青岛海湾大桥混凝土耐久性设计方案研究朱晓庆’，王耀青’(1．青岛海湾大桥工程项目建设办公室，山东青岛266108；2．中交第一公路勘察设计研究院，陕西西安710075)摘要：青岛海湾大桥整体耐久性要求很高（设计使用年限为l00a），所处环境较为恶劣（海洋环境并遭受冻融等外部环境荷载），混凝土结构的耐久性很难通过单一措施保证，这就必然要求根据具体的环境条件和设计要求，有机组合多种技术措施，以保证整体耐久性达到设计要求。
根据青岛海湾大桥所处的特殊环境，介绍其对混凝土耐久性影响的作用机理，从而采取相应的耐久性设计方案，为今后特殊环境下桥梁混凝土结构耐久性方案设计提供参考。
关键词：耐久性；高性能混凝土；青岛海湾大桥中图分类号：U448．35 文献标识码：B1 工程概况青岛海湾大桥是青岛市道路交通网络布局中胶州湾东西岸跨海通道的重要组成部分。
青岛海湾大桥设计起点位于青岛侧胶州湾高速公路李村河大桥北200m处，北距环太原路立交720m，设李村河互通立交与胶州湾高速公路相接；终点位于黄岛侧胶州湾高速公路东]km处，顺接济青南线设计起点；中间设立红岛互通与拟建的红岛连接线相接。
路线全长26.707km，其中跨海大桥25.880km。
青岛海湾大桥全线设立三座主航道桥、两座互通立交，其中非通航孔桥均为50m或60m跨径的预应力混凝土连续箱梁或刚构，基础型式为群桩和独桩独柱两种，在互通范围内匝道桥分别为30m、50m左右不同跨径的预应力混凝土连续箱梁。
2 桥梁工程耐久性设计要求所谓混凝土的耐久性，是指在使用过程中，在内部的或外部的，人为的或自然的因素作用下，混凝土保持自身工作能力的一种性能。
或者说结构在设计使用年限内，抵抗外界环境或内部本身所产生的侵蚀破坏作用的能力。
青岛海湾大桥桥梁工程按照l00a设计基准期设计，对混凝土结构工程而言，要求使用寿命达到100a。
3 环境条件调查分析影响混凝土耐久性的因素有混凝土结构的内在因素和外在环境因素两个方面。
外在环境因素主要指气候、潮湿、高温、氯离子侵蚀、化学介质（酸、酸盐、海水、碱类等）侵蚀、冻融、磨蚀破坏等。
影响混凝土耐久性的外在环境因素与工程所处的环境条件有着密切的关系，环境条件调查分析的目的就是调查青岛海湾大桥桥梁工程混凝土结构所在地域环境条件，分析影响其耐久性的主要因素。
4 混凝土工程耐久性影响因素及其作用机理影响混凝土结构使用寿命的荷载可分为两大类，第一类是物理外力，如疲劳荷载、风荷载、海浪和水流冲击、地震力及意外事故撞击等等；第二类主要是化学或物理化学作用力，如：腐蚀、碳化、冻融、碱骨料反应等。
物理外力荷载主要由结构设计解决，本方案主要考虑化学或物理化学作用力荷载对耐久性的影响。
一般地，钢筋混凝土的破坏因素主要有：钢筋锈蚀作用、碳化作用、冻融循环作用、碱一集料反应、溶蚀作用、盐类侵蚀作用、冲击磨损等机械破坏作用。
对照环境负荷和腐蚀特点，青岛海湾大桥桥梁工程的环境条件属于典型的北方海洋性环境，其耐久性的主要影响因素是：首先，其处于北方地区，每年均有2—3个月左右的冰期，存在冻融循环引起混凝土破坏的可能；其次，从化学侵蚀和腐蚀方面，主要存在SO “侵蚀的混凝土腐蚀作用和C1 引起的钢筋锈蚀作用。
4.1 影响因素对于混凝土的耐久性问题，通常并不是冻融、化学腐蚀和碳化性能等单一破坏因素作用下的耐久性。
在实际工程中，结构混凝土的耐久性问题是一种在荷载的作用下碳化、CI 侵蚀、硫酸盐腐蚀或冻融等多种破坏因素交互作用的复杂问题。
青岛海湾大桥桥梁工程混凝土结构面临的主要耐久性因素可能是冻融循环与CI 、SO 侵蚀的复合作用，其影响程度对比如下：（1）硫酸盐侵蚀发挥作用后，和冻融循环破坏作用相互影响：冻融循环破坏作用下的混凝土的抗渗透性能逐渐下降，使硫酸盐溶液更容易渗透到混凝土内部，增加内部混凝土的硫酸盐浓度，使硫酸盐侵蚀速度加快；硫酸盐侵蚀作用使得混凝土产生膨胀而引起裂缝，混凝土强度下降，裂缝吸水以后会使该处的冻融破坏加剧，强度下降造成混凝土抵抗破坏能力的下降；冻融循环过程中的低温使硫酸盐侵蚀的化学反应速度变慢。
但是硫酸盐对混凝土的侵蚀作用，需要较长的时间才能发挥出来，一旦这种侵蚀作用得到发挥，在冻融循环的共同作用下，混凝土会迅速破坏。
然而，有研究表明，与冻融损伤相比，硫酸盐侵蚀作用比较缓慢，在水灰比较低的混凝土或高性能混凝土遭到冻融破坏时，硫酸盐侵蚀作用还没发挥出来；并且与混凝土内部组分产生的膨胀产物的化学反应与Na 和K 等的碱骨料反应等作用一样，可以通过控制混凝土内部组分来避免。
因此硫酸盐侵蚀相对于冻融损伤而言，作用程度较轻且缓慢，只要通过必要的混凝土选材、配制手段，可以抑制或延缓工程中硫酸盐的腐蚀问题。
（2）氯盐溶液可以加快混凝土在冻融循环过程中的动弹性模量和质量损失的速度，但不改变混凝土的冻融循环破坏机理和破坏形态。
而冻融循环作用引起的混凝土表面剥落、裂缝，减少了混凝土保护层的有效厚度，并且加速了CI 向钢筋表面聚集的速度。
由于CI 本身并不与混凝土中的组分发生过多的化学反应，而混凝土更为致密的结构也几乎是只能延缓而不可能完全阻止其向钢筋表面的集聚，由此CI 引起的钢筋锈蚀作用影响结构的整个寿命，是不可避免的。
CI 侵蚀作用和冻融循环作用的叠加效应是自始至终存在的，并且两者的叠加作用有互相加速的作用。
4.2 破坏作用冻融循环一一CI 侵蚀的复合作用是影响青岛海湾大桥桥梁工程混凝土结构耐久性的关键。
根据工程各部位所处环境不同，其耐久性破坏作用也不同：(1) 大气区海洋大气的一个主要特征就是大气中CI 含量较高。
同时大气区中，混凝土均处于低含水率状态，其冻融循环作用较弱或者基本不存在。
本工程中大气区混凝土构件，可以认为处于海洋性大气环境，其耐久性主要影响因素为氯离子侵蚀。
(2) 水位变动区、浪溅区水位变动区、浪溅区中混凝土的氯离子表面聚集程度相对较高，由于青岛胶州湾地区有一定时间的冰期，水位变动区、浪溅区混凝土处于高含水率状态，冻融循环作用明显。
因此对于水位变动区、浪溅区混凝土结构或构件，其耐久性主要影响因素为冻融循环一CI 侵蚀的复合作用。
(3) 水下区水下区氯离子侵蚀较为微弱，并且基本处于非冰冻区，因此其环境相对较为良好。
耐久性设计时仅对其作一般性考虑。
5 桥梁工程耐久性设计方案5.1 耐久性设计方案原则(1)满足海湾大桥100a设计基准期要求；(2)耐久性技术方案合理、科学、成熟，确保技术方案的可行性和可靠性；(3)设计方案因地制宜；(4)设计方案经济可行。
5.2 国内外混凝土工程耐久性的主要技术措施根据国内外相关科研和长期工程实践，当前提高钢筋混凝土工程耐久性的主要技术措施有：(1) 提高混凝土保护层厚度，这是提高钢筋混凝土使用寿命最为直接、简单而且经济有效的方法。
但是保护层厚度并不能不受限制地任意增加。
当保护层厚度过厚时，由于混凝土材料本身的脆性和收缩就会导致混凝土保护层出现裂缝，反而削弱其对钢筋的保护作用；(2) 钢筋混凝土构件外涂层；(3) 钢筋表面使用致密材料涂覆，如环氧涂层钢筋；(4) 混凝土中掺加钢筋腐蚀抑制剂即阻锈剂；(5) 混凝土结构采用阴极保护(防护)系统；(6) 高性能混凝土。
其技术途径是用高性能的优质水泥、级配良好的优质骨料、优质混凝土掺和料和新型高效减水剂，在优化级配的基础上，形成低水胶比、低缺陷、高耐久性的混凝土材料。
高性能混凝土具有高耐久性，特别是具有高的抗氯离子渗透性，同时还具有高强度、高工作性和高尺寸稳定性。
高性能混凝土的力学性能和耐久性性能远远优于传统混凝土，其主要原因在于低水胶比、高效减水剂以及高性能掺和材料的使用，使得混凝土基相密实度相对提高以及水泥颗粒的解聚和粒径范围的扩大所获得良好的微观结构。
此外，通过其他一些改善措施，如透水模板布等技术措施，可以有效避免高性能混凝土的早期裂缝、砂眼等表面缺陷，同时控制混凝土保护层的水胶比以达到提高高性能混凝土整体耐久性的效果。
青岛海湾大桥，整体耐久性要求很高（设计使用年限为100a），所处环境较为恶劣（海洋环境、并遭受冻融等外部环境荷载），混凝土结构的耐久性很难通过上述某单一措施保证，这就必然要求根据具体的环境条件和设计要求，有机组合上述若干种技术措施，以保证整体耐久性达到设计要求。
5.3 混凝土耐久性设计方案改善混凝土结构和钢筋混凝土结构耐久性，常需要采取根本措施和补充措施。
5.3.1 根本措施根本措施是设定合理必要的保护层厚度，并从材质本身的性能出发，提高混凝土材料本身的耐久性，即采用高性能混凝土；再找出破坏作用因素的主次先后，对主因和次因对症施治，并根据具体情况采取除高性能混凝土以外的补充措施，而两者的有机结合就是综合耐久性措施。
对于具体工程而言，耐久性方案的设计必须考虑当地的实际情况，如原材料的可及性，施工应用的可行性，以及经济上的合理性。
因此考虑到上述各项技术措施本身的特点及其在我国的具体应用情况，结合青岛海湾大桥的特定情况，提出以下设计方案，其技术路线如图1所示。
图1 青岛海湾大桥混凝土耐久性方案设计技术路线图从技术路线图可以看出，本设计方案由核心的根本措施（合理的保护层厚度与高性能混凝土技术），同时附加两种补充措施（混凝土表面保护与阴极保护技术）形成综合耐久性方案。
图1 青岛海湾大桥混凝土耐久性方案设计技术路线图5.3.2 补充措施(1) 对于箱梁腹板、底板等保护层厚度较小部位，其所处环境为大气区环境，环境条件相对较好，可用水泥基渗透结晶型混凝土外涂层对混凝土表面进行保护。
水泥基渗透结晶型混凝土外涂层在混凝土施工完毕后，随之进行。
一次施工完毕，养护一定时间后不再进行定期维护。
(2) 对于位于浪溅区、水位变动区等处的海上承台、墩柱、塔柱下部所处环境条件严酷的部位，可采用水泥基渗透结晶型混凝土外涂层对其混凝土表面进行保护。
水泥基渗透结晶型混凝土外涂层在混凝土施工完毕后，随之进行。
一次施工完毕，养护一定时间后不再进行定期维护。
(3) 对于主通航孔桥主塔、承台、辅助墩等部位的混凝土结构，由于结构重要且不易修复，采用外加电流阴极保护技术。
6 结论青岛海湾大桥耐久性方案设计是参考了国内诸如杭州湾大桥、东海大桥等滨海大桥设计的成功经验，根据青岛海湾大桥所处的特殊地理环境而作出的具体方案。
目前，青岛海湾大桥栈桥工程已经完成，所采用的混凝土耐久性方案设计已经应用于桥梁并取得了很好的效果，耐久性方案在栈桥上的应用为海湾大桥的主体工程建设提供了宝贵的经验和技术支持。
参考文献：[1] 混凝土耐久性研究与工程应用手册[M]．中国科技文化出版社。
2005．[2] 李金玉等．水工混凝土耐久性的研究和应用[M]．中国电力出版社．2004，11．[3] 金伟良混凝土结构耐久性设计与评估方法[M]．机械工业出版社。
