css-C0()|2(8)式中:k为混凝土荷载影响系数;kc为试验方法转换系数,采用R CM方法时,取值0.5;t0为测定氯离子扩散系数时混凝土的龄期,a;t为混凝土氯离子扩散系数衰减至恒定值的时间,a。目前,荷载试验数据主要通过室内短期试验研究结果得到,较好地反映了外部荷载对氯离子在混凝土中扩散过程的影响规律,初步建立了外部荷载与氯离子扩散系数的定量关系,由于试验数据来源于室内加速试验,最终的荷载影响系数与实际情况是否吻合,还有待长期试验数据的修正和完善。目前,主要利用短期试验结果,确定耐久性设计过程中引入的荷载影响因子。同时,后续还将利用暴露试验数据对现有成果进行补充和调整,以提高工程耐久性设计的可靠性。2.3 深中通道混凝土结构耐久性设计指标对于深中通道的混凝土结构,按照公式可以计算得出不同暴露区域混凝土结构的耐久性设计指标,见表7。表中最小保护层厚度未考虑施工偏差对保护层厚度保证率的影响,对于预制构件,建议以最小保护层厚度+5 mm为安全裕度,对于现浇构件,建议以最小保护层厚度+8 mm为安全裕度。表7 不同区域深中通道混凝土结构的耐久性设计指标T a b.7 D u r a b i l i t y d e s i g n i n d e x e s o f c o n c r e t e s t r u c t u r e o f S h e n z h e n-Z h o n g s h a n B r i d g e i n d i f f e r e n t r e g i o n s使用年限/a暴露区域最大氯离子扩散系数1 0-1 2/(m2s-1)暴露时间2 8 d暴露时间5 6 d最小混凝土保护层厚度/mm大气区7.05.04 01 0 0浪溅区6.54.57 0水变区6.54.57 0水下区7.05.06 03 混凝土结构附加防腐蚀措施采用耐氯离子渗透性能较高的混凝土和足够的保护层厚度等耐久性保障基本措施,一般可使结构构件满足设计使用寿命。但是,环境变化、施工过程中的不确定性因素会造成实际情况可能与设计有偏差。为提升安全裕度,对于长寿命结构构件,一般在基本措施的基础上,增加附加防腐蚀措施。混凝土附加防腐措施可分为两大类。一类是通过屏蔽作用进一步提升混凝土的耐氯离子渗透性能,例如硅烷浸渍、涂层等。另一类是通过提高钢筋的耐腐蚀性能,如采用不锈钢钢筋、环氧涂层钢筋、F R P钢筋等替代普通碳钢钢筋,或添加阻锈剂、实施阴极保护等。不同的附加防腐蚀措施可使混凝土结构构件的使用寿命提高1 55 0 a。多种附加防腐措施可联合使用,进一步起到延长混凝土结构构件使用寿命的作用3,目前,混凝土结构附加防腐蚀技术发展趋于成熟,其中,以硅烷浸渍8、涂层9的应用最为广泛。耐腐蚀钢筋中以环氧涂层钢筋的应用最多1 0,不锈钢钢筋耐腐蚀性能最佳,但高昂的成本限制了其应用1 1,国内仅港珠澳大桥、武汉青山长江大桥采用该种材料。F R P钢筋、耐腐蚀钢筋在实体工程中应用不多。混凝土结构外加电流阴极保护效果良好,但实施复杂,且需要长期维护,国内应用不多1 2,青岛海湾大桥通航孔桥承台采用了外加电流阴极保护的措施。目前,国内已针对各种防腐蚀措施的应用建立了标准规范体系,如J T S 1 5 3-2 0 1 5、J T S/T 2 0 9-2 0 2 0 水运工程结构防腐蚀施工规范 对各种附加防腐蚀措施的设计、施工及维护均做了详细的规定。深中通道混凝土结构构件覆盖多个区域,各区域腐蚀风险从大到小排序为浪溅区、水位变动区、大气区、水下区1 3。大气区腐蚀情况较温和,但该区域常年受到台风影响,因此需采用附加防腐蚀措施,一般采用在混凝土表面涂覆涂层和硅烷浸渍这两种措施。从经济成本方面考虑,硅烷浸渍的费用较低,且硅烷浸渍后混凝土表面的颜色基本不会改变,涂层会随着时间的推移发生颜色不均的现象。综合分析可知,大气区的混凝土表面采用硅烷浸渍处理更为合适。39王康臣,等:深中通道混凝土结构耐久性设计对于浪溅区和水位变动区的混凝土结构构件,港珠澳大桥工程采用了环氧涂层钢筋和外层不锈钢钢筋。不锈钢钢筋的价格约为普通钢筋的1 0倍,而环氧涂层钢筋价格较普通钢筋的高2 0 0 0 3 0 0 0元/t。深中通道腐蚀环境的恶劣程度较港珠澳大桥的轻,其设计使用年限较短,考虑到建造成本,推荐采用硅烷浸渍+外层环氧涂层钢筋联合的附加防腐蚀措施,提高结构耐久性。环氧涂层钢筋与普通钢筋应采用绝缘措施。对于水下区的混凝土结构构件,腐蚀风险相对于其他区域的较低1 3,一般可不采用附加防腐蚀措施。不同区域构件的附加防腐蚀措施见表8。表8 深中通道混凝土结构构件附加防腐蚀措施推荐方案T a b.8 R e c o mm e n d e d s c h e m e f o r a d d i t i o n a l a n t i-c o r r o s i o n m e a s u r e s f o r c o n c r e t e s t r u c t u r e m e m b e r s i n S h e n z h e n-Z h o n g s h a n B r i d g e构件腐蚀环境附加防腐蚀措施箱梁大气区硅烷浸渍盖梁大气区硅烷浸渍主塔塔身大气区硅烷浸渍浪溅区硅烷浸渍+外层环氧涂层钢筋主塔承台浪溅区/水变区外层环氧涂层钢筋大气区硅烷浸渍桥墩浪溅区/水变区硅烷浸渍+外层环氧涂层钢筋水下区-承台浪溅区/水变区硅烷浸渍+外层环氧涂层钢筋水下区-4 结论(1)深中通道结构构件所在区域氯离子浓度较高,变化较大,在混凝土结构耐久性设计过程中,主要考虑氯离子侵蚀。(2)根据深中通道的耐久性设计原则,采用耐氯离子渗透性能较高的混凝土和足够的保护层厚度等耐久性保障基本措施,以及涂覆涂层、硅烷浸渍和防腐蚀钢筋等附加防腐蚀措施,以保障构件满足设计使用寿命的要求,并具备一定的安全裕度。(3)深中通道的耐久性设计基于概率理论,通过分项系数表示混凝土氯离子渗透率的方程,并以钢筋表面氯离子浓度达到临界浓度作为极限状态,根据不同构件所处环境得出经2 8 d和5 6 d暴露试验后最大氯离子扩散系数指标分别为6.51 0-1 27.01 0-1 2 m2/s和4.51 0-1 25.01 0-1 2 m2/s,最小保护层厚度指标为4 07 0 mm。对于预制构件,建议以最小保护层厚度+5 mm为安全裕度,对于现浇构件,建议以最小保护层厚度+8 mm为安全裕度。(4)在受弯荷载试件上,混凝土氯离子扩散系数的变化与弯曲应力水平呈指数函数关系,在受压荷载试件上,随着弯曲应力水平的逐渐增加,混凝土氯离子扩散系数呈先减小后增大的趋势。在耐久性设计过程中,通过增大混凝土荷载影响系数考虑不同荷载类型和水平的影响。(5)根据不同构件及其所处区域,提出了采用硅烷浸渍和环氧涂层钢筋的附加防腐蚀措施。参考文献:1 王胜年,苏权科,李克非.港珠澳大桥混凝土结构耐久性设计 与 施 工 技 术 M.北 京:人 民 交 通 出 版 社,2 0 1 8.2 王胜年,苏权科,范志宏,等.港珠澳大桥混凝土结构耐久性