九江新長(zhǎng)江大橋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)分析

九江新長(zhǎng)江大橋位于現(xiàn)九江公鐵兩用大橋上游10．8公里處，南起江西昌九高速公路K8+000處，于江西省九江市現(xiàn)閻家渡碼頭上游約1公里處跨越長(zhǎng)江，北接湖北黃小高速公路小池K33+145．25處，連接江西省九江市與湖北省黃梅縣。路線全長(zhǎng)約25．14525公里，其中，跨江大橋(含主橋、副孔及引橋)長(zhǎng)5．58公里，主橋采用雙塔單側(cè)混合梁斜拉橋，主跨跨徑為818米，居目前已建和在建同類橋梁中的世界第六、國(guó)內(nèi)第三。其中跨長(zhǎng)江大橋和南岸接線共16．844公里由江西省負(fù)責(zé)投資建設(shè)，北岸接線8．30125公里由湖北省負(fù)責(zé)投資建設(shè)。全線采用高速公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，設(shè)計(jì)速度100公里／小時(shí)，路基寬度為33．5米，主橋橋面寬38．9米，副孔、引橋橋面寬33．5米；設(shè)計(jì)荷載采用汽車公路I級(jí)，設(shè)計(jì)洪水頻率為1／300(長(zhǎng)江大橋)和1／100(路基)，通航凈空高24米，橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為100年。

九江新長(zhǎng)江大橋所處環(huán)境的分區(qū)

我們對(duì)九江地區(qū)的大氣環(huán)境進(jìn)行了檢測(cè)，1月份最低溫度可以達(dá)到-2℃，出現(xiàn)過(guò)凍害降雪氣候(如2008年出現(xiàn)的凍雨氣候)；9月份出現(xiàn)過(guò)最高氣溫39℃；在3月份最高溫度和最低溫度溫差達(dá)到30．5℃。除了11月份之外，最高相對(duì)濕度都達(dá)了100%，而11月到下一年4月份最低相對(duì)濕度只有11%～24%，濕度交替變化也較明顯，但常年平均濕度達(dá)到了72%以上。

按照環(huán)境分類和環(huán)境作用等級(jí)，九江地區(qū)為典型的干濕交替和南方炎熱潮濕的露天環(huán)境，大橋橋梁主塔、墩柱等混凝土結(jié)構(gòu)和表面經(jīng)常淋雨，室外環(huán)境作用等級(jí)屬于I-C；考慮到冬季最低氣溫降低到負(fù)溫，并且有降雪，下雪后路面需要噴灑去冰冰鹽，大橋混凝土箱梁屬于有氯鹽腐蝕環(huán)境，可劃分為II-D類環(huán)境作用等級(jí)?？紤]到大橋設(shè)計(jì)使用壽命為100年和大橋受到多種作用的可能性，并且根據(jù)雨水分析結(jié)果，大橋混凝土與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)還受到酸雨作用，按照最嚴(yán)酷的V2-D類環(huán)境作用等級(jí)比較合理。

長(zhǎng)江水中可能對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響的氯離子、硫酸根離子的濃度分別為每立方米10858．6毫克和每立方米36098．3毫克，這個(gè)數(shù)據(jù)與海水環(huán)境的相應(yīng)離子含量相比，含量還是比較低；pH值為7.57，屬于中性偏堿。對(duì)岸邊土壤進(jìn)行化學(xué)分析表明，土壤中氯離子含量達(dá)到每千克57毫克，硫酸根離子含量達(dá)到每千克357毫克。按照《鋼筋混凝土耐久性設(shè)計(jì)與施工指南》規(guī)定，土中及地表、地下水對(duì)混凝土的腐蝕作用進(jìn)行分級(jí)。對(duì)比分析，可將九江新長(zhǎng)江大橋水下結(jié)構(gòu)部分環(huán)境影響等級(jí)定為B級(jí)，土下部分混凝土環(huán)境作用等級(jí)也為B級(jí)。由于其水中化學(xué)物質(zhì)多，考慮多項(xiàng)作用共同發(fā)生時(shí)可能加重后果，且氯離子和硫酸根離子處于相同的影響等級(jí)，綜合考慮將水下和土壤中鋼筋混凝土環(huán)境作用等級(jí)定為C級(jí)?？偟膩?lái)說(shuō)，九江新長(zhǎng)江大橋鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)部件的環(huán)境破壞作用等級(jí)評(píng)定如表1所示。

混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)

1.耐久性混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)容

九江新長(zhǎng)江大橋的主要結(jié)構(gòu)部件處于C或D類環(huán)境作用級(jí)別，參照CECS01《鋼筋混凝土耐久性設(shè)計(jì)與施工指南》中規(guī)定，結(jié)合實(shí)際工程設(shè)計(jì)要求，確定不同使用年限級(jí)別的結(jié)構(gòu)在不同環(huán)境作用等級(jí)下的耐久性。

基于耐久性混凝土材料設(shè)計(jì)。按照工程材料就地取材的原則，按照標(biāo)準(zhǔn)對(duì)原材料進(jìn)行檢測(cè)、比選；高性能混凝土配合比優(yōu)選；混凝土控制參數(shù)確定與量化檢測(cè)，主要要求穩(wěn)定的含氣量，由高性能外加劑控制。

基于結(jié)構(gòu)構(gòu)造

按照指南中關(guān)于保護(hù)層最小厚度的規(guī)定，設(shè)計(jì)使用100年的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在C-D級(jí)環(huán)境腐蝕作用的情況下，梁、柱等混凝土結(jié)構(gòu)厚度應(yīng)該在45～55毫米范圍內(nèi)，加上施工允許誤差5毫米，則鋼筋混凝土的保護(hù)層厚度為50～55毫米才能滿足耐久性設(shè)計(jì)要求，這與理論計(jì)算結(jié)果也比較吻合。按此規(guī)范規(guī)定，大厚度的墩柱等受壓構(gòu)件的保護(hù)層厚度適當(dāng)增多5毫米。索塔土下部位混凝土的保護(hù)層厚度應(yīng)不小于70毫米。同時(shí)我們也參考了杭州灣大橋保護(hù)層厚度的設(shè)置。

2.其他因素的作用

九江二橋位于典型的亞熱帶地區(qū)，嚴(yán)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(guò)控制混凝土組分來(lái)避免；這樣鋼筋銹蝕破環(huán)就成為最主要的腐蝕荷載。

混凝土中鋼筋銹蝕可由兩種因素誘發(fā)，一是水中氯離子侵蝕，二是大氣中的二氧化碳使混凝土中性化。九江二橋地處北亞熱帶南緣、東北季風(fēng)盛行區(qū)，國(guó)內(nèi)外大量工程調(diào)查和科學(xué)研究結(jié)果表明，這種環(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氯離子進(jìn)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。我們?cè)诰沤蛑苓呇睾４a頭調(diào)查中也證實(shí)，海洋環(huán)境中混凝土的碳化速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于氯離子滲透速度，中等質(zhì)量的混凝土自然碳化速度平均為3毫米/10年。因此，影響九江二橋結(jié)構(gòu)混凝土耐久性的首要因素是混凝土的氯離子滲透速度。

(1)氯離子對(duì)鋼筋銹蝕的影響

氯離子對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)中的混凝土和鋼筋都具有嚴(yán)重的腐蝕作用，我們把引起鋼去鈍化的鋼筋周圍混凝土孔隙的游離氯離子最高濃度，稱為混凝土的氯化物臨界濃度。根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)和施工指南》，氯離子臨界濃度均值為：W/B0.3時(shí)，水下區(qū)為2.3，浪濺區(qū)為0.9；W/B0.4時(shí)，水下區(qū)為2.1，浪濺區(qū)為0.8；W/B0.5時(shí)，水下區(qū)為1.6，浪濺區(qū)為0.5。

對(duì)水位變動(dòng)區(qū)的氯離子基本不會(huì)超過(guò)臨界值，不會(huì)對(duì)大橋造成滲透性破壞。而對(duì)于靠近浪濺區(qū)的大橋表面，100年后的氯離子含量可能會(huì)超過(guò)臨界氯離子含量，對(duì)大橋造成損害。所以建議需要采用表面防護(hù)。

(2)堿骨料對(duì)耐久性的影響

堿骨料反應(yīng)(AAR)是指混凝土中的堿與具有堿活性的骨料間發(fā)生膨脹性反應(yīng)。這種反應(yīng)引起明顯的混凝土體積膨脹和開(kāi)裂，改變混凝土的微結(jié)構(gòu)，使混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、彈性模量等力學(xué)性能明顯下降，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的安全使用性。表3列出了九江附近混凝土原材料中的堿含量數(shù)據(jù)。

3．防腐措施方案

考慮到大橋在實(shí)際使用環(huán)境下會(huì)面臨多種腐蝕因素的共同作用，以及應(yīng)力狀態(tài)下腐蝕過(guò)程的復(fù)雜性，加上混凝土結(jié)構(gòu)在施工和使用中難免發(fā)生開(kāi)裂等問(wèn)題，僅僅依靠混凝土保護(hù)層來(lái)防止鋼筋的銹蝕是不安全的，因此建議在大橋的重要結(jié)構(gòu)部位(箱梁、墩柱、浪濺區(qū)、水下部位)預(yù)先采取防護(hù)性涂層防護(hù)，并在設(shè)計(jì)階段考慮到更換防護(hù)涂層的使用通道和措施，并設(shè)計(jì)大橋主體結(jié)構(gòu)的質(zhì)量監(jiān)控措施。對(duì)于重要的可換部件，預(yù)先設(shè)計(jì)更換通道和設(shè)施。

耐久性設(shè)計(jì)方案確定后，建立耐久性檢測(cè)試驗(yàn)室，施工前期做好大橋構(gòu)件所處環(huán)境模擬工作，施工中混凝土結(jié)構(gòu)參數(shù)選定測(cè)試，大橋投入后耐久性監(jiān)測(cè)。