楊海成，徐振山，田雨，熊建波，王勝年

（1.中交四航工程研究院有限公司，水工構(gòu)造物耐久性技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510230；2.中鐵大橋局股份有限公司，湖北 武漢 430050；3.長(zhǎng)沙理工大學(xué)，湖南 長(zhǎng)沙 410114）

0 引言

青島海灣大橋橫跨膠州灣海域，是我國(guó)北方冰凍海域第一座特大型橋梁集群工程。橋區(qū)海域海水含鹽度高達(dá)2.94%～3.29%，為國(guó)內(nèi)目前跨海大橋含鹽量最高的項(xiàng)目，且橋位處一般從12月下旬到次年2月中旬為冰凍期，冰期在60 d左右，年平均自然凍融循環(huán)約47～52次。大橋遭受氯鹽侵蝕和凍融破壞雙重作用，尤其對(duì)處于水位變動(dòng)區(qū)和浪濺區(qū)的承臺(tái)和墩身等下部結(jié)構(gòu)，其耐久性問(wèn)題更加突出。因此如何有效提高嚴(yán)酷環(huán)境下青島海灣大橋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性是工程需要解決的技術(shù)難題。海工高性能混凝土已在我國(guó)重大土木工程中得到廣泛應(yīng)用，極大提高了結(jié)構(gòu)的使用壽命[1-3]?？紤]到青島海灣大橋嚴(yán)酷的服役環(huán)境，采用海工高性能混凝土通常并不足以確保大橋100 a設(shè)計(jì)使用壽命要求，尚需考慮與防腐蝕附加措施相結(jié)合。

表面涂層是利用成膜涂料在混凝土表面形成隔絕海水和鹽霧等有害介質(zhì)入侵的屏障，從而達(dá)到延長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性和設(shè)計(jì)使用壽命的要求[4]。然而不同涂層配套的實(shí)際防護(hù)效果差異性較大，需根據(jù)涂層材料的自身性能并結(jié)合服役環(huán)境特點(diǎn)，開(kāi)展針對(duì)性的試驗(yàn)研究。本文采用青島海灣大橋承臺(tái)、墩柱應(yīng)用的涂層配套體系和施工工藝，對(duì)暴露試件進(jìn)行防腐處理，并將暴露試件放置在青島海灣大橋常規(guī)暴露實(shí)驗(yàn)站進(jìn)行長(zhǎng)期暴露試驗(yàn)，研究了橋用混凝土涂層配套體系在北方冰凍海洋環(huán)境中的長(zhǎng)期防護(hù)效果，并分析了表面涂層對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性壽命的影響。

1 暴露試件制作及現(xiàn)場(chǎng)放置

1.1 原材料

采用山水PI 52.5水泥；選用青島家樑足球工貿(mào)有限公司生產(chǎn)的S95級(jí)粒化高爐礦渣粉；日照華能電廠I級(jí)粉煤灰；細(xì)集料采用萊西大沽河中粗砂，表觀密度2 600 kg/m3，含泥量1.0%，細(xì)度模數(shù)2.9；粗集料為沂水石灰?guī)r碎石，5～10mm及10～20 mm組合級(jí)配，含泥量0.3%，壓碎值11.8%，表觀密度2 700 kg/m3；減水劑為上海巴斯夫生產(chǎn)的RHEOPLUS 326，引氣劑為巴斯夫MICRO AIR 202?；炷僚浜媳纫?jiàn)表1。涂層體系見(jiàn)表2。

表1 混凝土配合比參數(shù)Table1 The concretem ix proportion penetration

表2 涂層體系組成Table2 The coating system composition

1.2 涂層涂裝工藝及現(xiàn)場(chǎng)放置

表面涂層試件的制作及養(yǎng)護(hù)工藝將模擬青島海灣大橋承臺(tái)、墩柱現(xiàn)場(chǎng)條件（圍堰干法施工），即暴露試件在室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)14 d后，拿到室外養(yǎng)護(hù)4 d，然后按照《青島海灣大橋涂層設(shè)計(jì)與防腐施工指南》[5]要求進(jìn)行表面處理及涂裝。試件涂裝后放置到青島海灣大橋常規(guī)暴露實(shí)驗(yàn)站水位變動(dòng)區(qū)和浪濺區(qū)[6]。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 涂層質(zhì)量情況

處于水位變動(dòng)區(qū)的涂層試件，表面生長(zhǎng)大量藤壺、海蠣子以及其它海洋生物，而浪濺區(qū)試件表面無(wú)明顯海洋浮生物的生長(zhǎng)，表面光亮整潔。清除涂層表面的海蠣子以及其他附著物后，發(fā)現(xiàn)涂層試件外觀保持良好，無(wú)粉化、起層現(xiàn)象，涂層與混凝土表面的黏結(jié)良好，未見(jiàn)涂層明顯開(kāi)裂、脫離等現(xiàn)象。

膠州灣海域地處中國(guó)的冰凍地區(qū)，凍融破壞同樣是影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的主要因素之一?；炷量紫吨凶杂伤窃斐山Y(jié)構(gòu)受凍破壞的最重要的原因之一。采用表面涂層可在混凝土結(jié)構(gòu)表面形成連續(xù)封閉膜，阻礙外界海水在混凝土中的滲透，降低混凝土的含水率，進(jìn)而可提高混凝土的抗凍性。取5 a暴露齡期試件，在顯微鏡下可觀測(cè)到涂層表面存在一些未封閉孔洞（見(jiàn)圖1），對(duì)處于平均潮位以下水位變動(dòng)區(qū)的涂層試件，在未封閉孔洞周邊的混凝土含水率相對(duì)較高，是涂層體系發(fā)生凍融破壞的薄弱環(huán)節(jié)。對(duì)水位變動(dòng)區(qū)和浪濺區(qū)涂層試件未封閉孔洞周邊情況進(jìn)行觀測(cè)，可見(jiàn)在孔洞周邊的涂層與混凝土之間光滑平整、黏結(jié)良好，無(wú)起鼓、脫落等破壞現(xiàn)象，說(shuō)明在經(jīng)歷5 a冰期凍融循環(huán)后（大約250次自然凍融循環(huán)）該表面涂層質(zhì)量依舊較好，涂層體系具有良好的抗凍性能。

圖1 顯微鏡下的涂層形貌Fig.1 The coatingmorphology under am icroscopically

圖2為水位變動(dòng)區(qū)涂層試件清除貝類等海洋生物后貝類與涂層接觸部位的情況，可見(jiàn)伴隨貝類的生長(zhǎng)其堅(jiān)硬的貝殼不斷嵌入涂層內(nèi)部而形成一條切割面，一定程度上影響了涂層的完整性和連續(xù)性，對(duì)表面涂層產(chǎn)生一定的破壞作用，因此對(duì)處于水位變動(dòng)區(qū)的混凝土結(jié)構(gòu)，應(yīng)適當(dāng)考慮海洋浮生物對(duì)涂層耐久性的影響。

圖2 海蠣生長(zhǎng)對(duì)涂層的影響Fig.2 Effectof theoyster grow th on the coating

涂層與混凝土之間的黏結(jié)強(qiáng)度是反映涂層質(zhì)量好壞的重要指標(biāo)。圖3為涂層黏結(jié)強(qiáng)度隨暴露齡期的變化趨勢(shì)，由圖3可知，混凝土涂層黏結(jié)強(qiáng)度隨時(shí)間有所提高，主要原因是由于涂層黏結(jié)強(qiáng)度測(cè)試時(shí)表面破壞類型以混凝土破壞為主，而混凝土隨著齡期的增長(zhǎng)，表面強(qiáng)度不斷提高，從而造成測(cè)試的涂層黏結(jié)強(qiáng)度有所提高。經(jīng)歷5 a現(xiàn)場(chǎng)暴露試驗(yàn)，涂層黏結(jié)力大于2.5 MPa，滿足JTG/T B07-01—2006《公路工程混凝土結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)范》的要求。

圖3 涂層黏結(jié)強(qiáng)度隨齡期變化Fig.3 The adhesive strength of coating changesw ith age

2.2 涂層防護(hù)效果

通過(guò)對(duì)取回的涂層暴露試件打磨清除混凝土表面涂層后，測(cè)量了不同深度混凝土氯離子含量（酸溶測(cè)試總氯離子含量）以及無(wú)涂層混凝土氯離子含量，見(jiàn)圖4。表面涂層混凝土在1～3 a暴露齡期時(shí)，氯離子未侵入混凝土內(nèi)部（內(nèi)部氯離子濃度與混凝土初始濃度基本相同，約為0.02%～0.03%），但隨暴露齡期的延長(zhǎng)，在經(jīng)歷5 a現(xiàn)場(chǎng)暴露試驗(yàn)，在距離混凝土表面1～3 mm距離內(nèi)已侵入少量的氯離子（約為0.1%左右），但相比無(wú)涂層混凝土，其氯離子含量低約4～7倍，而在距離表面更深處（≥4 mm）的氯離子濃度基本與初始濃度相同，說(shuō)明在涂層防護(hù)下氯離子僅在表層具有一定的積聚。盡管涂層表面存在一定數(shù)量的未封閉孔洞，但涂層整體防護(hù)效果較好，能夠有效延緩海水中氯離子對(duì)混凝土內(nèi)部的侵蝕。

圖4 氯離子含量檢測(cè)結(jié)果Fig.4 Test resultof chlorine ion content

2.3 表面涂層對(duì)海工混凝土結(jié)構(gòu)使用壽命影響的初步分析

混凝土在早齡期由于膠凝材料水化不充分而使內(nèi)部致密性不足，對(duì)抵抗外界有害介質(zhì)侵蝕的能力相對(duì)較弱，尤其對(duì)于以低水膠比、大摻量活性礦物摻合料為主要特征的海工高性能混凝土，早期水化過(guò)程更為緩慢，造成早齡期混凝土的耐久性不足。圖5為浪濺區(qū)混凝土試件不同齡期時(shí)的抗氯離子滲透性，可以看出：氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨混凝土齡期的延長(zhǎng)而降低，早期充分的養(yǎng)護(hù)可以顯著提高混凝土的抗氯離子侵蝕性能，56 d齡期前氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨混凝土齡期的延長(zhǎng)降低非常顯著，并且在現(xiàn)場(chǎng)同條件養(yǎng)護(hù)3～5 a時(shí)混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)仍有一定的降低，5 a齡期時(shí)混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)僅為0.72×10-12m2/s。說(shuō)明混凝土隨齡期的延長(zhǎng)，混凝土的致密性和抗海水氯離子侵蝕的能力得到較大提升。

圖5 不同齡期混凝土抗氯離子滲透性變化曲線Fig.5 Changing curve of the chloride ion penetration resistance in differentage

青島海灣大橋承臺(tái)、墩身等下部基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)場(chǎng)澆筑施工，由于海上作業(yè)條件差、海上氣候條件復(fù)雜多變等因素影響，易造成混凝土早期養(yǎng)護(hù)不足而過(guò)早暴露在海水中，從而極大地降低了結(jié)構(gòu)耐久性。承臺(tái)、墩身等混凝土結(jié)構(gòu)采用涂層涂裝防腐，涂裝時(shí)間為18 d。通過(guò)早期開(kāi)展混凝土表面涂裝，可有效隔絕海水與混凝土的接觸，延遲混凝土接觸海水的時(shí)間，從而確保了混凝土高致密性和高抗海水侵蝕性能。根據(jù)前述對(duì)現(xiàn)場(chǎng)涂層質(zhì)量的分析可知，該涂層體系在經(jīng)歷5 a自然暴露試驗(yàn)時(shí)涂層質(zhì)量和防護(hù)效果均較好，預(yù)計(jì)涂層可使用年限（涂層完全剝離時(shí)間）至少在10 a以上。假設(shè)此時(shí)混凝土完全暴露在海水中，根據(jù)JTS 257-2—2012《海港工程高性能混凝土質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)》計(jì)算青島海灣大橋混凝土結(jié)構(gòu)使用壽命遠(yuǎn)大于100 a。

3 結(jié)語(yǔ)

1）膠州灣海洋環(huán)境下5 a暴露試驗(yàn)表明：涂層自身質(zhì)量和防護(hù)效果均較好，與混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度大于2.5MPa，可有效提高混凝土的抗氯離子侵蝕性能，混凝土表層侵入的氯離子含量低約4～7倍。

2）表面涂層是一種有效的防腐蝕技術(shù)措施，可顯著提高嚴(yán)酷環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命，適用于水位變動(dòng)區(qū)和浪濺區(qū)混凝土結(jié)構(gòu)的表面防腐，但藤壺等貝類海洋生物對(duì)水位變動(dòng)區(qū)的涂層具有一定的破壞作用，應(yīng)適當(dāng)考慮海洋生物對(duì)涂層材料自身性能和防護(hù)效果的影響。

3） 表面涂層可有效延遲混凝土接觸海水時(shí)間，確保了混凝土致密性和高抗海水氯離子侵蝕性能的形成，為解決海上現(xiàn)澆混凝土過(guò)早暴露在氯鹽環(huán)境中提供了新的技術(shù)途徑。

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