一、前言
中國目前處于基礎(chǔ)設(shè)施全面建設(shè)時期，為了建設(shè)全國乃至世界的物流中心和開發(fā)海洋自然資源，海洋工程的發(fā)展十分迅速。根據(jù)參考資料顯示，臨海城市深水港的建設(shè)已為世人矚目，對沿海城市經(jīng)濟持續(xù)高速發(fā)展將起到十分重要的拉動作用。作為深水港重要組成之一的跨海大橋，無論是從跨度、連接功能，還是交通紐帶而言，建設(shè)環(huán)境（海洋環(huán)境）是建筑物新的挑戰(zhàn)。
由于跨海大橋是連接港區(qū)和大陸的集裝箱物流輸送動脈，對沿海城市深水港的正常運轉(zhuǎn)起到不可或缺的支撐保障作用，為保證跨海大橋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，在國內(nèi)有些超大型工程甚至采用了100年設(shè)計基準(zhǔn)期，工程采取以高性能混凝土技術(shù)為核心的綜合耐久性技術(shù)方案。然而我國目前大型海洋工程超長壽命服役的相關(guān)技術(shù)規(guī)范，高性能混凝土的設(shè)計、生產(chǎn)、施工技術(shù)在工程中的應(yīng)用方面尚為空白，因此結(jié)合工程的具體需要，研究跨海大橋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性策略和高性能混凝土的應(yīng)用技術(shù)極為迫切和重要。
二、國外情況、國內(nèi)情況
國外情況
20世紀30年代建造的美國俄勒岡州Alsea海灣上的多拱大橋，施工質(zhì)量很好，但因混凝土的水灰比太大，較短時間內(nèi)大量氯離子侵入混凝土，導(dǎo)致鋼筋嚴重銹蝕，引起結(jié)構(gòu)損壞。用傳統(tǒng)的方法局部修補破壞處，不久就發(fā)現(xiàn)修補處的附近鋼筋又加劇腐蝕，不得不拆除、更換。
1962~1964年，Gjorv對挪威大約700座混凝土結(jié)構(gòu)作了耐久性調(diào)查，當(dāng)時已使用20~50年的鉆2/3，在浪濺區(qū)，混凝土立柱顯示破損的斷面損失率大于30%的占14%，斷面損失率為10%~30%的占24%，板和梁鋼筋腐蝕引起嚴重破損的占20%。
在阿拉伯海灣和紅海上建造的大量海工混凝土結(jié)構(gòu)，由于氣溫高，在含鹽、干熱、多風(fēng)的白晝，混凝土表面溫度高達50℃，而晚上涼得結(jié)露，晝夜溫差很大，構(gòu)成了特別嚴重侵蝕環(huán)境，加上混凝土等級和混凝土保護層厚度不夠，施工質(zhì)量差等原因，往往在使用的第一年后鋼筋就遭到嚴重腐蝕。
澳大利亞的Sharp對62座海岸混凝土結(jié)構(gòu)進行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)海巖混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性問題都是與浪濺區(qū)的鋼筋異常嚴重的腐蝕有關(guān)。
印度孟買某河上的第一座橋是后張預(yù)應(yīng)力混凝土橋，上于預(yù)應(yīng)力筋過早地發(fā)生嚴重腐蝕，不得不重修第二座橋。第二座橋預(yù)應(yīng)力筋在安裝前就為大氣中的鹽分所污染，灌注的水泥漿又用了咸水，因而不到10年所有的鋼筋、預(yù)應(yīng)力筋及其套管都遭到了嚴重腐蝕破壞。
國內(nèi)情況
根據(jù)相關(guān)調(diào)查，處于浪濺區(qū)的海港碼頭，鋼筋腐蝕引起的混凝土結(jié)構(gòu)破壞是相當(dāng)普遍和嚴重的。1986年以前我國已建港口混凝土結(jié)構(gòu)因氯離子滲入混凝土內(nèi)引發(fā)鋼筋銹蝕，致使混凝土構(gòu)件開裂破壞情況十分嚴重。其原因除了施工質(zhì)量存在一定問題外，另一主要因素是當(dāng)時對氯離子侵入引發(fā)鋼筋銹蝕的嚴重性認識不足。當(dāng)時執(zhí)行的港口工程技術(shù)規(guī)范JTJ200-82和JTJ221-82，沒有針對防止氯離子滲入引發(fā)的鋼筋銹蝕制定有效的防護措施，關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)如保護層厚度偏小，混凝土水灰比允許值嚴重偏大等。
三、海洋環(huán)境
海洋是氯離子的主要來源，海水中通常含有3%的鹽，其中主要是氯離子。以Cl計，海水中的含量約為19000mg/L。海風(fēng)、海霧中也含有氯離子，海砂中更含有不等量的氯離子。我國的海岸線很長，大規(guī)模的基本建設(shè)多集中在沿海地區(qū)，尤其是海洋工程如碼頭、護坡和防護堤等由于氯離子引起的鋼筋銹蝕破壞是十分突出的。同時，沿海地區(qū)已經(jīng)出現(xiàn)河砂匱乏的情況，不經(jīng)技術(shù)處理就使用海砂的現(xiàn)象亦日趨嚴重，這也為氯離子引起鋼筋銹蝕破壞創(chuàng)造了條件。國外的工程經(jīng)驗教訓(xùn)表明，海水、海風(fēng)和海霧中的氯離子和不合理的使用海砂，是影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的主要原因之一。
混凝土中鋼筋銹蝕可由兩種因素誘發(fā)，一是海水中Cl-侵蝕，二是大氣中的CO2使混凝土中性化。國內(nèi)外大量工程調(diào)查和科學(xué)研究結(jié)果表明，海洋環(huán)境下導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋銹蝕破壞的主要因素是Cl-進入混凝土中，并在鋼筋表面集聚，促使鋼筋產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕。在跨海大橋周邊沿海碼頭調(diào)查中亦證實，海洋環(huán)境中混凝土的碳化速度遠遠低于Cl-滲透速度，中等質(zhì)量的混凝土自然碳化速度平均為3mm/10年。因此，影響跨海大橋結(jié)構(gòu)混凝土耐久性的首要因素是混凝土的Cl-滲透速度。
四、混凝土大橋結(jié)構(gòu)布置和耐久性設(shè)計背景
1、大橋混凝土結(jié)構(gòu)布置
跨海大橋跨海段通航孔部分預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁、橋塔、墩柱和承臺均采用現(xiàn)澆混凝土；非通航孔部分以預(yù)制混凝土構(gòu)件為主，其中50～70m的預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁是重量超過1000噸的巨型構(gòu)件；陸上段梁、柱和承臺亦采用現(xiàn)澆混凝土?；炷恋脑O(shè)計強度根據(jù)不同部位在C30～C60之間。
2、跨海大橋附近海域氣象環(huán)境
我國跨海大橋多地處北亞熱帶南緣、東北季風(fēng)盛行區(qū)，受季風(fēng)影響冬冷夏熱，四季分明，降水充沛，氣候變化復(fù)雜，多年平均氣溫為偏低，海區(qū)全年鹽度一般在10.00～32.00‰之間變化，屬強混合型海區(qū)，海洋環(huán)境特征明顯。
3、跨海大橋面臨的耐久性問題
在海洋環(huán)境下結(jié)構(gòu)混凝土的腐蝕荷載主要由氣候和環(huán)境介質(zhì)侵蝕引起。主要表現(xiàn)形式有鋼筋銹蝕、凍融循環(huán)、鹽類侵蝕、溶蝕、堿-集料反應(yīng)和沖擊磨損等。
我國跨海大橋多位于典型的亞熱帶地區(qū)，嚴重的凍融破環(huán)和浮冰的沖擊磨損可不予考慮；鎂鹽、硫酸鹽等鹽類侵蝕和堿骨料反應(yīng)破壞則可以通過控制混凝土組分來避免；這樣鋼筋銹蝕破環(huán)就成為最主要的腐蝕荷載。
五、氯離子對鋼筋的銹蝕
氯離子侵入混凝土的途徑：Cl進入混凝土中通常有兩種途徑：其一是“混入”，如摻用含氯離子外加劑、使用海砂、施工用水含氯離子、在含鹽環(huán)境中拌制澆注混凝土等；其二是“滲入”，環(huán)境中的氯離子通過混凝土的宏觀、微觀缺陷滲入到混凝土中，并到達鋼筋表面?！盎烊搿爆F(xiàn)象大都是施工管理的問題；而“滲入”現(xiàn)象則是綜合技術(shù)的問題，與混凝土材料多孔性、密實性、工程質(zhì)量，鋼筋表面混凝土層厚度等多種因素有關(guān)。
氯離子對鋼筋銹蝕機理：
1、破壞鈍化膜
水泥水化的高堿性使混凝土內(nèi)鋼筋表面產(chǎn)生一層致蜜的鈍化膜。鈍化膜只有在高堿性環(huán)境中才是穩(wěn)定的，當(dāng)pH＜11.5時，就開始不穩(wěn)定，當(dāng)pH＜9.88時該鈍化膜生成困難或已經(jīng)生存的鈍化膜逐漸破壞。Cl是極強的去鈍化劑，Cl進入混凝土到達鋼筋表面吸附于局部鈍化膜處時，可使該處的pH值迅速降低，可使鋼筋表面pH值降低到4以下，從而破壞鋼筋表面的鈍化膜。
2、形成腐蝕電池
如果在大面積的鋼筋表面上具有高濃度氯化物，則氯化物所引起的腐蝕可能是均勻腐蝕，但是在不均質(zhì)的混凝土中，常見的是局部腐蝕。腐蝕電池作用的結(jié)果是，在鋼筋表面產(chǎn)生蝕坑，由于大陰極對應(yīng)于小陰極，蝕坑發(fā)展十分迅速。
3、去極化作用
Cl不僅促成了鋼筋表面的腐蝕電池，而且加速了電池的作用。通常把使陽極過程受阻稱作陽極極化作用，而把加速陽極極化作用稱作去極化作用，Cl正是發(fā)揮了陽極去極化作用。
4、導(dǎo)電作用
混凝土中Cl的存在強化了離子道路，降低了陰陽極之間的歐姆電阻，提高了腐蝕電池的效率，從而加速了電化學(xué)腐蝕過程。
中國目前處于基礎(chǔ)設(shè)施全面建設(shè)時期，為了建設(shè)全國乃至世界的物流中心和開發(fā)海洋自然資源，海洋工程的發(fā)展十分迅速。根據(jù)參考資料顯示，臨海城市深水港的建設(shè)已為世人矚目，對沿海城市經(jīng)濟持續(xù)高速發(fā)展將起到十分重要的拉動作用。作為深水港重要組成之一的跨海大橋，無論是從跨度、連接功能，還是交通紐帶而言，建設(shè)環(huán)境（海洋環(huán)境）是建筑物新的挑戰(zhàn)。
由于跨海大橋是連接港區(qū)和大陸的集裝箱物流輸送動脈，對沿海城市深水港的正常運轉(zhuǎn)起到不可或缺的支撐保障作用，為保證跨海大橋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，在國內(nèi)有些超大型工程甚至采用了100年設(shè)計基準(zhǔn)期，工程采取以高性能混凝土技術(shù)為核心的綜合耐久性技術(shù)方案。然而我國目前大型海洋工程超長壽命服役的相關(guān)技術(shù)規(guī)范，高性能混凝土的設(shè)計、生產(chǎn)、施工技術(shù)在工程中的應(yīng)用方面尚為空白，因此結(jié)合工程的具體需要，研究跨海大橋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性策略和高性能混凝土的應(yīng)用技術(shù)極為迫切和重要。
二、國外情況、國內(nèi)情況
國外情況
20世紀30年代建造的美國俄勒岡州Alsea海灣上的多拱大橋，施工質(zhì)量很好，但因混凝土的水灰比太大，較短時間內(nèi)大量氯離子侵入混凝土，導(dǎo)致鋼筋嚴重銹蝕，引起結(jié)構(gòu)損壞。用傳統(tǒng)的方法局部修補破壞處，不久就發(fā)現(xiàn)修補處的附近鋼筋又加劇腐蝕，不得不拆除、更換。
1962~1964年，Gjorv對挪威大約700座混凝土結(jié)構(gòu)作了耐久性調(diào)查，當(dāng)時已使用20~50年的鉆2/3，在浪濺區(qū)，混凝土立柱顯示破損的斷面損失率大于30%的占14%，斷面損失率為10%~30%的占24%，板和梁鋼筋腐蝕引起嚴重破損的占20%。
在阿拉伯海灣和紅海上建造的大量海工混凝土結(jié)構(gòu)，由于氣溫高，在含鹽、干熱、多風(fēng)的白晝，混凝土表面溫度高達50℃，而晚上涼得結(jié)露，晝夜溫差很大，構(gòu)成了特別嚴重侵蝕環(huán)境，加上混凝土等級和混凝土保護層厚度不夠，施工質(zhì)量差等原因，往往在使用的第一年后鋼筋就遭到嚴重腐蝕。
澳大利亞的Sharp對62座海岸混凝土結(jié)構(gòu)進行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)海巖混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性問題都是與浪濺區(qū)的鋼筋異常嚴重的腐蝕有關(guān)。
印度孟買某河上的第一座橋是后張預(yù)應(yīng)力混凝土橋，上于預(yù)應(yīng)力筋過早地發(fā)生嚴重腐蝕，不得不重修第二座橋。第二座橋預(yù)應(yīng)力筋在安裝前就為大氣中的鹽分所污染，灌注的水泥漿又用了咸水，因而不到10年所有的鋼筋、預(yù)應(yīng)力筋及其套管都遭到了嚴重腐蝕破壞。
國內(nèi)情況
根據(jù)相關(guān)調(diào)查，處于浪濺區(qū)的海港碼頭，鋼筋腐蝕引起的混凝土結(jié)構(gòu)破壞是相當(dāng)普遍和嚴重的。1986年以前我國已建港口混凝土結(jié)構(gòu)因氯離子滲入混凝土內(nèi)引發(fā)鋼筋銹蝕，致使混凝土構(gòu)件開裂破壞情況十分嚴重。其原因除了施工質(zhì)量存在一定問題外，另一主要因素是當(dāng)時對氯離子侵入引發(fā)鋼筋銹蝕的嚴重性認識不足。當(dāng)時執(zhí)行的港口工程技術(shù)規(guī)范JTJ200-82和JTJ221-82，沒有針對防止氯離子滲入引發(fā)的鋼筋銹蝕制定有效的防護措施，關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)如保護層厚度偏小，混凝土水灰比允許值嚴重偏大等。
三、海洋環(huán)境
海洋是氯離子的主要來源，海水中通常含有3%的鹽，其中主要是氯離子。以Cl計，海水中的含量約為19000mg/L。海風(fēng)、海霧中也含有氯離子，海砂中更含有不等量的氯離子。我國的海岸線很長，大規(guī)模的基本建設(shè)多集中在沿海地區(qū)，尤其是海洋工程如碼頭、護坡和防護堤等由于氯離子引起的鋼筋銹蝕破壞是十分突出的。同時，沿海地區(qū)已經(jīng)出現(xiàn)河砂匱乏的情況，不經(jīng)技術(shù)處理就使用海砂的現(xiàn)象亦日趨嚴重，這也為氯離子引起鋼筋銹蝕破壞創(chuàng)造了條件。國外的工程經(jīng)驗教訓(xùn)表明，海水、海風(fēng)和海霧中的氯離子和不合理的使用海砂，是影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的主要原因之一。
混凝土中鋼筋銹蝕可由兩種因素誘發(fā)，一是海水中Cl-侵蝕，二是大氣中的CO2使混凝土中性化。國內(nèi)外大量工程調(diào)查和科學(xué)研究結(jié)果表明，海洋環(huán)境下導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋銹蝕破壞的主要因素是Cl-進入混凝土中，并在鋼筋表面集聚，促使鋼筋產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕。在跨海大橋周邊沿海碼頭調(diào)查中亦證實，海洋環(huán)境中混凝土的碳化速度遠遠低于Cl-滲透速度，中等質(zhì)量的混凝土自然碳化速度平均為3mm/10年。因此，影響跨海大橋結(jié)構(gòu)混凝土耐久性的首要因素是混凝土的Cl-滲透速度。
四、混凝土大橋結(jié)構(gòu)布置和耐久性設(shè)計背景
1、大橋混凝土結(jié)構(gòu)布置
跨海大橋跨海段通航孔部分預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁、橋塔、墩柱和承臺均采用現(xiàn)澆混凝土；非通航孔部分以預(yù)制混凝土構(gòu)件為主，其中50～70m的預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁是重量超過1000噸的巨型構(gòu)件；陸上段梁、柱和承臺亦采用現(xiàn)澆混凝土?；炷恋脑O(shè)計強度根據(jù)不同部位在C30～C60之間。
2、跨海大橋附近海域氣象環(huán)境
我國跨海大橋多地處北亞熱帶南緣、東北季風(fēng)盛行區(qū)，受季風(fēng)影響冬冷夏熱，四季分明，降水充沛，氣候變化復(fù)雜，多年平均氣溫為偏低，海區(qū)全年鹽度一般在10.00～32.00‰之間變化，屬強混合型海區(qū)，海洋環(huán)境特征明顯。
3、跨海大橋面臨的耐久性問題
在海洋環(huán)境下結(jié)構(gòu)混凝土的腐蝕荷載主要由氣候和環(huán)境介質(zhì)侵蝕引起。主要表現(xiàn)形式有鋼筋銹蝕、凍融循環(huán)、鹽類侵蝕、溶蝕、堿-集料反應(yīng)和沖擊磨損等。
我國跨海大橋多位于典型的亞熱帶地區(qū)，嚴重的凍融破環(huán)和浮冰的沖擊磨損可不予考慮；鎂鹽、硫酸鹽等鹽類侵蝕和堿骨料反應(yīng)破壞則可以通過控制混凝土組分來避免；這樣鋼筋銹蝕破環(huán)就成為最主要的腐蝕荷載。
五、氯離子對鋼筋的銹蝕
氯離子侵入混凝土的途徑：Cl進入混凝土中通常有兩種途徑：其一是“混入”，如摻用含氯離子外加劑、使用海砂、施工用水含氯離子、在含鹽環(huán)境中拌制澆注混凝土等；其二是“滲入”，環(huán)境中的氯離子通過混凝土的宏觀、微觀缺陷滲入到混凝土中，并到達鋼筋表面?！盎烊搿爆F(xiàn)象大都是施工管理的問題；而“滲入”現(xiàn)象則是綜合技術(shù)的問題，與混凝土材料多孔性、密實性、工程質(zhì)量，鋼筋表面混凝土層厚度等多種因素有關(guān)。
氯離子對鋼筋銹蝕機理：
1、破壞鈍化膜
水泥水化的高堿性使混凝土內(nèi)鋼筋表面產(chǎn)生一層致蜜的鈍化膜。鈍化膜只有在高堿性環(huán)境中才是穩(wěn)定的，當(dāng)pH＜11.5時，就開始不穩(wěn)定，當(dāng)pH＜9.88時該鈍化膜生成困難或已經(jīng)生存的鈍化膜逐漸破壞。Cl是極強的去鈍化劑，Cl進入混凝土到達鋼筋表面吸附于局部鈍化膜處時，可使該處的pH值迅速降低，可使鋼筋表面pH值降低到4以下，從而破壞鋼筋表面的鈍化膜。
2、形成腐蝕電池
如果在大面積的鋼筋表面上具有高濃度氯化物，則氯化物所引起的腐蝕可能是均勻腐蝕，但是在不均質(zhì)的混凝土中，常見的是局部腐蝕。腐蝕電池作用的結(jié)果是，在鋼筋表面產(chǎn)生蝕坑，由于大陰極對應(yīng)于小陰極，蝕坑發(fā)展十分迅速。
3、去極化作用
Cl不僅促成了鋼筋表面的腐蝕電池，而且加速了電池的作用。通常把使陽極過程受阻稱作陽極極化作用，而把加速陽極極化作用稱作去極化作用，Cl正是發(fā)揮了陽極去極化作用。
4、導(dǎo)電作用
混凝土中Cl的存在強化了離子道路，降低了陰陽極之間的歐姆電阻，提高了腐蝕電池的效率，從而加速了電化學(xué)腐蝕過程。